Теоретическая часть лабораторных исследований. Полное объяснение явлений, происходящих в ферромагнитных веществах, дает современная квантовая теория

2.1 Ферромагнетизм

Полное объяснение явлений, происходящих в ферромагнитных веществах, дает современная квантовая теория. Рассмотрим эти явления только с качественной стороны.

Ферромагнитные вещества отличаются тем, что в их атомах имеются не полностью заполненные электронные оболочки с нескомпенсированными спинами. Рассмотрим сначала изолированный атом железа. На рис. 1 показано распределение электронов уединенного атома этого элемента в виде схемы энергетических уровней. Здесь п – главное квантовое число оболочки и l – орбитальное квантовое число; черные и белые кружочки соответствуют двум возможным направлениям спина. Магнитные свойства железа определяются в основном электронами, находящимися в подгруппе п = 3, l = 2. в эту подгруппу может входить до десяти электронов. Однако в железе в нее входит шесть электронов, т.е. подгруппа заполнена частично. Как видно из рис. 1, в каждой подгруппе, кроме подгруппы п = 3, l = 2, спиновые моменты одного направления компенсируются спиновыми моментами противоположного направления.

В незаполненной же подгруппе остаются четыре электрона с нескомпенсированными спинами. Благодаря этому атом в целом обладает постоянным магнитным моментом.

Если атомы ферромагнитных веществ объединены в кристаллы (а эти вещества всегда имеют кристаллическую структуру), то картина распределения электронов отличается от рассмотренной выше. Поскольку в кристаллах часть электронов одного атома располагается близко к ядрам других атомов, между соседними атомами возникают обмен электронами. Силы, обусловливающие обмен электронов, называются обменными. Природа их объясняется электростатическим взаимодействием частиц. Обменные силы поворачивают соседние атомы так, чтобы их магнитные моменты были параллельны. Согласно квантовым представлениям такая ориентация нескомпенсированных спинов в соседних атомах соответствует минимуму энергии системы. Таким образом, ферромагнитные материалы являются кристаллами, которые под действием обменных сил образуют большие группы с одинаково ориентированными спинами. Каждая такая группа распределяет собой область самопроизвольного, или спонтанного, намагничивания. В этих областях, называемых областями Вейсса или доменами, все спиновые моменты ориентированы одинаково, благодаря чему домены всегда намагничены до насыщения.

Силы обменного взаимодействия, стремящиеся ориентировать спины параллельно друг другу, очень велики: они эквивалентны напряженности внешнего магнитного поля порядка 10⁷ а/см. линейные размеры отдельных доменов имеют значение порядка 2,5∙10^{-3 см, благодаря чему домены можно видеть с помощью обычного микроскопа с 200-кратным увеличением.}

Если отсутствует внешнее магнитное поле, в ферромагнитном теле можно и не обнаружить доменов, поскольку области спонтанной намагниченности противоположного направления чередуются друг с другом. На границе между доменами переход от одного направления к другому изменяется непрерывно. Этот переход имеет конечную ширину: 10^{-7 мм, или около 100-1000 атомных радиусов (рис. 2).}

Намагниченность доменов зависит от абсолютной температуры; она достигает максимального значения при 0º К и уменьшается при повышении температуры. При некоторой температуре, характерной для каждого вещества и называемой точкой Кюри θ_k, упорядоченное расположение доменов полностью нарушается – вещество теряет ферромагнитные свойства и становится парамагнитным. Точка Кюри находится в области относительно высоких температур. Так, для железа θ_k = 1047º К, для никеля – 645º К, для кобальта – 1422º К. поэтому при обычных температурах эти вещества находятся в таких условиях, в каких парамагнитные вещества находятся лишь при температурах, близких к абсолютному нулю.

