2.2. Намагничивание вещества (материала)

Кривая первоначального намагничивания. Зависимость намагниченности (или магнитной индукции) полностью размагниченного образца от напряженности поля, монотонно и медленно изменяющегося от 0 до некоторой величины, называетсякривой первоначального намагничивания (нулевая кривая).

В общем случае кривую первоначального намагничивания можно разделить на пять частей.

Рис.2. Кривая первоначального намагничивания ферромагнетика:

I – область начального (обратимого) намагничивания;

II – область Релея;

III – область наибольших магнитных проницаемостей;

IV– область приближения к насыщению;

V– область парапроцесса.

Для облегчения понимания процессов, протекающих в каждой из указанных областей, рассмотрим намагничивание монокристалла железа. Монокристалл – одиночный кристалл, частицы которого распределены единообразно по всему объему. Известно, что намагничивание монокристалла железа по различным направлениям протекает по-разному, т. е. в ферромагнитных кристаллах существует магнитная анизотропия.

Железо кристаллизуется в виде кубической объемноцентрированной решетки.

Рис. Объемноцентрированная кристаллическая решетка железа с обозначением осей:

1[100] – Вдоль ребра куба; 2[110] –вдоль диагонали грани; 3[111] – вдоль пространственной диагонали.

Рис Кривые намагничивания монокристалла железа вдоль различных кристаллографических направлений:

1 – вдоль ребра; 2 – вдоль диагонали грани; 3 – вдоль пространственной диагонали.

Заштрихованная площадь численно равна работе намагничивания.

На рисунке представлены кривые намагничивания монокристалла железа вдоль различных кристаллографических направлений:

1 – вдоль ребра;

2 – вдоль диагонали грани;

3 – вдоль пространственной диагонали.

Из рисунка видно, что работа намагничивания вдоль ребра куба для железа (заштрихованная область) наименьшая, а вдоль пространственной диагонали – наибольшая.

Поэтому направление [100] в железе называют направлением легкого, а направление, совпадающее с пространственной диагональю, – трудного намагничивания.

Пусть на монокристалл железа налагается внешнее поле вдоль оси легкого намагничивания. Некоторые области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности (домены) – оказываются в более выгодном положении относительно поля, чем другие, так как направление намагниченности в них будет совпадать с направлением поля, что соответствует минимуму энергии, и начнут расти за счет областей, намагниченных антипараллельно полю.

Рис. Схематическое разбиение ферромагнетика на домены:

-горизонтальные стрелки показывают направления спиновых магнитных моментов доменов в приложенном поле Н₀;

- вертикальные стрелки показывают направления смещения границ доменов при увеличении напряженности внешнего поля.

Рост доменов будет происходить путем смещения границ между ними в направлении к середине областей, намагниченных антипараллельно полю. Рост доменов будет происходить до тех пор, пока не исчезнут домены, намагниченные менее выгодно. Останется один домен.

Если вектор напряженности внешнего поля Н₀ направлен под некоторым углом к оси легкого намагничивания, то после завершения процесса смещения начнется вращение вектора спонтанной намагниченности в кристалле по направлению к вектору поля Hο до совпадения с ним.

Рис. К пояснению процесса вращения в домене

При температуре, равной абсолютному нулю, все спины в области спонтанной намагниченности будут ориентированы одинаково, параллельно одному из направлений легкого намагничивания. С увеличением температуры величина спонтанной намагниченности будет убывать. Физически это означает, что некоторые спины внутри домена будут переходить в направление, антипараллельное спонтанной намагниченности. В точке Кюри число параллельно и антипараллельно направленных спинов становится одинаковым, спонтанная намагниченность исчезает.

Рис. Ориентация спинов внутри домена при температуре, равной абсолютному нулю

Рис. Ориентация спинов в домене в точке Кюри

Такая переориентация спинов с увеличением температуры обусловлена дезориентирующим действием теплового движения, которое может гаситься ориентирующим действием сильного приложенного поля. Последнее явление называется парапроцессом.

Вернемся снова к кривой первоначального намагничивания (рис.2). На участке I, то есть в очень слабых полях, намагниченность М пропорциональна напряженности поля. Аналогично и магнитная индукцияB:æ. Особенностью этой области является обратимость процессов намагничивания при возрастании и убыванииH. Это объясняетсяупругим смещениями границ доменов.

сделать прямую

Рис. К пояснению перемагничивания ферромагнетика в области начального (обратимого) намагничивания

На участке IIчастично происходит упругое смещение границ доменов, однако основную роль играют процессы изменения направления вектора М в пределах домена. Процессы, протекающие в этой области, уже не являются полностью обратимыми.

Участок IIIхарактеризуется быстрым возрастанием М при измененииH. Особенностью этого участка является ступенчатое изменение намагниченности (скачки Баркгаузена). Скачки Баркгаузена обусловлены необратимым смещением границ между доменами.

На участке IVнамагниченность приближается к насыщению. В этой области изменение намагниченности происходит из-за уменьшения угла между векторами М доменов и направлением намагничивающего поля (процессы вращения).

Ничтожно малые приращения намагниченности в области Vобусловлены парапроцессом, то есть увеличение намагниченности происходит вследствие возрастания магнитного момента под действием сильного приложенного поля.

Поскольку на практике часто невозможно полностью размагнитить образец так, чтобы в нем было действительно хаотическое расположение векторов магнитных моментов доменов (кроме случая нагревания до точки Кюри, когда это допустимо), кривая первоначального намагничивания вследствие ее нестабильности не является технической характеристикой ферромагнитного изделия. То есть, она вследствие нестабильности не может быть использована для определения таких параметров, как µ _{начальное}, µ_{обратимое}, µ_dи т.д.

