Магнитными параметрами

Атом представляет собой сложную магнитную систему, магнитный момент которой является результирующей всех магнитных моментов электронов, протонов и нейтронов. Так как магнитные моменты протонов и нейтронов существенно меньше магнитных моментов электронов, магнитные свойства атомов по существу определяются магнитными моментами электронов. У имеющих техническое значение материалов это прежде всего спиновые магнитные моменты.

Такой выбор необходимо сделать потому, что магнитное поле элементарных токов полностью определяется их магнитными моментами.

В то время когда впервые было высказано Ампером это предположение, еще не было развито представление об электромагнитном строении атомов и молекул вещества. Продолжая это рассуждение, в настоящее время можно предположить, что и магнитный момент элементарных частиц также является результатом некоторого сложного внутреннего движения в этих частицах, имеющего характер замкнутых электрических токов, но это движение значительно более с/:ожно, чем простое вращение электрона как целого вокруг своей оси. Существенно отметить, что и в квантовой теории формальное рассмотрение магнитного поля, обусловленного магнитными моментами электронов, приводит к некоторому общему выражению для плотности электрических токов.

Ферромагнетики обладают особым свойством — способностью намагничиваться в магнитном поле. Стержень из ферромагнитного материала, например, помещенный в магнитное поле катушки, через которую протекает ток, намагничиваясь, начинает проявлять сильные магнитные свойства. Сущность происходящего процесса связана с электрическими токами в веществе (преимущественно с вращением электронов вокруг своей оси, получившей название спина электрона). У ферромагнетиков магнитные свойства обусловлены собственными (спиновыми) магнитными моментами электронов. При определенных условиях в кристаллах могут возникать обменные силы, в результате которых магнитные моменты электронов ориентируются параллельно друг другу, и возникают области спонтанного (самопроизвольного) намагничивания, называемые доменами. В пределах каждого из доменов ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и имеет определенный магнитный момент. Направления магнитных моментов отдельных доменов (областей) различны, вследствие чего в отсутствие внешнего поля суммарный момент ферромагнетика равен нулю. Под действием внешнего поля намагниченные области ориентируются в направлении поля и тем самым во много раз усиливают внешнее поле. Когда все области спонтанного намагничивания сориентируются вдоль внешнего поля, наступает насыщение ферромагнетика. Поэтому значение магнитной проницаемости для ферромагнитных материалов значительно больше, чем для неферромагнитных. А следовательно, в ферромагнитных материалах при одной и той же напряженности магнитного поля магнитная индукция также во много раз больше, чем в неферромагнитных материалах. Большая магнитная проницаемость ферромагнетиков используется для того, чтобы усиливать магнитные поля в электрических машинах и аппаратах.

Парамагнитные вещества отличаются тем, что состоят из атомов с не полностью заполненными оболочками, т. е. обладающих магнитными моментами. Но такие атомы находятся друг от друга достаточно далеко, так что взаимодействие между ними отсутствует. Потому у парамагнетиков магнитные моменты атомов ориентируются в направлении внешнего магнитного поля и усиливают его.

К ферримагнетикам относят вещества, в которых обменное взаимодействие осуществляется не непосредственно между магнито-активными атомами, как в случае ферромагнетизма, а через немагнитный ион кислорода. Такое взаимодействие называют косвенным обменным или сверхобменным. Это взаимодействие в большинстве случаев в ферримагнитных веществах приводит к антипараллельной ориентации магнитных моментов соседних ионов (т. е. к антиферромагнитному упорядочению). Однако количество ионов с магнитными моментами, ориентированными условно вверх и вниз, а также величины их моментов неодинаковы. Поэтому магнитные моменты ионов не полностью компенсируются и ферримагнитные вещества обладают магнитным моментом и имеют доменную структуру, которая исчезает выше температуры Кюри.

Согласно принципам квантовой механики электроны в изолированных атомах могут иметь только строго определенные для данных типов атомов значения энергии или, как говорят, находиться только «а определенных (разрешенных) энергетических уровнях. При этом одном энергетическом уровне могут одновременно находиться не более двух электронов, отличающихся друг от друга магнитными моментами (принцип Паули).

магнитный момент тела оказывается равным нулю, т.е. ферромагнетик не намагничен. Внесение ферромагнетика во внешнее магнитное поле вызывает: 1) поворот магнитных моментов доменов в направлении внешнего поля — процесс ориентации; 2) рост размеров тех доменов, направления магнитных моментов которых близки к направлению поля, и уменьшение доменов с противоположно направленными магнитными моментами — процесс смещения границ доменов. В результате ферромагнетик намагничивается.

