Mágnesezés és mágneses anyagok

A mágneses tulajdonságokkal rendelkező anyag jelenléte a mágneses tér paramétereinek változásában nyilvánul meg a nem mágneses térben lévő térhez képest. A mikroszkópos ábrázolásban fellépő fizikai folyamatok azzal járnak, hogy az anyagban mágneses tér hatására mágneses momentumok jelennek meg mikroáramok, amelyek térfogatsűrűségét mágnesezési vektornak nevezzük.

A mágnesezettség megjelenése az anyagban, amikor behelyezi azt mágneses mező magyarázza a folyamat fokozatos preferenciális orientáció mágneses momentumok keringenek benne mikroáramok a tér irányába. Az anyagban a mikroáramok létrehozásához óriási hozzájárulás az elektronok mozgása: az atomokhoz kapcsolódó elektronok forgása és pályamozgása, spin és a vezetési elektronok szabad mozgása.

Mágneses tulajdonságaik szerint minden anyagot paramágnesekre, diamágnesekre, ferromágnesekre, antiferromágnesekre és ferritekre osztanak... Egy anyag egyik vagy másik osztályba való tartozását az elektronok mágneses momentumai mágnesesre adott reakciójának jellege határozza meg. mező az elektronok egymással való erős kölcsönhatásának körülményei között többelektronos atomokban és kristályszerkezetekben.

A diamágnesek és a paramágnesek gyengén mágneses anyagok. A ferromágneseknél sokkal erősebb mágnesezési hatás figyelhető meg.

Az ilyen anyagok mágneses szuszceptibilitása (a mágnesezettség és a térerősség vektorok abszolút értékeinek aránya) pozitív, és elérheti a több tízezret. A ferromágnesekben spontán egyirányú mágnesezettség tartományai - domének - jönnek létre.

Ferromágnesesség átmeneti fémek kristályaiban figyelhető meg: vas, kobalt, nikkel és számos ötvözet.

Növekvő erősségű külső mágneses tér alkalmazásakor a kezdetben különböző területeken eltérő módon orientált spontán mágnesezési vektorok fokozatosan ugyanabba az irányba igazodnak. Ezt a folyamatot technikai mágnesezésnek nevezik… Egy kezdeti mágnesezési görbe jellemzi – az indukció vagy mágnesezés függése a keletkező mágneses térerősség az anyagban.

Viszonylag kis térerősség mellett (I. szakasz) a mágnesezettség gyors növekedése tapasztalható, főként a térerősség vektorok irányainak pozitív féltekén lévő mágnesezettségi orientációjú tartományok méretének növekedése miatt. Ugyanakkor a negatív féltekén lévő tartományok mérete arányosan csökken.Kisebb mértékben változnak ezeknek a tartományoknak a méretei, amelyek mágnesezettsége az intenzitásvektorra merőleges síkhoz közelebb van orientálva.

Az intenzitás további növekedésével a tartománymágnesezési vektorok mező mentén történő forgási folyamatai dominálnak (II. szakasz) a technikai telítettség eléréséig (S pont). Az így létrejövő mágnesezettség ezt követő növekedését és a mező összes tartományának azonos orientációjának elérését az elektronok hőmozgása akadályozza. A III. régió természetében hasonló a paramágneses folyamatokhoz, ahol a mágnesezettség növekedése a hőmozgás által dezorientált néhány spin mágneses momentum orientációjának köszönhető, a hőmérséklet növekedésével a dezorientáló hőmozgás nő, az anyag mágnesezettsége csökken.

Egy adott ferromágneses anyagnál van egy bizonyos hőmérséklet, amelynél a tartományszerkezet ferromágneses rendezettsége és a mágnesezettség megszűnik. Az anyag paramágnesessé válik. Ezt a hőmérsékletet Curie-pontnak nevezik. A vas esetében a Curie-pont 790 ° C-nak, a nikkelnél - 340 ° C-nak, a kobaltnál - 1150 ° C-nak felel meg.

A hőmérséklet Curie-pont alá csökkentése ismét visszaállítja az anyag mágneses tulajdonságait: a tartományszerkezet nulla hálózati mágnesezettséggel, ha nincs külső mágneses tér. Ezért a ferromágneses anyagokból készült fűtőtermékeket a Curie-pont felett használják ezek teljes demagnetizálására.

