Магниты и магнитные свойства вещества. Применение магнитов в разных сферах деятельности современного общества
Благодаря появлению сплава на основе Nd -Fe -B (неодима, железа и бора) применение магнитов в промышленности было существенно расширено. Среди ключевых преимуществ этого редкоземельного магнита по сравнению с используемыми ранее SmCo и Fe-P особенно стоит отметить его доступность. Сочетая высокую силу сцепления с компактными размерами и длительным сроком службы, такие изделия стали востребованы в самых разных сферах хозяйственной деятельности.
Использование неодимовых магнитов в различных промышленных отраслях
Ограничения при использовании редкоземельных магнитов на основе неодима связаны с их слабостью к перегреву. Верхний показатель рабочей температуры для стандартных изделий составляет +80⁰C , а для модифицированных термостойких сплавов - +200⁰C . С учетом этой особенности применение неодимовых магнитов в промышленности охватывает следующие сферы:
КОМПАС Ко́ мпас - устройство, облегчающее ориентирование на местности. Предположительно, компас был изобретён в Китае. В Европе изобретение компаса относят к XII-XIII вв., однако устройство его оставалось очень простым - магнитная стрелка, укрепленная на пробке и опущенная в сосуд с водой. Принцип действия магнитного компаса основан на притяжении-отталкивании двух магнитов. Противоположные полюса магнитов притягиваются, одноименные - отталкиваются.
Что такое постоянный магнит
Ферромагнитное изделие, способное сохранять значительную остаточную намагниченность после снятия внешнего магнитного поля, называется постоянным магнитом. Постоянные магниты изготавливают из различных металлов, таких как: кобальт, железо, никель, сплавы редкоземельных металлов (для неодимовых магнитов), а также из естественных минералов типа магнетитов.
Сфера применения постоянных магнитов сегодня очень широка, однако назначение их принципиально везде одно и то же - как источник постоянного магнитного поля без подвода электроэнергии. Таким образом, магнит - это тело, обладающее своим собственным .
Само же слово «магнит» происходит от греческого словосочетания, которое переводится как «камень из Магнесии», по названию азиатского города, где были в древности открыты залежи магнетита - магнитного железняка. С физической точки зрения элементарным магнитом является электрон, а магнитные свойства магнитов вообще обуславливаются магнитными моментами электронов, входящих в состав намагниченного материала.
Характеристики размагничивающего участка материала, из которого изготовлен постоянный магнит, определяют свойства того или иного постоянного магнита: чем выше коэрцитивная сила Нс, и чем выше остаточная магнитная индукция Вr – тем сильнее и стабильнее магнит.
Коэрцитивная сила (буквально в переводе с латинского - «удерживающая сила») - это , необходимого для полного размагничивания ферро- или ферримагнитного вещества. Таким образом, чем большей коэрцитивной силой обладает конкретный магнит, тем он устойчивее к размагничивающим факторам.
Единица измерения коэрцитивной силы - Ампер/метр. А , как известно, - это векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля. Характерное значение остаточной магнитной индукции постоянных магнитов - порядка 1 Тесла.
Виды и свойства постоянных магнитов
Ферритовые
Ферритовые магниты хоть и отличаются хрупкостью, но обладают хорошей коррозийной стойкостью, что при невысокой цене делает их наиболее распространенными. Такие магниты изготавливают из сплава оксида железа с ферритом бария или стронция. Данный состав позволяет материалу сохранять свои магнитные свойства в широком температурном диапазоне - от -30°C до +270°C.
Магнитные изделия в форме ферритовых колец, брусков и подков широко используются как в промышленности, так и в быту, в технике и электронике. Их используют в акустических системах, в генераторах, в . В автомобилестроении ферритовые магниты устанавливают в стартеры, в стеклоподъемники, в системы охлаждения и в вентиляторы.
Ферритовые магниты отличаются коэрцитивной силой порядка 200 кА/м и остаточной магнитной индукцией порядка 0,4 Тесла. В среднем, ферритовый магнит может прослужить от 10 до 30 лет.
Альнико (алюминий-никель-кобальт)
Постоянные магниты на основе сплава из алюминия, никеля и кобальта отличаются непревзойденной температурной устойчивостью и стабильностью: они способны сохранять свои магнитные свойства при температурах до +550°C, хотя коэрцитивная сила, характерная для них, относительно мала. Под действием относительно небольшого магнитного поля, такие магниты потеряют исходные магнитные свойства.
Посудите сами: типичная коэрцитивная сила порядка 50 кА/м при остаточной намагниченности порядка 0,7 Тесла. Однако несмотря на эту особенность, магниты альнико незаменимы для некоторых научных исследований.
Типичное содержание компонентов в сплавах альнико с высокими магнитными свойствами изменяется в следующих пределах: алюминий - от 7 до 10%, никель - от 12 до 15%, кобальт - от 18 до 40%, и от 3 до 4% меди.
Чем больше кобальта, тем выше индукция насыщения и магнитная энергия сплава. Добавки в виде от 2 до 8% титана и всего 1% ниобия способствуют получению большей коэрцитивной силы - до 145 кА/м. Добавка от 0,5 до 1% кремния обеспечивает изотропию магнитных свойств.
Самариевые
Если нужна исключительная устойчивость к коррозии, окислению и температуре до +350°C, то магнитный сплав самария с кобальтом - то что надо.
По стоимости самарий-кобальтовые магниты дороже неодимовых за счёт более дефицитного и дорогого металла - кобальта. Тем не менее, именно их целесообразно применять в случае необходимости иметь минимальные размеры и вес конечных изделий.