Наряду с этим имеет место взаимодействие между ядрами вследствие того, что они создают внутреннее магнитное поле, называемое локальным, и, следовательно, каждый ядерный магнитный момент будет находиться под воздействием не только внешнего поля, но и полей, создаваемых магнитными моментами соседних ядер. Для каждого ядра значение индукции магнитного поля различно, так как индукция локального поля сильно зависит от расстояния между отдельными ядрами. Поэтому резонансные частоты для разных ядер будут различными, и результирующая картина резонанса окажется нечеткой, что связано с расфазировкой прецессии отдельных ядер, уменьшением поперечной составляющей ядерной намагниченности и затуханием резонансного сигнала. Расхождение резонансных частот на некоторое значение Асо пропорционально индукции локального поля и характеризуется временем Т2, называемым временем поперечной релаксации и пропорциональным 1/Аш.

Магнитные свойства и строение вещества. Как известно электрон обладает спиновым и орбитальным магнитными моментами. Геометрически складываясь моменты электронов создают результирующий магнитный момент атома М. Суммарный магнитный момент в единице объема, именуемый намагниченностью J', когда вещество не .было намагничено и внешнее поле отсутствует, равняется нулю. Под воздействием магнитного поля со средней напряженностью внутри тела, равной Н, намагниченность J = %Н, где х — магнитная восприимчивость. Намагниченность определяет величину магнитной индукции В = Б0 + + %Н. Магнитные свойства вещества характеризует также относительная магнитная проницаемость ц, = 1 -{- %1ц0, где [АО = 4я -10 7 гн/м — магнитная постоянная вакуума. В зависимости от величины и знака магнитной восприимчивости вещества могут быть диамагнитные (Х<0), парамагнитные (%^0) и ферромагнитные (х^>0). Рассмотрим две последние группы веществ. В парамагнитных веществах у атомов имеются магнитные моменты, однако под влиянием теплового движения эти моменты располагаются статистически беспорядочно; вдоль магнитного поля удается ориентировать лишь примерно одну десятитысячную процента всех спинов. В результате магнитная восприимчивость х мало отличается от нуля, а магнитная проницаемость ^i парамагнитных материалов немногим больше единицы. К парамагнитным принадлежат некоторые переходные металлы, а также щелочные и щелочно-земельные металлы. Ферромагнитные материалы обладают весьма большой магнитной восприимчивостью, (л может достигать значений порядка 106, после снятия поля^ сохраняется остаточная намагниченность. Ферромагнитные свойства при нагревании наблюдаются лишь до некоторой температуры В, отвечающей точке Кюри — переходу из ферромагнитного в парамагнитное состояние. Значение 6 для железа 769° С, для кобальта 1120° С, для никеля 358° С. При температурах Т <^ 6 в отсутствие внешнего поля ферромагнетик ' состоит из микроскопических областей — доменов, самопроиз-

Магнитные свойства феррошпинелей объясняются в основном обменным взаимодействием между магнитоактивными катионами в подрешетке А (тетраэдрнческие промежутки) и в подрещетке В (октаэдр ические промежутки). Взаимодействия А—А и В—В— относительно малы. К ферритам со структурой нормальной шпинели относятся цинковые и кадмиевые. При медленном охлаждении они приобретают свойства антиферромагнетика, так как моменты ионов Fe3+ в октаэдрах В антипараллельны, а ионы Zn2+ и Cd2+ (в тетраэдрах А) не обладают магнитными моментами. В ферритах железа, никеля и кобальта со структурой обращенной шпинели ионы распределяются поровну между промежутками А и В, их моменты взаимно компенсируются, но ионы Fe2+ и №2+ в промежутке В имеют спины с параллельной ориентацией, что и лежит в основе ферримагнетизма; магнитный момент иона характеризующего металла оказывается нескомпенсированным. Несколько иначе обстоит дело,, если характеризующий ион,например магний, не обладает магнитным моментом; в магниевом феррите при быстром охлаждении ионы Fe3+ распределяются между промежутками не поровну; в промежутках А имеется 39% .ионов Fes+, остальные находятся в промежутках В. Магнитный момент 61—39 = 22% ионам Fe3+ в положениях В оказывается не-скомпенснрованным. • • -