Основная кривая намагничивания (индукции). Представляет собой геометрическое место точек, вершин симметричных петель магнитного гистерезиса, которые получаются при последовательно возрастающих максимальных значениях напряженности магнитного поля. Каждая точка основной кривой намагничивания получается путем многократного коммутирования намагничивающего тока для получения установившегося цикла. Коммутационная (основная) кривая намагничивания является исходной для определения параметров ферромагнитных материалов.

Безгистерезисная кривая намагничивания (индукции).Намагничиванию ферромагнитных тел препятствует гистерезис, который можно сравнить с внутренним трением.

Рис Безгистерезисная (БКН) и основная (ОКН) кривые намагничивания

Экспериментально можно получить кривую намагничивания, на которую гистерезис практически не оказывает влияния, так называемую безгистерезисную кривую намагничивания. Она получается в результате наложения на небольшие постоянные намагничивающие поля, в которых находится образец, переменного магнитного поля с убывающей до нуля амплитудой, либо путем механического встряхивания с помощью частых ударов ферромагнитного образца, находящегося в слабом магнитном поле.

Петля гистерезиса. Намагничивание во всех областях, кромеIиIV, является необратимым. Если после достижения в процессе намагничивания некоторой величины намагниченности М (или индукции В) уменьшить величину напряженности магнитного поля, то намагниченность (индукция) будет изменяться по кривой, отличной от кривой первоначального намагничивания. Это явление называется гистерезисом.

Рис. Петля магнитного гистерезиса ферромагнетика

На рисунке показана петля для симметричного цикла магнитного гистерезиса, то есть когда .

Если несколько раз изменить напряженность магнитного поля от до -,то всякий раз положение вершин А и Апетли гистерезиса будет несколько изменяться, и только после 10-12 циклов, а для некоторых материалов после 50-100 циклов, положение вершин петли стабилизируется.

Увеличивая значение максимальной напряженности намагничивающего поля, получают семейство симметричных петель магнитного гистерезиса. Петля с меньшим Н_max. лежит внутри петли с большим Н_max. При некотором значении Н_maxплощадь петли достигает наибольшей величины. Эта петля называется предельной. При дальнейшем увеличении намагничивающего поля форма и размеры петли не меняются, а изменяются лишь ее безгистерезисные участки.

Рис. Основная кривая намагничивания как геометрическое место точек вершин симметричных петель магнитного гистерезиса

Точки пересечения петли гистерезиса с осями координат определяют значения остаточной намагниченности М_r (или индукции В_r), а также коэрцитивной силы по намагниченности Н_сМ(или по индукции Н_сВ).

Рис. Характеристики петель магнитного гистерезиса М(Н) и В(Н)

Коэрцитивная сила по намагниченности Н_сМэто величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения намагниченности от остаточной намагниченности до нуля.Коэрцитивной силой по индукции Н_сВназывают величину, равную напряженности магнитного поля, необходимого для изменения индукции от остаточной индукции до нуля. Значения Н_сМи Н_сВблизкитолько для магнитомягкихматериалов (имеющих узкую петлю магнитного гистерезиса). Энергия, затраченная на перемагничивание ферромагнетика пропорциональна площади петли гистерезиса.

Частные циклы гистерезиса. Все циклы гистерезиса, кроме предельного, – частные. Иногда ферромагнитные материалы работают на так называемых несимметричных петлях гистерезиса, то есть, когда:.

Рис. Частные циклы гистерезиса

Заштрихован установившийся частный цикл гистерезиса.

Магнитная проницаемость. Если для каждой точки кривой намагничивания В(Н) найти отношение, то можно построить график зависимости(H) ,(H) или(В),(В).

Рис. К определению _{r max} на кривой магнитной индукции

Нетрудно увидеть, что точке А касательной к кривой намагничивания, проходящей через начало координат, соответствует значение .

.

Рис. Зависимость относительной магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля (кривая Столетова)

Рис. К определению проницаемости возрастания и убывания

Пусть магнитное состояние вещества характеризуется некоторой точкой А кривой намагничивания В(Н). При изменении напряженности поля на небольшую величину индукция также изменится на некоторую величину. Если напряженность магнитного поля изменилась в положительном направлении, то изменение индукции положительно, и наоборот. Отношение положительного приращения индукции +∆В к положительному приращению напряженности магнитного поля +называетсямагнитной проницаемостью возрастания.Отношение отрицательного приращения магнитной индукции к отрицательному приращению напряженности магнитного поля называетсямагнитной проницаемостью убывания. Пределы двух последних величин называют соответственнодифференциальной магнитной проницаемостью возрастания и дифференциальной магнитной проницаемостью убывания.

Между дифференциальной и абсолютной проницаемостью существует следующее соотношение.

Для характеристики материала при одновременном действии постоянного и небольшого знакопеременного поля вводят понятие обратимой магнитной проницаемости.

Рис. К определению обратимой магнитной проницаемости

Рис. Зависимости нормальной, дифференциальной и обратимой магнитных проницаемостей от напряженности магнитного поля для одинаковых объектов

На рисунке представлены графики зависимости дифференциальной абсолютной и обратимой магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля. Кривые построены для одного и того же ферромагнитного материала. Из рисунка видно, что значение для всех кривых совпадает. В той точке, гдедостигает наибольшего значения, она совпадает с. Понятия проницаемости возрастания и убывания, а также дифференциальной и обратимой проницаемости применимы не только к кривой намагничивания, но и к петле гистерезиса.

Рис. Зависимости дифференциальной и обратимой проницаемостей от напряженности магнитного поля:

a)-зависимость _d (H);

a)-зависимость _{обратим.}(H).

Влияние температуры на магнитное состояние ферромагнетика

Рис. Зависимости магнитных характеристик материала от температуры