Наиболее целесообразно это в космических аппаратах, авиационной и компьютерной технике, миниатюрных электродвигателях и магнитных муфтах, в носимых приборах и устройствах (часах, наушниках, мобильных телефонах и т.д.)
Благодаря особой коррозийной стойкости, именно самариевые магниты применяются в стратегических разработках и военных приложениях. Электродвигатели, генераторы, подъемные системы, мототехника – сильный магнит из сплава самария-кобальта идеально подходит для агрессивных сред и сложных условий эксплуатации. Коэрцитивная сила порядка 700 кА/м при остаточной магнитной индукции порядка 1 Тесла.
Неодимовые
Неодимовые магниты на сегодняшний день очень востребованы и представляются наиболее перспективными. Сплав неодим-железо-бор позволяет создавать супермагниты для различных сфер, начиная с защелок и игрушек, заканчивая и мощными подъемными машинами.
Высокая коэрцитивная сила порядка 1000 кА/м и остаточная намагниченность порядка 1,1 Тесла, позволяют магниту сохраняться на протяжении многих лет, за 10 лет неодимовый магнит теряет лишь 1% своей намагниченности, если температура его в условиях эксплуатации не превышает +80°C (для некоторых марок до +200°C). Таким образом, лишь два недостатка есть у неодимовых магнитов - хрупкость и низкая рабочая температура.
Магнитный порошок вместе со связующим компонентом образует мягкий, гибкий и легкий магнит. Связующие компоненты, такие как винил, каучук, пластик или акрил позволяют получать магниты различных форм и размеров.
Магнитная сила, конечно, уступает чистому магнитному материалу, но иногда такие решения необходимы для достижения определенных необычных для магнитов целей: в производстве рекламной продукции, при изготовлении съемных наклеек на авто, а также в изготовлении различных канцелярских и сувенирных товаров.
Одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные полюса притягиваются. Взаимодействие магнитов объясняется тем, что любой магнит имеет магнитное поле, и эти магнитные поля взаимодействуют между собой. В чем, например, причина намагничивания железа?
Согласно гипотезе французского ученого Ампера, внутри вещества существуют элементарные электрические токи (токи Ампера), которые образуются вследствие движения электронов вокруг ядер атомов и вокруг собственной оси.
При движении электронов возникают элементарные магнитные поля. И если кусок железа внести во внешнее магнитное поле, то все элементарные магнитные поля в этом железе ориентируются одинаково во внешнем магнитном поле, образуя собственное магнитное поле куска железа. Так, если приложенное внешнее магнитное поле было достаточно сильным, то после его отключения кусок железа станет постоянным магнитом.
Знание формы и намагниченности постоянного магнита позволяет для расчетов заменить его эквивалентной системой электрических токов намагничивания. Такая замена возможна как при расчете характеристик магнитного поля, так и при расчетах сил, действующих на магнит со стороны внешнего поля. Для примера проведем расчет силы взаимодействия двух постоянных магнитов.
Пусть магниты имеют форму тонких цилиндров, их радиусы обозначим r1 и r2, толщины h1, h2 , оси магнитов совпадают, расстояние между магнитами обозначим z, будем считать, что оно значительно больше размеров магнитов.
Возникновение силы взаимодействия между магнитами объясняется традиционным способом: один магнит создает магнитное поле, которое воздействует на второй магнит.
Для расчета силы взаимодействия мысленно заменим магниты с однородной намагниченностью J1 и J2 круговыми токами, текущими по боковой поверхности цилиндров. Силы этих токов выразим через намагниченности магнитов, а их радиусы будем считать равными радиусам магнитов.
Разложим вектор индукции B магнитного поля, создаваемого первым магнитом в месте расположения второго на две составляющие: осевую, направленную вдоль оси магнита, и радиальную - перпендикулярную ей.
Для вычисления суммарной силы, действующей на кольцо, необходимо мысленно разбить его на малые элементы IΔl и просуммировать , действующие на каждые такой элемент.
Используя правило левой руки, легко показать, что осевая составляющая магнитного поля приводит к появлению сил Ампера, стремящихся растянуть (или сжать) кольцо – векторная сумма этих сил равна нулю.
Наличие радиальной составляющей поля приводит к возникновению сил Ампера, направленных вдоль оси магнитов, то есть к их притяжению или отталкиванию. Останется вычислить силы Ампера - это и будут силы взаимодействия между двумя магнитами.
В электротехнике ферромагнетики играют существенную роль. К ферримагнитным материалам могут предъявляться разные требования в зависимости от их назначения.
Постоянные магниты
Были созданы специальные магнитные материалы с заданными свойствами. Так, для того чтобы получить постоянный магнит необходимо найти ферромагнетик у которого петля гистерезиса была бы максимально широкой. Что значило бы, при нулевом внешнем магнитном поле (после его выключения) остаточная намагниченность была максимально большой. Велика, также коэрцитивная сила таких магнетиков. Для такого вещества границы доменов должны оставаться неизменными. Такой материал был создан. Его название $AlNiCo V$ -- это сплав, он имеет состав: $51\% Fe, 8\%Al, 14\%Ni, 24\% Co, 3\% Cu$. Движение доменных стенок в этом сплаве крайне затруднительно. В процессе затвердевания AlNiCo V образует «вторую фазу», которая имеет зерненый состав. Вещество охлаждают во внешнем магнитном поле, при этом зерна растут в нужной ориентации. Кроме прочего материал еще подвергается механической обработке таким образом, что его кристаллы выстраиваются в виде продолговатых зерен в направлении линий преимущественной намагниченности. Петлю гистерезиса для этого ферромагнетика получают в 500 раз шире, чем петля гистерезиса мягкого железа. $AlNiCo$ -- термостабильный магнит, имеет высокую коррозионную и радиационную стойкость. Остаточная намагниченность порядка $B_r\sim 1,1-1,5\ Тл,$ коэрцитивная сила $H_k=0,5-1,9\ кЭ$ (кило эрстед). Максимальная рабочая температура до $450^oС$. Сейчас делаются попытки сделать наноструктурные сплавы. Используются в акустических системах, студийных микрофонах, звукоснимателях, электродвигателях, реле, сенсорах.