зователь ( 9.16) с распределенными магнитными параметрами. Он состоит из магнитопровода с рабочей частью в виде двух параллельных полос, намагничивающей wl и измерительной w2 обмоток. При перемещении обмотки w2 из крайнего левого положения в крайнее правое индуктированная в ней э. д. с. уменьшается практически по линейному закону, если магнитное сопротивление магнитопровода мало по сравнению с магнитным сопротивлением зазора. Преобразователи подобного типа относительно легко выполнить с требуемой функциональной зависимостью между индуктированной э. д. с. ег и преобразуемым перемещением, применив для этого профилированный магнитопровод.

применяется преобразователь ( 20.7, а) с распределенными магнитными параметрами. Он состоит из магнитопровода с рабочей частью в виде двух параллельных полос, намагничивающей wl и измерительной w2 обмоток. При перемещении обмотки w"2 из крайнего левого положения в крайнее правое наводимая в ней э. д. с. уменьшается практически по линейному закону, если магнитное сопротивление магнитопровода мало по сравнению с магнитным сопротивлением зазора. Нелинейность зависимости наведенной э. д. с. от положения вторичной обмотки можно скомпенсировать, выполняя магнитопровод профилированным.

применяется преобразователь ( 20.7, а) с распределенными магнитными параметрами. Он состоит из магнитопровода с рабочей частью в виде двух параллельных полос, намагничивающей wl и измерительной w2 обмоток. При перемещении обмотки w2 из крайнего левого положения в крайнее правое наводимая в ней э. д. с. уменьшается практически по линейному закону, если магнитное сопротивление магнитопровода мало по сравнению с магнитным сопротивлением зазора. Нелинейность зависимости наведенной э. д. с. от положения вторичной обмотки можно скомпенсировать, выполняя магнитопровод профилированным.

Второе уравнение Максвелла показывает взаимосвязь между электрическими и магнитными параметрами поля в динамическом режиме их изменения:

Наиболее высокой прямоугольностью (до 0,98) обладают микронные сердечники из железоникелевокобальтовых сплавов; такие сердечники применяют при частотах перемагничивания порядка десятков килогерц. В переключающих устройствах, рассчитанных на частоты в сотни килогерц, используют микронные сердечники (лента толщиной 2—3 мкм) из высоконикелевого пермаллоя, обеспечивающие минимальный коэффициент переключения. .Ленточные сердечники позволяют допустить для аппаратуры широкий диапазон рабочих температур, однако производство их отличается сложностью и более высокой стоимостью по сравнению с ферритовыми сердечниками с ППГ. Ферри-товые сердечники вместе с тем обладают более низкой температурной стабильностью и несколько более низкими магнитными параметрами.

Ферриты для СВЧ. Совершенно особую роль играют специальные марки ферритов для СВЧ. В этой области частот в первую очередь используются возможности управления электрическими и магнитными параметрами ферритов. На СВЧ применяются никелевые ферриты, магниевые ферриты, магниевые ферроамони-каты, никелевые и магниевые феррохромиты, а также иттриевыа ферриты — гранаты. Число марок СВЧ-ферритов превышает 60.

Поэтому для сплавов типа SraCo5 под первичными магнитными параметрами понимаются Вг — остаточная индукция; Нс — коэрцитивная сила.

корреляционные связи между первичными магнитными параметрами отсутствуют.

В химический состав спеченных материалов входят кобальт, самарий либо ниодим, а также самарий с празеодимом. По этой причине магниты называют также редкоземельными. Редкоземельные магнитотвердые материалы обладают более высокими магнитными параметрами по сравнению с литыми и ферритовыми магнитами.

Магнитомягкие материалы характеризуются магнитными параметрами, измеряемыми в постоянном и переменном магнитных полях. Основными измеряемыми характеристиками в постоянных магнитных полях для магнитомягких материалов являются: основная кривая намагничивания, предельная петля гистерезиса и ее параметры ( Вг,

Пример определения расчетных параметров кривой размагничивания. Пусть требуется получить расчетную формулу кривой размагничивания для сплава марки ЮНДК24 (ГОСТ 9575-60), обладающего магнитными параметрами Вг=1,23 тл '(12,3 кгс); Bd — = 0,95 тл (9,5 кгс); Яс = 44 ка/м (550 э) и Я<г = 34 ка/м (425 э).