Физческие свойства металла. Физические свойства. Ч1-Воронин СВ. Воронин Сергей Васильевич, Юшин Валентин Дмитриевич, Бунова Галина Захаровна Рецензенты канд тех наук, доц. Л. В. Журавель, канд тех наук, доц. В. Ю. Ненашев Воронин, св. Физические свойства металлов конспект
 Скачать 1.04 Mb.
|
|
4. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 4. 1. Классификация веществ по уровню магнитных свойств Привнесении проводника в магнитное поле напряженностью Н внутри проводника возникает магнитное поле, которое характеризует намагниченность материала J, причем можно написать 'где Н – величина отклика в проводнике на воздействие внешнего магнитного поля. В зависимости от знака и величины Н, которые определяются строением электронных оболочек атома, металлы делятся натри класса диа-, пара, и ферромагнетики. На рис. 4.1 приведены зависимости J= f(H 0 ) для представителей каждого класса. Рис. 4.1. Зависимость намагниченности проводника от напряженности внешнего магнитного поля 1 – диамагнетик 2 – парамагнетик 3 – ферромагнетик Как видно из рисунка, величина Н в случае диамагнетика отрицательна, для парамагнетика – положительна и выше по абсолютной величине в сравнении с диамагнетиком, а в ферромагнетике зависимость J = f(H 0 ) нелинейна напряженность (Н 0 +Н') внутреннего магнитного поля может быть на порядок больше величины внешнего. Для представителей двух первых классов справедлива зависимость 0 H J , 32 где χ – магнитная восприимчивость. В диамагнетиках величина χ отрицательна, те. проводник с диамагнитными свойствами стремится выйти из внешнего магнитного поля. Величина χ не зависит от температуры. Парамагнетики втягиваются в магнитное поле, ибо их магнитная восприимчивость положительна. Для парамагнетиков величина χ зависит от температуры Т по соотношению χ ≈ Т, тес ростом температуры их магнитная восприимчивость понижается. Намагниченность ферромагнетиков в технике чаще называют магнитной индукцией (В, подчеркивая этим способность ферромагнетиков создавать внутреннее магнитное поле намного большее, причем в слабых (с низкой напряженностью Н) полях, чем парамагнетики. Количественно такая способность характеризуется непостоянной величиной χ, а магнитной проницаемостью μ, зависимость которой от напряженности внешнего магнитного поля является довольно сложной (с наличием максимума. Поэтому для ферромагнитных веществ (в системе СГСМ) следует писать H В Что касается температурной зависимости величин В и μ, то из курса Металлография известно о превращении ферромагнетиков при нагреве в парамагнетики (точка Кюри. Таким образом, для упомянутых трех классов веществ можно дать более простую классификацию по уровню магнитных свойств первые два класса относятся к слабомагнитным материалам, а третий к сильномагнитным. Здесь следует назвать еще две группы материалов, относящихся к сильномагнитным – это антиферро- и ферримагнетики. Хотя антиферромагнетики относятся к сильномагнитным материалам, по поведению в магнитном поле они близки к парамагнетикам. Магнитное поведение ферримагнетиков аналогично ферромагнетикам. 4. 2. Классификация веществ по величине и направлению магнитного момента атомов Чтобы понять, почему антиферромагнетики относятся к сильномагнитным материалам вопреки аналогичному поведению парамагнетиков в магнитном поле, следует иметь ввиду, что слабомагнитные вещества (диа- и парамагнетики) относятся к магнитно неупорядоченным, а сильномагнитные – к магнитно упорядоченным. При этом критерием магнитного упорядочения является направление магнитных моментов атомов в металлах сплавах или магнитных моментов подрешеток в ионных кристаллах. 33 В общем случае магнитным моментом магнита является векторная величина ml p , где т – магнитный заряд в каждом полюсе магнита l – расстояние между полюсами. Намагниченность J вещества связана с магнитным моментом соотношением V p J , где V – объем магнита. Поскольку любой движущийся электрический заряд создает в пространстве магнитное поле, то нетрудно представить, что подобное поле возникает и вокруг движущегося внутри атома электрона, образуя элементарный магнитный момент относительно собственной оси вращения спиновой магнитный момент) и центра орбиты (орбитальный магнитный момент. В первом приближении магнитный момент атома соответствует сумме магнитных моментов (по величине и направлению) всех z электронов. Будет ли значимой величина магнитного момента атома, зависит от строения электронных оболочек. Атомы диамагнетиков не имеют собственного магнитного момента. Это означает, что, во-первых, магнитные моменты локализованных, те. находящихся на орбитах электронов скомпенсированы и, во-вторых, диамагнитная восприимчивость ионного остова или ионной подрешетки по абсолютной величине больше парамагнитной восприимчивости свободных электронов. Если речь идет об ионных