Спеченные редкоземельные магниты на основе SmCo. Не требуют защитного покрытия, имеют высокие рабочие температуры и высокую коэрцитивную силу, то есть устойчивы к размагничиванию. Но довольно хрупкие и очень дорогие. Остаточная намагниченность порядка $B_r\sim 0,8-\ 1,1Тл,$ коэрцитивная сила $H_k=8-10\ кЭ.\ $ Используют в космических аппаратах, мобильной телефонии, компьютерной технике, авиастроении, медицинском оборудовании, микро электромеханических приборах.
Неодимовые магниты, сплавы Nd-Fe-B. Рабочие температуры невысокие $-60-220^oC$. Довольно хрупкие. Если перегреты требуют перемагничивания. Подвержены коррозии. Легко обрабатываются механически, гибкие. Спечённые неодимовые магниты имеют наибольшую остаточную намагниченность порядка $B_r\sim 1-\ 1,4Тл$, коэрцитивная сила $H_k=12\ кЭ.\ $ Используются в компьютерной технике, двигателях, датчиках.
Магниты могут терять намагниченность при механических вибрациях, деформациях, перепадах температуры. Полное размагничивание происходит при температуре выше точки Кюри, в сильных магнитных полях, если ферромагнит находится в затухающем переменном магнитном поле или постоянное внешнее поле имеет противоположное направление к внутреннему полю. Железные магниты размагничиваются при комнатных условиях многие десятки лет. Многие искусственно созданные магниты стареют быстро.
Постоянные магниты также применяются:
- В качестве зажимов, крепления, фиксации предметов.
- Для поиска железных предметов методами зондирования, уборки металлического мусора.
Использование «мягких» ферромагнетиков
Ферромагнетики используют при изготовлении трансформаторов и двигателей. Но в данном случае ферромагнетик должен обладать иными свойствами, чем пригодный для постоянных магнитов. Материал должен быть «мягким» в магнитном отношении. Его намагниченность должна легко меняться при изменении внешнего магнитного поля. Требованиями к ферромагнетику в этом случае являются: высокая магнитная проницаемость и слабый гистерезис. В данном случае применяют чистые вещества без примесей с минимальным количеством доменов, стенки доменов должны легко перемещаться. Анизотропию кристаллов пытаются минимизировать. В таком случае, если зерна вещества находятся под неправильным углом к полю, магнетик все равно хорошо намагничивается. Так, подобрали сплав железа и никеля (около 80\% Ni и 20\%Fe) легированный хромом, медью или кремнием, при этом получается очень «мягкий» сплав, который легко намагничивается. Такие вещества называют пермаллоями.
Хорошие магнитные свойства пермаллоя, который содержит 78,5 никеля получены при двухэтапной термической обработки сплава. На первом этапе его нагревают до $900-950^oС$ и выдерживают около часа, затем охлаждают с низкой скоростью. На втором этапе нагрев происходит до $600^oС$ и охлаждение при комнатной температуре со скоростью 1500 $\frac{град}{мин}$.
Они используются в качественных трансформаторах, но не годятся для постоянных магнитов. Пермаллои не терпят деформаций, их свойства существенно изменяются.
Сплавы с максимальной магнитной проницаемостью используют для сердечников малоразмерных трансформаторов, реле, магнитных экранов, магнитных усилителей, реле. Сплавы с повышенным удельным сопротивлением применяют для сердечников импульсных трансформаторов, высокочастотной аппаратуры.
При расчете разного рода устройств переменного тока, которые содержат ферромагнетики, всегда проводят расчет теплового эффекта при гистерезисе. Наличие этого явления в железных сердечниках трансформаторов или вращающихся якорях генераторов постоянного тока приводит к затратам части энергии на тепло гистерезиса, что снижает КПД устройств. Значит, для подобных устройств, следует подбирать специальные сорта ферромагнетиков , площадь петли гистерезиса для которых, минимальна.
Исследования показали, что некоторые сплавы неферромагнитных металлов в определенном соотношении компонент имеют сильные ферромагнитные свойства. Например, марганец -- висмут, хром -- теллур и др.
Ферриты
В том случае если величина намагничивания подрешеток отличается, то возникает некомпенсированный антиферромагнетизм. Тело может иметь значительный магнитный момент. Такие вещества называют ферримагнетиками. По своим магнитным свойствам они аналогичны ферромагнетикам. Если ферримагнетики имеют полупроводниковые свойства, то их называют ферритами -- магнитные полупроводники, которые имеют большое удельное электросопротивление (около ${10}^2-{10}^6Ом\cdot см$). Намагниченность насыщения у ферримагнетиков меньше, чем у ферромагнетиков. Они полезны только при слабых полях. Ферриты -- ферромагнитные изоляторы. Вихревые токи, которые создаются в них в полях с высокой частотой очень маленькие, это позволяет использовать ферриты в микроволновой технике. Микрополя проникают внутрь ферритов, тогда как в ферромагнетиках это не возможно из-за вихревых токов.
