На какие группы можно разбить вещества по их магнитным свойствам
В зависимости от магнитных свойств материалы разделяют на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Количественно магнитные свойства материалов принято оценивать по их магнитной восприимчивости λ = М/Н, где М — намагниченность вещества; Н — напряженность магнитного поля.
Это вещества, атомы, ионы или молекулы которых не имеют результирующего магнитного момента при отсутствии внешнего поля. Диамагнитный эффект является результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи и проявляется в том, что возникает магнитный момент, направленный в сторону, обратную внешнему полю. Таким образом, во внешнем магнитном поле диамагнетики намагничиваются противоположно приложенному полю, т. е. имеют отрицательную магнитную восприимчивость (λ < 0). Диамагнитные вещества выталкиваются из неравномерного магнитного поля, а в равномерном магнитном поле вектор намагниченности диамагнетика стремится расположиться перпендикулярно к направлению поля. Диамагнетизм присущ всем без исключения веществам в твердом, жидком и газообразном состояниях, но проявляется слабо и часто подавляется другими эффектами.
Это вещества, атомы, ионы или молекулы которых имеют результирующий магнитный момент при отсутствии внешнего магнитного поля. Во внешнем магнитном поле парамагнетики намагничиваются согласно с внешним полем, т. е. имеют положительную магнитную восприимчивость (λ > 0). Парамагнитный эффект присущ веществам с нескомпенсированным магнитным моментом атомов при отсутствии у них порядка в ориентации этих моментов. Поэтому, когда нет внешнего магнитного поля, атомные магнитные моменты располагаются хаотически и намагниченность парамагнитного вещества равна нулю. При воздействии внешнего магнитного поля атомные магнитные моменты получают преимущественную ориентацию в направлении этого поля, и у парамагнитного вещества проявляется намагниченность.
Это вещества, в которых магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля. При воздействии внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов приобретают преимущественное ориентирование в направлении этого поля и ферромагнитное вещество намагничивается. Ферромагнитные вещества характеризуются большим значением магнитной восприимчивости (>> 1), а также ее нелинейной зависимостью от напряженности магнитного поля и температуры, способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых магнитных полях, гистерезисом — зависимостью магнитных свойств от предшествующего магнитного состояния, точкой Кюри, т. е. температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства. К ферромагнитным веществам относятся железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия. Ферромагнитные свойства у вещества могут возникать лишь при достаточно большом значении обменного взаимодействия, что характерно для кристаллов железа, кобальта, никеля и др. Необходимое значение обменного взаимодействия ферромагнетики имеют лишь в твердом состоянии. Этим объясняется отсутствие в природе жидких и газообразных ферромагнетиков. Ферромагнетизм сплавов, целиком состоящих из «парамагнитных» компонентов, объясняется тем, что в этих сплавах, основой которых обычно является марганец или хром, введение в решетку основы атомов висмута, сурьмы, серы и теллура изменяет электронную структуру кристаллов, в результате чего создаются условия для возникновения ферромагнетизма.
Это вещества, в которых магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов равны нулю. При воздействии внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов приобретают преимущественную ориентацию вдоль внешнего поля и антиферромагнитное вещество намагничивается. Антиферромагнитные вещества характеризуются кристаллическим строением, небольшим коэффициентом магнитной восприимчивости (λ = от 10-3 до 10-5), постоянством восприимчивости в слабых полях и сложной зависимостью от магнитного поля в сильных полях, специфической зависимостью от температуры, а также температурой точки Нееля, выше которой вещество переходит в парамагнитное состояние. К антиферромагнетикам относятся чистые металлы хром и марганец, редкоземельные металлы цериевой подгруппы: церий, неодим, празеодим самарий и европий. Редкоземельные металлы диспрозий, гольмий и эрбий в зависимости от температуры могут быть антиферромагнетиками или ферромагнетиками. При воздействии на эти металлы, находящиеся в антиферромагнитном состоянии внешнего магнитного поля, превышающего критическое значение, происходит переход антиферромагнитного порядка в ферромагнитный, сопровождающийся скачкообразным появлением намагниченности (М~ 1600 кА/м). Аналогичные превращения можно наблюдать у тулия и тербия.
Это кристаллические вещества, магнитную структуру которых можно представить в виде двух или более подрешеток; магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля.
Магнитные материалы первой группы применяются в электронных элементах, для которых нет особых требований к температурной и временной нестабильности. Определяющими параметрами данной группы материалов являются начальная магнитная проницаемость и тангенс угла магнитных потерь.
