Классификация магнитных материалов кратко

Обновлено: 05.07.2024

Все вещества в зависимости от выраженности магнитных свойств делятся на сильномагнитные и слабомагнитные. Магнетики можно разделить по видам механизма, вызывающего намагничивание.

Что такое диамагнетики

Диамагнетики являются слабомагнитными веществами: они не магнитятся, если на них не действует магнитное поле.

Если парамагнетики внести во внешнее магнитное поле, то в их атомах начинается движение электронов, порождающее ориентированный круговой ток.

Этот ток обладает собственным магнитным моментом ρ m .

Круговой ток, в свою очередь, порождает магнитную индукцию, дополнительную по отношению к внешним полям. Вектор этой индукции направлен против внешнего поля. Силу воздействия внешнего поля можно найти так:

Любое вещество может проявлять свойство диамагнетизма. Величина магнитной проницаемости диамагнетиков обычно приравнивается к единице (отклонение незначительно). В случае с жидкостями и твердыми телами величина восприимчивости равна примерно 5 - 10 , у газов она заметно меньше. Данный показатель не имеет прямой связи с температурой – этот факт подтвержден экспериментально П. Кюри.

Диамагнетики бывают следующих видов:

• классические;
• аномальные;
• сверхпроводники.

Если магнитное поле несильное, то величина намагниченности диамагнетика прямо пропорциональна напряженности магнитного поля H → .

Ниже представлена схема, которая наглядно показывает данную зависимость в случае с классическими диамагнетиками (в слабом магнитном поле):

Что такое парамагнетики

Парамагнетики также являются слабомагнитными веществами. Их молекулы характеризуются наличием постоянного магнитного момента p m → . Его энергию во внешнем поле можно вычислить так:

Если направления векторов B → и p m → совпадут, то величина энергии будет минимальной.

Если мы внесем парамагнетик во внешнее магнитное поле, то магнитные моменты получат преимущественную ориентацию в направлении поля, соответствующую распределению Больцмана.

Иными словами, вещество намагничивается: дополнительное поле усиливается за счет совпадения с внешним. При этом угол между векторами остается неизменным.

Смена ориентации магнитных моментов по распределению Больцмана связана со столкновениями и взаимодействием атомов между собой. В отличие от диамагнетиков, магнитная восприимчивость парамагнетиков меняется в зависимости от температуры в соответствии с законом Кюри или законом Кюри-Вейсса.

В формуле дельтой обозначена постоянная, которая может быть и больше 0 , и меньше.

Величина магнитной восприимчивости парамагнетика больше 0 , но незначительно. Выделяют следующие виды парамагнетиков:

• нормальные;
• парамагнитные металлы;
• антиферромагнетики.

Второй тип парамагнетиков не обнаруживает связи магнитной восприимчивости с температурой. Такие металлы являются слабомагнитными при χ ≈ 10 - 6 .

Парамагнетические вещества характеризуются наличием парамагнитного резонанса. Возьмем внешнее магнитное поле с помещенным в него парамагнетиком. Как мы уже писали выше, в нем создается дополнительное магнитное поле с вектором индукции, направленным перпендикулярно вектору постоянного поля. При взаимодействии дополнительного поля с магнитным моментом атома создается так называемый момент сил M → .

Данный момент стремится к смене угла между p m → и B → .

При совпадении частоты прецессии с частотой переменного магнитного поля момент сил, создаваемый этим полем, будет либо постоянно увеличивать указанный угол, либо постоянно уменьшать. Это называется явлением парамагнитного резонанса.

Если магнитное поле слабое, то намагниченность в парамагнетиках будет пропорциональна напряженности поля и может быть выражена следующей формулой:

Что такое ферромагнетики

В отличие от двух перечисленных выше магнетиков, ферромагнетики являются сильномагнитными веществами.

Ферромагнетики – это вещества с высокой магнитной проницаемостью, зависящей от внешнего магнитного поля.