Эти вещества, также используют в радиотехнике при больших частотах, там, где в ферромагнетиках из-за их большой проводимости возникают большие потери на вихревые токи.
Пример 1
Задание: Какой из ферромагнитных материалов, на рис.1 наиболее пригоден для электромагнитов с быстрой регулировкой подъёмной силы? Для постоянного магнита?
Для постоянного магнита более пригоден ферромагнетик с широкой петлей гистерезиса, которой соответствует большая коэрцитивная сила, позволяющая веществу размагничиваться с меньшей скоростью и большая остаточная намагниченность. Значит, ферромагнетик с номером 1 более пригоден для постоянного магнита.
Для электромагнита с быстрой регулировкой необходим ферромагнетик, у которого петля гистерезиса узкая, меньше коэрцитивная сила и остаточная намагниченность, следовательно, для этих целей удобнее ферромагнетик номер 2.
Пример 2
Задание: Можно ли электромагнитным краном переносить раскаленные стальные трубы?
Очевидно, что делать этого не стоит, так как ферромагнитные свойства при температурах выше точки Кюри ферромагнетиком утрачиваются, и он станет парамагнетиком с очень малой магнитной проницаемостью и его магнитные свойства станут недостаточными, для использования в качестве средства транспортировки труб.
Существуют магниты двух разных видов. Одни – так называемые постоянные магниты, изготовляемые из «магнитно-твердых» материалов. Их магнитные свойства не связаны с использованием внешних источников или токов. К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из «магнитно-мягкого» железа. Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводу обмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.
Магнитные полюса и магнитное поле.
Магнитные свойства стержневого магнита наиболее заметны вблизи его концов. Если такой магнит подвесить за среднюю часть так, чтобы он мог свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости, то он займет положение, примерно соответствующее направлению с севера на юг. Конец стержня, указывающий на север, называют северным полюсом, а противоположный конец – южным полюсом. Разноименные полюса двух магнитов притягиваются друг к другу, а одноименные взаимно отталкиваются.
Если к одному из полюсов магнита приблизить брусок ненамагниченного железа, то последний временно намагнитится. При этом ближний к полюсу магнита полюс намагниченного бруска будет противоположным по наименованию, а дальний – одноименным. Притяжением между полюсом магнита и индуцированным им в бруске противоположным полюсом и объясняется действие магнита. Некоторые материалы (например, сталь) сами становятся слабыми постоянными магнитами после того, как побывают около постоянного магнита или электромагнита. Стальной стержень можно намагнитить, просто проведя по его торцу концом стержневого постоянного магнита.
Итак, магнит притягивает другие магниты и предметы из магнитных материалов, не находясь в соприкосновении с ними. Такое действие на расстоянии объясняется существованием в пространстве вокруг магнита магнитного поля. Некоторое представление об интенсивности и направлении этого магнитного поля можно получить, насыпав на лист картона или стекла, положенный на магнит, железные опилки. Опилки выстроятся цепочками в направлении поля, а густота линий из опилок будет соответствовать интенсивности этого поля. (Гуще всего они у концов магнита, где интенсивность магнитного поля наибольшая.)
М.Фарадей (1791–1867) ввел для магнитов понятие замкнутых линий индукции. Линии индукции выходят в окружающее пространство из магнита у его северного полюса, входят в магнит у южного полюса и проходят внутри материала магнита от южного полюса обратно к северному, образуя замкнутую петлю. Полное число линий индукции, выходящих из магнита, называется магнитным потоком. Плотность магнитного потока, или магнитная индукция (В ), равна числу линий индукции, проходящих по нормали через элементарную площадку единичной величины.
Магнитной индукцией определяется сила, с которой магнитное поле действует на находящийся в нем проводник с током. Если проводник, по которому проходит ток I , расположен перпендикулярно линиям индукции, то по закону Ампера сила F , действующая на проводник, перпендикулярна и полю, и проводнику и пропорциональна магнитной индукции, силе тока и длине проводника. Таким образом, для магнитной индукции B можно написать выражение
где F – сила в ньютонах, I – ток в амперах, l – длина в метрах. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл) .
Гальванометр.
Гальванометр – чувствительный прибор для измерения слабых токов. В гальванометре используется вращающий момент, возникающий при взаимодействии подковообразного постоянного магнита с небольшой токонесущей катушкой (слабым электромагнитом), подвешенной в зазоре между полюсами магнита. Вращающий момент, а следовательно, и отклонение катушки пропорциональны току и полной магнитной индукции в воздушном зазоре, так что шкала прибора при небольших отклонениях катушки почти линейна.
Намагничивающая сила и напряженность магнитного поля.
Далее следует ввести еще одну величину, характеризующую магнитное действие электрического тока. Предположим, что ток проходит по проводу длинной катушки, внутри которой расположен намагничиваемый материал. Намагничивающей силой называется произведение электрического тока в катушке на число ее витков (эта сила измеряется в амперах, так как число витков – величина безразмерная). Напряженность магнитного поля Н равна намагничивающей силе, приходящейся на единицу длины катушки. Таким образом, величина Н измеряется в амперах на метр; ею определяется намагниченность, приобретаемая материалом внутри катушки.
В вакууме магнитная индукция B пропорциональна напряженности магнитного поля Н :
где m 0 – т.н. магнитная постоянная, имеющая универсальное значение 4p Ч 10 –7 Гн/м. Во многих материалах величина B приблизительно пропорциональна Н . Однако в ферромагнитных материалах соотношение между B и Н несколько сложнее (о чем будет сказано ниже).
