Природа ферромагнетизма. Поведение ферромагнетиков в магнитном поле (процессы намагничивания и перемагничивания, магнитная анизотропия, магнитострикция).

Материалы в магнитном поле намагничиваются. Намагничивание связано с наличием у атомов (ионов) собственного магнитного поля, которое и определяет степень намагниченности материала. Магнитный момент атома является суммой векторов орбитальных и собственных (спиновых) моментов электронов. При наложении внешнего магнитного поля векторы ориентируются вдоль поля. Орбитальный момент при этом уменьшается, так как в атоме индуцируется добавочный момент, направленный против поля, — диамагнитный эффект. Наличие некомпенсированных спинов электронов, наоборот, усиливает намагниченность атома — парамагнитный эффект. В твердых телах атомы сближены настолько, что происходит перекрытие энергетических зон электронов; атомы обмениваются электронами и в результате преобладает тот или иной эффект.

Диамагнетиками называют кристаллы, в которых преобладает диамагнитный эффект. Это металлы Си, Ag, Аu, Be, Zn, полупроводники Ge и Si, сверхпроводники. Они слабо намагничиваются в направлении, противоположном направлению магнитного поля.

Парамагнетиками называют кристаллы, в которых преобладает парамагнитный эффект. Это Pt, Al, Mg, Ti, Zr и тугоплавкие металлы. Они намагничиваются также слабо, но в направлении намагничивающего поля.

Особую группу составляют ферромагнетики, обладающие большим собственным магнитным полем и способные создавать при намагничивании большие магнитные поля (рис. 16.1). Ими являются металлы Fe, Ni, Co, многие редкоземельные металлы, а также химические соединения в сплавах. Ферромагнетизм — результат обменного взаимодействия электронов недостроенных подуровней соседних атомов, перекрывающихся при образовании кристаллов. При этом электрон атома может временно находиться вблизи ядра соседнего атома. Такое взаимодействие приводит
к изменению энергетического состояния, и его оценивают обменной энергией. При положительном значении этой энергии более выгодным у атомов кристалла становится параллельная ориентация спиновых магнитных моментов; при отрицательном - антипараллельная (рис. 16.2). Значение и знак обменной энергии зависят от отношения периода кристаллической решетки а к диаметру d незаполненного электронного подуровня. Согласно квантовой теории псе основные свойства ферромагнетиков обусловлены доменной структурой их кристаллов.

Домен — это область кристалла размером 10^-4 - 10^-6 м (рис. 16.3), где магнитные моменты атомов ориентированы параллельно определенному кристаллографическому направлению. При отсутствии внешнего магнитного поля каждый домен спонтанно (самопроизвольно) намагничен до насыщения, но магнитные моменты отдельных доменов направлены различно и полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю. Между доменами имеются переходные слои (доменные стенки) шириной 10-7 - 10-8 м, внутри которых спиновые магнитные моменты постепенно поворачиваются (рис. 16.4).

В антиферромагнетиках магнитные моменты атомов ориентируются антипараллельно, и результирующий момент равен нулю (см. рис. 16.1). Если же эти магнитные моменты не скомпенсированы, то возникает результирующий магнитный момент, и такой материал называется ферримагнетиком.

Намагниченность монокристалла ферромагнетика анизотропна (рис. 16.5). Кристалл железа и направлении ребра куба < 100 > намагничивается до насыщения Ms при значительно меньшей напряженности поля Hs' по сравнению с Hs” при намагничивании в направлении диагонали куба < 111 > или в других кристаллографических направлениях. Следовательно, в монокристалле железа имеется шесть направлений легкого намагничивания, развернутые между собой на 90 или 180°, по которым и ориентируются векторы намагниченности доменов (см. рис. 16.3).

Удельная энергия, которую необходимо затратить на перемагничивание из направления легкого намагничивания в направление трудного намагничивания (заштрихованная зона на рис. 16.5), называется константой кристаллографической магнитной анизотропии К. Например, для железа при 20°С К = 4,2 * 10^4 Дж/м3. В поликристаллических материалах эффекты анизотропии усредняются, поэтому магнитная анизотропия не обнаруживается. Однако прокаткой можно создать кристаллографическую анизотропию, которая облегчит намагничивание.

Магнитная индукция — плотность магнитного потока — определяется как сумма внешнего Н и внутреннего М магнитных полей: B=μ0(H+M) (16.1), где μ0 – магнитная постоянная, равная 4π*10^-7 Гн/м.

Интенсивность роста индукции при увеличении напряженности намагничивающего поля характеризует магнитная проницаемость μ. Она определяется как тангенс угла наклона касательной к первичной кривой намагничивания B=f(H) (рис. 16.6).

При этом различают начальную магнитную проницаемость при Н~0 и максимальную μmax.

