Основы теории сплавов Электропроводность диэлектриков Магнитные материалы Полупроводниковые материалы

Магнитные материалы. Свойства магнитных материалов.

Все без исключения материалы взаимодействуют с внешним магнитным полем, т.е. все проявляют определенные магнитные свойства. Однако сила этого взаимодействия у различных материалов различна. Поэтому по магнитным свойствам все материалы подразделяются на три основные группы: диамагнитные (диамагнетики), парамагнитные (парамагнетики) и ферромагнитные (ферромагнетики). Диа - , пара – и антиферромагнетики относят к слабомагнитным, а ферро – и ферримагнетики – к сильно магнитным материалам. На практике под магнитными материалами понимают те, которые обладают свойствами ферромагнетика или ферримагнетика; их в свою очередь подразделяют на магнитомягкие и магнитотвердые. Магнитомягкие применяют в постоянном и переменном полях и делят на низко – и высокочастотные. Магнитотвердые материалы – это постоянные магниты.

В электо – и радиотехнике в качестве магнитных материалов применяют ферро – и ферримагнитные материалы. Диамагнетики и парамагнетики используют в качестве рабочих тел в квантовых парамагнитных усилителях и генераторах.

Любой материала под действием внешнего магнитного поля приобретает магнитный момент, т.е. намагничивается. Поскольку магнитное поле образуется при движении электрического заряда, то магнитный момент материала проявляется в результате движения электронов, входящих в состав атомов (ионов, молекул). Магнитным моментом обладают также и ядро атомов. Однако их влияние на магнитные свойства атомов можно пренебречь, так как магнитный момент ядра примерно на три десятичных порядка меньше магнитного момента электронной оболочки атома.

Важной характеристикой магнитных материалов является магнитная проницаемость. Магнитная проницаемость μ характеризует способность материала намагничиваться; μ показывает, во сколько раз магнитная индукция поля, созданного в данном материале, больше, чем в вакууме.

 


Организационная диаграмма

По характеру взаимодействия с магнитным полем все материалы принято делить на слабо взаимодействующие и сильно взаимодействующие материалы. Мерой взаимодействия материалов с магнитным полем является магнитная индукция (В), то есть средняя напряженность магнитного поля внутри материала при нахождении во внешнем магнитном поле напряженностью Н. К таким веществам относятся диамагнетики и парамагнетики. В диамагнетиках индукция ниже напряженности внешнего поля, а в парамагнетиках индукция выше напряженности внешнего поля. У веществ сильно взаимодействующих с полем намагниченность велика. К таким веществам относятся ферромагнетики, антиферримагнетики (ферриты), суперпарамагнетики, спиновые стекла.

Любой материал под действием внешнего магнитного поля приобретает магнитный момент, т. е. намагничивается. Поскольку магнитное поле образуется при движении электрического заряда, естественно полагать, что магнитный момент материалов проявляется в результате движения электронов, входящих в состав атомов (ионов, молекул). Магнитным моментом обладают также и ядра атомов. Однако их влиянием на магнитные свойства атомов можно пренебречь, так как магнитный момент ядра примерно на три десятичных порядка меньше магнитного момента электронной оболочки атома. Каждый электрон атома осуществляет два вида движения: орбитальное и спиновое, создавая соответственно орбитальный магнитный момент Морб и спиновой магнитный момент Мсп.

Диамагнетики

Диамагнетизм заключается в индуцировании внешним магнитным полем в электронных оболочках атомов, ионов или молекул магнитного момента (в том числе дополнительного). Поэтому он присущ всем материалам независимо от их агрегатного состояния и вида химической связи. В чистом виде диамагнетизм можно наблюдать только у тех материалов, в которых магнитный момент атома Мзт равен нулю. Такие материалы называют диамагнетиками.

Диамагнетиками являются материалы, атомы, ионы или молекулы которых в отсутствие внешнего магнитного поля не имеют результирующего магнитного момента (Мат = 0). В них существует только магнитный момент, наведенный внешним магнитным полем.

Для диамагнетиков характерно то, что у них вектор намагниченности направлен против вектора внешнего намагничивающего поля. По этой причине они подвергаются слабому выталкивающему действию последнего. Магнитная восприимчивость кт диамагнетиков отрицательная (кт < 0) и по абсолютному значению очень мала. В большинстве случаев кт не зависит от температуры и напряженности магнитного поля. Магнитная проницаемость у них немного меньше единицы (μ < 1).

Диамагнетиками являются все инертные газы, водород, аммиак и др., ряд металлов (Си, Ag, Au, Zn, Pb, Hg и др.), металлоиды (Р, S, Si и др.), вещества неорганические (стекла, мрамор, вода и др.) и органические (воск, нефть и др.).

Парамагнетики

Атомы (ионы или молекулы) парамагнетиков в отсутствие внешнего магнитного поля уже обладают собственным магнитным моментом, который обусловлен нескомпенсированными в них спиновыми магнитными моментами электронов. Поскольку обменное взаимодействие между магнитными моментами атомов (ионов или молекул) равно нулю или очень мало, их магнитные моменты расположены беспорядочно, и результирующая намагниченность М материала равна нулю.