Рис. 2 Рис. 3

Магнитные свойства проявляются в чистом виде у кристаллов ферромагнитных веществ. В кристаллической структуре ферромагнитных веществ ионы располагаются в строго определенном порядке. Например, в пространственной решетке кристаллов железа, которая имеет кубическую структуру (рис. 3) в вершинах решетки располагаются положительные ионы, часть же валентных электронов, перешедших в зону электронной проводимости, заполняет пространство внутри решетки, образуя электронный газ. Силы взаимодействия между ионами удерживают ионы в соответствующих точках кристаллической решетки.

Если кристалл железа намагничивать внешним полем, то можно установить, что он имеет направления более «легкого» и более «трудного» намагничения. Первые совпадают с направлением ребер куба (100), вторые – с направлением его диагоналей (110). Наиболее трудное намагничение получается в направлении диагонали (111). При отсутствии внешнего поля все магнитные моменты атомов в пределах области спонтанного намагничения ориентированы в одном из направлений решетки железа (ось 100) – направлении наиболее легкого намагничения. Отсутствие поля доменов вне ферромагнитного тела, когда оно не подвержено действию внешнего поля, объясняется тем, что наиболее устойчиво расположение нескольких магнитов (каждый домен представляет собой как бы маленький магнит) тогда, когда они образуют замкнутые контуры (рис. 4, а).Аналогией может служить устойчивая система, которая образуется четырьмя магнитами, если их расположить согласно рис. 4, б. В такой системе поток замыкается внутри контура, образованного магнитами, и вне системы практически не обнаруживается.

Под влиянием внешнего поля происходит упорядочение направлений областей (значение намагниченности каждого домена при этом не меняется, так как оно всецело определяется обменными силами).

Как показали исследования, намагничение ферромагнитных материалов в слабых полях начинается с процесса смещения границ доменов. Это смещение таково, что объемы доменов, у которых направления магнитных моментов при отсутствии внешнего поля (рис. 5, а) наиболее близки к направлению этого поля, увеличиваются за счет смежных областей, имеющих другие направления (рис. 5, б). Затем уже наступают процессы переориентирования, или скачкообразных поворотов магнитных моментов доменов, когда их направление приближается к направлению намагничивающего поля (рис. 5, в).

а в а б в

Рис. 4 Рис. 5

Плавность обычных экспериментальных кривых намагничения реальных материалов объясняется тем, что обычное железо имеет поликристаллическую структуру, из-за чего наблюдается большой разнобой в процессах смещения и поворота доменов.

2.2 Намагничивание ферромагнитных веществ. Кривые намагничивания

Как показывает опыт, магнитная индукция в ферромагнитных веществах при одном и том же значении напряженности намагничивающего поля может иметь различные значения, зависящие от предыдущего магнитного состояния материала или, как говорят, от «предыстории намагничевания» и от способа установления поля.

Рассмотрим процесс намагничевания ферромагнитного вещества. При этом предположим, что намагничивающее поле однородно и намагничивается сплошная однородная среда. Этому условию практически удовлетворяет испытание замкнутого кольцевого образца небольшой радиальной ширины, на который нанесена равномерно распределенная по длине намагничивающая обмотка. Напряженность поля в любой точке сечения кольца зависит от расстояния этой точки от центральной оси. Следовательно, только при малой радиальной ширине кольца можно считать, что намагничивающее поле по всему сечению кольца практически однородно.

Предположим, что образец из испытуемого вещества предварительно был полностью размагничен, т.е. все внутренние элементарные токи расположены хаотически, и магнитное поле вне образца не обнаруживается. При плавком увеличении напряженности намагничивающего поля Н от нуля индукция В возрастает сначала довольно быстро (участки а и b рис. 6). При I приближении к состоянию, называемому насыщением, когда ориентация почти всех доменов одинакова и их магнитные поля совпадают по направлению с внешним полем, скорость возрастания индукции уменьшается (участок с). Кривая зависимости В (Н), получаемая при намагничивании вещества от полностью размагниченного состояния при постепенном увеличении Н от нуля до максимального значения, называется начальной кривой намагничения.