Материалы второй группы имеют малые значения относительного температурного коэффициента магнитной проницаемости в рабочем интервале температур и достаточно высокую временную стабильность начальной магнитной проницаемости. Значение магнитной индукции при поле Н = 800 А/м при нормальной (комнатной) температуре составляет 0,25-0,38 Тл.
К третьей группе относятся материалы с высоким значением начальной магнитной проницаемости на низких частотах. При этом повышенные требования к температурному коэффициенту проницаемости не предъявляются.
Для ферритовых материалов четвертой группы характерны малые значения магнитных потерь в сильных электромагнитных полях и высокое значение магнитной индукции при повышенной температуре (до 100-120°С) и подмагничивании.
Пятая группа ферритов характеризуется повышенными значениями импульсной магнитной проницаемости и температурной стабильностью магнитной проницаемости.
К шестой группе относятся ферритовые материалы, которые характеризуются начальной магнитной проницаемостью, коэффициентом амплитудной нестабильности магнитной проницаемости, коэффициентом перестройки по частоте, тангенсом угла магнитных потерь при различных индукциях, низкой начальной проницаемостью.
Особое место занимают ферритовые материалы седьмой группы. Они характеризуются повышенной добротностью как в слабых, так и в сильных электромагнитных полях, малыми линейными искажениями, низкой начальной проницаемостью.
ФЕРРИТ-ХОЛДИНГ: Новости | ||
21.05 20 Компания ЛЭПКОС ввела в складскую линию продаж широкую номенклатуру дисковых варисторов TDK серии SIOV B722* с номинальными диаметрами от 5 до 20 мм. 29.04 20 График работы компании «ЛЭПКОС» в период майских праздников. 03.04 20 Обращаем Ваше внимание, что с 6 апреля склад компании ЛЭПКОС будет осуществлять отгрузку продукции заказчикам, подтвердившим возможность принять продукцию. 26.03 20 Уважаемые коллеги и партнеры! Обращаем Ваше внимание, что в связи с выходом Указа Президента РФ об объявлении в России нерабочих дней, с 28 марта по 5 апреля отгрузки со склада компании ЛЭПКОС осуществляться не будут. В этот период офис компании будет работать удаленно. 23.01 20 ВНИМАНИЕ! Новый склад компании ЛЭПКОС находится по адресу: | ||
«Северо-Западная Лаборатория» © 1999—2020
Поддержка — Кутузова Марина
Перейти к странице:
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 22 сентября 2016;
проверки требуют 14 правок.
Магнитные материалы, Магнетики — материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также в других физических явлениях — изменение физических размеров, температуры, проводимости, возникновению электрического потенциала и т. д. В этом смысле к магнетикам относятся практически все вещества (поскольку ни у какого из них магнитная восприимчивость не равна нулю), большинство из них относится к классам диамагнетиков (имеющие небольшую отрицательную магнитную восприимчивость — и несколько ослабляющие магнитное поле) или парамагнетиков (имеющие небольшую положительную магнитную восприимчивость — и несколько усиливающие магнитное поле); более редко встречаются ферромагнетики (имеющие большую положительную магнитную восприимчивость — и намного усиливающие магнитное поле), о ещё более редких классах веществ по отношению к действию на них магнитного поля — см. ниже.
Магнитными материалами могут быть различные сплавы, химические соединения, жидкости.
Ферромагнетики делятся на две большие группы — Магнитотвёрдые материалы и Магнитомягкие материалы.
Также существуют другие типы магнитных материалов: магнитострикционные материалы, магнитооптические материалы, термомагнитные материалы.
Природа и строение магнитных материалов[править | править код]
Известно два различных механизма магнетизма:
- зонный магнетизм;
- молекулярный магнетизм.
Выделяют несколько основных типов магнетиков, различимых по конфигурации их магнитных структур:
- диамагнетики
- парамагнетики
- ферромагнетики,
- неколлинеарные ферромагнетики,
- антиферромагнетики,
- ферримагнетики,
- аромагнетики[1],
- гелимагнетики,
- спиновые стёкла,
- сперомагнетики,
- асперомагнетики,
- миктомагнетики,
- сперимагнетики,
- пьезомагнетики,
- спиновая жидкость.