Данные вещества могут иметь так называемую остаточную намагниченность. Выразить зависимость восприимчивости ферромагнетиков от напряженности внешнего магнитного поля можно с помощью функции. Она представлена на схеме ниже:

Намагниченность ферромагнетика имеет пределы насыщения. Это указывает нам на природу возникновения намагниченности в таких веществах: она образуется путем смены ориентации магнитных моментов вещества. Для ферромагнетиков также характерно такое явление, как гистерезис.

В магнитном отношении все ферромагнетики делят на мягкие и жесткие. Первые из них имеют высокую магнитную проницаемость и способны легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют широкое применение в электротехнических приборах, основанных на работе переменных полей (например, трансформаторов). Жесткие ферромагнетики имеют сравнительно небольшую проницаемость и намагничиваются трудно. Их используют при производстве постоянных магнитов.

Условие: на схеме выше (рис. 3 ) показана кривая намагниченности ферромагнетика. Постройте кривую, выражающую зависимость B ( H ) и определите, возможно ли насыщение для магнитной индукции. Поясните свой вывод.

Решение

Мы знаем отношение вектора магнитной индукции к вектору намагниченности.

Из этого можно сделать вывод, что насыщения кривая B ( H ) иметь не может. Создадим график зависимости напряженности внешнего поля от индукции магнитного поля в соответствии с рисунком выше. Мы получили схему, называемую кривой намагничивания:

Ответ: кривая индукции не имеет насыщения.

Условие: выведите формулу восприимчивости парамагнетика при условии, что механизм его намагничивания точно такой же, как механизм электризации полярных диэлектриков. Среднее значение магнитного момента молекул в проекции на ось Z обозначается формулой ρ m z = ρ m L ( β ) .

Здесь L ( β ) = c t h ( β ) - 1 β означает функцию Ланжевена при β = ρ m B k T .

Решение

Взяв высокие температуры и небольшие поля, получим следующее:

ρ m B ≪ k T , → β ≪ 1 .

Значит, если β ≪ 1 c t h β = 1 β + β 3 - β 3 45 + . . . , можно ограничить функцию линейным членом и получить, что:

ρ m B ≪ k T , → β ≪ 1 .

Возьмем нужную формулу и подставим в нее полученное значение:

ρ m z = ρ m ρ m B 3 k T = ρ m 2 B 3 k T .

Зная, как связаны между собой напряженность магнитного поля и его индукция, а также приравняв магнитную проницаемость парамагнетика к 1 , получим следующее:

ρ m z = ρ m 2 μ 0 H 3 k T .

В итоге формула намагниченности будет выглядеть так:

J = n ρ m z = ρ m 2 μ 0 H 3 k T n .

Поскольку модуль намагниченности связан с модулем вектора ( J = χ H ), мы можем записать результат:

Строение ферримагнетиков. Ферримагнетики получили свое название от ферритов, под которыми понимают химические соединения окисла железа Fe ₂ O ₃ с окислами других метал­лов. В настоящее время используют сотни различных марок ферритов, отличающихся по хи­мическому составу, кристаллической структуре, магнитным, электрическим и другим свой­ствам.

Наиболее широкое применение нашли ферриты со структурой природного минерала шпи­нели . Химический состав ферритов-шпинелей отвечает формуле Ме Fe ₂ O ₄ , где под Ме пони­мают какой-либо двухвалентный катион. На примере этих соединений рассмотрим наиболее характерные особенности магнитных свойств ферримагнетиков.