кристаллах – диамагнетиках, это означает, что обе подрешетки (положительных и отрицательных ионов) также не имеют собственного магнитного момента. Парамагнитные тела характеризуются наличием магнитного момента атома или подрешеток. Он обусловлен нескомпенсированностью магнитных моментов некоторых электронов – локализованных или свободных. Парамагнитные вещества являются магнитно неупорядоченными в отличие от сильномагнитных материалов. Хаотическое расположение магнитных моментов в парамагнетиках связано с тепловыми колебаниями ионов в узлах кристаллической решетки элемента или узлах подрешетки более сложного вещества. Эти колебания внося хаос в ориентацию элементарных магнитных моментов в каждый момент времени. При отсутствии внешнего магнитного поля результирующая составляющая суммы магнитных моментов атомов равна нулю. Привнесении парамагнетика в магнитное поле магнитные моменты атомов начинают ориентироваться так, что результирующая 34 составляющая становится неравной нулю, чем объясняется его слабое втягивание в это поле. а б в г Рис. 4.2. Расположение магнитных моментов частиц во внешнем магнитном поле а – диа- и парамагнетика б – ферромагнетика в – ферримагнетика г – антиферромагнетика Расположение магнитных моментов атомов в веществах, которые ими располагают, показано во внешнем полена рис. 4.2. Из него видно, что ферро-, антиферро- и ферримагнитные вещества являются магнитоупорядоченными. Отличие антиферромагнитных тел от ферро- и ферримагнетиков по поведению в магнитном поле определяется тем, что собственные магнитные моменты двух подрешеток равны по величине и противоположны по направлению. В ферримагнетике результирующий магнитный момент двух подрешеток отличен от нуля. Таким образом, из пяти классов веществ, отличающихся по магнитным свойствам, лишь один класс – диамагнетики не имеет собственного магнитного момента атома или подрешетки. 4. 3. Диамагнетизм Отсутствие собственного магнитного момента в диамагнетике объясняется завершенностью электронных оболочек атома, когда магнитные моменты всех электронов скомпенсированы, так что результирующий момент атома равен нулю. Сказанное иллюстрируется рис. 4.3, на котором показано вращение двух электронов в противоположных направлениях. Орбиты лежат водной плоскости имеют один и тот же радиус. Каждый электрон обладает одинаковым по абсолютной величине магнитным моментом p . Результирующий магнитный момент двух электронов равен нулю, те. моменты скомпенсированы. При наложении внешнего магнитного поля напряженность в общем случае не будет совпадать по направлению с моментами p . Вследствие электромагнитной индукции величина каждого из скомпенсированных в отсутствие поля моментов электрона изменится. Оказывается, что наложение внешнего поля, напряженность которого составляет с величиной p угол, неравный нулю или 180°, влияет на положение орбит, не вызывая изменения в их радиусе. Оси p , орбит начинают прецессировать, относительно H , как ось волчка относительно 35 вертикали при вращении на горизонтальной плоскости. В результате прецессии (рис. 4.4) появляется дополнительный орбитальный момент p p p p p 2 , равный по величине и противоположный вектору H по направлению. Для простоты на рисунке изображен случай H . Таким образом, при наложении внешнего поля во всех веществах появляется отрицательная диамагнитная восприимчивость, которая способствует выталкиванию вещества из этого поля и не зависит от температуры Т. В материалах с собственным магнитным моментом атома или подрешетки вклад диамагнетизма может быть мал по сравнению с парамагнитным или иными магнитными эффектами, уровень которых, наряду с другими факторами определяется и величиной kT (k – постоянная Больцмана, но тем не менее он всегда присутствует, что придает диамагнетизму универсальный характер. Рис. 4.3. Схема магнитных моментов электронов в диамагнетике при отсутствии внешнего магнитного поля Рис. 4.4. Схема магнитных моментов электронов в диамагнетике во внешнем магнитном поле Типичным примером диамагнитных веществ являются благородные или инертные газы – Не, Ne, А, Kr, Хе и Rn, атомы которых состоят из завершенных электронных оболочек. Диамагнитным является и любой элемент, ионизированный настолько, что электронная оболочка его атома построению такая же, как у атома инертного газа. Так, ионы Na + и Са 2+ , как и ион С – диамагнитны. Иначе говоря, подрешетки натрия, кальция и хлора в кристаллах хлоридов не имеют собственного магнитного момента. В тоже время натрий и кальций как металлы парамагнитны. Это означает, что по абсолютной величине диамагнитная восприимчивость ионного остова кристаллической решетки) названных металлов меньше парамагнитной восприимчивости свободных (валентных) электронов. Для других металлов диамагнетиков Ag, Аи т.