Области применения магнитных материалов[править | править код]
Некоторые области применения полимерных магнитов:
- Акустические системы, реле и бесконтактные датчики
- Электромашины, магнитные сепараторы, холодильники
- Магнитные элементы кодовых замков и охранной сигнализации
- Тахогенераторы, датчики положения, электроизмерительные приборы
- Медицина ( магнитотерапия, магнитные матрацы)
- Автоматизированное шоссе, где в США предусматривается разместить до полутонны ферритовых магнитопластов на одну милю шоссе для автоматического управления движением автомобиля, оснащенного специальным компьютером и системой слежения
- Магнитное покрытие для полов офисов и промышленных помещений
- Магнитные компоненты для глушителей автомобилей (в Европе на эти цели уходит 23000 тонн магнитопластов)
- Периферийные устройства компьютеров, мобильные телефоны, фотоаппараты, кинокамеры
- Магнитные устройства для обработки воды, углеводородного топлива, масел; магнитные фильтры
- Магнитные устройства для использования в рекламе, торговле, при оснащении выставок, конференций, спортивных мероприятий и так далее
- Неразрушающие методы контроля ( Магнитопорошковый контроль)
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Магнитомягкие материалы для современной силовой электроники
- Наиболее часто задаваемые вопросы по магнитомягким магнитным материалам
Âñå âåùåñòâà â ïðèðîäå ÿâëÿþòñÿ ìàãíåòèêàìè â òîì ïîíèìàíèè, ÷òî îíè îáëàäàþò îïðåäåëåííûìè ìàãíèòíûìè ñâîéñòâàìè è îïðåäåëåííûì îáðàçîì âçàèìîäåéñòâóþò ñ âíåøíèì ìàãíèòíûì ïîëåì.
Ìàãíèòíûìè íàçûâàþò ìàòåðèàëû, ïðèìåíÿåìûå â òåõíèêå ñ ó÷åòîì èõ ìàãíèòíûõ ñâîéñòâ. Ìàãíèòíûå ñâîéñòâà âåùåñòâà çàâèñÿò îò ìàãíèòíûõ ñâîéñòâ ìèêðî÷àñòèö, ñòðóêòóðû àòîìîâ è ìîëåêóë.
Êëàññèôèêàöèÿ ìàãíèòíûõ ìàòåðèàëîâ
Ìàãíèòíûå ìàòåðèàëû äåëÿò íà ñëàáîìàãíèòíûå è ñèëüíîìàãíèòíûå.
Ê ñëàáîìàãíèòíûì îòíîñÿò äèàìàãíåòèêè è ïàðàìàãíåòèêè.
Ê ñèëüíîìàãíèòíûì ôåððîìàãíåòèêè, êîòîðûå, â ñâîþ î÷åðåäü, ìîãóò áûòü ìàãíèòîìÿãêèìè è ìàãíèòîòâåðäûìè. Ôîðìàëüíî îòëè÷èå ìàãíèòíûõ ñâîéñòâ ìàòåðèàëîâ ìîæíî îõàðàêòåðèçîâàòü îòíîñèòåëüíîé ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòüþ.
Äèàìàãíåòèêàìè íàçûâàþò ìàòåðèàëû, àòîìû (èîíû) êîòîðûõ íå îáëàäàþò ðåçóëüòèðóþùèì ìàãíèòíûì ìîìåíòîì. Âíåøíå äèàìàãíåòèêè ïðîÿâëÿþò ñåáÿ òåì, ÷òî âûòàëêèâàþòñÿ èç ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Ê íèì îòíîñÿò öèíê, ìåäü, çîëîòî, ðòóòü è äðóãèå ìàòåðèàëû.
Ïàðàìàãíåòèêàìè íàçûâàþò ìàòåðèàëû, àòîìû (èîíû) êîòîðûõ îáëàäàþò ðåçóëüòèðóþùèì ìàãíèòíûì ìîìåíòîì, íå çàâèñÿùèì îò âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Âíåøíå ïàðàìàãíåòèêè ïðîÿâëÿþò ñåáÿ òåì, ÷òî âòÿãèâàþòñÿ â íåîäíîðîäíîå ìàãíèòíîå ïîëå. Ê íèì îòíîñÿò àëþìèíèé, ïëàòèíó, íèêåëü è äðóãèå ìàòåðèàëû.
Ôåððîìàãíåòèêàìè íàçûâàþò ìàòåðèàëû, â êîòîðûõ ñîáñòâåííîå (âíóòðåííåå) ìàãíèòíîå ïîëå ìîæåò â ñîòíè è òûñÿ÷è ðàç ïðåâûøàòü âûçâàâøåå åãî âíåøíåå ìàãíèòíîå ïîëå.
