Магнитные свойства материалов

Все материалы, помещенные во внешнее магнитное поле, намагничиваются. Намагничивание связано с наличием у атомов молекул магнитного момента. Для единичного атома он равен: =, где - орбитальные моменты электронов; - спинные моменты электронов и ядра.

Характеристикой намагничивания материалов является намагниченность, равная сумме магнитных моментов атомов единице объёма: (для однородного намагниченного материала). Магнитная восприимчивость дает связь намагниченности с напряженностью внешнего магнитного поля: χ = J/H.

В зависимости от знака и величины χ материалы делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферро-(ферри-)магнетики.

Диамагнетизм – свойство материалов намагничиваться во внешнем магнитном поле в направлении противоположном полю. Диамагнетизм присущ всем веществам, но проявляется только когда все спинные и орбитальные моменты в атоме скомпенсированы или диамагнитный эффект преобладает над не скомпенсированным М. Диамагнетики имеют отрицательную магнитную восприимчивость (χ=). Без поля они немагнитные и выталкиваются из внешнего магнитного поля.

Парамагнетики обладают положительной магнитной восприимчивостью (χ = ) поскольку элементарные магнитные моменты в атоме нескомпенсированы (). Они слабо намагничиваются по направлению внешнего поля, а в отсутствии поля – немагнитные. В парамагнетиках постоянные магнитные моменты атомов разориентированы в пространстве из-за теплового движения. Под действием внешнего магнитного поля получают преимущественную ориентацию, т.е. .

Ферро-(ферри)магнетики характеризуются большим значением магнитной восприимчивости (χ1) и её нелинейной зависимостью от напряженности поля и температуры. Ферромагнетизм - магнитоупорядоченное состояние макроскопических объёмов материала (доменов), в котором магнитные моменты атомов (ионов) ориентированы в одном направлении. Домены – обладают магнитным моментом (самопроизвольной намагниченностью) в отсутствии внешнего магнитного поля.

Антиферромагнетики – материалы, в которых магнитные моменты соседних атомов ориентированы на встречу друг другу (антипараллельно), и поэтому в отсутствии внешнего магнитного поля их намагниченность равна 0.Ферримагнетики – антиферромагнетики с не скомпенсированными магнитными моментами, поэтому они имеют результирующий магнитный момент, доменную структуру и ведут себя во внешнем магнитном поле подобно ферромагнетикам. Ферро - и ферримагнетики называют сильномагнитными материалами в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков. Схематичное изображение магнитной упорядоченности в указанных магнитных материалах приведено на рис.1.26.

Магнитная восприимчивость χ сильно зависит от температуры: у парамагнетиков – уменьшается с ростом Т; у ферромагнетиков – увеличивается, достигая максимума в точке Кюри θ, т.е. при температуре фазового перехода 2 рода. При температуре Кюри исчезает самопроизвольная намагниченность ферро - и ферримагнетиков и они переходят в парамагнитное состояние.

Основной характеристикой магнитного поля в веществе является магнитная индукция . Она связана с напряженностью магнитного поля и намагниченностью следующим соотношением: , где Гн/м- магнитная постоянная. С учетом выражения для изотропных материалов: , где χ – магнитная проницаемость, характеризующая интенсивность роста магнитной индукции при увеличении напряженности намагничивающего поля.

Рис.1.26. Ориентация магнитных моментов в слабо- и сильномагнитных

материалах

При намагничивании сильномагнитных материалов в переменных магнитных полях наблюдается гистерезис – отставание (запаздывание) от . Изменение индукции с ростом напряженности внешнего магнитного поля (1-ое намагничивание) описывается кривой 1 на рис.1.27.

Домены разворачиваются по направлению Н и в сильном магнитном поле материал намагничивается до насыщения (точка А), что соответствует однодоменной структуре с индукцией . При уменьшении индукция В будет уменьшаться с запаздыванием по кривой 2 за счет возникновения и роста доменов с магнитным моментом, ориентируемым против внешнего поля. При Н = 0 в образце сохранится остаточная намагниченность, которой соответствует остаточная индукция . Поле, необходимое для размагничивания образца от до 0, называется коэрцитивной силой - Н. При дальнейшем увеличении напряженности размагничивающего поля образец перемагничивается, т.е. намагничивается до отрицательной индукции насыщения - (точка D). Перемагничиванию образца соответствует кривая 3 (точки -).

Рис.1.27. Петля гистерезиса ферро-(ферри-)магнетиков

Рассмотренная петля гистерезиса называется предельной, если амплитуда Н не обеспечивает достижения насыщения и -, то это непредельная петля гистерезиса. Уменьшая амплитуду Н до 0 и повторяя цикл перемагничивания, можно полностью размагнитить образец, т.е. перейти в точку 0.

Среди других параметров характеризующих функциональные свойства магнитных материалов следует отметить: и ; ; магнитные потери, , , и другие.