Исследования показывают, что наличие или отсутствие магнитных свойств определяется кристаллической структурой материалов и, в частности, расположением ионов двухвалент­ных металлов и железа между ионами кислорода. Элементарная ячейка шпинели представ­ляет собой куб, в состав которого входит восемь структурных единиц типа Ме Fe ₂ O ₄ , то есть 32 иона кислорода, 16 ионов трехвалентного железа и 8 ионов двухвалентного металла. Ки­слородные ионы расположены по принципу плотной кубической упаковки шаров. При этом возникают междоузлия двух типов: тетраэдрические, образованные окружением четырех ио­нов, и октаэдрические, образованные окружением шести ионов кислорода. В этих кислород­ных междоузлиях находятся катионы металлов. Всего в элементарной ячейке шпинели мо­жет быть заполнено 8 тетраэдрических промежутков (назовем их позициями типа А ) и 16 ок­таэдрических мест (позиции типа В ).

Структуру, в которой все катионы двухвалентного железа занимают позиции типа А , а ка­тионы трехвалентного железа распределяются в междоузлиях типа В , называют нормальной шпинелью . Учитывая такой характер распределения катионов по кислородным междоузлиям, формулу феррита со структурой нормальной шпинели можно представить в следующем виде: (Мe 2 + )[Fe 3 + Fe 3 + ]O ₄ , где в круглых скобках указаны ионы, занимающие позиции типа А, а в квадратных – ионы в позициях типа В. Стрелками условно показано направление магнит­ных моментов катионов. В структуре нормальной шпинели кристаллизуются ферриты цинка (Zn Fe ₂ O ₄) и кадмия (Cd Fe ₂ O ₄). Как будет показано далее, ферриты со структурой нор­мальной шпинели являются немагнитными.

Чаще встречаются ферриты с иным характером распределения катионов по кислородным междоузлиям. Структура, в которой катионы Ме 2 + находятся в позициях типа В, а катионы трехвалентного железа поровну распределяются между позициями А и В, получила название обращенной шпинели . Формулу обращенной шпинели с учетом распределения катионов можно записать в виде: (Fe 3 + )[Me 2 + Fe 3 + ]O ₄ .

Структуру обращенной шпинели имеют ферриты никеля, кобальта, меди и некоторых дру­гих элементов.

Большинство реальных ферритов характеризуется некоторым промежуточным распреде­лением катионов, когда и ионы Ме 2 + , и ионы трехвалентного железа Fe 3 + занимают пози­ции того и другого типов. Такие структуры называют амфотерной шпинелью . Промежуточ­ному распределению катионов соответствует следующая структурная формула :

(Me 2 + _{1 – X} Fe 3 + _X )[Me 2 + _X Fe 3 + _{1 – X} ]O ₄ , где параметр X характеризует степень обращенно­сти шпинели. Структуре нормальной и обращенной шпинели отвечают значения X , равные, соответственно, нулю и единице.

Природа магнитного упорядочения. В ферритах магнитоактивные катионы находятся дос­таточно далеко друг от друга, поскольку разделены анионами кислорода, не обладающими магнитным моментом. Поэтому прямое обменное взаимодействие между катионами оказы­вается очень слабым или отсутствует вообще. Их электронные оболочки практически не пе­рекрываются.

Библиографический список.

