Магнитное поле. 
Характеристики материалов в магнитном поле

Магнитное поле — электромагнитное поле, характеризуемое его воздействием на движущуюся электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и ее скорости.

По определению основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В, который может быть определен по силе F, с которой поле действует на заряд с/, перемещающийся со скоростью V :

Поскольку сила F пропорциональна векторному произведению величин V и В, то се направление для положительного заряда находится по правилу левой руки. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл).

Магнитное иоле проявляется при его воздействии на движущиеся электрические заряды, вместе с тем и само магнитное поле порождается движением электрических зарядов (электрическим током). Способность электрического тока возбуждать магнитное поле, пространственное распределение которого определяется силой тока и геометрической структурой контура, характеризуется векторной величиной магнитным моментом электрического тока М. Модуль вектора М в простейшем случае равен произведению тока на площадь контура, а направление совпадает с нормалью к плоскости контура:

Единицей измерения магнитного момента является амперквадратный метр (А м²).

Важное значение в теории электромагнетизма имеет величина Ф, называемая магнитным потоком вектора магнитной индукции В через поверхность S:

Единицей измерения магнитного потока является вебер (Вб).

Сила взаимодействия магнитного поля и движущегося заряда зависит от среды. Для характеристики магнитного свойства среды усиливать или ослаблять это взаимодействие, а также для характеристики магнитного эффекта тока вне зависимости от среды используются, соответственно, величины магнитной проницаемости материала р и напряженности магнитного поля Н:

Единицей измерения напряженности магнитного поля является ампер на метр (А/м).

Физическая величина р характеризует зависимость силы взаимодействия магнитного поля и движущегося заряда (электрического тока) от среды, в которой находится заряд (электрический ток). Для разных материалов характерны различные значения р. Магнитная проницаемость вакуума — фундаментальная физическая постоянная, равная р₀ = 4л • 10″⁷ Гн/м. Для других сред:

где р, — относительная магнитная проницаемость.

Отличие относительной магнитной проницаемости среды от относительной магнитной проницаемости вакуума, равной единице, характеризуется величиной магнитной восприимчивостью

Если осуществить подстановку (2.10) с учетом (2.11) в выражение (2.9), получим:

Векторная величина J = %_т? Н, называемая намагниченностью, характеризует способность вещества при воздействии на него внешнего магнитного ноля создавать собственное магнитное иоле и равна магнитному моменту единицы объема вещества.

В зависимости от модуля и знака восприимчивости %_т все вещества условно делят на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики имеют отрицательную магнитную восприимчивость порядка х", = — (10 ⁵___10^-7), т. е. эти вещества намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном вектору напряженности внешнего поля. К диамагнетикам относятся Si, Р, Bi, Zn, Си и другие элементы, а также некоторые органические и неорганические соединения.

Парамагнетики имеют положительную магнитную восприимчивость порядка Хш ⁼ +(10 … 10), т. е. эти вещества намагничиваются во внешнем магнитном поле по направлению поля. К ним относятся, например: Al, Li, Na, К, Ti, V, U, СЬ, некоторые соли.

Специфические магнитные свойства диамагнетиков и парамагнетиков в средствах измерительных преобразований использования не нашли. Напротив, очень широкое применение, как для измерительных, так и для энергетических преобразований имеют магнитные свойства ферромагнитных материалов, поэтому остановимся на них более подробно.

Ферромагнетики — это вещества, в которых при температуре, меньшей точки Кюри, устанавливается состояние самопроизвольной намагниченности. Характерным признаком ферромагнетиков является высокое значение магнитной восприимчивости.

Хт ⁼ 1___10⁵ и ее сильная и неоднозначная зависимость от напряженности магнитного поля. Ферромагнитными свойствами обладают Fe, Со, Ni, редкоземельные металлы Cd, Tb, Dy, Но, Ег, Тм, многочисленные сплавы и соединения указанных металлов, а также соединения Сг и Мп.

Процесс установления намагниченности ферромагнетика при действии на него внешнего магнитного ноля происходит следующим образом. В состоянии полного размагничивания ферромагнитный образец состоит из большого числа доменов, каждый из которых намагничен до насыщения, но при этом их векторы намагниченности J_s направлены так, что суммарный магнитный момент образца М — ^J_s =0. Намагничивание состоит в переориентации векторов намагниченности доменов в направлении приложенного поля главным образом за счет процессов смещения и вращения.

