Общие сведения о магнитных материалах

Любое вещество, будучи помещенным в магнитное поле, приобретает некоторый магнитный момент М. Магнитный момент единицы объема вещества называют намагниченностью J_м:

При неравномерном намагничивании тела

Намагниченность является векторной величиной; в изотропны[ телах она направлена либо параллельно, либо антипараллельно напряженности магнитного поля H. В системе СИ намагниченность выражается в единицах напряженности магнитного поля (А/м).

Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля соотношением

(1.1)

где kм — безразмерная величина, характеризующая способность данного вещества намагничиваться в магнитном поле и называемая магнитной восприимчивостью.

Магнитная восприимчивость численно равна намагниченности при единичной напряженности поля.

Намагниченное тело, находящееся во внешнем поле, создает собственное магнитное поле, которое в изотропных материалах направлено параллельно или антипараллельно внешнему полю. Поэтому суммарная магнитная индукции в веществе определяется алгебраической суммой индукции внешнего и собственного полей:

I (1.2)

где µ₀ = 4π 10^-7 Гн/м — магнитная постоянная в системе СИ. Из (1.1) и (1.2) следует

где µ = 1+k_м — относительная магнитная проницаемость, пока­зывающая во сколько раз магнитная индукция В поля в данной среде выше, чем магнитная индукция В₀ в вакууме.

Первопричиной магнитных свойств вещества являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов, представляющие собой элементарные круговые токи, обладающие магнитными моментами. Такими токами являются электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах. Магнитные моменты протонов и нейтронов приблизительно в тысячу раз меньше магнитного момента электрона. Поэтому магнитные свойства атома определяются целиком электронами, а магнитным моментом ядра можно пренебречь.

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Из них ферромагнетики и ферримагнетики представляют собой сильномагнитные материалы, а диа-, пара- и антиферромагнетики образуют группу слабомагнитных веществ.

Явление ферромагнетизма

К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 10⁶), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях.

Свойства ферромагнетиков обусловлены их доменным строением. Домены представляют собой макроскопические области, намагниченные практически до насыщения даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Спонтанная намагниченность доменов обусловлена параллельной ориентацией магнитных моментов атомов.

Геометрия доменной структуры ферромагнетика т. е, характер разбиения его на домены, определяется из условия минимума свободной энергии системы. Однодоменное состояние энергетически невыгодно, так как в этом случае на концах ферромагнетика возникают магнитные полюса, создающие внешнее магнитное поле, которое обладает определенной потенциальной энергией (рис. 1.2,а). Однодоменную структуру можно рассматривать как совокупность нескольких магнитов, соприкасающихся одноименными плюсами. Если кристалл состоит из двух доменов с противоположной ориентацией магнитных моментов, то он обладает существенно меньшей магнитостатической энергией (рис. 1.2,б). Еще более выгодной является структура с боковыми, замыкающими доменами, показанная на рис. 1.2,в, г. В этом случае магнитный поток замыкается внутри образца, а за его пределами магнитное поле практически равно нулю.

Деление на домены ограничивается увеличением энергии доменных границ. Наиболее устойчивым считается такоесостояние ферромагнетика, в котором уменьшение магнитостатической энергии вследствие разбиения на домены компенсируется увеличением энергии доменных границ. Линейные размеры доменов составляют 10^-2 -10^-5см.