32. Магнитные материалы.
Магнитные свойства материалов, в первую очередь, определяются характером движения электронов в атоме. Влияние движения нуклонов в атомных ядрах на магнитные свойства веществ пренебрежимо мало. Электроны в атоме, в первом приближении, участвуют в двух видах движения: вращение электрона вокруг собственной оси («спин») и орбитальное (круговое) движение электрона вокруг атомных ядер. Эти движения создают круговые токи. Из электродинамики известно, что движение электрического заряда (в данном случае − электрона) приводит к возникновению магнитного момента и магнитного поля (Н-поле) в окружающем пространстве. Это поле будет взаимодействовать как с внешним магнитным полем, так и с внутренними магнитными полями, в результате движения электронов в атомах, составляющих вещество. Последнее предопределяет зависимость магнитных свойств материала от его структуры.
Критерием для классификации является величина относительной магнитной проницаемости, обозначаемая символом μr.. Относительная магнитная проницаемость определяется следующим выражением:
 ,
где В – магнитная индукция, (Тл);
Н – напряженность магнитного поля, (А/м);
μ0 = 4π·10-7 Гн/м – магнитная постоянная.
По величине относительной магнитной проницаемости все материалы подразделяются на слабомагнитные и сильномагнитные материалы.
1. Слабомагнитные ЭТМ (μ ≈ 1).
Слабомагнитные материалы по поведению в магнитном поле подразделяются на диамагнетики, парамагнетики и антиферромагнетики.
1.1. Диамагнетики μ ≤ 1 и μ ≠ f (Н, Т).
Представители: водород (Н2), все инертные газы, серебро (Ag), медь (Cu), золото (Au), бериллий (Be), хлорид натрия (NaCl), сверхпроводники при Т ≤ Тс, нефть, вода, кремний, германий и другие. (Например, μ меди = 0,9999906). Характерная особенность − диамагнетики выталкиваются из магнитного поля. Диамагнетизм присущ в той или иной степени всем веществам, независимо от их структуры.
1.2. Парамагнетики μ ≥ 1 и μ ≠ f (Н) при наличии зависимости от температуры.
Представители: кислород (O2), оксид азота (NO2), воздух, платина (Pt), алюминий (Al), натрий (Na) и другие. (Например, μ воздуха = 1,000003).
1.3. Антиферромагнетики μ ≥ 1, μ = f (Н, Т).
Представители: марганец (Mn), хром (Cr), РЗО (редкоземельные оксиды) и РЗЭ (редкоземельные элементы (лантаноиды): № 57 (лантан)  № 71 (лютеций)). Антиферромагнетики при нагреве претерпевают фазовый переход и становятся парамагнетиками.
При расчетах в технике для слабомагнитных материалов принимают
μ = 1.
2. Сильномагнитные ЭТМ (μ >> 1 (до 106) и μ = f (Н, Т)) – представляют большой интерес для техники в отличие от слабомагнитных материалов и широко применяются.
Сильномагнитные материалы имеют специфическую структуру, которая обусловлена наличием доменов. («Домéн» от французского слова «domine» – область). Доменная структура присуща и слабомагнитным материалам, но влияние этой структуры, кроме случая антиферромагнетиков, менее ярко выражено, чем в сильномагнитных материалах. Внутри доменов имеет место спонтанная ориентация магнитных моментов частиц, что приводит к большому суммарному магнитному моменту домена. Домены имеют макроскопические размеры с объемом 0,001 ÷ 10 мм3. В отсутствии внешнего магнитного поля (Н) магнитные моменты доменов ориентируются хаотически и компенсируют взаимное влияние. При наличии внешнего магнитного поля появляется преимущественная ориентация магнитных моментов (рис. 3), все дипольные моменты в доменах выстраиваются преимущественно по направлению магнитного поля, и материал приобретает большую намагниченность и имеет высокое значение магнитной проницаемости.
Рис. 3. Доменная структура магнитного материала
После отключения магнитного поля магнитные моменты с некоторым запаздыванием опять разориентируются.
Зависимость магнитной индукции от напряженности внешнего магнитного поля имеет вид петли гистерезиса (рис. 4).
Рис. 4. Петля магнитного гистерезиса: Вr – остаточная магнитная индукция; Нс – коэрцитивная сила; S – площадь петли (S
tg δм, где tg δм – тангенс угла магнитных потерь)
В технике в качестве материалов с магнитными свойствами применяются сильномагнитные материалы.
Магнитным материалам свойственны следующие зависимости:
μ = ƒ(х) и/или Нс = ƒ(х),
где μ – относительная магнитная проницаемость;
Нс – коэрцитивная сила;
х = Н, Т, Р, hν и др.
Магнитные материалы, применяемые в технике, подразделяются на магнитомягкие материалы, магнитотвердые материалы, магнитные материалы специального назначения, магнитные жидкости.
|
Скачать 1.55 Mb.