Процессы перемагничивания ферромагнетика домены

Перемагничивание и коэрцитивная сила

Материалы, обладающие большой магнитной проницаемостью, называют ферромагнитными. К ним относятся железо, никель, кобальт и их сплавы. Оказавшись во внешнем магнитном поле, эти материалы значительно усиливают его. Это явление упрощенно можно объяснить таким образом.

Ферромагнитные материалы имеют области самопроизвольного намагничивания. Магнитное состояние каждой из таких областей характеризуется вектором намагниченности. Векторы намагниченности отдельных областей (доменов) ориентированы случайным образом. Поэтому намагниченность ферромагнитных тел в отсутствие внешнего магнитного поля не проявляется.

Если ферромагнитное тело поместить во внешнее магнитное поле, то под его воздействием произойдут изменения, в результате которых векторы намагниченности отдельных областей самопроизвольного намагничивания будут ориентированы в направлении внешнего поля. Индукция результирующего магнитного поля будет определяться как индукцией внешнего поля, так и магнитной индукцией отдельных, доменов, т.е. результирующее значение индукции будет намного превышать ее начальное значение. Таким образом, суммарное магнитное поле значительно превысит внешнее поле.

Если через катушку пропускать ток, меняющий свое направление, то сердечник будет перемагничиваться. Рассмотрим этот процесс (рисунок 2.2). При увеличении тока в катушке магнитная индукция возрастает до индукции насыщения (точка а). При уменьшении тока магнитная индукция снижается но так, что при тех же значениях Н она оказывается больше значений магнитной индукции, соответствующих увеличению тока. Это объясняется тем, что часть доменов еще сохраняет свою ориентацию. Таким образом, при H = 0 в сердечнике сохраняется магнитное поле, характеризуемое остаточной индукцией В_r (точка b). При увеличении тока в противоположном направлении магнитное поле катушки компенсирует магнитное поле, созданное доменами сердечника. При напряженности поля Н_c (точка с), которая называется коэрцитивной силой, результирующая магнитная индукция окажется равной нулю. Дальнейшее увеличение тока в катушке вызовет перемагничивание сердечника, т.е. поворот векторов намагниченности на 180°. При некотором значении Н (точка d) сердечник снова будет насыщаться. При уменьшении тока в катушке до нуля индукция будет уменьшаться до остаточной индукции (точка е). Увеличение тока в положительном направлении вызовет намагничивание сердечника до исходного состояния (точка а). Полученную кривую называют петлей гистеризиса (запаздывания). Участок 0-а характеристики намагничивания называют основной кривой намагничивания.

Рисунок 1.2 – Схема процесса циклического перемагничивания

Процесс перемагничивания связан с затратами энергии и сопровождается выделением теплоты. Энергия, которая затрачивается за один цикл перемагничивания, пропорциональна площади, ограниченной петлей гистеризиса. В зависимости от вида петли гистеризиса ферромагнитные материалы подразделяют на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие материалы обладают круто поднимающейся основной кривой намагничивания и относительно малыми площадями гистеризисных петель. Для магнитотвердых материалов характерны пологость основной кривой намагничивания и большая площадь гистеризисной петли. На рисунке 1.3, а – в приведены петли гистерезиса для различных материалов.

а – электротехническая сталь (магнитомягкий материал); б – пермаллой (магнитомягкий материал); в – магнико (магнитотвердый материал)

Рисунок 1.3 – Петли гистерезиса для различных материалов

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 Н₁

Намагничивание и магнитные материалы

Наличие у вещества магнитных свойств проявляется в изменении параметров магнитного поля по сравнению с полем в немагнитном пространстве. Происходящие физические процессы в микроскопическом представлении связывают с возникновением в материале под воздействием магнитного поля магнитных моментов микротоков , объёмная плотность которых называется вектором намагниченности .

Возникновение намагниченности в веществе при помещении его в магнитное поле объясняется процессом постепенной преимущественной ориентации магнитных моментов циркулирующих в нём микротоков в направлении поля. Подавляющий вклад в создание микротоков в веществе вносит движение электронов : спиновое и орбитальное движение связанных с атомами электронов, спиновое и свободное движение электронов проводимости.

По магнитным свойствам все материалы подразделяются на парамагнетики , диамагнетики , ферромагнетики , антиферромагнетики и ферриты . Принадлежность материала к тому или иному классу определяется характером отклика магнитных моментов электронов на магнитное поле в условиях сильных взаимодействий электронов между собой в многоэлектронных атомах и кристаллических структурах.

