Ферро-, ферри- и антиферромагнетизм

Эти виды магнетизма объясняются так называемой доменной теорией, в основе которой лежат представления квантовой физики.

Основные положения доменной теории в элементарном изложении можно свести к следующим тезисам.

1. Магнитное вещество делится на зерна-кристаллиты.

Кристаллит – это кристалл неправильной формы, т.е. формы, не повторяющей форму кристаллической решетки [11, с. 16].

2. Кристаллиты делятся на домены (от франц. – область, владение).

Доменом называется область кристаллита, в которой магнитные моменты всех атомов (молекул) располагаются самопроизвольно параллельными друг другу в одном из так называемых направлений легкого намагничивания кристаллита.

Направления легкого намагничивания совпадают с какими-либо характерными направлениями кристаллической решетки. Каждый кристаллит имеет, как правило, несколько направлений легкого намагничивания. В двух соседних доменах магнитные моменты атомов (молекул) устанавливаются по двум различным направлениям легкого намагничивания.

Минимальные линейные размеры доменов составляют для большинства веществ 10-3– 10-1 мм[10, с. 9].

3. Магнитные моменты атомов (молекул) в домене могут располагаться тремя способами:

а) все магнитные моменты атомов имеют одно и то же направление; такое явление называется ферромагнетизмом;

б) меньшая часть магнитных моментов атомов имеет одно и то же направление, а большая – противоположное; такое явление называется ферримагнетизмом;

в) половина магнитных моментов атомов имеет одно и то же направление, а другая половина – противоположное; такое явление называется антиферромагнетизмом.

Вещества, в которых возникают явления ферро-, ферри-, и антиферромагнетизма, называются соответственно ферро-, ферри- и антиферромагнетиками.

В антиферромагнетиках одна половина магнитных моментов атомов (молекул) компенсирует другую половину. Поэтому любой объем вещества антиферромагнетика является в целом размагниченным, а его результирующая намагниченность равна нулю.

В домене ферромагнетика магнитные моменты всех атомов (молекул) складываются. Поэтому намагниченность каждого домена достигает наибольшего для данного материала значения.

В домене ферримагнетика магнитные моменты атомов (молекул) частично компенсируют друг друга. Поэтому намагниченность каждого домена ферримагнетика имеет заметно меньшие значения, чем намагниченность домена ферромагнетика.

Химически чистыми ферромагнетиками являются железо, никель, кобальт и шесть редкоземельных элементов (гадолиний, эрбий, диспрозий, тулий, гольмий, тербий). Для большинства ферромагнетиков относительная магнитная проницаемость находится в диапазоне от тысячи до полутора миллиона единиц, т.е. mr>>1.

Практически используемыми ферримагнетиками являются ферриты. Ферриты – это магнитные материалы, представляющие собой смесь оксидов железа с оксидами других металлов. У ферритов относительная магнитная проницаемость mr>>1, но заметно меньше, чем у ферромагнетиков.

Химически чистыми антиферромагнетиками являются марганец, хром и пять редкоземельных элементов (церий, празеодим, неодим, самарий, европий) [12, с. 92, 94].

4. Намагниченность домена изменяется при изменении температуры.

Для ферромагнетиков намагниченность доменов Jдоммонотонно уменьшается с увеличением абсолютной температуры T (рис. 2.2, а), достигая при некоторой температуре нулевого значения. Эта температура называется точкой Кюри.

Рис. 2.2. Температурная зависимость намагниченностей доменов:

а – для ферромагнетиков; б, в – для ферримагнетиков

Объясняется такая зависимость следующим. При повышении температуры увеличивается угол отклонения магнитных моментов атомов (молекул) от направления легкого намагничивания домена. Это вызывает снижение в указанном направлении средних значений магнитных моментов атомов (молекул) и, как следствие, в силу равенства (1.10) среднего значения намагниченности домена Jдом. При температуре, соответствующей точке Кюри, энергия теплового движения становится достаточной для преодоления сил, устанавливающих магнитные моменты атомов (молекул) параллельными друг другу. В результате этого магнитные моменты атомов (молекул) начинают двигаться хаотично, средняя намагниченность домена принимает нулевое значение, а вещество утрачивает ферромагнитные свойства, превращаясь в парамагнетик.

Для различных ферромагнетиков точка Кюри имеет различные значения. Например, для железа точка Кюри составляет 1043 К, кобальта – 1400 К, никеля – 631 К.

Температурная зависимость намагниченностей доменов ферримагнетиков может иметь более сложный характер, чем у ферромагнетиков (см. рис. 2.2, б, в), что объясняется следующим образом [12, с. 95]. Можно считать в силу положения 3б доменной теории, что кристаллическая решетка домена ферримагнетика состоит из двух различных подрешеток. Причем одна подрешетка состоит из атомов (молекул) с одним направлением магнитных моментов, а другая – с противоположным. Поэтому намагниченности подрешеток имеют противоположные направления. Далее. Каждую подрешетку составляют атомы (молекулы) различной химической природы. Поэтому модуль намагниченности каждой подрешетки имеет свое определенное значение. Введем обозначение Jп1для вектора намагниченности первой подрешетки и Jп2– для второй. Эти векторы противоположны по направлению и различны по модулю. Поэтому модуль Jдом результирующего вектора намагниченности домена Jдом= Jп1 – Jп2. Модули намагниченностей Jп1и Jп2имеют, вообще говоря, различный характер изменения при изменении температуры (см. рис. 2.2, б, в). Это и обусловливает, что видно из геометрических построений, различие зависимостей результирующей намагниченности домена Jдомот температуры для ферри- и ферромагнетиков.