Кроме абсолютной магнитной проницаемости μ1, единица измерения
которой Гн/м, используют безразмерную относительную магнитную проницаемость μ'=μ/μ0.

Процессы намагничивания полностью необратимы. Если магнитное поле, доведенное до +Hs, уменьшать до нуля (см. рис. 16.6), то индукция сохранит определенное значение Вr, называемое остаточной индукцией. Намагничивание поликристалла полем обратного знака уменьшает индукцию B, и при напряженности поля Нс индукция падает до нуля. Напряженность магнитного поля, равная Hс, называется коэрцитивной силой. При перемагничивании от +Hs до -Hs и обратно кривые не совпадают. Площадь, ограниченная этими кривыми, определяет потери на
гистерезис или перемагничивание.

Кривая намагничивания и форма петли гистерезиса — важнейшие характеристики ферромагнетика, так как они определяют основные ею константы, а следовательно, и области применения.

При намагничивании изменяется доменная структура поликристалла ферромагнетика (рис. 16.7). При слабых полях наблюдается смещение границ доменов, в результате чего происходит увеличение тех доменов, векторы намагниченности которых составляют с направлением поля Н меньший угол. Эти домены находятся в энергетически выгодном положении к при увеличении напряженности поля продолжают расти, что сопровождается переориентацией моментов атомов (см. рис. 16.7). На начальном этапе (участок OA) процесс обратим. Затем он приобретает необратимый характер и сопровождается интенсивным ростом индукции (участок АВ). Процесс смещения доменных стенок продолжается до тех пор, пока, не исчезнут домены, ориентированные невыгодно по отношению к полю. Доменная структура исчезает, каждый кристалл становится однодоменным. Дальнейший процесс намагничивания (участок ВС) состоит в том, что векторы намагниченности кристаллов вращаются до полного совпадении с направлением внешнего поля. Полная ориентация векторов намагниченности вдоль поля соответствует индукции насыщении Вs.

Процесс вращения векторов намагниченности кристаллов полностью обратим. Энергия, затрачиваемая на вращение вектора намагниченности, определяется константой анизотропии К. Процесс намагничивания на этой стадии происходит тем легче, чем меньше константа магнитной анизотропии.

Намагничивание в полях напряженностью меньше Hs называют техническим намагничиванием, а в нолях с большей напряженностью — истинным намагничиванием, или парапроцессом. В последнем случае оставшиеся непараллельные магнитные моменты атомов ориентируются параллельно направлению поля.

В действительности строгую ориентацию всех моментов атомов можно было бы наблюдать только при абсолютном нуле. При всех других температурах из-за теплового движения моменты приобретают не строго параллельную ориентацию, что ведет к уменьшению намагниченности и индукции. Но мере повышения температуры дезориентация увеличивается, и при температуре точки Кюри θ намагниченность вообще исчезает.

На процесс намагничивания кроме магнитной анизотропии существенно влияют и магнитострикционные явления, которые могут как облегчать, так и тормозить намагничивание. При техническом намагничивании размер домена l в направлении магнитного поля изменяется на величину λ = ±?l/l, называемую коэффициентом линейной магнитострикции. Значение и знак этого коэффициента зависят от природы ферромагнетика, кристаллографического направления и степени намагниченности.

При намагничивании в полях Н > Hs увеличивается и объем кристалла. Относительное изменение объема называют коэффициентом λs объемной магнитострикции парапроцесса. Обычно этот коэффициент мал, но у некоторых сплавов, называемых инварами, его значения достаточно велики.

При разработке магнитных материалов с заданными свойствами следует учитывать, что магнитные характеристики Ms, Bs, λs, K и θ зависят только от химическою состава ферромагнетика, а характеристики μ, Нc, Br, Hs зависят также и от вида термической обработки, так как являются структурно чувствительными.

Легко намагничиваются (малое значение Hs) химически чистые ферромагнитные металлы и однофазные сплавы на их основе. Количество кристаллических дефектов в них должно быть минимальным, например, границы кристаллов должны иметь минимальную протяженность, что обеспечивается крупнокристаллической структурой.

Если размер кристаллов ферромагнетика приближается к размерам доменов, то при намагничивании и размагничивании возможен только процесс вращения векторов намагничивания, что сопровождается небольшими изменениями намагниченности М и индукции В. Петля гистерезиса принимает прямоугольную форму.

Для намагничивания нежелательны дислокации и остаточные напряжения, для устранения которых в конце технологического процесса применяют термическую обработку — отжиг. Особенно вредны примеси, образующие в кристаллической решетке основного ферромагнетика примесные дефекты или собственные мелкодисперсные фазы. В обоих случаях смешение доменной стенки и вращение векторов намагничивания затрудняются.

Намагничивание ферромагнетика идет тем легче, чем меньше К и λs. Уменьшить их влияние можно путем изменения химического состава ферромагнетика.