Когда все элементарные токи ориентированы и наступает насыщение, дальнейшее увеличение намагничивающего поля уже не вызывает повышения намагниченности. Общая индукция при этом увеличивается только за счет увеличения индукции намагничивающего поля.

Оценивая магнитные свойства веществ, иногда получают не начальную кривую намагничевания, а кривую зависимости магнитной проницаемости от значения напряженности внешнего поля (см. рис. 6). На этом рисунке показана

кривая дифференциальной магнитной проницаемости (µ=ΔВ/ΔH), при причём из этого рисунка видно, что µ=f(H).

Рис. 6

В связи с этим магнитные свойства веществ характеризуют значением максимальной магнитной проницаемости µ_тах, а также начальной магнитной про­ницаемостью µ_нач (при Н → 0).

2.3Перемагничивание ферромагнитных веществ. Гистерезисная петля

Если после того, как напряженность поля доведена до некоторого максимального значения H_тах которому соответствует индукция (точка А´ на рис. 7), начать уменьшать напряженность, то кривая индукции В(Н_i) расположится выше начальной кривой намагничения, достигая при Н_i = 0 некоторого значения В_r. которое называется остаточной индукцией. Чтобы индукция стала равной нулю, необходимо направление напряженности внешнего поля изменить на отрицательное н начать увеличивать значение напряженности.

Когда В будет равно нулю, напряженность станет равной Н_с. Это значение напряженности называется коэрцитивной силой.

Если довести Н_i до отрицательного значения – , равного по абсолютному значению + то индукция достигнет отрицательного значения – , близкого по значению к + . Если после этого уменьшить – Н_i до 0 и затем увеличить до + , то подучим ветвь DEFA", симметричную ветви А´В_rCD, причем новая точка + несколько не совпадет с точкой + .

Повторным многократным перемагничением, получая каждый раз одни и те же значения +H_тах и –H_тах, можно привести материал в состояние устойчивого циклического перемагничения, при котором +В_тах и –В_тах будут иметь одинаковые значения. После этого обе ветви кривой A'BCD и DEFA" станут идентичными и все точки этих ветвей любого цикла перемагничения будут совпадать.

Рис. 7 Рис. 8

Кривая зависимости В(Н_i) называется гистерезисной кривой или гистерезисной петлей. Отдельные части гистерезисной петли имеют следующие названия: кривая +B_maх+B_r–H_с– B_maх – нисходящая ветвь гистерезисной петли и кривая –B_maх–B_r+H_с+ B_maх – восходящая ветвь этой петли; часть нисходящей ветви между B_r и Н_с – спинка кривой размагничения. Гистерезисная петля, получающаяся при изменении Н от +Н_тах до – Н_тах, называется симметричной.

Гистерезисная петля определяется точкой В_тах, Н_тах, остаточной индукцией B_r и коэрцитивной силой Н_с. Чтобы величины B_r и Н_с характеризовали вещество однозначно, необходимо гистерезисную петлю определять при уменьшении намагничивания материала от В_тах и Н_тах соответствующих насыщению образца после достижения устойчивого циклического перемагничения.

Гистерезисная петля, получающаяся при больших значениях ±Н_тах, когда достигается полное насыщение вещества, называется предельной гистерезисной петлей. Индукция, соответствующая насыщению, обычно обозначается B_s.

Вид гистерезисной петли зависит от формы испытуемого образца. Поэтому, чтобы гистерезисная петля не зависела от формы образца, необходимо соблюсти такие условия: образец должен иметь форму кольца и обмотка должна быть равномерно распределена по окружности или образец должен иметь форму эллипсоида вращения и быть помещенным в однородное магнитное поле, совпадающее по направлению с осью вращения образца. Кривая, которая характеризует намагничение материала от нулевого значения, может быть получена как геометрическое место вершин гистерезисных кривых при все увеличивающемся значении В_тах (рис. 8).В этом случае кривая называется не начальной, а основной кривой намагничения.

