Магнитные свойства твердых тел

Пермалои наматываются в ленточные сердечники.

Магнитодиэлектрики изготавливаются из смеси, в которой связывающим является диэлектрический материал, а наполнителем - порошок из магнитомягкого материала. Достоинства магнитодиэлектриков:

• малые удельные потери энергии;
• сравнительно слабая зависимость параметров от температуры, времени и напряженности магнитного поля;
• постоянство магнитной проницаемости в широком диапазоне частот.

Недостаток:

• Сравнительно малая начальная магнитная проницаемость, что ограничивает возможности повышения добротности (т.е. отношения реактивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению потерь). (Добротность катушки в большинстве случаев определяет резонансные свойства и КПД колебательного контура) катушек индуктивности.

Магнитодиэлектрики  на основе карбонильного  железа изготовляются прессованием порошка карбонильного железа с бакелитом (бакелитовый лак, применяется для пропитки гетинакса), аминолпастом или другим связывающим. Промышленностью выпускается два класса карбонильного железа: Р (марки Р-10, Р-20, Р-100 и Р-100Ф) - для радиоаппаратуры (f_мах до 100 МГц) и Пс - для проводной связи (f_мах до 20 МГц).

Альсиферы получают прессованием порошка из сплава альсифер (Al (5¸13)% + кремний (9¸10)% + Fe) с бакелитом или аминопластом. Они отличаются хорошими электромагнитными свойствами и невысокой стоимостью. Важной особенностью альсифера является то, что его температурный коэффициент магнитной проницаемости в зависимости от содержания кремния и алюминия может быть <0, >0 или =0. Большинство альсиферов имеет отрицательный температурный коэффициент магнитной проницаемости, что позволяет использовать их для температурной компенсации параметров катушек индуктивности.

Марки : ТЧ-90, ТЧ-60, ТЧК-55 (f_крит.=70 кГц),

Компенсированный: ВЧ-32 (f_крит.=200 кГц), ВЧ-22 (f_крит.=700 кГц), ВЧК-22

mмах=30000¸35000 f =50 ¸ 100 кГц.

Ферриты представляют собой спеченную смесь оксида железа (III гр.табл. Менделеева) с оксидами одного или нескольких двухвалентных металлов.

Ферриты являются полупроводниками и обладают электронной  проводимостью. Их удельное сопротивление  может достигать 1*10¹⁰ Ом*см, что и обусловливает малые потери на вихревые токи в переменных полях высокой частоты. Однако с увеличением частоты потери увеличиваются, а магнитная проницаемость ферритов уменьшается. Многие ферриты обладают сравнительно большой коэрцитивной силой и малой остаточной индукцией, поэтому их не используют в сильных магнитных полях. Свойства магнитомягких ферритов существенно зависят от: частоты, напряженности магнитного поля и температуры. 

Условные обозначения (см.справочник Терещука и др.)

Цифры, стоящие  впереди буквенных обозначений  указывают среднее значение начальной  магнитной проницаемости.

4000НМ - марганец - цинковый феррит с m_нач.=4000.

Недостаток ферритов - хрупкость и резко выраженная зависимость магнитных свойств от Т°К. Ферриты являются магнитными полупроводниками.

БА - бариевый феррит с анизотропной структурой.

Схемы замещения магнитных  элементов

Схема замещения  дросселя.

R_L - потери в обмотках и сердечнике; 
С_L - межвитковая емкость; 
R_с - сопротивление потерь в емкости С_L. 
 
 
 

Антиферромагнитики. Ферримагнетики

 

У антиферромагнетиков  не возникает самопроизвольной намагниченности  и при T=0^o К значение c_м=0. Однако с повышением магнитная восприимчивость возрастает и достигает максимума при Т=Т_N, где Т_N - точка Несля (или фантиферромагнитная точка Кюри).

При Т > Т_N антиферромагнетик теряет свои свойства и превращается в парамагнетик с линейной зависимостью (см. рис. 147).

                              

В ферримагнетиках возможно появление спонтанного намагничивания и поведение их, за исключением некоторых особенностей, (например, меньшей намагничинности насыщения и сложной зависимости М_М=f(T^o К)), аналогично поведению ферромагнетиков (см. рис.148). К ферримагнетикам относятся, в частности, ферриты - вещества типа MeO · Fe₂O₃, где Ме - двухвалентный металл. Ферриты нашли широкое применение в технике, поскольку, обладая хорошими магнитными свойствами, они в то же время имеют большое электрическое сопротивление (до 10⁷ Ом·м) и могут использоваться в технике СВЧ в виду малых потерь на вихревые токи. Ферриты широко применяют также при изготовлении постоянных магнитов и в ячейках памяти ЭВМ. Изготовленные из порошков высокотемпературным спеканием ферриты типа MnOЧ MgЧ Fe₂O₃ имеют прямоугольную петлю гистерезиса и обладают большим остаточным магнетизмом.

Природа магнитных свойств  ферромагнетиков

Причина ферромагнитных свойств заключена в наличии  значительных сил взаимодействия между  магнитными моментами атомов в некоторых  кристаллических решетках. Это обуславливает взаимную ориентацию моментов, которые стремятся повернуться параллельно или антипараллельно друг другу. Параллельная ориентация магнитных моментов вызывает появление ферромагнетизма, антипараллельная свойственна антиферромагнетикам (если магнитные моменты равны друг другу) или ферромагнетикам (если соседние антипараллельные моменты различны по величине).

Возможны и  промежуточные типы ориентации соседних магнитных моментов, однако, хотя коллинеарность и не соблюдается, упорядоченность моментов распространяется на значительное количество атомов. 
 
 
 
 

Основные типы магнитоупорядоченных структур.