МАГНИ́ТНЫЕ МАТЕРИА́ЛЫ, ве­ще­ст­ва, об­ла­даю­щие маг­нит­ны­ми свой­ст­ва­ми, ко­то­рые обес­пе­чи­ва­ют их ши­ро­кое при­мене­ние в тех­ни­ке. В осн. это фер­ро- и фер­ри­маг­не­ти­ки (см. Фер­ро­маг­не­тизм и Фер­ри­маг­не­тизм ). К фер­ро­маг­не­ти­кам от­но­сят­ся же­ле­зо, ко­бальт, ни­кель, га­до­ли­ний, дис­про­зий и не­ко­то­рые др. ред­ко­зе­мель­ные ме­тал­лы, их со­еди­не­ния и спла­вы, не­ко­то­рые спла­вы и со­еди­нения мар­ган­ца, хро­ма, ура­на. Фер­ро­маг­нит­ные ма­те­риа­лы ха­рак­те­ри­зу­ют­ся темп-рой Кю­ри ( Кю­ри точ­кой , T _C), ни­же ко­то­рой они яв­ля­ют­ся маг­ни­то­упо­ря­до­чен­ны­ми и об­ла­да­ют фер­ро­маг­нит­ны­ми свой­ст­ва­ми. В фер­ри­маг­не­ти­ках су­ще­ст­ву­ют две спи­но­вые маг­нит­ные под­сис­те­мы с ан­ти­па­рал­лель­ным на­прав­ле­ни­ем спи­нов и с раз­ны­ми зна­че­ния­ми маг­нит­ных мо­мен­тов, по­это­му сум­мар­ный маг­нит­ный мо­мент фер­ри­маг­нит­но­го ма­те­риа­ла ни­же темп-ры Не­еля ( Не­еля точ­ки , T _N) в от­сут­ст­вие по­ля не ра­вен ну­лю (за ис­клю­че­ни­ем точ­ки ком­пен­са­ции). К фер­ри­маг­не­ти­кам от­но­сят фер­ри­ты – двой­ные ок­си­ды пе­ре­ход­ных ме­тал­лов со струк­ту­рой шпи­не­ли, гра­на­та, гек­са­го­наль­ной струк­ту­рой. Ти­пич­ный фер­ри­маг­не­тик – из­вест­ный с древ­ней­ших вре­мён маг­не­тит Fe₃O₄ (маг­нит­ный же­лез­няк). В М. м. мо­гут су­ще­ст­во­вать об­лас­ти спон­тан­ной на­маг­ни­чен­но­сти (маг­нит­ные до­ме­ны), по­это­му они со­хра­ня­ют от­лич­ную от ну­ля на­маг­ни­чен­ность и пос­ле вы­клю­че­ния при­ло­жен­но­го внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля и яв­ля­ют­ся ос­но­вой для раз­ра­бот­ки и про­из-ва по­сто­ян­ных маг­ни­тов, сред для маг­нит­ной за­пи­си ин­фор­ма­ции и т. д.

Магнитными именуют материалы, используемые в технике с учетом
их магнитных параметров. Магнитные характеристики вещества зависят от магнитных параметров наночастиц, структуры атомов и молекул.

Систематизация магнитных материалов

Магнитные материалы делят на слабомагнитные и сильномагнитные.

К слабомагнитным относят диамагнетики и парамагнетики.

К сильномагнитным – ферромагнетики, которые, в свою очередь, могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми. Формально отличие магнитных параметров материалов можно охарактеризовать относительной магнитной проницаемостью.

Диамагнетиками именуют материалы, атомы (ионы) которых не владеют результирующим магнитным моментом. Снаружи диамагнетики проявляют себя тем, что выталкиваются из магнитного поля. К ним относят цинк, медь, золото, ртуть и другие материалы.

Парамагнетиками именуют материалы, атомы (ионы) которых владеют результирующим магнитным моментом, не зависящим от наружного магнитного поля. Снаружи парамагнетики проявляют себя тем, что втягиваются в неоднородное магнитное поле. К ним относят алюминий, платину, никель и другие материалы.

Ферромагнетиками именуют материалы, в каких собственное (внутреннее) магнитное поле может в сотки и тыщи раз превосходить вызвавшее его наружное магнитное поле.

Хоть какое ферромагнитное тело разбито на домены – малые области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. В отсутствие наружного магнитного поля, направления векторов намагниченности разных доменов не совпадают, и результирующая намагниченность всего тела может быть равна нулю.

Существует три типа процессов намагничивания ферромагнетиков:

1. Процесс обратимого смещения магнитных доменов. В этом случае происходит смещение границ доменов, нацеленных более близко к направлению наружного поля. При снятии поля домены смещаются в оборотном направлении. Область обратимого смещения доменов размещена исходном участке кривой намагничивания.

2. Процесс необратимого смещения магнитных доменов. В этом случае смещение границ меж магнитными доменами не снимается при понижении магнитного поля. Начальные положения доменов могут быть достигнуты в процессе перемагничивания.