2.4Полное размагничивание образцов

На практике прибегают к размагничиванию воздействием на образец переменного поля низкой частоты, постепенно уменьшающегося до нуля. Для этого образец помещают в катушку, по которой проходит переменный ток, и медленно выносят образец из поля катушки, удаляя его на значительное расстояние, где поле катушки уже можно считать равным нулю. Переменный ток низкой частоты необходим для возможно полного «промагничевания» размагничиваемого образца. В частности, при размагничивании сплошных (нешихтованных) образцов, с целью уменьшения влияния размагничивающего действия вихревых токов, необходим переменный ток малой частоты около 1 гц(один цикл перемагничения в 1 сек). Такой ток получают переключением (изменением направления) постоянного тока. Максимальный ток в размагничивающей катушке устанавливают такой величины, чтобы напряженность поля внутри катушки превосходила, по меньшей мере, в 1,2 раза максимальное значение напряженности, под воздействием которой была получена остаточная индукция данного образца.

2.5Свойства ферромагнитных материалов

В электротехнике применяется очень большое количество ферромагнитных материалов, отличающихся разными свойствами.

Выбор материала в каждом конкретном случае зависит от требований к конструкции, для которой используется данный материал.

Все ферромагнитные материалы делятся на две основные группы: магнитномягкие и магнитотвердые.

Магнитномягкие материалы. Для уменьшения расхода материалов, идущих на изготовление элементов электрических машин и аппаратуры, желательно, чтобы магнитопроводы, т.е. те детали, по которым проходит магнитный поток, обладали возможно большей магнитной проницаемостью и незначительной коэрцитивной силой. У материалов, работающих в переменных магнитных полях, потери энергии, идущей на перемагничение, должны быть возможно малыми и, следовательно, должна быть узкой кривая перемагничения. Кроме того, эти материалы должны иметь большое удельное сопротивление (что необходимо для уменьшения потерь на вихревые токи). Таким требованиям в достаточной степени удовлетворяют современные ферромагнитные материалы, называемые магнитномягкими. Они отличаются большими значениями В_тах и остаточной индукцией В_r при узкой кривой перемагничения. Примерная кривая перемагничения такого материала приведена на рис. 9 (кривая 1).

Рис. 9

Из большого числа магнитномягких материалов рассмотрим некоторые, наиболее характерные: чистое железо с крайне малыми примесями (электролитическое железо), стали, легированные кремнием, а также сплавы железа с никелем.

С помощью специальной обработки получают чистое железо с высоким значением коэффициента магнитной проницаемости (µ_тах до 18 000). Оно применяется только для изготовления магнитопроводов реле постоянного тока и конструкций с постоянными магнитами. Для устройств, работающих в переменных магнитных полях, чистое железо не применяется, так как оно обладает малым удельным электрическим сопротивлением и потери на вихревые токи получаются слишком большими.

Для устройств, в которых ферромагнитный материал служит магнито-проводом больших переменных полей, используются сплавы железа с кремнием. Такие сплавы, называемые электротехнической сталью, с содержанием кремния от 1% (слабо легированная сталь) до 4,5% (сильно легированная сталь) широко применяются в электромашиностроении и в трансформаторостроении в виде листов толщиной 0,35 и 0,5 мм.

Добавка кремния значительно повышает удельное сопротивление стали, уменьшая, таким образом, потери на вихревые токи; при этом уменьшаются также потерн на гистерезис. Соответствующей обработкой удается повысить качество кремнистой стали. Так, путем прокатки листов в холодном состоянии (холоднокатаная, или текстурованная, сталь) увеличивается проницаемость стали в направлении прокатки до 20-30%. Штампуют листы для изделия так, чтобы сталь в изделии намагничивалась именно вдоль прокатки.

Изготовление магнитопроводов из листовой стали позволяет значительно уменьшить потери на вихревые токи по сравнению с изготовлением их сплошными. Поэтому магнитопроводы любых размеров в устройствах переменного тока выполняют в виде пакетов из листов с прокладкой между ними тонкой бумаги или из листов, предварительно покрытых лаком.