Диамагнетики и парамагнетики относятся к материалам со слабыми магнитными свойствами. Значительно более сильный эффект намагничивания наблюдается у ферромагнетиков.

Магнитная восприимчивость (отношение абсолютных значений векторов намагниченности и напряженности поля) у таких материалов положительная и может достигать нескольких десятков тысяч. У ферромагнетиков образуются области самопроизвольной спонтанной однонаправленной намагниченности — домены.

Ферромагнетизм наблюдается у кристаллов переходных металлов: железа, кобальта, никеля и у ряда сплавов.

При наложении внешнего магнитного поля с возрастающей напряженностью векторы спонтанной намагниченности, изначально ориентированные в разных доменах по-разному, постепенно выстраиваются в одном направлении. Этот процесс называется техническим намагничиванием . Он характеризуется кривой начального намагничивания — зависимостью индукции или намагниченности от напряженности результирующего магнитного поля в материале.

При относительно небольшой напряженности поля (участок I) происходит быстрое возрастание намагниченности преимущественно из-за увеличения размеров доменов, имеющих ориентацию намагниченности в положительной полусфере направлений векторов напряженности поля. Одновременно пропорционально сокращаются размеры доменов в отрицательной полусфере. В меньшей степени изменяются размеры тех доменов, намагниченность которых ориентирована ближе к плоскости, ортогональной вектору напряженности.

При дальнейшем увеличении напряженности преобладают процессы поворота векторов намагниченности доменов по полю (участок II) до достижения технического насыщения (точка S). Последующему возрастанию результирующей намагниченности и достижению одинаковой ориентации всех доменов по полю препятствует тепловое движение электронов. Область III близка по характеру процессов к парамагнетикам, где увеличение намагниченности происходит из-за ориентации немногих спиновых магнитных моментов, дезориентированных тепловым движением. С увеличением температуры дезориентирующее тепловое движение усиливается и намагниченность вещества уменьшается.

Для конкретного ферромагнитного материала существует определенная температура, при которой ферромагнитное упорядочение доменной структуры и намагниченности исчезают. Материал становится парамагнитным. Эта температура носит название точки Кюри. Для железа точка Кюри соответствует 790 °С для никеля — 340 °С, для кобальта — 1150 °С.

Снижение температуры ниже точки Кюри вновь возвращает материалу магнитные свойства: доменную структуру с нулевой результирующей намагниченностью, если при этом отсутствовало внешнее магнитное поле. Поэтому разогрев изделий из ферромагнитных материалов выше точки Кюри используют для их полного размагничивания.

Кривая начального намагничивания

Процессы намагничивания ферромагнитных материалов подразделяются на обратимые и необратимые по отношению к изменению магнитного поля. Если после снятия возмущения внешнего поля намагниченность материала возвращается в исходное состояние, то такой процесс обратимый, в противном случае — необратимый.

Обратимые изменения наблюдаются на малом начальном отрезке участка I кривой намагничивания (зона Релея) при малых смещениях доменных стенок и на участках II, III при повороте векторов намагниченности в доменах. Основная часть участка I относится к необратимому процессу перемагничивания, который в основном определяет гистерезисные свойства ферромагнитных материалов (отставание изменений намагниченности от изменений магнитного поля).

Петлей гистерезиса называют кривые, отражающие изменение намагниченности ферромагнетика под воздействием циклически изменяющегося внешнего магнитного поля.

При испытаниях магнитных материалов петли гистерезиса строятся для функций параметров магнитного поля В (Н) или М (Н), которые имеют смысл результирующих параметров внутри материала в проекции на зафиксированное направление. Если материал предварительно был полностью размагничен, то постепенное увеличение напряженности магнитного поля от нуля до Hs дает множество точек начальной кривой намагничивания (участок 0-1).

Точка 1 — точка технического насыщения (Вs, Hs). Последующее снижение напряженности Н внутри материала до нуля (участок 1-2) позволяет определить предельное (максимальное) значение остаточной намагниченности Br и дальнейшим уменьшением отрицательной напряженности поля добиться полного размагничивания B = 0 (участок 2-3) в точке Н = -НсВ — максимальной коэрцитивной силы по намагниченности.