Kezdeti mágnesezési görbe

A ferromágneses anyagok mágnesezési folyamatai a mágneses tér változásával összefüggésben reverzibilisre és irreverzibilisre oszlanak.Ha a külső térzavarok megszüntetése után az anyag mágnesezettsége visszaáll eredeti állapotába, akkor ez a folyamat reverzibilis, egyébként irreverzibilis.

Reverzibilis változások figyelhetők meg az I. szakasz mágnesezési görbéjének egy kis kezdeti szegmensében (Rayleigh zóna) a tartomány falainak kis elmozdulásainál, valamint a II, III régiókban, amikor a régiókban lévő mágnesezési vektorok forognak. Az I. fejezet fő része a mágnesezettség megfordításának egy irreverzibilis folyamatával foglalkozik, amely főként a ferromágneses anyagok hiszterézis tulajdonságait határozza meg (a mágnesezettség változásának elmaradása a mágneses tér változásától).

A hiszterézis hurok görbéknek nevezett, amelyek tükrözik a ferromágnes mágnesezettségének változását ciklikusan változó külső mágneses tér hatására.

Mágneses anyagok vizsgálatakor a B (H) vagy M (H) mágneses térparaméterek függvényeihez hiszterézis hurkokat készítenek, amelyek a kapott paraméterek jelentését az anyagon belül rögzített irányú vetületben jelentik. Ha az anyagot előzőleg teljesen lemágnesezték, akkor a mágneses térerősség fokozatos nulláról Hs-re történő növelése sok pontot ad a kezdeti mágnesezési görbéből (0-1. szakasz).

1. pont – technikai telítettségi pont (Bs, Hs). Az anyagon belüli H erő ezt követő nullára csökkentése (1-2. szakasz) lehetővé teszi a Br maradék mágnesezettség határértékének (maximális) meghatározását és a negatív térerősség további csökkentését a teljes lemágnesezés eléréséhez B = 0 ( szakasz 2-3) a H = -HcV pontban - a maximális kényszerítő erő a mágnesezés során.

Továbbá az anyagot negatív irányban telítésig mágnesezzük (3-4. szakasz) H = — Hs. A térerősség pozitív irányú változása lezárja a korlátozó hiszterézis hurkot a 4-5-6-1 görbe mentén.

A hiszterézis határciklusán belül számos anyagállapot érhető el a mágneses térerősség megváltoztatásával, a megfelelő részleges szimmetrikus és aszimmetrikus hiszterézis ciklusokkal.

Mágneses hiszterézis: 1 — kezdeti mágnesezési görbe; 2 — hiszterézis határciklus; 3 — a főmágnesezés görbéje; 4 – szimmetrikus részciklusok; 5 — aszimmetrikus részhurkok

A részlegesen szimmetrikus hiszterézis ciklusok csúcsai a fő mágnesezési görbén nyugszanak, amelyet e ciklusok csúcsainak halmazaként definiálunk, amíg egybe nem esnek a határciklussal.

Részleges aszimmetrikus hiszterézis hurkok képződnek, ha a kiindulási pont nem a főmágnesezési görbén van szimmetrikus térerő-változással, valamint aszimmetrikus térerősség-változással pozitív vagy negatív irányban.

A kényszerítő erő értékétől függően a ferromágneses anyagokat mágnesesen lágyra és mágnesesen keményre osztják.

A lágy mágneses anyagokat mágneses rendszerekben mágneses magként használják... Ezeknek az anyagoknak kicsi a kényszerítő ereje, nagy mágneses permeabilitás és telítési indukció.

A kemény mágneses anyagok nagy kényszerítő erővel rendelkeznek, és előmágnesezett állapotban úgy használják őket állandó mágnesek — a mágneses tér elsődleges forrásai.

Vannak anyagok, amelyekhez mágneses tulajdonságaik szerint az antiferromágnesek tartoznak... A szomszédos atomok spineinek antiparallel elrendezése energetikailag kedvezőbbnek bizonyul számukra. Létrehoztak olyan antiferromágneseket, amelyek a kristályrács aszimmetriája miatt jelentős belső mágneses momentummal rendelkeznek... Az ilyen anyagokat ferrimágneseknek (ferriteknek) nevezik... A fémes ferromágneses anyagokkal ellentétben a ferritek félvezetők és lényegesen kisebb energiaveszteséggel bírnak. örvényáramok váltakozó mágneses térben.

Különféle ferromágneses anyagok mágnesezési görbéi