д.) между диамагнитной восприимчивостью ионной решетки и парамагнитной восприимчивостью 36 коллективизированных электронов наблюдается обратное соотношение. Диамагнетизм веществ определяется преимущественно магнитной восприимчивостью решетки, т.к. вклад свободных электронов весьма мал. Магнетизм свободных электронов может быть оценен по квантомеханической теории и считается спиновым магнетизмом. Каждый спин имеет свой магнитный момент, который при взаимодействии с внешним полем обнаруживает парамагнитную восприимчивость. Вместе стем возникает также индуцированный момент, направленный против поля, те. диамагнитная восприимчивость. Величина последней, теоретически оценивается по выражению 3 2 0 В Д N , где N – число Авогадро μ 0 – магнитная постоянная, равная проницаемости вакуума В – магнетон Бора, принятый за атомную единицу магнитного момента ε – в грубом приближении максимально возможная энергия электрона в электронном газе. Для парамагнитной восприимчивости электронного газа справедливо уравнение 2 0 В П N , Из сравнения двух вышеприведенных формул следует, что парамагнитная восприимчивость свободных электронов по абсолютной величине втрое больше их диамагнитной восприимчивости. Важно еще и то, что обе величины не зависят от температуры. 4. 4. Парамагнетизм Парамагнетики состоят из частиц, обладающих собственным магнитным моментом, однако из-за отсутствия магнитного упорядочения относятся к слабомагнитным телам несмотря на положительную восприимчивость, уровень которой определяется температурой, их намагниченность не достигает насыщения с ростом напряженности внешнего магнитного поля. Парамагнетизм наиболее сильно выражен в так называемых переходных металлах, атомы которых имеют незаполненные электронами внутренние уровни. К таким металлам относятся V, Ti, Mo, Pd, платиноиды и др. Их парамагнитная восприимчивость на порядок величины больше, чему щелочных и щелочноземельных металлов (Na, Ca). Это объясняется не 37 только большим вкладом в общий парамагнетизм магнитных свободных электронов, но и их величиной у локализованных электронов, те. орбитальных, находящихся, например, на тех же орбитах. Парамагнитная восприимчивость локализованных электронов в первом приближении оценивается соотношением T c kT N В П 3 2 0 , которое называется законом Кюри. Если сравнить выражения 2 0 В П N и T c kT N В П 3 2 0 с учетом того, что ε >> Т, то можно сделать вывод о значительно большей парамагнитной восприимчивости локализованных электронов по сравнению со свободными. Явление суперпарамагнетизма. При этом явлении вещество, состоящее из диа -и ферромагнитных компонентов, проявляет свойства парамагнетика. Примером суперпарамагнетика могут служить медные сплавы, легированные, как правило, ферромагнитными элементами. После старения сплавов их структура такова, что размер ферромагнитных частиц в диамагнитной матрице составляет 1÷10 нм, и такие частицы являются однодоменными. Домен – это область самопроизвольного намагничивания ферромагнетиков. Во внешнем магнитном поле сплавы с такой структурой ведут себя как парамагнетики. Поэтому, пользуясь методами исследования парамагнетиков, можно определить размеры частиц, выделяющихся при старении подобных сплавов, если частицы однодоменные. Основное отличие суперпарамагнетика от парамагнетика состоит в том, что в первом при наложении внешнего магнитного поля изменяется ориентация только магнитных моментов частиц, кристаллографическая же их ориентация сохраняется в парамагнетике – изменяется как ориентация магнитных моментов, таки пространственная ориентация самих частиц. 4. 5. Ферромагнетизм и магнитные свойства ферромагнетиков Явление ферромагнетизма имеет большое научное и практическое значение. Ферромагнитные металлы и сплавы обладают уникальными физическими свойствами, изучение которых позволяет развивать представления о строении атома, разрабатывать новые методы измерения физических величин и неразрушающие способы контроля качества изделий, создавая новые материалы и расширять возможности их применения. В настоящее время ферромагнетики применяют в качестве сердечников трасформаторов, магнитопроводов слаботочной техники, в ячейках памяти ЭВМ, термомагнитных реле, магнитострикционных датчиках, постоянных 38 магнитах и т.