При приложении магнитного поля магнитные моменты атомов парамагнетиков ориентируются в направлении внешнего магнитного поля и усиливают его, т. е. проявляется положительная намагниченность (кт > 0), вследствие чего они втягиваются в области с максимальной напряженностью магнитного поля. По абсолютному значению кт очень мала и не зависит от напряженности магнитного поля, но зависит от температуры. Магнитная проницаемость и немного больше единицы (μ > 1).

Парамагнетизм проявляется у щелочных металлов (Na, К и др.); переходных металлов (Ti, V, Cr, Мn и др.), имеющих недостроенную 3d-электронную оболочку; редкоземельных элементов (лантаноидов) от церия Се до лютеция Lu, имеющих недостроенную 4f-электронную оболочку. Однако переходные металлы Fe, Со и Ni имеют большие значения кт и μ и являются типичными ферромагнетиками. Ферромагнетиками также являются шесть лантаноидов: от гадолиния Gd до тулия Тm. Элементы Мn, Сr, их оксиды и некоторые соединения Мn, хотя и имеют значения кт и μ того же порядка, что и парамагнетики, по внутренней магнитной структуре они ближе к ферромагнетикам. На основании этого выделены в самостоятельную группу и названы антиферромагнетиками.

Ферромагнетики

Ферромагнетизм является частным случаем парамагнетизма. У ферромагнетиков, как и у парамагнетиков, магнитные моменты атомов (ионов) обусловлены нескомпенсированными в них спиновыми магнитными моментами электронов. Однако у ферромагнетиков в отличие от парамагнетиков магнитные моменты атомов расположены не беспорядочно, а в результате обменного взаимодействия ориентированы параллельно друг другу с образованием магнитных доменов.

Магнитные домены представляют собой элементарные объемы ферромагнетиков, находящиеся в состоянии магнитного насыщения. В домене магнитные моменты всех атомов выстроены параллельно друг другу. Доменная структура образуется в отсутствие внешнего магнитного поля в результате самопроизвольной {спонтанной) намагниченности, которая происходит при температурах ниже некоторой, называемой точкой Кюри Тк. Для чистого железа Тк = 768 °С, никеля ТК = 358 °С, кобальта Тк= 1131 °С. Разбивка всего объема ферромагнетика на множество доменов энергетически выгодна.

Доменное строение ферромагнетиков является их характерной особенностью, которое и обусловливает специфику магнитных свойств: магнитное насыщение, гистерезис, магнитострикцию и др.

В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов направлены так, что их результирующий магнитный момент равен или близок нулю. Домены имеют размеры около 0,001—10 мм3 при толщине пограничных слоев между ними (границ) в несколько десятков ангстрем. В доменных границах происходит постепенное изменение направления вектора намагниченности от одного домена к направлению вектора намагниченности в соседнем домене.

Магнитная восприимчивость кт и магнитная проницаемость μ ферромагнетиков имеют большие положительные значения (μ до 106) и сильно зависят от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. Ферромагнетики легко намагничиваются уже в слабых магнитных полях.

При приложении магнитного поля магнитные моменты доменов ориентируются по полю, их границы смещаются и одни домены начинают укрупняться за счет других до тех пор, пока монокристалл не станет однодоменным, а его магнитный момент совпадет с направлением внешнего магнитного поля — намагничивание образца достигнет технического насыщения. Такое намагничивание называют техническим и его следует отличать от спонтанного намагничивания, которое всегда присутствует внутри доменов.

При нагревании ферромагнетика его магнитная проницаемость возрастает, так как облегчаются процессы смещения доменных границ. При температуре, равной и выше Тк, интенсивное тепловое движение ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки, начнет изменять параметры этой решетки, в результате разрушится спонтанная намагниченность, домены перестанут существовать — материал перейдет из ферромагнитного состояния в парамагнитное (некоторые редкоземельные элементы переходят в антиферромагнитное состояние), и величина ц приблизится к единице.

К ферромагнетикам относятся три переходных металла (железо Fe, кобальт Со и никель Ni), имеющих недостроенную 3d-электронную оболочку, и сплавы на их основе; шесть редкоземельных элементов (гадолиний Gd, тербий ТЬ, диспрозий Dy, гольмий Но, эрбий Еr и тулий Тm), имеющих недостроенную 4f-электронную оболочку и очень низкие значения Тк, что затрудняет их практическое применение; сплавы системы Mn—Cu—A1 (сплавы Гейслера) и соединения MnSb, MnBi и др., в которых атомы марганца находятся на расстояниях, больших, чем в решетке кристалла чистого марганца.

Фазы и структура в металлических сплавах Металлическим сплавом называется вещество, получаемое сплавлением или другим способом (спеканием, электролизом и прочее) двух или более компонентов. Компонентами сплава называются химические элементы или химические соединения, которые образуют сплав. Фаза метллического сплава - гомогенная часть сплава, обладающая одинаковыми свойствами во всех своих точках и ограниченная от дрегих частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства сплавов изменяются скачкообразно.
Электротехнические материалы