Омский государственный технический университет каф. Электроника

явления
Доцент, к.т.н. Пономарёв Д.Б.

Сильномагнитные вещества: ферро- и ферримагнетики.
Магнитные материалы (магнетики) - это

материалы, заметно изменяющие свою намагниченность при воздействии на них возбуждающего внешнего магнитного поля.

Классификация

относительной магнитной проницаемостью (μ≤1) чуть меньше единицы. Относительная магнитная проницаемость

μ диамагнетиков почти не зависит от величины магнитного поля (Н) и не зависит от температуры. К ним относятся: инертные газы (Nе, Аr, Кr, Хе), водород (H2); медь (Сu), цинк (Zn), серебро (Аg), золото (Au), сурьма (Sb) и др.

Классификация

беспорядочно, поэтому взаимодействие между ними очень слабое. Относительная магнитная проницаемость

парамагнетиков чуть больше единицы (μ≥1), слабо зависит от напряженности магнитного поля и от температуры.
К парамагнетикам относятся следующие материалы: кислород (О2), алюминий (Al), платина (Рt), щелочные металлы, соли железа, никеля, кобальта и др.

Классификация

антипараллельно друг другу. Относительная магнитная проницаемость их чуть больше единицы

(μ ≥ 1), очень слабо зависит от напряженности магнитного поля и от температуры. К ним относятся: окиси кобальта (CoO), марганца (MnO), фтористый никель (NiF2) и др.

Классификация

не полностью компенсируют друг друга. (1 ≤ μ ≤ 10

000)
К ферримагнетикам относятся ферриты, их можно назвать оксиферрами, так как они представляют собой, окислы двухвалентных металлов с Fe2O3. Общая формула феррита [MeO Fe2O3], где Ме – двухвалентный металл.
Магнитная проницаемость ферритов зависит от температуры и напряженности магнитного поля, но в меньшей степени, чем у ферромагнетиков.

Классификация

спиновых магнитных моментов соседних одинаковых атомов (рис. а).
Ферримагнетики. Это

материалы, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Ориентация спиновых магнитных моментов атомов соседних ячеек, входящих в состав ферримагнетика, условно изображена на рис. б.

Классификация

В каждом домене они параллельны друг другу и одинаково направлены,

поэтому взаимодействие между ними очень сильное. Относительная магнитная проницаемость ферромагнетиков велика (μ >> 1), у некоторых сплавов доходит до 1 500 000. зависит от напряженности магнитного поля и от температуры.
К ним относятся: железо (Fe), никель (Ni), кобальт (Со), многие сплавы, редкоземельные элементы: самарий (Sm), гадолиний (Gd) и др.

Классификация

большое количество неспаренных (нескомпенсированных) спиновых магнитных моментов атомов.

У большинства материалов

спиновые моменты электронов компенсируют друг друга. Поэтому ферромагнетизм наблюдается далеко не у всех веществ таблицы Менделеева.

К классу ферромагнетиков относятся элементы переходных групп Fe, Co, Ni (элементы группы железа), а также редкоземельные элементы.

элементарных круговых токов в атомах.
2. Наличие нескомпенсированных спиновых моментов, электронов.
3.

Соотношение между диаметром электронной орбиты (D), имеющей нескомпенсированный спиновый момент, и постоянной кристаллической решетки вещества (а) должно быть


4. Наличие доменной структуры, т.е. таких кристаллических областей, в которых дипольные магнитные моменты оказываются параллельно ориентированы.
5. Температура материала (вещества) должна быть ниже точки Кюри, так как при более высокой температуре происходит исчезновение доменной структуры, материал переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное.

ферромагнитных и антиферромагнитных материалах выстраиваются параллельно друг другу в результате

обменного взаимодействия электронов внутренних недостроенных оболочек атомов. Энергия обменного взаимодействия рассчитывается из выражения

, Дж, (3.28)

где J - обменный интеграл, Дж; (Si, Si+1)= SiSi+1cosj - скалярное произведение результирующих спинов i -го и (i+1)-го соседних атомов;  - угол между направлениями спинов электронов соседних атомов; N - число спинов.
а – межатомное расстояние
d – диаметр атома;

Область 1. Характеризуется значениями (a/d)≤1,5; J<0. Антиферромагнетик
Область 2. Характеризуется значениями 1,5≤(a/d)≤3,0; J>0. Ферромагнетик
Область 3. Характеризуется значениями (a/d)≥3,0; J>0. Парамагнетик

даже в отсутствии внешнего магнитного поля, спонтанная намагниченность которых обусловлена

параллельной ориентацией магнитных моментов атомов.
Размер доменов для некоторых материалов

Природа ферромагнетизма

Блоха, размером около 0,1 мкм (примерно 400 межатомных расстояний). В

этой области магнитные моменты атомов плавно разворачиваются на угол j=1800 и направления намагниченности в соседних доменах оказы- ваются противоположными (б).

Природа ферромагнетизма

интенсивности намагничивания вдоль разных осей. Различают направления легкого и трудного

намагничивания. Число таких направлений определяется симметрией кристаллической решетки. У каждого металла свои направления.

легкого намагничивания , совпадающими с пространственной диагональю куба (рис. б),

а направления трудного намагничивания монокристалла никеля совпадают с ребрами куба и характеризуются индексами <100>.

Энергию, затрачиваемую внешним магнитным полем на поворот намагниченности ферромагнитного кристалла из направления легкого намагничивания в направление трудного намагничивания, называют энергией естественной магнитной кристаллографической анизотропии ( заштрихованная область на рисунке ).

