Магнитоупругие явления в ферромагнетиках

Ферромагнетики. Явление магнитоупругого эффекта в ферромагнетиках.

Ферромагнетики — это вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, то есть они сохраняют намагниченность при отсутствии внешнего магнитного поля. К ферромагнетикам относятся, например, кристаллы железа, никеля, кобальта. [5].

Ферромагнитные свойства вещества существенно зависят от температуры. С повышением температуры остаточная намагниченность ферромагнетика уменьшается. При достаточно высокой температуре, называемой точкой Кюри, она исчезает полностью. При нагревании выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик.

Ферромагнетики подразделяют на магнитомягкие и магнитотвердые. Первые обладают малой коэрцитивной силой (напряженность поля, необходимая для изменения намагниченности тела до нуля) и остаточной намагниченностью (намагниченность в нулевом поле). Для вторых характерны большие значения коэрцитивной силы и остаточной намагниченности.

Магнитотвердые ферромагнетики служат в основном для изготовления постоянных магнитов. Магнитомягкие ферромагнетики используют в электротехнике (трансформаторы, электромоторы, генераторы и др.), в устройствах преобразования электромагнитной энергии в механическую и наоборот. 2,4].

Процесс намагничивания ферромагнетиков обладает гистерезисом. Если производить намагничивание размагниченного ферромагнетика во внешнем поле, то он намагничивается по кривой намагничивания. Процесс намагничивания ферромагнитного материала можно изобразить в виде кривой намагничивания (рис. 1.1, а), которая представляет собой зависимость индукции В отнапряженности Н магнитного поля. Так как напряженность магнитного поля определяется силой тока, посредством которого намагничивается ферромагнитный материал, эту кривую можно рассматривать как зависимость индукции от намагничивающего тока I.

Кривую намагничивания можно разбить на три участка: 0 — а, на котором магнитная индукция возрастает почти пропорционально намагничивающему току (напряженности поля); а — б, на котором рост магнитной индукции замедляется («колено» кривой намагничивания), и участок магнитного насыщения за точкой б, где зависимость В от H становится опять прямолинейной, но характеризуется медленным нарастанием магнитной индукции при увеличении напряженности поля по сравнению с первым и вторым участками кривой.

Рис. 1.1 Кривая намагничивания ферромагнитного материала (а) и петля гистерезиса (б).

Кроме нелинейной зависимости между Н иВ, для ферромагнетиков характерно также наличие гистерезиса. Если довести намагничивание до насыщения (точка, а на рисунке 1.1, б) и затем уменьшать напряженность магнитного поля, то индукция Вследует не по первоначальной кривой 0 — а, а изменяется в соответствии с кривой, а — б. в результате, когда напряженность внешнего поля станет равной нулю (точка б), намагничивание не исчезает и характеризуется величиной В, которая называется остаточной индукцией.

ИндукцияВобращается в нуль лишь под действием поля, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничение. Напряженность называется коэрцитивной силой. [1].

Магнитоупругий эффект — это изменение намагниченности ферромагнитного тела при деформации. Он является термодинамически обратным магнитострикции, и его иногда называют обратным магнитострикционным эффектом. Структурная схема магнитоупругого эффекта показана на рисунке. При воздействии на кристаллы ферромагнетика механических усилий на кристаллографическую анизотропию накладываетсямагнитоупругая анизотропия, вызванная дополнительным магнитным взаимодействием атомов вследствие искажения атомной решетки кристалла.

Энергия магнитоупругой анизотропии зависит от вектора намагниченности насыщенияв кристалле и создает дополнительные выгодные энергетические направления областей в решетке. Упругие напряжения, действующие на ферромагнетик, приводят к изменению ориентации магнитных моментов доменов в решетке (без изменения абсолютного значения вектора намагниченности насыщения).

Это приводит к изменению намагниченности ферромагнетика. Магнитоупругая энергия непосредственно связана с магнитострикцией.

Устойчивые направления областей в ферромагнетике определяются минимальным значением магнитной энергии кристалла, включающей в себя три составляющие: 1) энергию магнитной анизотропии Wk; 2) магнитоупругую энергию Wd; 3) энергию внешнего магнитного поля WH. В зависимости от вида упругой деформации намагниченность в различных ферромагнитных материалах изменяется различно. Характер изменения зависит от величины и знака магнитострикции материала.

Например, для случая сильных упругих растяжений, действующих в направлении магнитного поля Н, намагниченность М может быть определена из выражения.

(1.1).

где б — численный коэффициент, равный — магнитострикция насыщения.

Магнитоупругий эффект зависит от материала, величины и знака его магнитострикций, температуры окружающей среды, упругой деформации и напряженности магнитного поля. Вокруг образца существует магнитное поле. При положительной магнитострикции материала направление результирующей намагниченности совпадает с направлением действия силы и магнитного поля. При отрицательной магнитострикции материала направление результирующей намагниченности перпендикулярно к направлению действия силы имагнитного поля. Относительную чувствительность магнитоупругого материала можно характеризовать, как и у тензорезисторов, коэффициентом тензочувствительности:

(1.2).

Магнитоупругие свойства материала характеризуются также относительной магнитоупругой чувствительностью:

(1.3).

где Е — модуль упругости;

м — магнитная проницаемость;

у — внутреннее напряжение в материале.

Для одного и того же материала под действием механического напряжения магнитная проницаемость в слабых полях может возрастать, в то время как в сильных — падать. 6,7,8].