Наличие в ферромагнетике областей спонтанной намагниченности обусловлено его кристаллическим строением из атомов с недостроенными внутренними электронными слоями, вследствие чего под действием сил обменного взаимодействия имеет место сильная ориентировка спиновых и орбитальных магнитных моментов электронных оболочек атомов. Разбиение же ферромагнетика на множество доменов с нулевым суммарным магнитным моментом происходит в соответствии со стремлением любой системы, в том числе и магнитной, к минимуму энергии.

Процесс смещения в многодоменном ферромагнетике заключается в перемещении границ между доменами. Объем доменов, векторы J_s которых составляют наименьший угол с направлением напряженности магнитного поля, при этом увеличивается за счет соседних доменов с энергетически менее выгодной ориентацией J_s относительно поля.

Процесс вращения состоит в повороте векторов J_s в направлении поля Н. Причиной возможной задержки или ускорения вращения является магнитная анизотропия ферромагнетика, что обусловлено наличием в ферромагнетике осей легкого намагничивания, в общем случае не совпадающих с Н.

Если ферромагнетик, находящийся в состоянии полного размагничивания (J= 0), намагничивать в монотонно и медленно возрастающем поле, то получающуюся зависимость J (H) называют кривой первоначального намагничивания. Эту кривую обычно подразделяют на пять участков (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Кривая первоначального намагничивания (а) и схематическое изображение процессов намагничивания в многодоменном ферромагнетике (б)

Участок I — область начального, или обратимого, намагничивания, где J = х_а • И ? В этой области протекают главным образом процессы упругого смещения границ доменов при постоянстве начальной магнитной восприимчивости Ха ? Участок II (область Рэлея) характеризуется квадратичной зависимостью J от Н (в этой области х линейно возрастает с Н). В области Рэлея намагничивание осуществляется благодаря процессам смещения, как обратимым, линейно зависящим от Н, так и необратимым, квадратично зависящим от Н.

Область наибольших проницаемостей III характеризуется быстрым ростом J, связанным с необратимым смещением междоменных границ. На этом участке намагничивание происходит скачками (скачки Баркгаузена), что обусловлено задержками смещения границ доменов при встрече с какими-либо неоднородностями структуры ферромагнетика (атомами примесей, дислокациями, микротрещинами и т. п.). В области приближения к насыщению (IV) основную роль играет процесс вращения. После достижения магнитного насыщения, когда магнитные моменты всех доменов оказываются повернутыми в направлении Я, намагниченность ферромагнетика далее с ростом напряженности магнитного поля практически не меняется (область V).

Если после достижения состояния магнитного насыщения J_s в поле Нs начать уменьшать Я, то будет уменьшаться и J, но по кривой, лежащей выше кривой первоначального намагничивания. Данное явление, заключающееся в том, что физическая величина, характеризующая состояние объекта, неоднозначно зависит от физической величины, характеризующей внешние условия, называется гистерезисом. В данном случае имеет место магнитный гистерезис. При уменьшении напряженности магнитного поля от Я_Л до нуля значение намагниченности будет уменьшаться за счет возникновения и роста доменов с магнитным моментом, направленным против поля (рис. 2.7), что обусловлено стремлением магнитной системы к минимуму энергии.

Рост доменов сопровождается движением доменных стенок, которое может тормозиться наличием различного рода неоднородностей. Поэтому при уменьшении Я до нуля у ферромагнетика сохраняется так называемая остаточная намагниченность J_r. Образец полностью размагничивается лишь в достаточно сильном поле противоположного на;

Рис. 2.7. Кривые намагничивания и размагничивания ферромагнетика при наличии гистерезиса.

правления, называемом коэрцитивным, с напряженностью Н_с, называемой коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении магнитного поля обратного направления образец вновь намагничивается вдоль поля до насыщения и т. д.

Таким образом, при циклическом изменении поля кривая, характеризующая изменение намагниченности образца, образует петлю магнитного гистерезиса (гистерезисный цикл). Различают предельный и частные гистерезисные циклы, симметричные и несимметричные петли гистерезиса.

Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, теряемой в образце за один цикл изменения поля. Эта энергия идет, в конечном счете, на нагревание образца. Такие потери энергии называются гистерезисными.

С ростом частоты переменного магнитного поля (числа циклов перемагничивания в единицу времени) к гистерезисным потерям добавляются другие потери, связанные с вихревыми токами и магнитной вязкостью. Соответственно площадь петли гистерезиса при высоких частотах увеличивается. Такую петлю называют динамической, в отличие от описанной выше статической петли. Соответственно и остальные магнитные характеристики веществ классифицируются на динамические и статические.

Основными статическими характеристиками являются следующие параметры предельной петли гистерезиса: коэрцитивная сила Н_с, остаточная намагниченность J_r> намагниченность насыщения J_s, напряженность поля, обеспечивающая магнитное насыщение Н_s, а также параметры кривой первоначального намагничивания: начальная и максимальная магнитные восприимчивости. На практике для характеристики магнитных свойств ферромагнитных материалов чаще используют не намагниченность У, а индукцию 5, которая в отличие от У может быть определена прямыми измерениями. Соответственно вместо магнитной восприимчивости х используется относительная магнитная проницаемость р,. Связь величин В и Я, р,. и % определяется выражениями (2.11) и (2.12).

Кроме перечисленных статических магнитных характеристик, одной из основных паспортных характеристик магнитного материала является основная кривая намагничивания — зависимость В (Н), представляющая собой геометрическое место вершин симметричных установившихся частных циклов гистерезиса в диапазоне изменения Н от нуля до H_s. Для изучения поведения ферромагнетика при сложном перемагничивании (одновременно в постоянном и переменном полях) используется величина — дифференциальная магнитная проницаемость:

В зависимости от значений статических магнитных характеристик магнитные материалы подразделяются на магнитомягкие и магнитотвердые (табл. 2.3).

Таблица 2.3.

Магнитные свойства некоторых ферромагнитных материалов

К магнитомягким относятся материалы, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в относительно слабых магнитных полях напряженностью Н «10…10³А/м. Для этих материалов характерны высокие значения относительной магнитной проницаемости — начальной |х_П!ач= 10»… 10' и максимальной (i_rmax⁼ 10 …10. Коэрцитивная сила Н_с магнитомягких материалов составляет обычно от 1 до 10² А/м, а потери на гистерезис очень малы — 10³. Л О⁶ Дж/м³ на один цикл.

К магнитотвердым относятся материалы, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях напряженностью Н «10³…10⁵А/м. Магнитотвердые материалы характеризуются высокими значениями коэрцитивной силы Н_с * 10'…10'А/м и остаточной индукции В,.* 0,5… 1,5 Тл.

Магнитные свойства материалов зависят не только от их химического состава, но в значительной мере от структурного состояния кристаллической решетки, определяемого механической и термообработкой, а также от наличия дефектов кристаллической решетки.

Важное значение для технического использования ферромагнетиков имеет наблюдаемое при намагничивании ферромагнитных образцов изменение их формы и размеров, называемое магнитострикцией (от магнит и латинского striktio — сжатие, натягивание). Относительное удлинение таких образцов при перемагничивании — * 10 10 ². Явление магнитострикции обусловлено процессами смещения при намагничивании ферромагнетика границ между доменами и поворота магнитных доменов по полю. Оба эти процесса изменяют энергетическое состояние кристаллической решетки, что проявляется в изменении равновесных расстояний между ее узлами. В результате атомы смещаются, происходит деформация решетки. Такой механизм магнитострикции действует в диапазоне изменения магнитного поля от нуля до Н_s и проявляется главным образом в изменении формы кристалла без изменения его объема (линейная магнитострикция). В полях, превышающих по напряженности H_s, проявляется обусловленная обменными силами объемная магнитострикция. Наблюдается и обратный магнитострикции магнитоупругий эффект (эффект Виллари), заключающийся в зависимости магнитных свойств ферромагнетиков от механических деформаций (растяжения, кручения, изгиба и т. п.). Магнитоупругий эффект в областях смещения и вращения объясняется тем, что при действии механических напряжений изменяется доменная структура ферромагнетика — векторы намагниченности доменов J_s меняют свою ориентацию, что может в одних случаях облегчать, а в других затруднять процесс намагничивания.