Ëþáîå ôåððîìàãíèòíîå òåëî ðàçáèòî íà äîìåíû ìàëûå îáëàñòè ñàìîïðîèçâîëüíîé (ñïîíòàííîé) íàìàãíè÷åííîñòè.  îòñóòñòâèå âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ, íàïðàâëåíèÿ âåêòîðîâ íàìàãíè÷åííîñòè ðàçëè÷íûõ äîìåíîâ íå ñîâïàäàþò, è ðåçóëüòèðóþùàÿ íàìàãíè÷åííîñòü âñåãî òåëà ìîæåò áûòü ðàâíà íóëþ.
Ñóùåñòâóåò òðè òèïà ïðîöåññîâ íàìàãíè÷èâàíèÿ ôåððîìàãíåòèêîâ:
1. Ïðîöåññ îáðàòèìîãî ñìåùåíèÿ ìàãíèòíûõ äîìåíîâ.  äàííîì ñëó÷àå ïðîèñõîäèò ñìåùåíèå ãðàíèö äîìåíîâ, îðèåíòèðîâàííûõ íàèáîëåå áëèçêî ê íàïðàâëåíèþ âíåøíåãî ïîëÿ. Ïðè ñíÿòèè ïîëÿ äîìåíû ñìåùàþòñÿ â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè. Îáëàñòü îáðàòèìîãî ñìåùåíèÿ äîìåíîâ ðàñïîëîæåíà íà÷àëüíîì ó÷àñòêå êðèâîé íàìàãíè÷èâàíèÿ.
2. Ïðîöåññ íåîáðàòèìîãî ñìåùåíèÿ ìàãíèòíûõ äîìåíîâ.  äàííîì ñëó÷àå ñìåùåíèå ãðàíèö ìåæäó ìàãíèòíûìè äîìåíàìè íå ñíèìàåòñÿ ïðè ñíèæåíèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Èñõîäíûå ïîëîæåíèÿ äîìåíîâ ìîãóò áûòü äîñòèãíóòû â ïðîöåññå ïåðåìàãíè÷èâàíèÿ.
Íåîáðàòèìîå ñìåùåíèå ãðàíèö äîìåíîâ ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ ìàãíèòíîãî ãèñòåðåçèñà îòñòàâàíèþ ìàãíèòíîé èíäóêöèè îò íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ.
3. Ïðîöåññû âðàùåíèÿ äîìåíîâ.  äàííîì ñëó÷àå çàâåðøåíèå ïðîöåññîâ ñìåùåíèÿ ãðàíèö äîìåíîâ ïðèâîäèò ê òåõíè÷åñêîìó íàñûùåíèþ ìàòåðèàëà.  îáëàñòè íàñûùåíèÿ âñå äîìåíû ïîâîðà÷èâàþòñÿ ïî íàïðàâëåíèþ ïîëÿ. Ïåòëÿ ãèñòåðåçèñà, äîñòèãàþùàÿ îáëàñòè íàñûùåíèÿ íàçûâàåòñÿ ïðåäåëüíîé.
Ïðåäåëüíàÿ ïåòëÿ ãèñòåðåçèñà èìååò ñëåäóþùèå õàðàêòåðèñòèêè: Bmax èíäóêöèÿ íàñûùåíèÿ; Br îñòàòî÷íàÿ èíäóêöèÿ; Hc — çàäåðæèâàþùàÿ (êîýðöèòèâíàÿ) ñèëà.
Ìàòåðèàëû ñ ìàëûìè çíà÷åíèÿìè Hc (óçêîé ïåòëåé ãèñòåðåçèñà) è áîëüøîé ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòüþ íàçûâàþòñÿ ìàãíèòîìÿãêèìè.
Ìàòåðèàëû ñ áîëüøèìè çíà÷åíèÿìè Hc (øèðîêîé ïåòëåé ãèñòåðåçèñà) è íèçêîé ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòüþ íàçûâàþòñÿ ìàãíèòîòâåðäûìè.
Ïðè ïåðåìàãíè÷èâàíèè ôåððîìàãíåòèêà â ïåðåìåííûõ ìàãíèòíûõ ïîëÿõ âñåãäà íàáëþäàþòñÿ òåïëîâûå ïîòåðè ýíåðãèè, òî åñòü ìàòåðèàë íàãðåâàåòñÿ. Ýòè ïîòåðè îáóñëîâëåíû ïîòåðÿìè íà ãèñòåðåçèñ è ïîòåðÿìè íà âèõðåâûå òîêè. Ïîòåðè íà ãèñòåðåçèñ ïðîïîðöèîíàëüíû ïëîùàäè ïåòëè ãèñòåðåçèñà. Ïîòåðè íà âèõðåâûå òîêè çàâèñÿò îò ýëåêòðè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ôåððîìàãíåòèêà. ×åì âûøå ñîïðîòèâëåíèå òåì ìåíüøå ïîòåðè íà âèõðåâûå òîêè.
