Ферромагнетики

Известно, что атом любого вещества состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг этого ядра и таким образом, как бы создающих круговой электрический ток. Как было показано раньше, такой круговой ток (виток с током) создает магнитное поле (рис. 4 г). Для большинства материалов магнитные поля, создаваемые различными электронами и атомами имеют произвольное направление, и результирующее поле материала в целом равно нулю. Однако для ряда материалов, которые называются ферромагнетиками, в силу некоторых обстоятельств энергетически выгодным становится такое состояние, при котором магнитные поля соседних атомов направлены в одну сторону. Это условие выполняется для некоторых микроскопических областей размером порядка 0,1…10 мкм, которые называются доменами (от французского графство). В соседних областях это условие также выполняется, но направление магнитного поля может быть другим (как правило, противоположным или направленным перпендикулярно) и в целом энергетически выгодным оказывается такое состояние, при котором результирующее поле всего материала равно нулю. Размеры доменов обычно меньше размеров кристаллических зерен, из которых состоит металл (рис. 8) и, таким образом, каждое кристаллическое зерно разбивается на несколько доменов с различной ориентацией магнитных полей. Такая картина наблюдается при отсутствии внешнего магнитного поля. Про такой ферромагнетик говорят, что он размагничен.

Ферромагнитные свойства пропадают, если материал нагреть выше некоторой температуры, которая носит название температуры Кюри. Домены при этом исчезают. При последующем охлаждении материала домены возникают вновь и его ферромагнитные свойства восстанавливаются. Для железа температура Кюри составляет 768°С.

Рис. 8. Кристаллическая структура металлов (а) и домены в отдельном кристаллическом зерне ферромагнетика

5.Намагничивание и перемагничивание ферромагнетиков

Рассмотрим поведение размагниченного ферромагнетика во внешнем, постепенно возрастающем магнитном поле (рис. 9). В начальный момент при Н = 0 результирующая магнитная индукция внутри ферромагнетика В, как уже отмечалось, равна нулю (рис. 9, а, д). При увеличении напряженности внешнего магнитного поля те домены, внутреннее магнитное поле которых имеет "благоприятное" направление будут увеличиваться в размере за счет уменьшения размеров доменов с "неблагоприятным" направлением внутреннего поля (рис. 9, б). Поскольку этот процесс происходит за счет смещения доменных границ, он будет продолжаться до тех пор, пока домены с "благоприятно" ориентированным внутренним магнитным полем не займут весь объем ферромагнетика (рис. 9, в).

Рис. 9. Процесс намагничивания ферромагнетика: а – г состояние доменов при увеличении магнитного поля, д – кривая намагничивания, е – изменение магнитной проницаемости

На начальном пологом участке (1) процесс идет обратимо, т.е. при отключении поля ферромагнетик вернется в исходное состояние. На крутом участке (2) смещение границ идет скачками (скачки или эффект Баркгаузена) и процесс необратим (в увеличенном масштабе участок кривой изображен справа). При дальнейшем увеличении напряженности внешнего магнитного поля (участок 3) внутреннее поле будет поворачиваться в направлении внешнего и, в конечном счете, совпадет с ним (рис. 9, г). Зависимость В (Н), изображенная на рисунке 9, д называется кривой намагничивания и, как это видно, имеет нелинейный характер. Напряженность внешнего магнитного поля, после которой внутренняя индукция образца больше не растет (рис. 9 г), называется полем насыщения Н _m, а магнитную индукцию образца – магнитной индукцией насыщения В _m. Дальнейший рост магнитной индукции происходит только за счет роста внешнего магнитного поля. Ниже (рис. 9, е) изображена зависимость m(Н) (m = В/m₀Н), которая также нелинейная.

Как уже отмечалось, процесс намагничивания ферромагнетиков является необратимым. Это значит, что если мы из намагниченного до насыщения состояния (Н = Н_m) начнем уменьшать внешнее поле, то индукция в образце не будет изменяться в соответствии с кривой намагничивания 0 – 1 (рис.10 а). Так при уменьшении напряженности поля от Н_m до 0, индукция в образце изменится от В_m до В_r в соответствии с кривой 1 – 2. Это явление, связанное с необратимостью процесса смещения доменных границ на участке 2 кривой намагничивания носит название магнитного гистерезиса. Значение индукции В_r при отключенном внешнем поле носит название остаточной магнитной индукции (или остаточной намагниченности).

Если к ферромагнетику, находящемуся в состоянии остаточной намагниченности теперь прикладывать внешнее магнитное поле противоположного направления от 0 до – Н_m, то магнитная индукция в образце будет изменяться в соответствии с кривой 2 – 3 – 4. Поле – Н_c, при котором индукция в образце обращается в 0 носит название коэрцитивной силы. При дальнейшем увеличении обратного внешнего магнитного поля до значения – Н_m ферромагнетик будет намагничиваться до насыщения В_m также обратного направления (точка 4). При последующем изменении внешнего поля от – Н_m до
+ Н_m индукция в образце будет изменяться в соответствии с кривой
4 – 5 – 6 – 1, проходя последовательно через значения остаточной намагниченности, коэрцитивной силы и индукции насыщения противоположных знаков. Получившаяся замкнутая кривая 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 1 носит название предельной петли гистерезиса. При последовательном изменении напряженности внешнего магнитного поля от + Н_m до – Н_m и так далее, магнитная индукция в ферромагнетике будет изменяться в соответствии с данной предельной петлей гистерезиса.

Если при перемагничивании напряженность поля брать меньше Н_m, то магнитная индукция будет также изменяться по петле гистерезиса но меньшего размера, которая называется частной петлей гистерезиса.

+В

а б

–В

+Н

–Н

Рис. 10. Перемагничивание ферромагнетика и его петля гистерезиса – а, цикл размагничивания ферромагнетика в постепенно убывающем магнитном поле – б

Если же при последовательном перемагничивании ферромагнетика на каждом следующем цикле немного уменьшать напряженность внешнего магнитного поля, то каждый раз мы будем приходить в точку с магнитной индукцией также меньшей, чем на предыдущем цикле, как это показано на рис. 10 б. В результате на очередном шаге, когда внешнее поле будет почти равно нулю, мы получим практически размагниченный ферромагнетик с нулевой магнитной индукцией. Размагничивание путем последовательного перемагничивания с уменьшением максимального значения напряженности внешнего поля является одним из основных методов размагничивания деталей после магнитного контроля.

К другим способам размагничивания ферромагнетиков относится нагрев выше температуры Кюри. Размагничивание в этом случае получается более полным, однако в технике этот способ не находит широкого применения, пскольку температура Кюри ферромагнетиков достаточно высока и составляет для железа, как уже говорилось, 768°С.

Частичное размагничивание происходит также при сильных ударах и это также надо учитывать при проведении контроля магнитными методами.

В зависимости от формы петли гистерезиса все ферромагнетики условно делят на две группы: магнитомягкие и магнитотвердые. К магнитомягким относятся ферромагнетики с "узкой" петлей гистерезиса, для которых значение коэрцитивной силы меньше 800 А/м (Н_c < 800 А/м). К магнитотвердым соответственно относятся ферромагнетики с "широкой" петлей, у которых коэрцитивная сила больше 4 кА/м (Н_c > 4 кА/м).

Значение коэрцитивной силы является определяющим при выборе способа намагничивания деталей при контроле, о чем будет сказано дальше. Магнитомягкие материалы используются, например при изготовлении магнитопроводов намагничивающих устройств и сердечников феррозондов и вихретоковых преобразователей, а магнитотвердые – для изготовления постоянных магнитов.