Единицы магнитных величин и магнитные свойства веществ

В электромагнитных устройствах автоматики, вычислительной и измерительной техники воздействие на магнитный элемент производится либо магнитным полем тока, проходящего по проводнику или обмотке, либо непосредственно магнитным полем (например, в ферро­зондах). Это магнитное поле является внешним по отношению к магнитному сердечнику — основе электромагнитных элементов.

Прежде чем перейти к природе магнитных свойств вещества, напомним единицы магнит­ных величин в Международной системе единиц (СИ).

Внешнее магнитное поле линейного проводника с током I характеризуется напряженно­стью магнитного поля (А / м):

H = I / (2p r) ,

где r — расстояние от проводника до точки, в которой определяется напряженность.

Если ток проходит по обмотке с числом витков w , то он создает намагничивающую силу (Н. С.) или магнитодвижущую силу (М. Д. С.) (А):

F = Iw .

Если эта обмотка равномерно намотана на ферромагнитный сердечник с одинаковым се­чением S по всей его длине l (например, на кольцевой сердечник), то напряженность магнит­ного поля в сердечнике

Н = Iw / l .

Под действием н. с. в сердечниках магнитных элементов создается магнитный поток Ф. Если магнитный поток Ф проходит по сердечнику с обмоткой, имеющей w витков, то пото­косцепление обмотки (Вб):

Y = Фw .

Наряду с напряженностью магнитное поле характеризуется магнитной индукцией В (Тл); определяемой для равномерного поля выражением

В = Ф / S ,

где S – площадь, через которую проходит магнитный поток.

Индуктивность (Гн)

L = Y / I .

Магнитная постоянная m ₀, (магнитная проницаемость вакуума) представляет собой отно­шение магнитной индукции к напряженности магнитного поля в вакууме:

m ₀ = В / Н

и является физической константой, численно равной:

Напряженность внешнего магнитного поля не зависит от свойств среды (от свойств веще­ства), где создается магнитный поток.

Магнитная же индукция определяется как напряженностью, так и свойствами среды (ве­щества), характеризующимися относительной магнитной проницаемостью m , (или просто магнитной проницаемостью), которая показывает, во сколько раз проницаемость вещества больше или меньше проницаемости вакуума.

Магнитная индукция в среде (веществе)

В = m m ₀Н , (1)

где m m ₀ = m _а – абсолютная магнитная проницаемостьвещества.

Чтобы понять магнитные свойства различных веществ, характеризуемые значением m , и, в частности, материалов, которые применяют для изготовления сердечников электромагнит­ных элементов разных типов, необходимо знать строение атомов и кристаллов твердых тел. Как известно, атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра по орбитам. Круговой ток создает магнитный момент, (А× м²), определяемый формулой

m = i S ,

где i — сила тока, А; S — площадь, обтекаемая током, м ²; поэтому вращающийся по орбите электрон обладает некоторым орбитальным магнитным моментом. Кроме того, при движе­нии по орбите каждый электрон обладает свойством, близким к свойствам заряженного тела, вращающегося вокруг своей оси. Это свойство называют спином электрона. Спин электрона, эквивалентный круговому току, обусловливает спиновый магнитный момент. Протоны и нейтроны, входящие в ядро атома, тоже имеют некоторые магнитные моменты, но в сотни раз меньшие, чем электроны. Поэтому можно считать, что магнитные свойства атома опре­деляются в основном магнитными свойствами его электронов (рисунок 1, а). В случае не­скольких электронов полный, или собственный, магнитный момент атома определяется век­торной суммой орбитальных и спиновых моментов с учетом их направления.

Орбитальные и спиновые магнитные моменты могут иметь лишь одно из двух возможных направлений (согласное или противоположное). В том случае, если они направлены в проти­воположные стороны, магнитные моменты пары электронов взаимно компенсируются. Это имеет место в любой полностью заполненной оболочке, например, у атома гелия, изобра­женного на рисунок 1, б. Собственный магнитный момент такого атома в отсутствие внеш­него поля равен нулю.