Так, например, для варианта изменения величин Jп1и Jп2, представленного на рис. 2.2 б, результирующая намагниченность домена Jдомимеет максимум, а для варианта, представленного на рис. 2.2 в, результирующая намагниченность Jдомдомена обращается в ноль два раза. Первое обращение намагниченности в ноль (см. рис. 2.2, в) обусловлено тем, что для некоторой температуры модули намагниченностей Jп1и Jп2оказываются равными, иначе говоря, возникает явление компенсации намагниченностей подрешеток домена ферримагнетика. Второе обращение намагниченности домена в ноль вызвано, как и в случае ферромагнетика, разрушением явления ферримагнетизма интенсивным тепловым движением атомов (молекул) ферримагнетика.

Следуя [11, с. 16], будем называть температуру первого обращения в ноль результирующей намагниченности домена точкой Неэля. Заметим, что в [10, с. 32, 34] температура первого обращения в ноль намагниченности домена ферримагнетика называется точкой компенсации, а второго – точкой Неэля.

Доменное строение ферро- и ферримагнетиков может быть отражено схемой, представленной на рис. 2.3. Для левого верхнего кристаллита, изображенного на рис. 2.3, указан пример возможного расположения векторов намагниченностей для каждого домена. Подобным же образом направлены векторы намагниченностей в доменах и двух других кристаллитов, что на рис. 2.3 не показано.

Как отмечалось выше, антиферромагнетики являются веществами в целом размагниченными. Антиферромагнетики, помещенные в некоторую область пространства, где уже существует магнитное поле, практически не изменяют интенсивность этого ранее созданного магнитного поля. Являясь, таким образом, слабомагнитными веществами, антиферромагнетики не используются в электромагнитных и электромашинных устройствах.

Рис. 2.3. Схема доменного строения ферро- и ферримагнетиков

Вещества, в которых реализуются явления ферро- и ферримагнетизма, называются сильномагнитными веществами или магнитными материалами.

Магнитный материал любой марки, как это следует из выше изложенного, имеет самопроизвольно намагниченные области (домены), в которых создаются весьма интенсивные магнитные поля. При помещении магнитного материала во внешнее магнитное поле, созданное, например, электрическими макротоками, магнитные моменты доменов такого материала в большей или меньшей степени разворачиваются вдоль внешнего поля. При этом внешнее поле и поле доменов образуют результирующее поле. Причем, благодаря высокой интенсивности магнитных полей доменов, результирующее поле оказывается существенно более интенсивным, чем исходное внешнее поле макротоков. Как показывают опыты, магнитные индукции, а также магнитные потоки результирующих полей, создаваемых реальными магнитными материалами, увеличиваются на 1…6 порядков (в зависимости от марок материалов) по сравнению с магнитными индукциями и магнитными потоками исходных внешних полей. Это, как отмечалось в разделе 1, означает, что относительная магнитная проницаемость реальных магнитных материалов mr» 10…106, а также, что их магнитные поля увеличивают в 10…106раз электромагнитные силы и ЭДС индукции, создаваемые реальными катушками с токами. Как показывает практика, только такие результирующие магнитные поля и могут быть использованы для реализации промышленных устройств.

Из изложенного вытекают следующие выводы. 1. Магнитные материалы позволяют существенно усиливать магнитные поля (магнитные индукции и магнитные потоки), создаваемые реальными катушками с током, и, как следствие, усиливать электромагнитные силы и ЭДС индукции этих полей. 2. Магнитные материалы обеспечивают усиление указанных величин до такой степени, что оказывается возможным использовать явление электромагнетизма для создания промышленных устройств. 3. Магнитные материалы предназначены в промышленных устройствах, прежде всего, для усиления магнитных полей (магнитных индукций и магнитных потоков).

Основными характеристиками магнитных материалов, позволяющими объяснить принцип действия и провести расчет электромагнитных и электромашинных устройств, являются кривые намагничивания.

КРИВЫЕ НАМАГНИЧИВАНИЯ

МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Кривая намагничивания магнитного материала в некоторой его точке – это зависимость B = B(H), где B и H – соответственно проекции на некоторое заданное направление векторов и в данной точке материала.

Выбор направления проектирования векторов и определяется конструкцией устройств и задачами их электромагнитного расчета. Например, при расчете магнитопроводов в качестве такого направления выбираются их средние линии. Как правило, в расчетах принимается, что кривые намагничивания различных точек одного и того же материала являются идентичными. Это позволяет описывать весь объем магнитного материала одной и той же кривой намагничивания. Заметим, что в практике расчетов магнитных полей используются кривые намагничивания, полученные экспериментальным путем, поскольку их теоретический вывод практически невозможен. Это обстоятельство обусловливает необходимость краткого освещения методов измерения кривых намагничивания, используемых в инженерной практике.