п. К ферромагнитным материалам относятся Fe, Co, Ni, те. металлы, итак называемые редкие земли, лантаноиды, у которых не заполнена оболочка электронов, а также сплавы указанных элементов. Ферромагнетики характеризуются не только постоянным магнитным моментом атомов, но и магнитным упорядочением, те. одинаковой параллельной направленностью магнитных моментов в доменах. Наличие собственного магнитного момента атомов в переходных металлах объясняется, как уже было отмечено, незавершенностью внутренних 3d и оболочек, вследствие чего образуются нескомпенсированные спиновые и орбитальные моменты электронов. Магнитное упорядочение в ферромагнетиках создается благодаря параллельному выстраиванию спин – орбитальных моментов. При этом в металлах преобладает обменное взаимодействие спиновых, а в элементах – орбитальных моментов. Расположение магнитных моментов электронов в сильномагнитных телах определяется величиной обменного интеграла, который характеризует энергию обменного взаимодействия двух магнитных частиц. Величина обменного интеграла зависит от отношения а, где а период кристаллической решетки r – радиус незаполненной электронной оболочки. При значении а < 3 магнитное упорядочение соответствует антиферромагнетикам, которыми являются, например, Cr и Mn, соседи Fe по периодической системе элементов. При значении а > 3 наблюдается ферромагнетизм. Наилучшие представления о магнитных свойствах ферромагнетиков дает кривая намагничивания, приведенная на рис. 4.5. Рис. 4.5. Кривая намагничивания ферромагнетика Перед снятием или построением зависимости В=f(Н) образец должен быть размагничен, те. в нем нужно снять возможную остаточную индукцию, 39 т.к. процесс намагничивания характеризуется необратимостью и основная или первоначальная кривая идет изначала координат до точки В. Величина В является одним из важных свойств ферромагнетика и называется индукцией насыщения. Дальнейшее увеличение поля сверх Н приводит к росту индукции по линейному закону 0 H J , свойственному парамагнетикам. Рост индукции при Н > Н связывают с парапроцессом. Приуменьшении внешнего магнитного поля индукция изменяется по кривой B S B r . Величина В соответствующая H=0, называется остаточной магнитной индукцией и тоже является важным параметром магнитного материала. Чем ближе к единице находится соотношение В, тем более магнитно-мягким является материал. Для снятия величины В нужно приложить Н = -Н c Величина напряженности магнитного поля, требуемая для снятия остаточной магнитной индукции, называется коэрцитивной силой. Направление напряженности магнитного поля становится противоположным первоначальному. Чем выше величина Н, тем более магнитно-твердым проявляет себя ферромагнетик. Увеличивая по абсолютной величине напряженность, достигают точки -B s , левее которой происходит парапроцесс. Изменение напряженности от -H s до +H s вызывает изменение индукции по кривой -B s -B r -H c = B s . Таким образом, при перемагничивании материала образуется замкнутая кривая, называемая петлей гистерезиса. Площадь петли также является характеристикой ферромагнитного материала величина площади петли пропорциональна энергии, затрачиваемой на перемагничивание за один цикл. Эта характеристика особенно важна у материала, предназначенного в качестве магнитопровода для работы в переменном поле, когда число циклов стремится к бесконечности. Существенными свойствами ферромагнетика являются также величины магнитной проницаемости – начальной и максимальной. Как следует из зависимости (рис. 4.6), величина μ в отличие от слабомагнитных веществ непостоянна. Она связана с напряженностью внешнего поля сложной зависимостью. Начальная проницаемость соответствует нулевой напряженности, максимальная – напряженности Чем больше значения и μ m , а также ниже величина H m , тем мягче является магнитный материал. При температуре ниже точки Кюри, те. при Т < θ C , ферромагнетики состоят из доменов, намагниченных до насыщения. Если намагниченность ферромагнитного кристалла равна нулю, это означает, что векторы намагниченности насыщения доменов, из которых состоит кристалл, скомпенсированы и векторная сумма равна нулю. Размеры доменов и их относительное расположение называют доменной структурой. Размеры доменов в каждом ферромагнетике устанавливаются самопроизвольно в соответствии с термодинамическим принципом устойчивости системы и с минимумом свободной энергии, а также могут изменяться в пределах от 1 до нм (10÷1000Å). При охлаждении тела с переходом через точку Кюри изменяется его объем. Последний может, как увеличиваться (Fe), таки уменьшаться (Ni). Это определяется величиной обменного интеграла. В 40 любом случае происходит изменение линейных размеров тела, которое называется магнитострикцией парапроцесса, те. λ n =Δl/l, где l наибольший размер тела. Рис. 4.6. График зависимости магнитной проницательности ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля Менее существенное изменение размеров ферромагнетика происходит и при его намагничивании, когда T постоянна и ниже θ C . Это явление названо магнитострикцией технического намагничивания, которую обозначают λ Очевидно, что максимальное изменение размеров, связанное с этим видом магнитострикции, соответствует магнитному насыщению и обозначается Порядок величины λ S равняется Такие свойства ферромагнетиков, как В, θ C , λ являются структурно нечувствительными. Свойства В, μ, χ, Нс чувствительны к структуре. |