Теоретическая часть

М

Рис. 4.3.1 Рис. 4.3.2

агнитные свойства материалов. Большинство наблюдаемых магнитных явлений вызвано изменениями электрического поля в результате движения электрических зарядов. Электроны атомов, движущиеся по орбитам, могут рассматриваться как носители элементарного тока, создающего магнитное поле и орбитальный магнитный момент М₀ (рис. 4.3.1). Основными элементарными носителями магнетизма служат спиновые магнитные моменты М_C, которые образуются в результате вращения электронов вокруг собственной оси (рис. 4.3.2).Таким образом, каждый атом вещества обладает орбитальным и спиновым магнитными моментами, которые при внесении вещества во внешнее магнитное поле вступают с ним во взаимодействие. Проявление магнитных свойств материала оказывается заметным при согласованной ориентации элементарных магнитных моментов, которая наблюдается у сильномагнитных материалов - магнетиков.[3,10] Основным их свойством является самопроизвольная (спонтанная) намагниченность без приложения внешнего магнитного поля. Такие материалы в зависимости от способа упорядочения магнитных моментов могут быть ферро, ферри-, антиферромагнетиками [1,3,10,11,16,17].

К ферромагнетикам относятся: железо, никель, кобальт, гадолиний и некоторые сплавы. Существует температура, выше которой ферромагнетики теряют свои магнитные свойства - это температура Кюри. Ферромагнетизм наблюдается в переходных элементах, у которых не все внутренние оболочки полностью заполнены электронами. Такое состояние приводит к образованию нескомпенсированных спиновых магнитных моментов в недостроенном слое. Для того, чтобы материал обладал ферромагнитными свойствами, необходимо выполнение двух условий: наличие нескомпенсированных спинов электронов и большая величина электрических сил обменного взаимодействия между этими электронами. Благодаря обменному взаимодействию нескомпенсированные спины выстраиваются параллельно друг другу и их магнитные моменты суммируются. Если расстояние между атомами велико, силы обменного взаимодействия стремятся к нулю. С уменьшением этого расстояния силы увеличиваются, и под их влиянием спины электронов устанавливаются параллельно. Таким образом, спины образуют намагниченные до насыщения микрообласти, которые называются доменами. Направление спинов внутри домена неизменно, но изменяется от одного домена к другому.

При внесении ферромагнетика во внешнее магнитное поле магнитные моменты доменов начинают ориентироваться по направлению поля. Этот процесс зависит от кристаллической структуры вещества, напряженности поля, температуры и предшествующего магнитного состояния. Намагничивание кристалла в разных направлениях происходит с разной интенсивностью, которая определяется величиной сил, препятствующих повороту магнитных моментов доменов по направлению поля. Различная интенсивность намагничивания вдоль разных осей характеризует магнитную анизотропию ферромагнетика. В тех случаях, когда анизотропия в ферромагнетиках выражена достаточно резко, принято говорить о магнитной текстуре ферромагнетика. Возможность получения заданной магнитной текстуры имеет большое значение при создании повышенных магнитных характеристик материала в определенном направлении.

Намагничивание ферромагнетиков также зависит и от химического состава вещества, чистоты и характера примесей, температуры и условий предварительной обработки. Все эти факторы вызывают искажения кристаллической решетки и вызывают изменение направления намагничивания доменов. При намагничивании ферромагнетиков наблюдается изменение их линейных размеров - это явление называют магнитострикцией [10]. Из трех основных ферромагнитных элементов (Fe, Ni, Со) наибольшей магнитострикцией обладает никель. Знак магнитострикционной деформации у различных материалов может быть как положительным, так и отрицательным.

Помимо ферромагнетиков, существуют ферримагнетики - сложные оксидные материалы, получившие на практике название ферритов. Ферриты отличаются от ферромагнетиков меньшей величиной индукции насыщения, имеют более сложную температурную зависимость индукции и повышенное значение удельного сопротивления. Различают простые ферриты и смешанные в виде твердых растворов двух или нескольких простых ферритов. Магнитная система феррита состоит из 2-3 подрешеток. В каждой подрешетке спины параллельны, как и в ферромагнетике. Если подрешетки феррита характеризуются разной температурной зависимостью свойств, то при некоторой температуре - температуре компенсации магнитных моментов Т_КММ происходит компенсация магнитных моментов подрешеток из-за их антипараллельности (рис. 4.3.3).

Из-за наличия нескольких магнитных подрешеток ферриты имеют более низкую намагниченность насыщения, чем отдельные ферромагнетики. Несмотря на этот недостаток, ферриты получили широкое распространение б лагодаря ряду замечательных магнитных свойств: по величине удельного электрического сопротивления ферриты можно отнести к полупроводниковым и даже диэлектрическим материалам. Это свойство ферритов ограничивает величину вихревых токов и позволяет их применять на высоких частотах (до сотен МГц), в отличие от ферромагнетиков, представленных проводящими металлами и сплавами.

Е

Рис. 4.3.3. Зависимости намагниченности феррита от температуры: 1 - намагниченность подрешетки А, 2 - намагниченность подрешетки В, 3 - результирующая температурная зависимость намагниченности феррита

сли в магнитном материале есть только две подрешетки с равными магнитными моментами и одинаковыми зависимостями намагниченности от температуры, то такой материал является антиферромагнетиком [10,11,17]: при наличии спонтанной намагниченности суммарный магнитный момент равен нулю, так как моменты подрешеток имеют противоположное направление и компенсируют друг друга.