Magnetizzazione e materiali magnetici

La presenza di una sostanza con proprietà magnetiche si manifesta in un cambiamento dei parametri del campo magnetico rispetto al campo nello spazio non magnetico. I processi fisici che si verificano nella rappresentazione microscopica sono associati all'apparizione nel materiale sotto l'influenza di un campo magnetico di momenti magnetici di microcorrenti, la cui densità di volume è chiamata vettore di magnetizzazione.

L'aspetto della magnetizzazione nella sostanza quando la si inserisce all'interno campo magnetico è spiegato dal processo di graduale orientamento preferenziale momenti magnetici che circolano in esso microcorrenti nella direzione del campo. Un enorme contributo alla creazione di microcorrenti nella sostanza è il movimento degli elettroni: rotazione e movimento orbitale degli elettroni associati agli atomi, spin e movimento libero degli elettroni di conduzione.

In base alle loro proprietà magnetiche, tutti i materiali sono suddivisi in paramagneti, diamagneti, ferromagneti, antiferromagneti e ferriti... L'appartenenza di un materiale a una o un'altra classe è determinata dalla natura della reazione dei momenti magnetici degli elettroni a un magnete campo in condizioni di forti interazioni di elettroni tra loro in atomi multielettronici e strutture cristalline.

Diamagneti e paramagneti sono materiali debolmente magnetici. Un effetto di magnetizzazione molto più forte si osserva nei ferromagneti.

La suscettività magnetica (il rapporto tra i valori assoluti dei vettori di magnetizzazione e intensità di campo) per tali materiali è positiva e può raggiungere diverse decine di migliaia. Nei ferromagneti si formano regioni di magnetizzazione unidirezionale spontanea - domini.

Ferromagnetismo osservato in cristalli di metalli di transizione: ferro, cobalto, nichel e un certo numero di leghe.

Quando viene applicato un campo magnetico esterno di intensità crescente, i vettori di magnetizzazione spontanea, inizialmente orientati in aree diverse in modi diversi, si allineano gradualmente nella stessa direzione. Questo processo è chiamato magnetizzazione tecnica... È caratterizzato da una curva di magnetizzazione iniziale, la dipendenza dell'induzione o della magnetizzazione da l'intensità del campo magnetico risultante nel materiale.

Con un'intensità di campo relativamente piccola (Sezione I) c'è un rapido aumento della magnetizzazione, dovuto principalmente ad un aumento delle dimensioni dei domini con l'orientamento della magnetizzazione nell'emisfero positivo delle direzioni dei vettori dell'intensità di campo. Allo stesso tempo, le dimensioni dei domini nell'emisfero negativo si riducono proporzionalmente.In misura minore, cambiano le dimensioni di queste regioni, la cui magnetizzazione è orientata più vicino al piano ortogonale al vettore di intensità.

Con un ulteriore aumento di intensità predominano i processi di rotazione dei vettori di magnetizzazione del dominio lungo il campo (sezione II) fino al raggiungimento della saturazione tecnica (punto S). Il successivo aumento della magnetizzazione risultante e il raggiungimento dello stesso orientamento di tutte le regioni del campo è ostacolato dal moto termico degli elettroni. La regione III è di natura simile ai processi paramagnetici, dove l'aumento della magnetizzazione è dovuto all'orientamento dei pochi momenti magnetici di spin disorientati dal moto termico.Con l'aumentare della temperatura, il moto termico disorientante aumenta e la magnetizzazione della sostanza diminuisce.

Per un dato materiale ferromagnetico, esiste una certa temperatura alla quale l'ordinamento ferromagnetico della struttura del dominio e la magnetizzazione scompaiono. Il materiale diventa paramagnetico. Questa temperatura è chiamata punto di Curie. Per il ferro, il punto di Curie corrisponde a 790 ° C, per il nichel - 340 ° C, per il cobalto - 1150 ° C.

Diminuendo la temperatura al di sotto del punto di Curie si ripristinano nuovamente le proprietà magnetiche del materiale: la struttura del dominio con magnetizzazione di rete zero se non c'è campo magnetico esterno. Pertanto, vengono utilizzati prodotti riscaldanti realizzati con materiali ferromagnetici al di sopra del punto di Curie per smagnetizzarli completamente.