Ìàãíèòîìÿãêèå è ìàãíèòîòâåðäûå ìàòåðèàëû
Ê ìàãíèòîìÿãêèì ìàòåðèàëàì îòíîñÿò:
1. Òåõíè÷åñêè ÷èñòîå æåëåçî (ýëåêòðîòåõíè÷åñêàÿ íèçêîóãëåðîäèñòàÿ ñòàëü).
2. Ýëåêòðîòåõíè÷åñêèå êðåìíèñòûå ñòàëè.
3. Æåëåçîíèêåëåâûå è æåëåçîêîáàëüòîâûå ñïëàâû.
4. Ìàãíèòîìÿãêèå ôåððèòû.
Ìàãíèòíûå ñâîéñòâà íèçêîóãëåðîäèñòîé ñòàëè (òåõíè÷åñêè ÷èñòîãî æåëåçà) çàâèñÿò îò ñîäåðæàíèÿ ïðèìåñåé, èñêàæåíèÿ êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè èç-çà äåôîðìàöèè, âåëè÷èíû çåðíà è òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè. Ïî ïðè÷èíå íèçêîãî óäåëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ òåõíè÷åñêè ÷èñòîå æåëåçî â ýëåêòðîòåõíèêå èñïîëüçóåòñÿ äîâîëüíî ðåäêî, â îñíîâíîì äëÿ ìàãíèòîïðîâîäîâ ïîñòîÿííîãî ìàãíèòíîãî ïîòîêà.
Ýëåêòðîòåõíè÷åñêàÿ êðåìíèñòàÿ ñòàëü ÿâëÿåòñÿ îñíîâíûì ìàãíèòíûì ìàòåðèàëîì ìàññîâîãî ïîòðåáëåíèÿ. Ýòî ñïëàâ æåëåçà ñ êðåìíèåì. Ëåãèðîâàíèå êðåìíèåì ïîçâîëÿåò óìåíüøèòü êîýðöèòèâíóþ ñèëó è óâåëè÷èòü óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå, òî åñòü ñíèçèòü ïîòåðè íà âèõðåâûå òîêè.
Ëèñòîâàÿ ýëåêòðîòåõíè÷åñêàÿ ñòàëü, ïîñòàâëÿåìàÿ â îòäåëüíûõ ëèñòàõ èëè ðóëîíàõ, è ëåíòî÷íàÿ ñòàëü, ïîñòàâëÿåìàÿ òîëüêî â ðóëîíàõ — ÿâëÿþòñÿ ïîëóôàáðèêàòàìè, ïðåäíàçíà÷åííûìè äëÿ èçãîòîâëåíèÿ ìàãíèòîïðîâîäîâ (ñåðäå÷íèêîâ).
Ìàãíèòîïðîâîäû ôîðìèðóþò ëèáî èç îòäåëüíûõ ïëàñòèí, ïîëó÷àåìûõ øòàìïîâêîé èëè ðåçêîé, ëèáî íàâèâêîé èç ëåíò.
Æåëåçîíèêåëåâûå ñïëàâû íàçûâàþò ïåðìàëëîÿìè. Îíè îáëàäàþò áîëüøîé íà÷àëüíîé ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòüþ â îáëàñòè ñëàáûõ ìàãíèòíûõ ïîëåé. Ïåðìàëëîè ïðèìåíÿþò äëÿ ñåðäå÷íèêîâ ìàëîãàáàðèòíûõ ñèëîâûõ òðàíñôîðìàòîðîâ, äðîññåëåé è ðåëå.
Ôåððèòû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ìàãíèòíóþ êåðàìèêó ñ áîëüøèì óäåëüíûì ñîïðîòèâëåíèåì, â 1010 ðàç ïðåâûøàþùèì ñîïðîòèâëåíèå æåëåçà. Ôåððèòû ïðèìåíÿþò â âûñîêî÷àñòîòíûõ öåïÿõ, òàê êàê èõ ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü ïðàêòè÷åñêè íå ñíèæàåòñÿ ñ óâåëè÷åíèåì ÷àñòîòû.
