Навигация
Физические процессы в магнитных материалах
17203
знака
0
таблиц
0
изображений
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ
1. Общие сведения о магнетизме
Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает некоторый магнитным момент М. Магнитный момент единицы объема вещества называют намагниченностью Jм.
Jм = dM/dV, A/м.
Намагниченность является векторной величиной, в изотропных телах она направлена либо параллельно, либо антипараллельно напряженности магнитного поля Н.
Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля с соотношением
Jм = kм×Н,
где kм - магнитная восприимчивость - безразмерная величина, характеризующая способность вещества намагничиваться в магнитном поле.
Суммарная магнитная индукция в веществе определяется суммой индукции внешнего В0 и собственного Вi полей.
B = B0 + Bi= m0H + m0Jм = m0H(1 + kм) = m0× mН,
где m0 = 4×10-7 Гн/м - магнитная постоянная;
m = 1 + kм - относительная магнитная проницаемость, показывающая во сколько раз магнитная индукция В поля в данной среде больше, чем магнитная индукция В0 в вакууме.
Проявление магнетизма в веществе обусловлено процессами движения электронов, которые образуют круговые токи, обладающие магнитными моментами. Магнитный момент электрона складывается из орбитального магнитного момента (вследствие движения электрона вокруг ядра) и спинового момента (вследствие вращения электрона вокруг собственной оси).
По поведения в магнитном поле все материалы делятся на диамагнетики и парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.
Диамагнетики характеризуются очень малой отрицательной величиной магнитной восприимчивости (kм » -10-5), которая в большинстве случаев не зависит от температуры и напряженности поля. Индуцированный магнитный момент направлен против направления поля и m = 1 + kм < 1. Диамагнетики выталкиваются из неоднородного магнитного поля. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников ( кремний, германий, арсенид гелия), органические соединения, неорганические стекла и др., а также все вещества в сверхпроводящем состоянии.
Парамагнетики характеризуются малой положительной величиной магнитной восприимчивости (kм » 10-2 - 10-5), не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. В парамагнетиках атомы обладают собственным магнитным моментом даже в отсутствии внешнего магнитного поля, однако из-за теплового движения эти магнитные моменты распределены хаотично так, что намагниченность вещества в целом равна нулю. Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении. Тепловая энергия противодействует созданию магнитной упорядоченности. Поэтому магнитная восприимчивость сильно зависит от температуры и для большинства твердых парамагнетиков подчиняется закону Кюри - Вейса: kм = С/(Т - q ), где С и q - постоянные величины для данного вещества.
Парамагнетики втягиваются в неоднородное магнитное поле. К парамагнетикам относятся: кислород, окись азота, соли железа, никеля, кобальта, щелочные металлы, алюминий, платина.
Феррромагнетики обладают большими положительными значениями kм (до сотен тысяч и миллионов) и сложной нелинейной зависимостью kм от температуры и внешнего поля. Характерными особенностями ферромагнетиков являются способность сильно намагничиваться при обычных температурах в слабых полях и переход в парамагнитное состояние выше определенной температуры, так называемой точкой Кюри.
Антиферромагнетики характеризуются небольшой величиной магнитной восприимчивости (kм » 10-3 - 10-5) и отличаются ее особой температурной зависимостью. По мере повышения температуры, начиная от ОK, kм растет, достигая максимума при температуре, называемой точкой Нееля, и далее начинает падать, подчиняясь закону Кюри - Вейса. В антиферромагнетиках атомы обладают одинаковыми магнитными моментами, которые направлены в противоположных направлениях и взаимно компенсируются. Антиферромагнетизм выражен у марганца, хрома.
Ферримагнетики характеризуются большой величиной магнитной восприимчивостью (kм » 104 - 106), точкой Кюри Тк, меньшей, по сравнению с ферромагнетиками величиной намагниченности насыщения. В отсутствие внешнего магнитного поля ферримагнетики имеют антипараллельное расположение магнитных моментов соседних атомов или ионов, но при этом суммарный магнитный момент не равен нулю. Ферримагнетизм наблюдается у ферритов.