Далее материал перемагничивается в отрицательном направлении до насыщения (участок 3-4 ) при Н = — Hs. Изменение напряженности поля в положительную сторону замыкает предельный гистерезисный цикл по кривой 4-5-6-1.

Множество состояний материала внутри предельного гистерезисного цикла может быть достигнуто при изменении напряженности магнитного поля , соответствующем частным симметричным и несимметричным гистерезисным циклам .

Магнитный гистерезис: 1 – кривая начального намагничивания; 2 – предельный гистерезисный цикл; 3 – кривая основного намагничивания; 4 – симметричные частные циклы; 5 – несимметричные частные циклы

Частные симметричные гистерезисные циклы опираются вершинами на кривую основного намагничивания , которая и определяется как множество точек вершин этих циклов до совпадения с предельным циклом.

Частные несимметричные гистерезисные циклы образуются, если начальная точка не находится на кривой основного намагничивания при симметричном изменении напряженности поля, а также при несимметричном изменении напряженности поля в положительном или отрицательном направлении.

В зависимости от значений коэрцитивной силы ферромагнитные материалы разделяют на магнитомягкие и магнитотвёрдые .

Магнитомягкие материалы используются в магнитных системах как магнитопроводы . Эти материалы имеют малую коэрцитивную силу, высокую магнитную проницаемость и индукцию насыщения.

Магнитотвёрдые материалы имеют большую коэрцитивную силу и в предварительно намагниченном состоянии используются как постоянные магниты – первичные источники магнитного поля .

Существуют материалы, которые по магнитным свойствам относятся к антиферромагнетикам . У них оказывается энергетически более выгодным антипараллельное расположение спинов соседних атомов. Созданы антиферромагнетики, обладающие значительным собственным магнитным моментом из-за асимметрии кристаллической решётки . Такие материалы называются ферримагнетиками (ферритами) . В отличие от металлических ферромагнитных материалов, ферриты – полупроводники и в них значительно меньшие потери энергии на вихревые токи в переменных магнитных полях.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Перемагничивание — ферромагнетик

Перемагничивание ферромагнетика связано с поворотом областей спонтанной намагниченности. Работа, необходимая для этого, совершается за счет энергии внешнего магнитного поля. Можно показать, что количество теплоты, выделяющейся при перемагничивании, пропорционально площади петли гистерезиса. [1]

Перемагничивание ферромагнетиков может происходить двумя различными процессами: смещением доменных границ ( постепенный рост доменов, ориентированных по направлению внешнего поля, за счет других доменов) и вращением вектора намагниченности в сторону внешнего поля. Время протекания процессов и определяет скорость перемагничивания ферромагнетика. Первый процесс является более инерционным ( он сопровождается магнитной вязкостью, трением) и занимает больше времени, чем второй. Строго говоря, в любом перемагничивании участвуют оба процесса, но преимущественное протекание того или иного процесса зависит от ряда факторов, одним из которых является величина объема ферромагнетика. Принципиальным отличием тонких пленок от объемных ферромагнетиков является то, что при небольших значениях перемагничивающего поля они могут перемагничиваться преимущественно вращением вектора намагниченности. [2]

Перемагничивание ферромагнетиков может происходить двумя различными процессами. Время протекания процессов и определяет скорость перемагничивания ферромагнетика. Первый процесс является более инерционным ( он сопровождается магнитной вязкостью, трением) и занимает больше времени, чем второй. Строго говоря, в любом перемагничивании участвуют оба процесса, но преимущественное протекание того или иного процесса зависит от ряда факторов, одним из которых является величина объема ферромагнетика. Принципиальным отличием тонких пленок от объемных ферромагнетиков является то, что при небольших значениях перемагничивающего поля они могут перемагни-чиваться преимущественно вращением вектора намагниченности. [3]

Перемагничивание ферромагнетиков связано с затратой энергии, которая, превращаясь в тепло, вызывает нагрев материала. [5]

При перемагничивании ферромагнетиков в магнитном поле возникает несколько видов энергетических потерь. Потери на гистерезис или перемагничивание для магнитомягких материалов невелики, в отличие от тепловых удельных потерь, связанных с возникновением токов Фуко. [6]

При перемагничивании ферромагнетиков в переменных магнитных полях наблюдаются потери тепловой энергии. Эти потери обусловлены потерями на гистерезис и потерями динамическими. Динамические потери вызываются прежде всего вихревыми токами. [7]