явление называется магнитострикцией. Величина магнитострикции монокристалла железа, различна в разных

направлениях. Наибольшей магнитострикцией из трех основных ферромагнетиков (Fe, Ni, Co) обладает Ni

или интенсивности намагничивания (J), которая определяется как предел отношения результирующего

магнитного момента Σm, отнесенного к объему вещества (V), когда, объем стремиться к нулю

Если поместить вещество во внешнее магнитное поле с напряженностью Н, то соотношение между J и Н будет

J = 4πχH

где χ (каппа) называется магнитной вязкостью.

μ = 1

+ 4πχ.
Интенсивность, намагничивания можно определить, зная μ

μ= 1+

Основные характеристики

создаваемой напряженностью внешнего магнитного поля Н, и внутренней, создаваемой намагниченностью

(J).
Суммарное магнитное поле характеризуется магнитной индукцией В:
B = μ0(H + J),
где μ0 – магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума)
μ0 = 4π∙10-7, Г/м.

Выражая значение J через χ, а затем и μ, получим:
B = μ0H(1 + 4πχ) или B = μ0 μ H

Основные характеристики

предельное значение μ при Н→0. Эта характеристика имеет важнейшее значение

при техническом использовании многих материалов. Экспериментально ее определяют в слабых полях с H ≈ 0.1 А/м.
в области обратимого намагничивания ферромагнетика для магнитной проницаемости выполняется эмпирическая формула Релея:
μ = μn + βH
β – постоянная, зависящая от природы материала.

Основные характеристики

проницаемости, которая представляет собой отношение амплитудного значения индукции к амплитудному

значению напряженности магнитного поля.

С увеличением поля μ~ падает, что обуславливается инерционностью магнитных процессов

Основные характеристики

Со – Тк=1131 ºС. при температурах >Тк области спонтанного намагничивания

нарушаются в результате теневого движения и материал перестает быть ферромагнетиком (ведут себя как парамагнетики).

ТКМ

Основные характеристики

электромагнитных полях потери в ферромагнетиках характеризуются параметром, который носит название

тангенс угла магнитных потерь и обозначается tg. Физический смысл tg нетрудно выяснить, выполнив анализ соотношения
tgdm=Pa/Px, (3.44)
где Pa - активная мощность электромагнитного поля, выделяющаяся в ферромагнетике в виде тепла; Px - полная мощность возбуждающего магнитного поля.
Для ферромагнитных сердечников высокочастотных катушек индуктивности максимальное значение tg не должно превышать 0,1.
Величину, обратную tg , называют добротностью Q, следовательно
Q=1/tg.

r - удельное электросопротив-ление ферромагнетика, Ом×м; f - частота электромагнитного

поля, Гц; m - эффективная магнитная проницаемость материала.

Поверхностный эффект в ферромагнетиках

Вихревые токи оказывают размагничивающее действие на ферромагнетик и экранируют его центральные области от проникновения внешнего переменного магнитного поля. Этот эффект проявляется в уменьшении индукции магнитного поля в ферромагнетике и снижении эффективной магнитной проницаемости материала μэф. Значение переменной магнитной индукции B~ внутри ферромагнетика уменьшается с глубиной x по экспоненциальному закону (рис.)
B~=B0~exp(-x/xэф), (3.45)
где B0~ - индукция переменного магнитного поля на поверхности ферромагнетика; хэф - эффективная глубина проникновения магнитного поля в ферромагнетик, представляющая глубину x, для которой B~/B0~=0,37.

магнитного поля называют кривой намагничивания.
Она получается при монотонном увеличении напряженности

магнитного поля Н в образце от нуля до некоторого максимального значения.

материал, характеризуется магнитной проницаемостью.

Напряженность магнитного поля, создаваемого при пропускании

тока в катушке, рассчитывается из соотношения

, А/м

где N - число витков соленоида, l - длина соленоида.

основном за счет роста доменов, имеющих вектор намагниченности, близкий к

направлению внешнего поля. Процесс обратимый.

В области (II) более сильных полей смещение доменных границ носит необратимый, скачкообразный характер.

В (III) возрастает роль второго механизма намагничивания – механизма вращения, при котором магнитные моменты доменов из направления легкого намагничивания, образующего небольшой угол с полем, постепенно поворачиваются в направлении поля, т.е. в направлении более трудного намагничивания.

В (IV) техническое насыщение Bs намагниченности незначительное возрастание индукции на участке насыщения обусловлено слагаемым μoН и увеличением намагниченности самого домена.

петлю гистерезиса. Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения материала, называют

предельной.

остаточная индукция, после снятия напряженности поля – Вr;
2) коэрцитивная сила

Нс – напряженность, которую нужно приложить к образцу, чтобы снять остаточную индукцию;
3) максимальная индукция Bmax, которая достигается при полном насыщении образца;
4) удельные потери на гистерезис за один цикл перемагничивания, которые характеризуются площадью, охватываемой петлей гистерезиса.

= η∙f∙ ∙V, Вт

где η – коэффициент

гистерезиса для данного материала;
f – частота поля, Гц;
Вmax – максимальная индукция, Тл;
V – объем образца, м3;
n ≈ 1,6...2 – значение показателя степени;

Потери в ферромагнитных материалах

Потери

ξ∙f2∙Вmax∙V, Вт

где ξ – коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления

материала и от формы образца;

Потери в ферромагнитных материалах

Потери

не поддаются аналитическому расчету и определяются исходя из полных потерь

Р, Рг и Рв.т. по формуле:

Рп.с. = Р – Рг – Рв.т.

Сумма потерь:
Р = Рг + Рв.т.+ Рп.с.

Потери в ферромагнитных материалах

Потери

выражается формулой

, Дж/м3

где ВL и НL – собственно индукция и напряженность поля при данной длине воздушного зазора.
Изменяя подаваемую напряженность на ферромагнетик, можно получить в данном зазоре максимальную энергию.