С технической точки зрения в качестве магнитных материалов наибольший интерес представляют ферро-, антиферро- и ферримагнетики. Несмотря на различия в строении и магнитных свойствах, при их помещении во внешнее магнитное поле процессы ориентации магнитных моментов характеризуются одними и теми же закономерностями, т.е. процессы их намагничивания аналогичны. Поэтому нет необходимости рассматривать их раздельно, за исключением особых случаев.
Особенностью всех магнитных материалов, или просто магнетиков, является их доменная структура. Домен—это макроскопическая область с магнитным моментом определенного направления или же область спонтанного намагничивания до насыщения. Размеры доменов от 10-2 до 10-6 мм3, что составляет ~ 0,1 мм по ширине в двух направлениях и ~ 1...10 мм по длине. Домены отделены друг от друга переходными слоями, называемыми стенками, размер которых 10-2 …10-6мм. В этих переходных слоях ориентация магнитных моментов постепенно меняется от одного направления к другому, соответствующему соседнему домену.
В принципе домен может рассматриваться как магнитный диполь, а доменная структура — как набор диполей, разделенных переходными стенками.
Схематично доменная структура и магнитный атомный порядок магнетиков представлены на рис. 2.
Рис. 2. Доменная структура магнетиков:
а — ферромагнетики; б — антиферромагнетики; в — ферримагнетики
При отсутствии внешнего магнитного поля отдельные домены со своим собственным направлением магнитного момента расположены хаотически, их моменты взаимно компенсируются и результирующее внутреннее магнитное поле равно нулю. При помещении магнетика во внешнее магнитное поле происходит его намагничивание, что выражается в изменении доменной структуры. По современным представлениям, изменение доменной структуры во внешнем магнитном поле может происходить либо за счет вращения магнитных диполей, либо за счет смещения стенок доменов. В реальных магнетиках оба эти процесса часто происходят одновременно.
|
|
Процесс намагничивания характеризуется зависимостью магнитной индукции В от напряженности внешнего поля Н (рис.3), которую принято называть кривой первоначального намагничивания. Она позволяет проанализировать ход процесса намагничивания.
Рис. 3. Кривая намагничивания магнетика
При слабых внешних полях (участок I) намагничивание начинается за счет ориентации магнитных моментов доменов, имеющих минимальный угол с направлением внешнего поля. Затем происходит смещение границ доменов, у которых направления моментов близки к направлению внешнего поля. При этом их объем увеличивается за счет уменьшения объемов доменов, достаточно сильно отличающихся по направлению магнитного момента от направления поля. Принято считать, что участок I характеризуется смещением доменных границ, а процесс намагничивания является обратимым, т.е. при снятии внешнего поля доменная структура возвращается в исходное состояние.
На участке II происходит вращение магнитных моментов доменов, в результате которого все магнитные диполи ориентируются по направлению внешнего поля. На такой поворот диполей тратится вполне определенная энергия, которая пропорциональна углу поворота, изменяющемуся в пределах от 90 до 180°. После снятия магнитного поля домены будут стремиться вернуться в исходное состояние, что и происходит, если отклонение диполей от исходного состояния было небольшим. При достаточно больших отклонениях домены могут не вернуться в исходное состояние. Это новое состояние будет характеризовать остаточную намагниченность вещества.
|
|
На участке III процесс намагничивания происходит за счет дополнительной ориентации спиновых моментов отдельных электронов вдоль поля. Для этого участка иногда употребляют понятие перемагничивания с направления легкого намагничивания в направление трудного намагничивания, что соответствует режиму насыщения магнетика, когда все магнитные моменты и доменов, и отдельных атомов сориентированы по полю.
Теперь рассмотрим классификацию магнентиков более подробно. Начнем с магнитомягких материалов для постоянных и низкочастотных магнитных полей.
Тема №13