На рис. 1 изображен простой электромагнит, предназначенный для захвата грузов. Источником энергии служит аккумуляторная батарея постоянного тока. На рисунке показаны также силовые линии поля электромагнита, которые можно выявить обычным методом железных опилок.
Крупные электромагниты с железными сердечниками и очень большим числом ампер-витков, работающие в непрерывном режиме, обладают большой намагничивающей силой. Они создают магнитную индукцию до 6 Тл в промежутке между полюсами; эта индукция ограничивается лишь механическими напряжениями, нагреванием катушек и магнитным насыщением сердечника. Ряд гигантских электромагнитов (без сердечника) с водяным охлаждением, а также установок для создания импульсных магнитных полей был сконструирован П.Л.Капицей (1894–1984) в Кембридже и в Институте физических проблем АН СССР и Ф.Биттером (1902–1967) в Массачусетском технологическом институте. На таких магнитах удавалось достичь индукции до 50 Тл. Сравнительно небольшой электромагнит, создающий поля до 6,2 Тл, потребляющий электрическую мощность 15 кВт и охлаждаемый жидким водородом, был разработан в Лосаламосской национальной лаборатории. Подобные поля получают при криогенных температурах.
Магнитная проницаемость и ее роль в магнетизме.
Магнитная проницаемость m – это величина, характеризующая магнитные свойства материала. Ферромагнитные металлы Fe, Ni, Co и их сплавы обладают очень высокими максимальными проницаемостями – от 5000 (для Fe) до 800 000 (для супермаллоя). В таких материалах при сравнительно малых напряженностях поля H возникают большие индукции B , но связь между этими величинами, вообще говоря, нелинейна из-за явлений насыщения и гистерезиса, о которых говорится ниже. Ферромагнитные материалы сильно притягиваются магнитами. Они теряют свои магнитные свойства при температурах выше точки Кюри (770° С для Fe, 358° С для Ni, 1120° С для Co) и ведут себя как парамагнетики, для которых индукция B вплоть до очень высоких значений напряженности H пропорциональна ей – в точности так же, как это имеет место в вакууме. Многие элементы и соединения являются парамагнитными при всех температурах. Парамагнитные вещества характеризуются тем, что намагничиваются во внешнем магнитном поле; если же это поле выключить, парамагнетики возвращаются в ненамагниченное состояние. Намагниченность в ферромагнетиках сохраняется и после выключения внешнего поля.
На рис. 2 представлена типичная петля гистерезиса для магнитно-твердого (с большими потерями) ферромагнитного материала. Она характеризует неоднозначную зависимость намагниченности магнитоупорядоченного материала от напряженности намагничивающего поля. С увеличением напряженности магнитного поля от исходной (нулевой) точки (1 ) намагничивание идет по штриховой линии 1 –2 , причем величина m существенно изменяется по мере того, как возрастает намагниченность образца. В точке 2 достигается насыщение, т.е. при дальнейшем увеличении напряженности намагниченность больше не увеличивается. Если теперь постепенно уменьшать величину H до нуля, то кривая B (H ) уже не следует по прежнему пути, а проходит через точку 3 , обнаруживая как бы «память» материала о «прошлой истории», откуда и название «гистерезис». Очевидно, что при этом сохраняется некоторая остаточная намагниченность (отрезок 1 –3 ). После изменения направления намагничивающего поля на обратное кривая В (Н ) проходит точку 4 , причем отрезок (1 )–(4 ) соответствует коэрцитивной силе, препятствующей размагничиванию. Дальнейший рост значений (- H ) приводит кривую гистерезиса в третий квадрант – участок 4 –5 . Следующее за этим уменьшение величины (- H ) до нуля и затем возрастание положительных значений H приведет к замыканию петли гистерезиса через точки 6 , 7 и 2 .
Магнитно-твердые материалы характеризуются широкой петлей гистерезиса, охватывающей значительную площадь на диаграмме и потому соответствующей большим значениям остаточной намагниченности (магнитной индукции) и коэрцитивной силы. Узкая петля гистерезиса (рис. 3) характерна для магнитно-мягких материалов – таких, как мягкая сталь и специальные сплавы с большой магнитной проницаемостью. Такие сплавы и были созданы с целью снижения обусловленных гистерезисом энергетических потерь. Большинство подобных специальных сплавов, как и ферриты, обладают высоким электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются не только магнитные потери, но и электрические, обусловленные вихревыми токами.
Магнитные материалы с высокой проницаемостью изготовляются путем отжига, осуществляемого выдерживанием при температуре около 1000° С, с последующим отпуском (постепенным охлаждением) до комнатной температуры. При этом очень существенны предварительная механическая и термическая обработка, а также отсутствие в образце примесей. Для сердечников трансформаторов в начале 20 в. были разработаны кремнистые стали, величина m которых возрастала с увеличением содержания кремния. Между 1915 и 1920 появились пермаллои (сплавы Ni с Fe) с характерной для них узкой и почти прямоугольной петлей гистерезиса. Особенно высокими значениями магнитной проницаемости m при малых значениях H отличаются сплавы гиперник (50% Ni, 50% Fe) и му-металл (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), тогда как в перминваре (45% Ni, 30% Fe, 25% Co) величина m практически постоянна в широких пределах изменения напряженности поля. Среди современных магнитных материалов следует упомянуть супермаллой – сплав с наивысшей магнитной проницаемостью (в его состав входит 79% Ni, 15% Fe и 5% Mo).