Рисунок 1. Магнитные моменты электрона в атоме.

Магнитный момент единицы объема вещества называют намагниченностью (А / м)

J = å m / V ,

где å m – суммарный момент атомов, занимающих объем V.

Намагниченность можно рассматривать как напряженность, создаваемую микротоками электронных оболочек вещества. Поэтому индукцию в веществе можно представить как

В = m ₀ (Н + J) (2)

Часто векторы Ни Jимеют одинаковое направление. При этом можно перейти к скаляр­ному выражению и разделить обе части равенства (2) на Н:

B / H = m ₀ (1 + 1 / H) (3)

Отношение J / H называют магнитной восприимчивостью c вещества, а из сравнения (1) и (3) следует, что m = 1 + c.

Если на атом воздействует внешнее магнитное поле Н, то возникает прецессия орбит электронов вокруг вектора этого поля. Прецессия орбиты, показанная на рисунке 1, в пунк­тиром, эквивалентна некоторому дополнительному вращению электрона, которое вследствие его заряда, создает дополнительный магнитный момент. По правилу Ленца этот магнитный момент всегда направлен против внешнего поля и стремится ослабить его. Это явление на­зывают диамагнетизмом; оно присуще атомам всех веществ.

У диамагнитных веществ вектор намагниченности направлен навстречу вектору напря­женности поля (рис. 1, в), поэтому их магнитная восприимчивость отрицательна, а m < 1. Магнитная индукция в таких веществах меньше, чем в вакууме, при одной и той же напря­женности внешнего поля H. Кроме инертных газов являются диамагнитными вода, некото­рые металлы (медь, серебро, золото, ртуть, цинк, свинец, висмут) и многие органические со­единения.

У парамагнитных веществ атомы обладают отличными от нуля собственными магнит­ными моментами, которые в отсутствие внешнего поля ориентированы равновероятно по всем направлениям; поэтому средний магнитный момент вещества равен нулю. При наложе­нии внешнего поля возникают силы, которые преодолевают дезориентирующее действие те­плового движения атомов и ориентируют магнитные моменты атомов по полю подобно маг­нитным стрелкам, помещенным во внешнее поле. Эта ориентация превышает диамагнитный эффект, создаваемый прецессией электронных орбит, в результате чего у парамагнетиков общая намагниченность совпадает с направлением внешнего поля. Магнитная восприимчи­вость парамагнетиков имеет положительное значение, а m > 1. К парамагнетикам относятся многие металлы (магний, кальций, алюминий, хром, молибден, марганец) и соли железа, ко­бальта, никеля, редкоземельных элементов и др.

У диамагнетиков и парамагнетиков – слабомагнитных веществ – намагниченность неве­лика и является наведенной внешним полем намагниченностью, которая исчезает вместе с исчезновением этого поля.

Ферромагнетики — это сильномагнитные вещества, у которых относительная магнитная проницаемость m >>1 и может достигать десятков и даже сотен тысяч. Из химически чистых элементов ферромагнитными свойствами обладают только девять: железо, никель, кобальт, гадолиний и при температурах значительно ниже 0°С пять редкоземельных элементов (эр­бий, диспрозий, тулий, гольмий и тербий). Однако число ферромагнитных материалов очень велико, потому что к ферромагнитным материалам относятся сплавы самих ферромагнитных элементов и их сплавы с неферромагнитными элементами. Кроме того, известны ферромаг­нитные сплавы из неферромагнитных элементов.

Как уже отмечалось, собственный магнитный момент атома является суммой орбиталь­ных и спиновых моментов электронов. Физические эксперименты показали, что ферромаг­нитные свойства определяются именно нескомпенсированными спинами электронов.

