Процессы намагничивания ферромагнетиков

Магнитная анизотропия. В монокристаллах ферромагнетиков имеются направления легкого и трудного намагничивания (рис. 11.4), число которых определяется симметрией кристаллической решетки. При отсутствии внешнего поля магнитные моменты доменов самопроизвольно ориентируются вдоль оси легкого намагничивания. На поворот вектора намагниченности в направление трудного намагничивания затрачивается энергия внешнего магнитного поля. Ее вычисляют по площади фигуры, ограниченной кривыми намагничивания в направлениях соответствующих кристаллографических осей.

Процесс намагничивания. Зависимость магнитной индукции от напряженности внешнего магнитного поля называют кривой намагничивания (рис. 11.4). Увеличение индукции связано со смещением доменных границ и поворотом магнитных моментов доменов.

В слабых полях имеет место обратимое (упругое) смещение доменных границ. Увеличивается объем тех доменов, магнитные моменты которых направлены по оси легкого намагничивания и образуют наименьший угол с направлением внешнего поля. Размеры доменов, у которых угол наибольший – уменьшаются (см. рис 11.5, область I). После снятия поля доменные границы возвращаются в прежнее положение; остаточная намагниченность не возникает.

В более сильных полях (см. рис 11.5, область II) смещение доменных границ носит необратимый, скачкообразный характер (эффект Баркгаузена). В процессе участвует большое количество доменов, кривая намагничивания становится круче.

При дальнейшем увеличении поля (область III) возрастает вклад второго механизма намагничивания – поворота магнитных моментов доменов из направления легкого намагничивания в направлении поля (направлении трудного намагничивания).

В сильных полях (область IV) наступает состояние технического насыщения намагниченности – все магнитные моменты доменов ориентируются вдоль поля. Параллельное расположение спиновых моментов в домене имеет место при очень низких температурах. При повышении температуры упорядоченность в расположении спинов нарушается. Внешнее поле возвращает разориентированные спины к параллельной ориентации. Намагниченность отдельного домена увеличивается – это истинное намагничивание (парапроцесс). Увеличение индукции, связанное со смещением доменных границ и поворотом магнитных моментов доменов, называют техническим намагничиванием.

Различные процессы намагничивания перекрывают друг друга. На характер кривых оказывают влияние: магнитострикция, механические напряжения, дефекты решетки, немагнитные включения и др.

Магнитная проницаемость, определяемая по формуле

,

называется статической. Она пропорциональна тангенсу угла наклона прямой, проведенной из начала координат через соответствующую точку на основной кривой намагничивания. Зависимость показана на рис. 11.5. Нарастающий участок этой кривой обусловлен большими изменениями намагниченности при небольшом увеличении Н за счет необратимых процессов намагничивания ферромагнетика. В области сильных магнитных полей уменьшение μ связано с насыщением намагниченности. Начальная магнитная проницаемость характеризует способность ферромагнетика намагничиваться в слабых полях. Максимальная магнитная проницаемость μ_max соответствует тангенсу угла касательной, проведенной из начала координат к основной кривой намагничивания (см. рис. 11.5).

Зависимость , измеренная при разных значениях напряженности магнитного поля Н ₁ < Н ₂ < Н ₃ < Н ₄, показана на рис. 11.6. Начальная магнитная проницаемость (Н ₁ = 0,1 А/м) имеет выраженный максимум при температуре чуть ниже точки Кюри (Т _к). Увеличение с ростом температуры связано с уменьшением констант кристаллографической магнитной анизотропии и магнитострикции: ослабляются силы, препятствующие смещению доменных границ и повороту магнитных моментов доменов. В сильных полях (области насыщения) зависимости более пологие.

У большинства ферромагнитных материалов в области парапроцесса намагниченность практически не меняется, у сплавов инварного типа (Fe–Ni) – увеличивается. Парапроцесс сопровождается большой объемной магнитострикцией, которая искажает форму и изменяет линейные размеры доменов. Это наблюдается как при воздействии внешнего поля, так и при самопроизвольной намагниченности доменов (внешнее поле отсутствует) при температурах ниже точки Кюри.

Наилучшее размагничивание ферромагнетика достигается при нагреве выше точки Кюри. В технике для размагничивания обычно используют переменное магнитное поле с убывающей амплитудой.

Магнитострикция – изменение линейных размеров и формы ферромагнетика при изменении магнитного состояния.

Спонтанная магнитострикция возникает при переходе вещества из парамагнитного в ферромагнитное состояние при охлаждении ниже температуры Кюри.

Линейная (индуцированная) магнитострикция – искажение кристаллической решетки под действием внешнего поля, т. е. величина относительной деформации образца в направлении магнитного поля. Линейная магнитострикция зависит от типа структуры, кристаллографического направления, напряженности магнитного поля и температуры. Она бывает положительной и отрицательной: при намагничивании размеры образца в направлении поля увеличиваются или уменьшаются.

Константа магнитострикции – относительная линейная магнитострикционная деформация при магнитном насыщении. Магнитострикция сопровождается появлением внутренних напряжений и деформаций, которые препятствуют смещению доменных границ. Магнитострикция и кристаллографическая магнитная анизотропия затрудняют процесс намагничивания ферромагнетика в слабых полях. Высокой магнитной проницаемостью обладают те материалы, у которых константы магнитострикции и магнитной анизотропии близки к нулю.

Магнитный гистерезис – отставание намагниченности или магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Если проводить цикл перемагничивания ферромагнетика, то получим замкнутую кривую, называемую петлей гистерезиса (рис. 11.7). Таких петель можно получить множество в зависимости от значения максимальной индукции, достигаемой при перемагничивании. Форма петли для данного материала зависит от напряженности поля. Гистерезисную петлю, полученную при условии насыщения, называют предельной.

При намагничивании ферромагнетика до насыщения В_S и отключении внешнего поля остаточная индукция В_r не равна нулю. Для размагничивания надо приложить магнитное поле противоположного направления с напряженностью Н_с – коэрцитивную силу.

Магнитные потери. Перемагничивание ферромагнетиков в переменных полях сопровождается потерями энергии, вызывающими нагрев материала. Они складываются из потерь на гистерезис и вихревые токи.

Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания (период изменения поля), отнесенные к единице объема, пропорциональны площади статической петли гистерезиса – петли, полученной при медленном изменении магнитного потока.

Потери на вихревые токи связаны с возникновением в сердечнике в переменном магнитном поле эдс индукции и вихревых токов. Вихревые токи возникают в плоскости, расположенной перпендикулярно магнитному полю (см. рис. 11.8).

Потери на гистерезис пропорциональны частоте тока в первой степени, на вихревые токи – квадрату частоты. На высоких частотах потери на вихревые токи составляют 80–90 %. С целью их уменьшения применяют материал с повышенным электрическим сопротивлением, либо собирают сердечник из тонких листов, изолированных друг от друга.

Потери на магнитное последействие обусловлены отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Намагниченность ферромагнетика после отключения внешнего поля исчезает не мгновенно – от долей миллисекунды, до нескольких минут. Время установления стабильного магнитного состояния возрастает с понижением температуры. Одной из основных причин магнитного последействия является тепловая энергия, которая помогает слабо закрепленным доменным границам преодолевать энергетические препятствия (барьеры), мешающие их свободному смещению при изменении поля. Рассмотренное явление называют магнитной вязкостью.