Íåäîñòàòêîì ôåððèòîâ ÿâëÿåòñÿ èõ íèçêàÿ èíäóêöèÿ íàñûùåíèÿ è íèçêàÿ ìåõàíè÷åñêàÿ ïðî÷íîñòü. Ïîýòîìó ôåððèòû ïðèìåíÿþò, êàê ïðàâèëî, â íèçêîâîëüòíîé ýëåêòðîíèêå.
Ê ìàãíèòîòâåðäûì ìàòåðèàëàì îòíîñÿò:
1. Ëèòûå ìàãíèòîòâåðäûå ìàòåðèàëû íà îñíîâå ñïëàâîâ Fe-Ni-Al.
2. Ïîðîøêîâûå ìàãíèòîòâåðäûå ìàòåðèàëû, ïîëó÷àåìûå ïóòåì ïðåññîâàíèÿ ïîðîøêîâ ñ ïîñëåäóþùåé òåðìîîáðàáîòêîé.
3. Ìàãíèòîòâåðäûå ôåððèòû. Ìàãíèòîòâåðäûå ìàòåðèàëû ýòî ìàòåðèàëû äëÿ ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ, èñïîëüçóþùèõñÿ â ýëåêòðîäâèãàòåëÿõ è äðóãèõ ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ óñòðîéñòâàõ, â êîòîðûõ òðåáóåòñÿ ïîñòîÿííîå ìàãíèòíîå ïîëå.
Магнитными свойствами обладают в той или иной мере все материалы, так как эти свойства являются отражением структурных закономерностей, присущих веществу на микроуровне. Особенности структуры обусловливают различия в магнитных свойствах веществ, то есть в характере их взаимодействия с магнитным полем.
Строение вещества и магнетизм
Первая теория, объясняющая природу магнетизма через взаимосвязь электрических и магнитных явлений, создана французским физиком Ж.-М. Ампером в 20-х годах XIX века. В рамках этой теории Ампер предположил наличие в физических телах микроскопических замкнутых токов, обычно компенсирующих друг друга. Но у веществ, обладающих магнитными свойствами, такие «молекулярные токи» создают поверхностный ток, в результате чего материал становится постоянным магнитом. Эта гипотеза не нашла подтверждения, за исключением одной важнейшей идеи – о микротоках как источниках магнитных полей.
Микротоки в веществе действительно существуют благодаря движению электронов в атомах и создают магнитный момент. Кроме того, электроны имеют собственный магнитный момент квантовой природы.
Суммарный магнитный момент вещества, то есть совокупности элементарных токов в нем, в отношении к единице объема, определяет состояние намагниченности макроскопического тела. У большей части веществ моменты частиц ориентированы неупорядоченно (ведущую роль в этом играют тепловые хаотические колебания), и намагниченность практически равна нулю.
Поведение вещества в магнитном поле
При действии внешнего магнитного поля векторы магнитных моментов частиц изменяют направление – тело намагничивается, в нем появляется собственное магнитное поле. Характер этого изменения и его интенсивность, определяющие магнитные свойства веществ, обусловлены различными факторами:
- особенности структуры электронных оболочек в атомах и молекулах вещества;
- межатомные и межмолекулярные взаимодействия;
- особенности структуры кристаллических решеток (анизотропия);
- температура вещества;
- напряженность и конфигурация магнитного поля и так далее.
Намагниченность вещества пропорциональна напряженности магнитного поля в нем. Их соотношение определяется особым коэффициентом – магнитной восприимчивостью. У вакуума она равна нулю, у некоторых веществ отрицательна.
Величину, характеризующую соотношение магнитной индукции и напряженности поля в веществе, принято называть магнитной проницаемостью. В вакууме индукция и напряженность совпадают, и проницаемость его равна единице. Магнитную проницаемость вещества можно выражать как относительную величину. Это соотношение абсолютных значений ее для данного вещества и для вакуума (последняя величина принята в качестве магнитной постоянной).
Классификация веществ по магнитным свойствам
По типу поведения различных твердых материалов, жидкостей, газов в магнитном поле выделяют несколько групп:
- диамагнетики;
- парамагнетики;
- ферромагнетики;
- ферримагнетики;
- антиферромагнетики.
Основные магнитные характеристики вещества, лежащие в основе классификации – это магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость. Охарактеризуем основные свойства, присущие каждой группе.