Ферромагнетиками  являются металлы с недостроенными и несколько перекрывающимися внутренними  электронными оболочками атомов. Такому условию удовлетворяет сравнительно небольшое число веществ. При перекрытии электронных оболочек между ними возникают силы обменного взаимодействия, аналогично силам определяющим ковалентную связь.

Из формулы

определяющей  потенциальную энергию взаимодействия между двумя частицами тела (А, В, n и r - const, r - расстояние между частицами), следует, что при отрицательном обменном интеграле энергетически выгодна антипараллельная, а при положительном - параллельная интеграция спинов. Знак обменного интегралла определяется структурой кристаллической решетки. Как правило, он положителен при больших межатомных расстояниях, что приводит к параллельности спинов и ферромагнитным свойствам.

Однако в отсутствие внешнего магнитного поля суммарный  магнитный момент ферромагнетик оказывается значительно меньше суммы магнитных моментов атомов.

Это привело к предложению о  том, что ферромагнетики состоят  из областей - доменов, в пределах которых  магнитные моменты параллельны  друг другу, однако магнитные моменты  соседних доменов отличаются по направлению (рис.150), так что в целом намагниченность кристалла может быть равна нулю.  Магнитная энергия, запасенная в кристалле пропорциональна его объему, следовательно, с энергетической точки зрения выгодно дробление кристалла на отдельные области (рис.151 а - в).

Причем магнитные  моменты соседних областей должны быть антипараллельны, иначе магнитные  линии вне доменов будут замыкаться по более длинному пути. Однако процесс  дробления не может продолжаться беспредельно, т.к. при малых размерах доменов начинают играть большую роль силы обменного взаимодействия, действующие вдоль поверхности соприкасающихся областей и стремящиеся к параллельной ориентации спинов. Энергия обменного взаимодействия пропорциональна поверхности домена. В конце концов, устанавливается равновесие сил, соответствующее минимуму энергии и определяющее устойчивый размер домена (порядка 10^-4 - 10^-7 м).

Экспериментальное изучение доменной структуры ферромагнетиков осуществляется методом порошковых фигур. Каплю коллоидной супензии из тонко измельченного ферромагнитного порошка (частицы размером 10^-8 - 10^-7 м) наносят на полированную поверхность ферромагнетика. В области доменов магнитные моменты нескомпенсированы и появляются сильные локальные поля, собирающие порошок вдоль границ. Дальнейшие наблюдения ведут с помощью микроскопа или микрофотографий. Существует также оптические методы наблюдения доменной структуры, основанные на облучении ферромагнетика поляризованным светом. Магнитные моменты соседних доменов по-разному изменяют плоскость поляризации света при его отражении от поверхности тела, и при наблюдении с помощью анализатора домены будут иметь различную яркость.

На границе  кристалла домены имеют призматическую треугольную форму (рис.151 г). Тем самым магнитный поток замыкается внутри кристалла, обеспечивая минимальность магнитной энергии. Анизотропия решетки сказывается на расположении магнитных моментов доменов, заставляя их ориентироваться преимущественно вдоль некоторых осей кристалла, которые определяют направление легкого намагничивания. На границе между доменами происходит переход от одной ориентации спиновых моментов к противоположной. Переход осуществляется не мгновенно, а последовательно, на определенной длине порядка нескольких сотен межатомных расстояний.  
 
 
 
 
 

Область на границе домена, где осуществляется поворот спиновых моментов, называется стенкой Блоха.

При наложении  внешнего магнитного поля начинается постепенная ориентация магнитных  моментов вдоль направления  , при этом процесс будет происходить по-разному в зависимости от величины напряженности поля. В качестве примера рассмотрим простейший кристалл, состоящий из четырех доменов (рис.152, а).

В отсутствие внешнего поля суммарный магнитный момент равен нулю, с увеличением напряженности поля он начинает возрастать до насыщения.

При слабых магнитных  полях с ростом напряженности  границы доменов постепенно смещаются (рис.152 б). Размер домена 1, магнитный момент которого близок по направлению к , увеличивается за счет остальных доменов, что выгодно энергетически, и его магнитный момент возрастает, так как он определяется объемом домена (участок 0-а-б на кривой намагничивания ). Направление магнитных моментов на этом этапе не изменяется. На участке 0 - а процесс намагничивания обратим и при уменьшении напряженности H до нуля намагниченность также обращается в нуль.

На участке  а - б процесс является скачкообразным и необратимым - обращение H в нуль не уничтожает остаточной намагниченности. Причиной скачкообразного изменения границ доменов являются различные неоднородности кристалла, на которых задерживается движение стенок домена. Требуется увеличение напряженности поля и соответственно энергии домена для скачкообразного преодоления дефекта решетки.

Необратимость намагничивания связана со сложной зависимостью энергии домена от положения границ домена, характеризующейся наличием нескольких минимумов. Если после намагничивания энергия домена соответствует одному из минимумов, то выйти из такого состояния и вернуться в первоначальное состояние система самопроизвольно без внешнего воздействия не может.

Участок б - в в соответствует повороту вектора намагниченности. К началу этого поворота домен 1 занимает весь объем кристалла, и дальнейший рост Мм связан с переориентацией магнитного момента вдоль направления (рис. 153).

  В точке "в" достигается так называемое техническое насыщение ферромагнетика, однако некоторый рост намагниченности при дальнейшем увеличении все же происходит. Это явление, связанное с преодолением влияния теплового движения атомов, препятствующего одинаковой ориентации магнитных моментов, называется парапроцессом. Особую роль играет парапроцесс в близи точки Кюри, где заметно увеличивается число магнитных моментов, "разбросанных" тепловым движением атомов.

При Н ® ¥ намагниченность стремится к М_s (T=0), т.е. к намагниченности абсолютного насыщения.