При перемагничивании ферромагнетиков в переменных магнитных полях всегда возникают потери энергии, приводящие к нагреву. Эти потери обусловлены потерями на гистерезис и динамическими потерями. Динамические потери вызываются прежде всего вихревыми токами, индуктированными в массе магнитного материала, и частично так называемым магнитным последействием, или магнитной вязкостью. [8]

При перемагничивании ферромагнетиков в переменных магнитных полях всегда наблюдаются потери энергии в форме тепла. Эти потери обусловлены потерями на гистерезис и потерями динамическими. [9]

При перемагничивании ферромагнетиков в переменных магнитных полях всегда наблюдаются потери энергии в форме тепла. Они обусловлены потерями на гистерезис и дина — j мическимипотерями. [10]

Рассмотрим процесс перемагничивания ферромагнетиков , который имеет место в цепях переменного тока. [11]

Рассмотрим процесс перемагничивания ферромагнетиков , который имеет место при работе их в цепях переменного тока. [12]

Рассмотрим процесс перемагничивания ферромагнетиков при работе их в цепях переменного тока. [14]

Процессы намагничивания и перемагничивания ферромагнетиков

Кривая намагничивания представляет собой зависимость магнитной индукции ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля. Типичная кривая намагничивания В (Н) поликристаллического ферромагнетика показана на рис. 45. Возрастание индукции от намагничивающей напряженности обусловлено двумя основными процессами: смещением границ доменов и поворотом их магнитных моментов.

I Слабое поле. На этом этапе происходит обратимое (упругое) смещение доменных границ. Увеличиваются домены векторы, намагниченности которых близко ориентированы в направлении намагничивающей напряженности за счет уменьшения доменов с неблагоприятной ориентировкой. При снятии внешнего поля доменные границы возвращаются в исходное положение. Остаточной намагниченности нет.

II Более сильное поле. Происходит необратимое смещение границ доменов, индукция интенсивно возрастает, кривая намагничивания имеет максимальную крутизну, домены с неблагоприятной ориентировкой вектора намагниченности исчезают.

Рис. 45. Зависимость магнитной индукции В и магнитной проницаемости μ от напряженности внешнего магнитного поля

III Сильное поле. Действует второй механизм намагничивания

механизм вращения, т.е. векторы намагниченности доменов из направления легкого намагничивания поворачиваются в направлении поля и при полной их ориентации вдоль поля наступает техническое насыщение, которому соответствует индукция Bs и напряженность Hs. Основные стадии технического намагничивания схематично показаны на рис. 46.

Рис. 46. Схема ориентации спинов в доменах при намагничивании ферромагнетика

IV Н > Нs область парапроцесса, когда происходит приращение намагниченности доменов путем дополнительной ориентации спиновых моментов атомов, несколько разорентированных тепловым движением.

В отличие от технического намагничивания, намагничивание с парапроцессом называется истинным намагничиванием.

Следует отметить, что у подавляющего большинства ферромагнитных материалов в области парапрацесса намагниченность практически не меняется (рис. 45, IV, пунктирная линия). Однако у некоторых сплавов системы Fe-Ni (сплавы инварного типа) намагниченность в области парапроцесса увеличивается (рис. 45, IV, сплошная линия). В сплавах инварного типа парапроцесс сопровождается большой объемной магнитострикцией, которая искажает форму и изменяет линейные размеры доменов. Это наблюдается как при воздействии внешнего поля при H > Hs, так и при самопроизвольной намагниченности доменов (внешнее поле отсутствует), при температурах ниже точки Кюри Tк.

Магнитная проницаемость, определяемая по формуле (5.3)

μ = В/Во = В/μоН, называется статической магнитной проницаемостью. Она пропорциональна тангенсу угла наклона секущей, проведенной из начала координат через соответствующую точку на основной кривой намагничивания. Зависимость μ(Н) показана на рис. 45. Восходящий участок этой кривой обусловлен сильными 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 μн характеризует способность ферромагнетика намагничиваться в слабых полях. Её определяют при напряженности порядка 0,1А/м.

Максимальная магнитная проницаемость μmax соответствует тангенсу угла касательной, проведенной из начала координат к основной кривой намагничивания. Температурная зависимость магнитной проницаемости μ(Т), измеренная при разных значениях напряженности поля Н1