Диамагнетики
В силу некоторых особенностей строения электронных облаков у атомов (или молекул) диамагнетиков нет магнитного момента. Он появляется при возникновении внешнего поля. Индуцированное, наведенное поле имеет противоположное направление, и результирующее поле оказывается несколько слабее, чем внешнее. Правда, разница эта не может быть существенной.
Магнитная восприимчивость диамагнетиков выражается отрицательными числами с порядком величины от 10-4 до 10-6 и не зависит от напряженности поля; магнитная проницаемость ниже, чем у вакуума, на тот же порядок величины.
Наложение неоднородного магнитного поля ведет к тому, что диамагнетик выталкивается этим полем, так как стремится сместиться в область, где поле слабее. На этой особенности магнитных свойств веществ данной группы основан эффект диамагнитной левитации.
Диамагнетики представляют обширную группу веществ. В нее входят такие металлы, как медь, цинк, золото, серебро, висмут. Также к ней относятся кремний, германий, фосфор, азот, водород, инертные газы. Из сложных веществ – вода, многие соли, органические соединения. Идеальные диамагнетики – это сверхпроводники. Магнитная проницаемость их равна нулю. Поле внутрь сверхпроводника проникнуть не может.
Парамагнетики
Принадлежащим к данной группе веществам свойственна положительная магнитная восприимчивость (очень невысокая, порядка 10-5 – 10-6). Намагничиваются они параллельно вектору накладываемого поля, то есть втягиваются в него, но взаимодействие парамагнетиков с ним очень слабое, как и у диамагнетиков. Магнитная проницаемость их близка к значению проницаемости вакуума, только слегка превосходит его.
В отсутствие внешнего поля парамагнетики, как правило, не обладают намагниченностью: их атомы имеют собственные магнитные моменты, но ориентированы они хаотически из-за тепловых колебаний. При низких температурах парамагнетики могут иметь собственную намагниченность малой величины, сильно зависящую от внешних воздействий. Однако влияние теплового движения слишком велико, вследствие чего элементарные магнитные моменты парамагнетиков никогда не устанавливаются точно по направлению поля. В этом и заключается причина их низкой магнитной восприимчивости.
Силы межатомного и межмолекулярного взаимодействия также играют значительную роль, способствуя либо, напротив, оказывая сопротивление упорядочиванию элементарных магнитных моментов. Это обусловливает большое разнообразие магнитных свойств вещества парамагнетиков.
К этой группе веществ относятся многие металлы, например вольфрам, алюминий, марганец, натрий, магний. Парамагнетиками являются кислород, соли железа, некоторые оксиды.
Ферромагнетики
Существует небольшая группа веществ, которые благодаря особенностям структуры обладают очень высокими магнитными свойствами. Первым металлом, у которого обнаружились эти качества, было железо, и благодаря ему данная группа получила наименование ферромагнетиков.
Строение ферромагнетиков характеризуется наличием особых структур – доменов. Это области, где намагниченность образуется спонтанно. Благодаря особенностям межатомного и межмолекулярного взаимодействия у ферромагнетиков устанавливается наиболее энергетически выгодное расположение атомных и электронных магнитных моментов. Они приобретают параллельную направленность по так называемым направлениям легкого намагничивания. Однако весь объем, например, кристалла железа не может приобрести однонаправленную самопроизвольную намагниченность – это повышало бы общую энергию системы. Поэтому система разбивается на участки, спонтанная намагниченность которых в ферромагнитном теле компенсирует друг друга. Так образуются домены.
Магнитная восприимчивость ферромагнетиков чрезвычайно велика, может составлять от нескольких десятков до сотен тысяч и в большой степени зависит от напряженности внешнего поля. Причина этого заключается в том, что ориентация доменов по направлению поля также оказывается энергетически выгодной. Направление вектора намагниченности части доменов обязательно совпадет с вектором напряженности поля, и энергия их будет наименьшей. Такие области разрастаются, и одновременно сокращаются невыгодно ориентированные домены. Намагниченность увеличивается, и нарастает магнитная индукция. Процесс происходит неравномерно, и график связи индукции с напряженностью внешнего поля называют кривой намагничивания ферромагнитного вещества.
При повышении температуры до некоторой пороговой величины, называемой точкой Кюри, доменное строение вследствие усиления теплового движения нарушается. В этих условиях ферромагнетик проявляет парамагнитные качества.
Помимо железа и стали, ферромагнитные свойства присущи кобальту и никелю, некоторым сплавам и редкоземельным металлам.