Из других сплавов широкое применение в электроаппарато- и приборостроении получили сплавы железа с никелем, известные под названием пермаллоев. Таков, например, сплав, содержащий 78,5% Ni, коэффициент магнитной проницаемости которого доходит в слабых магнитных полях до 100000. Добавление разных примесей повышает коэффициент магнитной проницаемости этого сплава и улучшает другие его свойства. К таким примесям, например, относится молибден.

Таблица 1

Материал	Состав, %	ВJтах, тл	Вr, тл	Нс, а/м	µтах	µнач
Электролитическое железо   Высоколегированная электротехническая сталь   Слаболегированная электротехническая сталь   Пермаллой	99,98 Fe   95,5 Fe; 4,5 Si   99 Fe; 1 Si;   78,5 Ni; 20,9 Fe; 0,6 Mn	2,15   1,9*     2,1*     1,07	1,36   0,5*     0,85*     0,6	3,2           3,1

* значения В_r и Н_с даны для В_тах = 1 тл.

В табл. 1 приведены характеристики некоторых магнитномягких материалов, упомянутых выше.

Для магнитопроводов катушек и трансформаторов, работающих в полях повышенной или высокой частоты, с целью уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют очень тонкую листовую сталь, прокатанную до 0,05 мм,а при очень высоких частотах используют так называемые магнитодиэлектрики и металлокерамические ферромагнитные материалы, или ферриты.

Магнитодиэлектрики представляют собой спрессованную смесь ферромагнитного порошка с изолирующим веществом. Благодаря тому, что порошок состоит из очень малых зерен, которые разделяются изолирующим веществом, потери на вихревые токи у таких материалов невелики. Коэффициент магнитной проницаемости магнитодиэлектриков порядка нескольких единиц или десятков и вплоть до насыщения мало зависит от напряженности магнитного поля.

Ферриты – керамические материалы, получаемые прессованием с последующим обжигом смеси твердых окислов железа и других металлов (например, никеля и цинка). По сравнению с магнитодиэлектриками ферриты характеризуются большим коэффициентом магнитной проницаемости (порядка нескольких сотен и тысяч) и меньшими потерями.

Магнитотвердые материалы. Эти материалы применяются для изготовления постоянных магнитов. Особенностью магнитотвердых материалов является то, что после прекращения воздействия на них внешнего магнитного поля они сохраняют ориентировку доменов, являясь источником постоянного магнитного потока. Основными требованиями, которые предъявляются к таким материалам, является обеспечение большой коэрцитивной силы и получение возможно большей магнитной энергии в воздушном зазоре магнита. Большая коэрцитивная сила необходима для устойчивости постоянных магнитов против воздействия разных размагничивающих факторов. Получение большей энергии в рабочем зазоре позволяет уменьшить объем и вес дефицитных материалов, применяющихся для изготовления магнита. В связи с указанными выше требованиями гистерезисная кривая магнитотвердых материалов должна быть очень широкой. Для сравнения на рис. 9 приведена гистерезисная кривая 2для магнитотвердой стали.

Из большого числа существующих различных магнитотвердых материалов остановимся только на наиболее характерных, получивших широкое применение. К ним относятся: 1) стали, закаливаемые на мартенсит; 2) дисперсионно-твердеющие сплавы; 3) оксидные материалы.

К первой группе принадлежат углеродистые стали, содержащие хром или вольфрам, а также стали, содержащие кобальт. Эти стали обрабатываются горячей прокаткой, резанием и штамповкой. Однако такие стали, за исключением кобальтовых, имеют относительно небольшую коэрцитивную силу и поэтому применяются только в малоответственных конструкциях. Основные характеристики этих материалов приведены в табл. 2.