В атомах с достаточно большими порядковыми номерами электроны сгруппированы в электронные оболочки (слои). Максимальное число электронов в слое равно 2 n ². В слоях имеются подслои: первый s, второй р, третий d, четвертый f, пятый g. Для каждого подслоя существует свое предельное число электронов, полностью заполняющих подслой, причем у заполненных слоев и подслоев как орбитальные, так и спиновые магнитные моменты вза­имно скомпенсированы. По мере увеличения числа электронов в атоме происходит последо­вательное заполнение слоев и подслоев и лишь у ферромагнетиков эта последовательность нарушается.

На рисунке 2, а изображены электронные слои (их номер обозначают цифрой) и подслои (s, р, d) в атоме железа. В скобках около каждого подслоя указано число электронов, необхо­димое для полного его заполнения. Например, подслой 3d еще не заполнен (в нем шесть электронов, а для заполнения нужно десять) и в то же время началось заполнение следую­щего подслоя 4s, который имеет два электрона. В незаполненном подслое пять электронов обладают положительным (правым) спином и лишь один – отрицательным (левым). Следо­вательно, атом железа имеет четыре нескомпенсированных спина. Подобное отсутствие компенсации спиновых моментов в одном из внутренних слоев электронной оболочки атома является необходимым условием ферромагнетизма.

Рисунок 2 – Условия ферромагнетизма:
a - электронные слои и подслои атома железа б - график зависимости интеграла обмена от отношения расстояния между атомами a к диаметру незаполненного слоя d.

Электроны внешнего (наружного) слоя являются валентными и при химических взаимо­действиях различных элементов их магнитные моменты взаимно компенсируются даже в том случае, когда у отдельно рассматриваемого атома во внешнем слое имеются электроны с нескомпенсированными спинами.

Наличие нескомпенсированных спинов во внутренних слоях является необходимым, но недостаточным условием ферромагнетизма. Кроме того, изолированные друг от друга атомы таких веществ не проявляют ферромагнитных свойств. Эти свойства наблюдаются только в кристаллическом состоянии при обменном взаимодействии атомов в кристалле, когда элек­троны внутренних незаполненных слоев принадлежат одновременно и своим и соседним атомам. Такое взаимодействие характеризуется интегралом обмена, величина и знак кото­рого в значительной степени зависят от относительного расстояния между атомами в кри­сталлической решетке.

При положительном значении этого интеграла обменное взаимодействие атомов приводит к параллельной ориентации нескомпенсированных спинов, обусловливающей спонтанную (то есть самопроизвольную) намагниченность вещества J_S, которая характеризует его фер­ромагнитные свойства. Слово «спонтанная» подчеркивает, что эта намагниченность явля­ется следствием сил межатомного взаимодействия, а не появляется, как наведенная намагни­ченность у диа- и парамагнетиков, лишь в результате воздействия на вещество внешнего магнитного поля.

При отрицательном значении интеграла обмена нескомпенсированные спины электронов в незаполненных внутренних слоях соседних атомов самопроизвольно устанавливаются ан­типараллельно и, таким образом, взаимно компенсируются, так что собственный магнитный момент вещества становится равным нулю и спонтанная намагниченность отсутствует. В этом состоит явление антиферромагнетизма.

Из рисунка 2, б, где в скобках рядом с обозначениями элементов указаны числа неском­пенсированных спинов, видно, что железо, кобальт, никель и гадолиний обладают ферро­магнитными свойствами; а марганец, несмотря на наличие пяти нескомпенсированных спи­нов, – антиферромагнитен. Границей областей ферромагнетизма и антиферромагнетизма яв­ляется отношение расстояния между атомами а к диаметру незаполненного слоя d, равное 1,5. Этим объясняется, в частности, что марганец приобретает ферромагнитные свойства в сплавах с такими неферромагнитными элементами, как висмут, олово и др., атомы которых «раздвигают» решетку марганца, увеличивая расстояние между атомами.

При значении отношения а / d, большем нескольких единиц, область ферромагнетизма переходит по существу в область парамагнетизма.

