Магнитные материалы. Основные явления. Лекция 9

1. Омский государственный технический университет каф. Технология электронной аппаратуры

Дисциплина
Радиоматериалы и радиокомпоненты
Лекция 9. Магнитные материалы
Основные явления
Ст. преп. Пономарёв Д.Б.

2.

3. Слабомагнитные вещества: Диа-, пара- и антиферромагнетики. Сильномагнитные вещества: ферро- и ферримагнетики.

Магнитные материалы (магнетики) это материалы, заметно изменяющие свою
намагниченность при воздействии на них
возбуждающего внешнего магнитного поля.
Классификация
Слабомагнитные вещества:
Диа-, пара- и антиферромагнетики.
Сильномагнитные вещества:
ферро- и ферримагнетики.

4.

Классификация
Диамагнетики – материалы, не имеющие
постоянного магнитного дипольного
момента, обладающие 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.

5.

Классификация
Парамагнетики – материалы, имеющие
постоянные дипольные моменты, но
расположены они 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.

6.

Классификация
Антиферромагнетики – материалы, имеющие
постоянные дипольные магнитные моменты,
которые расположены 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.

7.

Классификация
Ферримагнетики – материалы, обладающие
антипараллельными постоянными дипольными
магнитными моментами, которые 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.

8.

Классификация
Антиферромагнетики – это металлы, у которых
спонтанно возникает антипараллельная ориентация
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.
а
б
а - антиферромагнетики; б - ферримагнетики
8

9.

Классификация
Ферромагнетики – материалы, имеющие
постоянные магнитные дипольные моменты,
доменную структуру. 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.

10. Ферромагнетизм

м
Jм
0
H
а
б
H
м
Мl
Классификация
в
Тк
г
Т
Зависимость намагниченности Jм - а и магнитной
восприимчивости м - б ферромагнетиков от напряженности
внешнего магнитного поля Н; в - доменная структура ферромагнетика; г - температурная зависимость м
10

11. Природа ферромагнетизма

Природа ферромагнетизма
Ферромагнетики - это магнитоупорядоченные
материалы, атомы которых имеют 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.

12. Природа ферромагнетизма

Природа ферромагнетизма
Условия, которые необходимы, чтобы материал был
ферромагнитным:
1. Существование 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
a
2 ,8
D
1,6
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.

13.

Природа ферромагнетизма
1s22s22p63s23p6 3d6 4s2
26Fe:
27Co:
28Ni:
1s22s22p63s2 3p6 3d7 4s2
1s22s22p63s23p6 3d8 4s2
64Gd:
1s22s22p63s23p63d104s2 +
+ 4p64d10 4f8 5s25p66s2
б
Природа ферромагнетизма
a
Конфигурации электронных оболочек ферромагнетиков а и условные изображения ориентации спинов электронов на
недостроенных электронных оболочках - б
Материал
м= -1
Тк оС
Количество
неспаренных
электронов
26Fe
1000
770
4
27Co
150
1150
3
28Ni
240
360
2
13

14.

Природа ферромагнетизма
Природа ферромагнетизма
a
2 ,8 1,6
D
14

15. Влияние межатомного расстояния на магнитные свойства материалов

Магнитные
моменты
атомов
в
ферромагнитных и антиферромагнитных
материалах выстраиваются параллельно
друг другу в результате обменного
взаимодействия электронов внутренних
недостроенных оболочек атомов. Энергия
обменного взаимодействия рассчитывается
из выражения
i 1
(3.28)
где J - обменный интеграл, Дж; (Si, Si+1)=
SiSi+1cosj - скалярное произведение
результирующих спинов i -го и (i+1)-го
соседних атомов; j - угол
между
направлениями
спинов
электронов
соседних атомов; N - число спинов.
а – межатомное расстояние
d – диаметр атома;
Co
Fe
1
Mn 1,5
-J
N
Wобм 2 J ( Si , Si 1 ) , Дж,
+J
2
Ni
Gd
3,0
3
а/d
Cr
Рис. 3.9. Зависимость обменного
инте грала J от отношения а/d
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
15

16. Доменная структура ферромагнетиков

Природа ферромагнетизма
• Домены – макроскопические области, намагниченные
практически до насыщения даже в отсутствии внешнего
магнитного поля, спонтанная намагниченность которых
обусловлена параллельной ориентацией магнитных
моментов атомов.
• Размер доменов для некоторых материалов
16

17. Доменная структура ферромагнетиков

Природа ферромагнетизма
Доменная граница представляет собой переходную
область, называемую стенкой 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).
N
S
N
S
S
N
S
N
a
j=180о
б
Рис. 3.10. Доменная структура ферромагнетиков:
а - схема деления ферромагнетиков на домены;
б - структура доменной границы
17

18. Магнитная анизотропия

Магнитная анизотропия монокристаллов ферромагнитных веществ
выражается в различной интенсивности намагничивания вдоль
разных осей. Различают направления легкого и трудного
намагничивания. Число таких направлений определяется симметрией
кристаллической решетки. У каждого металла свои направления.
18