Ферримагнетики и антиферромагнетики
Двум видам магнетиков также свойственна доменная структура, но магнитные моменты в них ориентируются антипараллельно. Это такие группы, как:
- Антиферромагнетики. Магнитные моменты доменов в этих веществах равны по численному значению и взаимно скомпенсированы. По этой причине магнитные свойства материалов антиферромагнетиков характеризуются крайне низкой магнитной восприимчивостью. Во внешнем поле они проявляют себя как очень слабые парамагнетики. Выше пороговой температуры, называемой точкой Нееля, такое вещество становится обычным парамагнетиком. Антиферромагнетиками являются хром, марганец, некоторые редкоземельные металлы, актиноиды. Некоторые антиферромагнитные сплавы имеют две точки Нееля. Когда температура меньше нижнего порога, материал становится ферромагнитным.
- Ферримагнетики. У веществ этого класса величины магнитных моментов разных структурных единиц не равны, благодаря чему не происходит их взаимной компенсации. Магнитная восприимчивость их зависит от температуры и напряженности намагничивающего поля. К ферримагнетикам относятся ферриты, в состав которых входит оксид железа.
Понятие о гистерезисе. Постоянный магнетизм
Ферромагнитные и ферримагнитные материалы обладают свойством остаточной намагниченности. Это свойство обусловлено явлением гистерезиса – запаздывания. Суть его состоит в отставании изменения намагниченности материала от изменения внешнего поля. Если по достижении насыщения снижать напряженность поля, намагниченность будет меняться не в соответствии с кривой намагничивания, а более пологим образом, так как значительная часть доменов остается ориентирована соответственно вектору поля. Благодаря этому явлению существуют постоянные магниты.
Размагничивание происходит при перемене направления поля, при достижении им некоторой величины, называемой коэрцитивной (задерживающей) силой. Чем больше ее величина, тем лучше вещество удерживает остаточную намагниченность. Замыкание петли гистерезиса происходит при следующем изменении напряженности по направлению и величине.
Магнитная твердость и мягкость
Явление гистерезиса сильно влияет на магнитные свойства материалов. Вещества, у которых на графике гистерезиса петля расширена, требующие для размагничивания значительной коэрцитивной силы, называют магнитотвердыми, материалы с узкой петлей, гораздо легче поддающиеся размагничиванию – магнитомягкими.
В переменных полях магнитный гистерезис проявляется особенно ярко. Он всегда сопровождается выделением тепла. Кроме того, в переменном магнитном поле в магнетике возникают вихревые индукционные токи, выделяющие особенно много тепла.
Многие ферромагнетики и ферримагнетики применяются в оборудовании, функционирующем на переменном токе (например, сердечники электромагнитов) и при работе все время перемагничиваются. Для того чтобы уменьшить энергопотери на гистерезис и динамические потери на вихревые токи, в таком оборудовании применяют магнитомягкие материалы, такие как чистое железо, ферриты, электротехнические стали, сплавы (например, пермаллой). Есть и другие способы минимизировать потери энергии.
Магнитотвердые вещества, напротив, используются в оборудовании, работающем на постоянном магнитном поле. Они значительно дольше сохраняют остаточную намагниченность, но их труднее намагнитить до насыщения. Многие из них в настоящее время представляют собой композиты разных типов, например, металлокерамические или неодимовые магниты.
Еще немного об использовании магнитных материалов
Современные высокотехнологичные производства требуют применения магнитов, изготовляемых из конструкционных, в том числе композитных материалов с заданными магнитными свойствами веществ. Таковы, например, магнитные нанокомпозиты ферромагнетик-сверхпроводник или ферромагнетик-парамагнетик, используемые в спинтронике, или магнитополимеры – гели, эластомеры, латексы, феррожидкости, находящие самое широкое применение.
Различные магнитные сплавы тоже чрезвычайно востребованы. Сплав неодим-железо-бор характеризуется высокой устойчивостью к размагничиванию и мощностью: упомянутые выше неодимовые магниты, являясь наиболее мощными на сегодняшний день постоянными магнитами, применяются в самых разных отраслях, несмотря на наличие некоторых недостатков, таких как хрупкость. Их используют в магнитно-резонансных томографах, ветрогенераторах, при очистке технических жидкостей и подъеме тяжелых грузов.
Очень интересны перспективы использования антиферромагнетиков в низкотемпературных наноструктурах для изготовления ячеек памяти, позволяющих существенно увеличивать плотность записи без нарушения состояния соседних битов.
Надо полагать, что применение магнитных свойств веществ с заданными характеристиками будет все более расширяться и обеспечит серьезные технологические прорывы в разных областях.