2. Природа ферромагнитного состояния вещества
У ферромагнетиков нарушен порядок заполнения электронных оболочек атомов. Атомы имеют внутренние незаполненные оболочки и поэтому обладают нескомпенсированным магнитным моментом. По мнению ученых основную роль в создании спонтанной намагниченности играет обменное взаимодействие недостроенных электронных оболочек, перекрывающихся при образовании твердого тела.
Для двух близкорасположенных атомов энергия обменного взаимодействия определяется выражением: ЭА = -А(s1 s2), где А - так называемый обменный интеграл, имеющий размерность энергии; s1 и s2 - единичные векторы, характеризующие направление спиновых моментов взаимодействующих электронов. Численное значение и знак обменного интеграла А зависит от расстояния между атомами a и диаметром оболочки d, содержащей нескомпенсированные спины.
Если a/d > (3-4), то величина энергии взаимодействия ЭА незначительна и обменные силы не могут противодействовать тепловому движению и вызвать упорядоченное расположение спинов. Такие вещества проявляют свойства парамагнетиков.
При уменьшении расстояния между атомами обменный интеграл возрастает, т.е. обменное взаимодействие усиливается и становится возможной параллельная ориентация спинов, когда s1 s2 =1, характерная для ферромагнетиков.
При дальнейшем сближении атомов (a/d > 1.3) обменный интеграл А становится отрицательным. В таком случае энергетически выгодно антипараллельное расположение спинов (s1 s2 = 1), т.е. такие вещества должны быть антиферромагнетиками.
При наличии спонтанной намагниченности, результирующий магнитный момент предварительно ненамагниченного ферромагнетика равен нулю. Это объясняется тем, что весь объем ферромагнетиков самопроизвольно разбивается на локальные области - домены. В пределах домена спины ориентированы параллельно друг другу. Домен находится в состоянии магнитного насыщения. Направление магнитных доменов внутри образца равновероятно. Характер разбиения образца на домены определяется из условия минимума свободной энергии системы. Внутри образца образуются замкнутые магнитные цепочки и его результирующий магнитный момент будет равен нулю. Линейные размеры домена 10-2 - 10-3мм. Переходной слой, разделяющий два домена называют "стенкой Блоха". В пределах такого слоя происходит постепенное изменение ориентации спинов. Толщина "стенок Блоха" может достигать несколько сот межатомных расстояний(например, в железе около 100 нм).
В зависимости от размеров образца, его физических свойств и ряда других причин существуют разные структуры: однодоменные, полосовые, лабиринтные, цилиндрические и др.
Похожие работы
... пучка с помощью анализатора преобразуют в амплитудную. Из других МО-устройств можно выделить оптические ЗУ, МО-устройства сканирования света и ряд других. Пригодность магнитных материалов для создания на их основе магнитооптических устройств зависит от совокупности магнитооптических свойств. Магнитооптические свойства оценивают по магнитооптической активности в диапазоне оптических волн с ...
... на материалы для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот, для высоких радиочастот и для СВЧ. По физической природе и строению высокочастотные магнитомягкие материалы подразделяют на магнитоэлектрики и ферриты. Кроме того, при звуковых, ультразвуковых и низких радиочастотах можно использовать тонколистовые рулонные холоднокатанные электротехнические стали и пермаллои. Толщина сталей ...
... они дают возможность экономично, с требуемой точностью оценит параметры эквивалентной схемы транзистора. Конструкция, магнитные материалы, электрические провода и изоляция Основными элементами конструкции трансформаторов являются сердечник (магнитопровод) и обмотки: К элементам конструкции относятся также конструктивные детали, служащие для крепления сердечника и установки трансформаторов в ...
... являются самыми сильными среди известных, поэтому бездефектные углеродные трубки на два порядка прочнее стали и приблизительно в четыре раза легче ее! Одна из важнейших задач технологии в области новых углеродных материалов заключается в создании нанотрубок "бесконечной" длины. Из таких трубок можно изготовлять легкие композитные материалы предельной прочности для нужд техники нового века. Это ...
0 комментариев