Curva di magnetizzazione iniziale

Processi di magnetizzazione di materiali ferromagnetici suddivisi in reversibili e irreversibili in relazione al cambiamento del campo magnetico.Se, dopo aver rimosso i disturbi del campo esterno, la magnetizzazione del materiale ritorna allo stato originario, allora questo processo è reversibile, altrimenti è irreversibile.

Si osservano cambiamenti reversibili in un piccolo segmento iniziale della curva di magnetizzazione della sezione I (zona di Rayleigh) a piccoli spostamenti delle pareti del dominio e nelle regioni II, III quando i vettori di magnetizzazione nelle regioni ruotano. La parte principale della Sezione I si occupa di un processo irreversibile di inversione della magnetizzazione, che determina principalmente le proprietà di isteresi dei materiali ferromagnetici (ritardo dei cambiamenti nella magnetizzazione dai cambiamenti nel campo magnetico).

Ciclo di isteresi chiamato curve che riflettono il cambiamento nella magnetizzazione di un ferromagnete sotto l'influenza di un campo magnetico esterno che cambia ciclicamente.

Quando si testano materiali magnetici, vengono costruiti cicli di isteresi per le funzioni dei parametri del campo magnetico B (H) o M (H), che hanno il significato dei parametri ottenuti all'interno del materiale in una proiezione su una direzione fissa. Se il materiale è stato precedentemente completamente smagnetizzato, un aumento graduale dell'intensità del campo magnetico da zero a Hs fornisce molti punti dalla curva di magnetizzazione iniziale (sezione 0-1).

Punto 1 — punto di saturazione tecnica (Bs, Hs). La successiva riduzione a zero della forza H all'interno del materiale (Sezione 1-2) permette di determinare il valore limite (massimo) della magnetizzazione residua Br e di ridurre ulteriormente l'intensità del campo negativo per ottenere la completa smagnetizzazione B = 0 (sezione 2-3) nel punto H = -HcV - la massima forza coercitiva durante la magnetizzazione.

Inoltre, il materiale è magnetizzato nella direzione negativa della saturazione (Sezione 3-4) a H = — Hs. Una variazione dell'intensità di campo in direzione positiva chiude il ciclo di isteresi limite lungo la curva 4-5-6-1.

Molti stati del materiale all'interno del ciclo limite di isteresi possono essere raggiunti modificando l'intensità del campo magnetico corrispondente ai cicli di isteresi parziali simmetrici e asimmetrici.

Isteresi magnetica: 1 — curva di magnetizzazione iniziale; 2 — ciclo limite di isteresi; 3 — curva della magnetizzazione principale; 4 — cicli parziali simmetrici; 5 — cappi parziali asimmetrici

I cicli di isteresi parzialmente simmetrici poggiano i loro vertici sulla curva di magnetizzazione principale, che è definita come l'insieme dei vertici di questi cicli finché non coincidono con il ciclo limite.

Si formano anelli di isteresi asimmetrici parziali se il punto di partenza non si trova sulla curva di magnetizzazione principale con una variazione simmetrica dell'intensità di campo, nonché con una variazione asimmetrica dell'intensità di campo nella direzione positiva o negativa.

A seconda dei valori della forza coercitiva, i materiali ferromagnetici si dividono in magneticamente morbidi e magneticamente duri.

I materiali magnetici morbidi sono utilizzati nei sistemi magnetici come nuclei magnetici... Questi materiali hanno una forza coercitiva bassa, alta permeabilità magnetica e induzione di saturazione.

I materiali magnetici duri hanno una grande forza coercitiva e nello stato pre-magnetizzato sono usati come magneti permanenti — sorgenti primarie di campo magnetico.

Esistono materiali a cui, in base alle loro proprietà magnetiche, appartengono gli antiferromagneti... La disposizione antiparallela degli spin degli atomi vicini risulta essere energeticamente più favorevole per loro. Sono stati creati antiferromagneti che hanno un significativo momento magnetico intrinseco dovuto all'asimmetria del reticolo cristallino... Tali materiali sono chiamati ferrimagneti (ferriti)... A differenza dei materiali ferromagnetici metallici, le ferriti sono semiconduttori e hanno perdite di energia significativamente inferiori per correnti parassite in campi magnetici alternati.

Curve di magnetizzazione di vari materiali ferromagnetici