Магнитные материалы. Магнитные свойства веществ. Экспериментальные и теоретические исследования

Магнитными называются материалы, которые применяются в технике с учетом их магнитных свойств и характеризуются способностью накапливать, хранить и трансформировать магнитную энергию.

Магнитные свойства вещества определяются его атомной структурой и зависят прежде всего от того, обладают ли атомы вещества постоянным магнитным моментом. Полюсы магнита не существуют раздельно, в отличие от раздельно существующих отрицательных и положительных электрических зарядов. Элементарные носители магнетизма — это элементарные магнитики, характеризуемые некоторым магнитным моментом.

Экспериментальные и теоретические исследования показали, что магнетизм атома порождается тремя причинами:

1.  Наличием у электрона спинового магнитного момента, который  связан с соответствующим механическим    моментом    электрона.

2.  Орбитальным движением электронов в атоме, создающим орбитальный магнитный момент, или в соответствии с современным представлением о строении атома — наличием магнитного момента пространственного    движения    электронного    облака    вокруг ядра.

3.  Магнитным моментом атомного   ядра,   который   создается спиновыми моментами ротонов и нейтронов.

Ферромагнетикаминазывают вещества, в которых магнитные моменты атомов взаимодействуют так, что они выстраиваются параллельно друг другу. Тело ферромагнетика разбивается на отдельные макроскопические области — домены, в каждом из которых магнитные моменты атомов располагаются параллельно друг другу, т. е. каждый домен находится в состоянии технического насыщения. Направления магнитных моментов всех доменов равновероятны (домены расположены друг относительно друга хаотично), внутри образца образуются замкнутые магнитные цепочки, и результирующий магнитный момент ферромагнетика в целом оказывается равным нулю.

1. Магнитная индукция характеризует суммарное магнитное поле внутри материала. Зависимость магнитной индукции от величины магнитного поля представляет собой  такой вид

, где  – вектор магнитной индукции,  – вектор магнитного поля,  – некоторые постоянные.

Известно, что магнитное поле вызывает намагниченность доменов. Но в силу того, что намагниченность соседних доменов может быть непараллельна друг другу, то и при увеличении внешнего магнитного поля суммарное внутреннее может измениться нелинейно по отношению к внешнему.

Основная кривая намагничивания .

Рис. 1. Основная кривая намагничивания

Ход этой зависимости определяется не только свойствами материала и внешними условиями (напряженность поля, температура, наличие или отсутствие механических напряжений и т. д.), но и предшествующим магнитным состоянием.

Область 1 — самых слабых полей характеризуется обратимым смещением границ доменов в магнитном поле и линейной зависимостью .

В граничном слое элементарные магнитные моменты имеют ориентацию, переходную между направлениями намагниченности соседних доменов. Под действием внешнего поля граничные слои между соседними доменами смещаются таким образом, что размеры доменов, намагниченность которых составляет наименьшие углы с направлением поля, а следовательно, энергетически «выгодно» ориентированных по отношению к полю, растут за счет других доменов. При обратимых процессах уменьшение напряженности внешнего поля приводит к смещению границ в обратном направлении, а при =0 границы занимают свои исходные положения и В= 0. Область / называют областью выполнения закона Рэлея или областью начальной проницаемости.

Область 2 – необратимого смещения границ доменов характеризуется наиболее сильной зависимостью В(Н).

При необратимых процессах смещения границ доменов уменьшение напряженности внешнего поля до нуля не возвращает границы доменов в исходное положение, т. е. при H=0 вследствие остаточной намагниченности. В области 2 происходят необратимые скачкообразные смещения границ доменов. Аналогично и энергия граничного слоя между доменами под действием достаточно большой напряженности внешнего магнитного поля достигает максимума, и при смещении границ размеры доменов, энергетически «выгодно» ориентированных по отношению к полю, увеличиваются за счет «невыгодно» ориентированных доменов так, что уже не возвращаются в свое исходное положение при уменьшении напряженности поля, т. е. происходит процесс необратимого смещения границ доменов. В связи с тем, что необратимое смещение границ доменов происходит только тогда, когда энергия отдельных граничных слоев, зависящая от напряженности магнитного поля, достигает определенных значений, область 2 наиболее крутого подъема кривой В(Н) представляет собой непрерывный ряд скачкообразных изменений намагниченности.