Необратимое смещение границ доменов приводит к возникновению магнитного гистерезиса – отставанию магнитной индукции от напряженности поля .

3. Процессы вращения доменов. В этом случае окончание процессов смещения границ доменов приводит к техническому насыщению материала. В области насыщения все домены поворачиваются по направлению поля. Петля гистерезиса, достигающая области насыщения именуется предельной.

Предельная петля гистерезиса имеет последующие свойства: Bmax – индукция насыщения; Br – остаточная индукция; Hc — задерживающая (коэрцитивная) сила.

Материалы с малыми значениями Hc (узенькой петлей гистерезиса) и большой магнитной проницаемостью именуются магнитомягкими.

Материалы с большенными значениями Hc (широкой петлей гистерезиса) и низкой магнитной проницаемостью именуются магнитотвердыми.

При перемагничивании ферромагнетика в переменных магнитных полях всегда наблюдаются теплопотери энергии, другими словами материал греется. Эти утраты обоснованы потерями на гистерезис и потерями на вихревые токи. Утраты на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса. Утраты на вихревые токи зависят от электронного сопротивления ферромагнетика. Чем выше сопротивление – тем меньше утраты на вихревые токи.

Магнитомягкие и магнитотвердые материалы

К магнитомягким материалам относят:

1. На техническом уровне незапятнанное железо (электротехническая низкоуглеродистая сталь).

2. Электротехнические кремнистые стали.

3. Железоникелевые и железокобальтовые сплавы.

4. Магнитомягкие ферриты.

Магнитные характеристики низкоуглеродистой стали (на техническом уровне незапятнанного железа) зависят от содержания примесей, преломления кристаллической решетки из-за деформации, величины зерна и термообработки. Из-за низкого удельного сопротивления на техническом уровне незапятнанное железо в электротехнике употребляется достаточно изредка, в главном для магнитопроводов неизменного магнитного потока.

Электротехническая кремнистая сталь является главным магнитным материалом массового употребления. Это сплав железа с кремнием. Легирование кремнием позволяет уменьшить коэрцитивную силу и прирастить удельное сопротивление, другими словами понизить утраты на вихревые токи.

Листовая электротехническая сталь, поставляемая в отдельных листах либо рулонах, и ленточная сталь, поставляемая исключительно в рулонах — являются полуфабрикатами, созданными для производства магнитопроводов (сердечников).

Магнитопроводы сформировывают или из отдельных пластинок, получаемых штамповкой либо резкой, или навивкой из лент.

Железоникелевые сплавы именуют пермаллоями . Они владеют большой исходной магнитной проницаемостью в области слабеньких магнитных полей. Пермаллои используют для сердечников компактных силовых трансформаторов, дросселей и реле.

Ферриты представляют собой магнитную керамику с огромным удельным сопротивлением, в 1010 раз превосходящим сопротивление железа. Ферриты используют в высокочастотных цепях, потому что их магнитная проницаемость фактически не понижается с повышением частоты.

Недочетом ферритов является их низкая индукция насыщения и низкая механическая крепкость. Потому ферриты используют, обычно, в низковольтной электронике.

К магнитотвердым материалам относят:

1. Литые магнитотвердые материалы на базе сплавов Fe-Ni-Al.

2. Порошковые магнитотвердые материалы, получаемые методом прессования порошков с следующей термической обработкой.

3. Магнитотвердые ферриты. Магнитотвердые материалы – это материалы для неизменных магнитов, использующихся в электродвигателях и других электротехнических устройствах, в каких требуется неизменное магнитное поле.

Читайте также:

  
• Виды правонарушений кратко 7 класс таблица
  
• Сроки содержания под стражей кратко
  
• Опишите влияние легирующих элементов на свойства бронз кратко
  
• Длина вектора это кратко
  
• Соотношение договора сделки и обязательства кратко