В последнее время в точных приборах и ответственных конструкциях магниты из указанных сталей вытеснены литыми магнитами из сплавов, у которых упрочнение происходит благодаря выделению одной фазы в другую при упорядочении структуры (дисперсионно-твердеющие сплавы). Наиболее распространенными сплавами этого типа являются сплавы железа с никелем и алюминием, а также сплавы железа с никелем и алюминием, в которые введены кобальт и медь.

По сравнению с материалами первой группы дисперсионно-твердеющие сплавы отличаются большой коэрцитивной силой и поэтому значительно лучше противостоят размагничивающему действию разных факторов; обладая большой удельной магнитной энергией, они обеспечивают большую магнитную энергию в зазоре при небольшом объеме магнита. Данные об этих материалах приведены также в табл. 2.

Недостатками материалов, идущих на изготовление литых магнитов, являются их хрупкость и высокая твердость. Необходимую конфигурацию магнитов можно получить только с помощью трудоемких процессов – отливки и последующей шлифовки.

Свойства магнитных сплавов в значительной степени зависят от чистоты исходных материалов и от технологии изготовления. Так, например, высокая остаточная индукция и большое максимальное значение энергии материалов достигаются воздействием сильного магнитного поля во время охлаждения изделия после отливки.

Таблица 2

Материал	Состав, %	Вr, тл	Нс, ка/м	Вdопттл	Нdопттл	дж/м2
Хромистая сталь   Вольфрамовая сталь     Кобальтовая сталь   ЮНДК 15     ЮНДК 24   ЮНДК 25 А     Платинокобальтовый сплав   Серябряномарганцевоалюминиевый сплав   Оксиднобариевые ферриты	96 Fe; 3 Cr; 1 С   93 Fe; 6 W; 1 С   30 Со; 6 W; 5 Cr; 0,8 С; 58,2 Fe   10 Al; 20 Ni; 15 Со; 49 Fe; 6 Cu   8 Al; 14 Ni; 24 Со; 51 Fe; 3 Cu 8 Al; 14 Ni; 25 Со; 50 Fe; 3 Cu   23 Со; 77 Рt     87 Ag; 9 Mn; 7 Al	0,97   1,0   1,0     1,75     1,23   1,3     0,45     0,56     0,18-0,42	4,7   5,0                         100-200	0,65   0,68   0,75     0,43     0,95   1,14     -     -     -	3,3   3,4                 -     -     -	7000-30000

Особый интерес представляют магнитотвердые сплавы на основе платины и серебра: платиножелезный, платинокобальтовый и серебряномар-ганцевоалюминиевый. Первые два сплава отличаются крайне высокой коэрцитивной силой и большой остаточной индукцией (см. табл. 2). Се-ребряномарганцевоалюминиевый сплав имеет небольшое значение В_r и Н_сB, но отличается очень высоким значением Н_сJ (530 ка/м)и поэтому исключительно хорошо противостоит размагничивающим воздействиям.

Магниты, изготовленные методом порошковой металлургии, лишь немного уступают литым магнитам по магнитным свойствам, но превосходят их по однородности и прочности и обычно не нуждаются в дополнительной механической обработке. Таковы же механические свойства и металлопластических магнитов, но значение остаточной индукции у них на 30-50% ниже, чем у таких же по составу литых магнитов.

Среди оксидных магнитов практическое значение пока имеют только оксидно-бариевые магниты на основе феррита бария (ВаО ∙ 6Fе₂Оз). Свойства этих магнитов зависят от состава и технологии изготовления. Указанные магниты, как видно из табл. 2, отличаются относительно низкой остаточной индукцией, но имеют высокую коэрцитивную силу и большое значение удельной магнитной энергии . Оксидно-бариевые магниты дешевле магнитов из железоникельалюминиевых сплавов, так как не содержат дефицитных материалов. Недостатком этих магнитов является хрупкость и несколько больший по сравнению с литыми магнитами температурный коэффициент магнитного потока.

Недостатком магнитов, изготовляемых методом порошковой металлургии, является сложность получения чистых сверхтонких порошков, необходимых для обеспечения требуемого качества магнитов.