Теории магнетизма.
Впервые догадка о том, что магнитные явления в конечном счете сводятся к электрическим, возникла у Ампера в 1825, когда он высказал идею замкнутых внутренних микротоков, циркулирующих в каждом атоме магнита. Однако без какого-либо опытного подтверждения наличия в веществе таких токов (электрон был открыт Дж.Томсоном лишь в 1897, а описание структуры атома было дано Резерфордом и Бором в 1913) эта теория «увяла». В 1852 В.Вебер высказал предположение, что каждый атом магнитного вещества представляет собой крошечный магнит, или магнитный диполь, так что полная намагниченность вещества достигается, когда все отдельные атомные магниты оказываются выстроенными в определенном порядке (рис. 4,б ). Вебер полагал, что сохранять свое упорядочение вопреки возмущающему влиянию тепловых колебаний этим элементарным магнитам помогает молекулярное или атомное «трение». Его теория смогла объяснить намагничивание тел при соприкосновении с магнитом, а также их размагничивание при ударе или нагреве; наконец, объяснялось и «размножение» магнитов при разрезании намагниченной иглы или магнитного стержня на части. И все же эта теория не объясняла ни происхождения самих элементарных магнитов, ни явлений насыщения и гистерезиса. Теория Вебера была усовершенствована в 1890 Дж.Эвингом, заменившим его гипотезу атомного трения идеей межатомных ограничивающих сил, помогающих поддерживать упорядочение элементарных диполей, которые составляют постоянный магнит.
Подход к проблеме, предложенный когда-то Ампером, получил вторую жизнь в 1905, когда П.Ланжевен объяснил поведение парамагнитных материалов, приписав каждому атому внутренний нескомпенсированный электронный ток. Согласно Ланжевену, именно эти токи образуют крошечные магниты, хаотически ориентированные, когда внешнее поле отсутствует, но приобретающие упорядоченную ориентацию после его приложения. При этом приближение к полной упорядоченности соответствует насыщению намагниченности. Кроме того, Ланжевен ввел понятие магнитного момента, равного для отдельного атомного магнита произведению «магнитного заряда» полюса на расстояние между полюсами. Таким образом, слабый магнетизм парамагнитных материалов обусловлен суммарным магнитным моментом, создаваемым нескомпенсированными электронными токами.
В 1907 П.Вейс ввел понятие «домена», ставшее важным вкладом в современную теорию магнетизма. Вейс представлял домены в виде небольших «колоний» атомов, в пределах которых магнитные моменты всех атомов в силу каких-то причин вынуждены сохранять одинаковую ориентацию, так что каждый домен намагничен до насыщения. Отдельный домен может иметь линейные размеры порядка 0,01 мм и соответственно объем порядка 10 –6 мм 3 . Домены разделены так называемыми блоховскими стенками, толщина которых не превышает 1000 атомных размеров. «Стенка» и два противоположно ориентированных домена схематически изображены на рис. 5. Такие стенки представляют собой «переходные слои», в которых происходит изменение направления намагниченности доменов.
В общем случае на кривой первоначального намагничивания можно выделить три участка (рис. 6). На начальном участке стенка под действием внешнего поля движется сквозь толщу вещества, пока не встретит дефект кристаллической решетки, который ее останавливает. Увеличив напряженность поля, можно заставить стенку двигаться дальше, через средний участок между штриховыми линиями. Если после этого напряженность поля вновь уменьшить до нуля, то стенки уже не вернутся в исходное положение, так что образец останется частично намагниченным. Этим объясняется гистерезис магнита. На конечном участке кривой процесс завершается насыщением намагниченности образца за счет упорядочения намагниченности внутри последних неупорядоченных доменов. Такой процесс почти полностью обратим. Магнитную твердость проявляют те материалы, у которых атомная решетка содержит много дефектов, препятствующих движению междоменных стенок. Этого можно достичь механической и термической обработкой, например путем сжатия и последующего спекания порошкообразного материала. В сплавах алнико и их аналогах тот же результат достигается путем сплавления металлов в сложную структуру.
Кроме парамагнитных и ферромагнитных материалов, существуют материалы с так называемыми антиферромагнитными и ферримагнитными свойствами. Различие между этими видами магнетизма поясняется на рис. 7. Исходя из представления о доменах, парамагнетизм можно рассматривать как явление, обусловленное наличием в материале небольших групп магнитных диполей, в которых отдельные диполи очень слабо взаимодействуют друг с другом (или вообще не взаимодействуют) и потому в отсутствие внешнего поля принимают лишь случайные ориентации (рис. 7,а ). В ферромагнитных же материалах в пределах каждого домена существует сильное взаимодействие между отдельными диполями, приводящее к их упорядоченному параллельному выстраиванию (рис. 7,б ). В антиферромагнитных материалах, напротив, взаимодействие между отдельными диполями приводит к их антипараллельному упорядоченному выстраиванию, так что полный магнитный момент каждого домена равен нулю (рис. 7,в ). Наконец, в ферримагнитных материалах (например, ферритах) имеется как параллельное, так и антипараллельное упорядочение (рис. 7,г ), итогом чего оказывается слабый магнетизм.