19. Магнитная анизотропия

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 ).
Никель, кристаллизующийся в ГЦК решетку, наоборот, характеризуется
направлениями легкого намагничивания <111>, совпадающими с
пространственной диагональю куба (рис. б), а направления трудного
намагничивания монокристалла никеля совпадают с ребрами куба и
характеризуются индексами <100>.
z [001]
z [0001]
z
[111]
y [010]
y
x
x [100]
а
б
y
x
в
Направления легкого намагничивания для элементов переходной
группы: а - железо; б - никель; в - кобальт
19

20. Магнитострикция

При намагничивании ферромагнитных монокристаллов наблюдается
изменение их линейных размеров. Это явление называется
магнитострикцией. Величина магнитострикции монокристалла
железа, различна в разных направлениях. Наибольшей
магнитострикцией из трех основных ферромагнетиков (Fe, Ni, Co)
обладает Ni
M 10
l
M
l
6
10
-10
-20
-30
Fe
10
20
30 H, кА/м
Co
Ni
Зависимость коэффициента
магнитострикции М=f(H) для
элементов группы железа
20

21.

Основные характеристики ферромагнетиков
Основные характеристики
Степень намагничивания вещества характеризуют
величиной намагниченности, или интенсивности
намагничивания (J), которая определяется как предел
отношения результирующего магнитного момента Σm,
отнесенного к объему вещества (V), когда, объем
стремиться к нулю
Σm
J lim
V|V 0
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.

22.

Относительная магнитная проницаемость μ
зависит от χ:
μ = 1 + 4πχ.
Основные характеристики
Интенсивность, намагничивания можно
определить, зная μ
J
μ= 1+
H

23.

Магнитное поле в ферромагнетике создается как
сумма двух составляющих: внешней, создаваемой
напряженностью внешнего магнитного поля Н, и
внутренней, создаваемой намагниченностью (J).
Суммарное магнитное поле характеризуется
магнитной индукцией В:
Основные характеристики
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

24.

Основные характеристики
μ=B/ (μoH)- статическая магнитная
проницаемость
μn - начальная магнитная проницаемость –
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.

25.

Основные характеристики
Ферромагнетики в переменных магнитных полях
характеризуют величиной динамической
(амплитудной) магнитной проницаемости,
которая представляет собой отношение
амплитудного значения индукции к амплитудному
значению напряженности магнитного поля.
С увеличением поля μ~ падает, что
обуславливается инерционностью магнитных
процессов

26.

Основные характеристики
Для чистого железа Т кюри=769 ºС, Ni Тк=358
ºС, 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

27. Высокочастотные потери в ферромагнетиках

Процесс намагничивания
Зависимость магнитной индукции макрообъема
ферромагнетика от напряженности внешнего
магнитного поля называют кривой намагничивания.
Она получается при монотонном увеличении
напряженности магнитного поля Н в образце от нуля
до некоторого максимального значения.

28. Поверхностный эффект в ферромагнетиках

Крутизна
кривой
намагниченности,
а
следовательно,
легкость,
с
которой
намагничивается
материал,
характеризуется
магнитной проницаемостью.
Процесс намагничивания
Напряженность магнитного поля, создаваемого
при пропускании тока в катушке, рассчитывается
из соотношения
IN
H
l
, А/м
где N - число витков соленоида, l - длина
соленоида.

29.

Процесс намагничивания

30.

В полях относительно малой напряженности (I)
намагничивание происходит в основном за счет роста
доменов, имеющих вектор намагниченности, близкий к
направлению внешнего поля. Процесс обратимый.
Процесс намагничивания
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.

31.

Процесс намагничивания
При циклическом намагничивании ферромагнетика
кривые намагничивания и размагничивания образуют
петлю гистерезиса. Петлю гистерезиса, полученную
при условии насыщения материала, называют
предельной.

32.

Процесс намагничивания
Основными параметрами магнитного материала,
определяемыми по петле гистерезиса, являются:
1) 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.

33.

Потери в ферромагнитных материалах
а) потери на перемагничивание (гистерезис)
Рг, пропорциональны площади петли
гистерезиса
Потери
Рг = η∙f∙
n
Bmax∙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;

34.

Потери в ферромагнитных материалах
б) потери на вихревые токи в переменном
магнитном поле:
Рв.т. = ξ∙f2∙Вmax∙V, Вт
Потери
где ξ – коэффициент, зависящий от удельного
электрического сопротивления материала и от
формы образца;

35.

Потери в ферромагнитных материалах
в) потери на последействие Рп.с., (потери на
магнитную вязкость), которые 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:
Потери
Р = Рг + Рв.т.+ Рп.с.

36.

Энергия в зазоре ферромагнетика
Энергия в зазоре (WL), например, постоянного
магнита,
выражается формулой
BL H L
WL
2
, 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.

37.

Энергия в зазоре ферромагнетика

38.

Спасибо за внимание!
40