Все ферромагнетики и антиферромагнетики — вещества кристаллические, причем кри­сталлическую решетку антиферромагнетика можно рассматривать как сложную решетку, со­стоящую из двух подрешеток, намагниченных противоположно (скомпенсированных). У не­которых веществ эта компенсация может оказаться неполной. Явление неполной компенса­ции магнитных моментов двух подрешеток, называемое ферримагнетизмом, приводит ктому, что в ферримагнетиках также возникает некоторая результирующая спонтанная намаг­ниченность, которая, однако, заметно меньше спонтанной намагниченности ферромагнети­ков, так как она представляет собой разность намагниченностей подрешеток.

По отношению к внешнему полю ферримагнетик подобен ферромагнетику, то есть его от­носительная магнитная проницаемость m >> 1 и может достигать нескольких тысяч. Поэтому ферримагнитные материалы — ферриты, состоящие из оксидов металлов, часто называют неметаллическими ферромагнетиками.

Рисунок 3. Графики зависимости спонтанной намагниченности от температуры.

При повышении температуры вещества энергия теплового движения стремится разрушить состояние спонтанной намагниченности. При температуре, называемой точкой Кюри Q , энергия теплового движения становится достаточной для преодоления ориентирующего дей­ствия обменной энергии и вещество утрачивает ферромагнитные свойства, превращаясь в парамагнетик. Чем выше интеграл обмена ферромагнетика, тем выше точка Кюри. Для же­леза, кобальта, никеля и гадолиния точка Кюри равна соответственно 1043, 1400, 631 и 289 К, что хорошо согласуется с рисунком 2, б.

При Т = 0°С энергия теплового движения равна нулю и спонтанная намагниченность при­нимает наибольшее возможное значение. На рисунке 3, а, б, в показаны графики зависимости спонтанной намагниченности от температуры.

Ферриты.

Ферриты представляют собой химические соединения, в общем случае имеющие формулу Ме Fe ₂ O ₄ , где Мe - чаще всего двухвалентный ион металла, например, Cu, Zn, Mg, Ni, Fe, Co и Mn. В отличие от порошковых сердечников ферриты представляют собой монолитные ма­териалы. Магнитомягкие ферриты кристаллизуются в кубической системе и имеют струк­туру шпинели - минерала состава MgAl₂O₄. Чаще всего применяются ферриты следующих типов:

MnO * ZnO * 2Fe ₂ O ₃ - марганцево-цинковый феррит;

NiO * ZnO * 2Fe ₂ O ₃ - никель-цинковый феррит;

MgO * MnO * 2Fe ₂ O ₃ - магний-марганцевый феррит.

Ферриты имеют высокое удельное электрическое сопротивление порядка 10 – 10 ⁹ Ом * см и благодаря этому низкие потери на вихревые токи. Индукция насыщения составляет приблизительно 20 –25 % от индукции насыщения железа.

Ферриты делятся на три подгруппы:

а) ферриты с гарантированными потерями и проницаемостью;

б) ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса;

в) ферриты со специальными свойствами.

Марганец-цинковые ферриты по сравнению с никель-цинковыми имеют меньшие потери. Оба эти вида ферритов относятся к первой подгруппе. Так как никель-цинковые ферриты имеют более высокое электрическое сопротивление, то их целесообразно применять в об­ласти частот от 500 кГц до 200 МГц и выше, то есть для цепей высокочастотной техники. Магний-цинковые ферриты предназначены для применения в диапазоне от звуковых частот до нескольких МГц.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса бывают никель-цинковыми или магний-марганцевыми. В технике УКВ также применяются магний-марганцевые ферриты, однако, соотношение отдельных составных частей в тройной системе отличается от состава магний-марганцевых ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса. Эти ферриты вместе с магнито­стрикционными материалами относятся к группе материалов со специальными свойствами.

Благодаря своим свойствам, ферриты имеют очень широкий диапазон применения. В на­стоящее время ферриты применяются в производстве реле, сетевых трансформаторов уст­ройств связи, дросселей, электромеханических преобразователей и резонаторов и т.п. Однако наибольшее распространение ферриты получили в производстве сердечников для катушек (феррокатушек), запоминающих и переключающих цепей и т.п.