Имеются два убедительных экспериментальных подтверждения существования доменов. Первое из них – так называемый эффект Баркгаузена, второе – метод порошковых фигур. В 1919 Г.Баркгаузен установил, что при наложении внешнего поля на образец из ферромагнитного материала его намагниченность изменяется небольшими дискретными порциями. С точки зрения доменной теории это не что иное, как скачкообразное продвижение междоменной стенки, встречающей на своем пути отдельные задерживающие ее дефекты. Данный эффект обычно обнаруживается с помощью катушки, в которую помещается ферромагнитный стерженек или проволока. Если поочередно подносить к образцу и удалять от него сильный магнит, образец будет намагничиваться и перемагничиваться. Скачкообразные изменения намагниченности образца изменяют магнитный поток через катушку, и в ней возбуждается индукционный ток. Напряжение, возникающее при этом в катушке, усиливается и подается на вход пары акустических наушников. Щелчки, воспринимаемые через наушники, свидетельствует о скачкообразном изменении намагниченности.
Для выявления доменной структуры магнита методом порошковых фигур на хорошо отполированную поверхность намагниченного материала наносят каплю коллоидной суспензии ферромагнитного порошка (обычно Fe 3 O 4). Частицы порошка оседают в основном в местах максимальной неоднородности магнитного поля – на границах доменов. Такую структуру можно изучать под микроскопом. Был предложен также метод, основанный на прохождении поляризованного света сквозь прозрачный ферромагнитный материал.
Первоначальная теория магнетизма Вейса в своих основных чертах сохранила свое значение до настоящего времени, получив, однако, обновленную интерпретацию на основе представления о нескомпенсированных электронных спинах как факторе, определяющем атомный магнетизм. Гипотеза о существовании собственного момента у электрона была выдвинута в 1926 С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком, и в настоящее время в качестве «элементарных магнитов» рассматриваются именно электроны как носители спина.
Для пояснения этой концепции рассмотрим (рис. 8) свободный атом железа – типичного ферромагнитного материала. Две его оболочки (K и L ), ближайшие к ядру, заполнены электронами, причем на первой из них размещены два, а на второй – восемь электронов. В K -оболочке спин одного из электронов положителен, а другого – отрицателен. В L -оболочке (точнее, в двух ее подоболочках) у четырех из восьми электронов положительные, а у других четырех – отрицательные спины. В обоих случаях спины электронов в пределах одной оболочки полностью компенсируются, так что полный магнитный момент равен нулю. В M -оболочке ситуация иная, поскольку из шести электронов, находящихся в третьей подоболочке, пять электронов имеют спины, направленные в одну сторону, и лишь шестой – в другую. В результате остаются четыре нескомпенсированных спина, чем и обусловлены магнитные свойства атома железа. (Во внешней N -оболочке всего два валентных электрона, которые не дают вклада в магнетизм атома железа.) Сходным образом объясняется магнетизм и других ферромагнетиков, например никеля и кобальта. Поскольку соседние атомы в образце железа сильно взаимодействуют друг с другом, причем их электроны частично коллективизируются, такое объяснение следует рассматривать лишь как наглядную, но весьма упрощенную схему реальной ситуации.
Теорию атомного магнетизма, основанную на учете спина электрона, подкрепляют два интересных гиромагнитных эксперимента, один из которых был проведен А.Эйнштейном и В.де Гаазом, а другой – С.Барнеттом. В первом из этих экспериментов цилиндрик из ферромагнитного материала подвешивался так, как показано на рис. 9. Если по проводу обмотки пропустить ток, то цилиндрик поворачивается вокруг своей оси. При изменении направления тока (а следовательно, и магнитного поля) он поворачивается в обратном направлении. В обоих случаях вращение цилиндрика обусловлено упорядочением электронных спинов. В эксперименте Барнетта, наоборот, так же подвешенный цилиндрик, резко приведенный в состояние вращения, в отсутствие магнитного поля намагничивается. Этот эффект объясняется тем, что при вращении магнетика создается гироскопический момент, стремящийся повернуть спиновые моменты по направлению собственной оси вращения.
За более полным объяснением природы и происхождения короткодействующих сил, упорядочивающих соседние атомные магнитики и противодействующих разупорядочивающему влиянию теплового движения, следует обратиться к квантовой механике. Квантово-механическое объяснение природы этих сил было предложено в 1928 В.Гейзенбергом, который постулировал существование обменных взаимодействий между соседними атомами. Позднее Г.Бете и Дж.Слэтер показали, что обменные силы существенно возрастают с уменьшением расстояния между атомами, но по достижении некоторого минимального межатомного расстояния падают до нуля.
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
Одно из первых обширных и систематических исследований магнитных свойств вещества было предпринято П.Кюри. Он установил, что по своим магнитным свойствам все вещества можно разделить на три класса. К первому относятся вещества с резко выраженными магнитными свойствами, подобными свойствам железа. Такие вещества называются ферромагнитными; их магнитное поле заметно на значительных расстояниях (см . выше ). Во второй класс попадают вещества, называемые парамагнитными; магнитные свойства их в общем аналогичны свойствам ферромагнитных материалов, но гораздо слабее. Например, сила притяжения к полюсам мощного электромагнита может вырвать из ваших рук железный молоток, а чтобы обнаружить притяжение парамагнитного вещества к тому же магниту, нужны, как правило, очень чувствительные аналитические весы. К последнему, третьему классу относятся так называемые диамагнитные вещества. Они отталкиваются электромагнитом, т.е. сила, действующая на диамагнетики, направлена противоположно той, что действует на ферро- и парамагнетики.
Измерение магнитных свойств.
При изучении магнитных свойств наиболее важное значение имеют измерения двух типов. Первый из них –измерения силы, действующей на образец вблизи магнита; так определяется намагниченность образца. Ко второму относятся измерения «резонансных» частот, связанных с намагничением вещества. Атомы представляют собой крошечные «гироскопы» и в магнитном поле прецессируют (как обычный волчок под влиянием вращающего момента, создаваемого силой тяжести) с частотой, которая может быть измерена. Кроме того, на свободные заряженные частицы, движущиеся под прямым углом к линиям магнитной индукции, действует сила, как и на электронный ток в проводнике. Она заставляет частицу двигаться по круговой орбите, радиус которой дается выражением
R = mv /eB ,
где m – масса частицы, v – ее скорость, e – ее заряд, а B – магнитная индукция поля. Частота такого кругового движения равна
где f измеряется в герцах, e – в кулонах, m – в килограммах, B – в теслах. Эта частота характеризует движение заряженных частиц в веществе, находящемся в магнитном поле. Оба типа движений (прецессию и движение по круговым орбитам) можно возбудить переменными полями с резонансными частотами, равными «естественным» частотам, характерным для данного материала. В первом случае резонанс называется магнитным, а во втором – циклотронным (ввиду сходства с циклическим движением субатомной частицы в циклотроне).
Говоря о магнитных свойствах атомов, необходимо особо остановиться на их моменте импульса. Магнитное поле действует на вращающийся атомный диполь, стремясь повернуть его и установить параллельно полю. Вместо этого атом начинает прецессировать вокруг направления поля (рис. 10) с частотой, зависящей от дипольного момента и напряженности приложенного поля.
Прецессия атомов не поддается непосредственному наблюдению, поскольку все атомы образца прецессируют в разной фазе. Если же приложить небольшое переменное поле, направленное перпендикулярно постоянному упорядочивающему полю, то между прецессирующими атомами устанавливается определенное фазовое соотношение и их суммарный магнитный момент начинает прецессировать с частотой, равной частоте прецессии отдельных магнитных моментов. Важное значение имеет угловая скорость прецессии. Как правило, это величина порядка 10 10 Гц/Тл для намагниченности, связанной с электронами, и порядка 10 7 Гц/Тл для намагниченности, связанной с положительными зарядами в ядрах атомов.
Принципиальная схема установки для наблюдения ядерного магнитного резонанса (ЯМР) представлена на рис. 11. В однородное постоянное поле между полюсами вводится изучаемое вещество. Если затем с помощью небольшой катушки, охватывающей пробирку, возбудить радиочастотное поле, то можно добиться резонанса на определенной частоте, равной частоте прецессии всех ядерных «гироскопов» образца. Измерения сходны с настройкой радиоприемника на частоту определенной станции.
Методы магнитного резонанса позволяют исследовать не только магнитные свойства конкретных атомов и ядер, но и свойства их окружения. Дело в том, что магнитные поля в твердых телах и молекулах неоднородны, поскольку искажены атомными зарядами, и детали хода экспериментальной резонансной кривой определяются локальным полем в области расположения прецессирующего ядра. Это и дает возможность изучать особенности структуры конкретного образца резонансными методами.
Расчет магнитных свойств.
Магнитная индукция поля Земли составляет 0,5Ч 10 –4 Тл, тогда как поле между полюсами сильного электромагнита – порядка 2 Тл и более.
Магнитное поле, создаваемое какой-либо конфигурацией токов, можно вычислить, пользуясь формулой Био – Савара – Лапласа для магнитной индукции поля, создаваемого элементом тока. Расчет поля, создаваемого контурами разной формы и цилиндрическими катушками, во многих случаях весьма сложен. Ниже приводятся формулы для ряда простых случаев. Магнитная индукция (в теслах) поля, создаваемого длинным прямым проводом с током I
Поле намагниченного железного стержня сходно с внешним полем длинного соленоида с числом ампер-витков на единицу длины, соответствующим току в атомах на поверхности намагниченного стержня, поскольку токи внутри стержня взаимно компенсируются (рис. 12). По имени Ампера такой поверхностный ток называется амперовским. Напряженность магнитного поля H a , создаваемая амперовским током, равна магнитному моменту единицы объема стержня M .
Если в соленоид вставлен железный стержень, то кроме того, что ток соленоида создает магнитное поле H , упорядочение атомных диполей в намагниченном материале стержня создает намагниченность M . В этом случае полный магнитный поток определяется суммой реального и амперовского токов, так что B = m 0(H + H a ), или B = m 0(H + M ). Отношение M /H называется магнитной восприимчивостью и обозначается греческой буквой c ; c – безразмерная величина, характеризующая способность материала намагничиваться в магнитном поле.
Величина B /H , характеризующая магнитные свойства материала, называется магнитной проницаемостью и обозначается через m a , причем m a = m 0m , где m a – абсолютная, а m – относительная проницаемости,
В ферромагнитных веществах величина c может иметь очень большие значения –до 10 4 ё 10 6 . Величина c у парамагнитных материалов немного больше нуля, а у диамагнитных – немного меньше. Лишь в вакууме и в очень слабых полях величины c и m постоянны и не зависят от внешнего поля. Зависимость индукции B от H обычно нелинейна, а ее графики, т.н. кривые намагничивания, для разных материалов и даже при разных температурах могут существенно различаться (примеры таких кривых приведены на рис. 2 и 3).
Магнитные свойства вещества весьма сложны, и для их глубокого понимания необходим тщательный анализ строения атомов, их взаимодействий в молекулах, их столкновений в газах и их взаимного влияния в твердых телах и жидкостях; магнитные свойства жидкостей пока наименее изучены.
Рекомендуем также
Loading...