Ферромагнетики

Мал. 11. Схема, що ілюструє орієнтацію молекулярних магнітів у «областях мимовільного намагнічування» А и В. а) Зовнішнє магнітне поле відсутнє;б) під дією зовнішнього магнітного поле Н області А и В перебудовуються.

Баркгаузена ефект - стрибкоподібна зміна намагніченості ферромагнетиків при безперервній зміні зовнішніх умов, наприклад магнітного поля. При повільному намагнічуванні феромагнітного зразка у вимірювальній котушці, надягнутої на зразок, у ланцюзі котушки з'являються імпульси струму , обумовлені стрибкоподібною зміною намагніченості М зразка. Особливо яскраво Баркгаузена ефект виявляється в магніто-м'яких матеріалах на крутих ділянках кривої намагнічування і петлі гістерезиса, де доменна структура змінюється в результаті процесів зсуву границь феромагнітних доменів. Наявні у ферромагнетику різного роду неоднорідності (сторонні включення , дислокації, залишкові механічні напруги і т.д.) перешкоджають перебудові доменної структури. Коли границя домена, зміщаючи при збільшенні магнітного поля Н, зустрічає перешкоду (наприклад, стороннє включення ), вона зупиняється і залишається нерухомої при подальшому збільшенні полючи. При деякому зрослому значенні поля границя переборює перешкоду і стрибком переміщається далі, до чергової перешкоди, вже без збільшення поля. Через подібні затримки крива намагнічування ферромагнетика має східчастий характер (мал.).

Залежність намагніченості від магнітного поля

Стрибкоподібна зміна намагніченості може бути викликана не тільки полем, але іншими зовнішніми впливами (наприклад, плавною зміною напруг або температури), при яких відбувається зміна доменної структури зразка.

Ефект Баркгаузена - один з безпосередніх доказів доменної структури ферромагнетиків, він дозволяє визначити обсяг окремого домена. Для більшості ферромагнетиків цих обсягів дорівнює 10-6-10-9 див 3. Вивчення Баркгаузена ефекту дозволило краще зрозуміти динамікові доменної структури і встановити зв'язок між числом стрибків і основних характеристик петлі гистерезиса (коэрцитивной силою і т.д.).

За аналогією з ефектами Баркгаузена у ферромагнетиках стрибки переполяризації в сегнетоэлектриках також називаються стрибками Баркгаузена.

Схема спостереження ефекту Баркгаузена

Позначення:

1 - котушка з феромагнітним стрижнем;

2 - амперметр;

3 - ємність ;

4 - реостат з опором R(t);

U(t) - імпульсна напруга ;

L(t) - індуктивність котушки 1.

При зміні R(t) стрибкоподібно змінюється намагніченість феромагнітного стрижня, що стрибкоподібно змінює частоту коливань стрілки амперметра (суперпозиція частот коливань).

14. Феромагнітні матеріали

Феромагнітні матеріали поділяються на двох груп: магнітно-м'які і магнітно-тверді. а) Магнітно-м'які матеріали (таблиця №1) застосовуються в якості магнітопроводів (сердечників) у пристроях і приладах , де магнітний потік постійний (полюсні башмаки і сердечники вимірювального механізму) або перемінний (наприклад, магнітопровід трансформатора). Вони мають низьке значення коерцитивної сили Hc (нижче 400А/м), високою магнітною проникністю і малими утратами від гістерезиса. До цієї групи матеріалів відносяться : технічне залізо і низьковуглеродні сталі, листові електротехнічні сталі, залізонікелеві сплави з високою проникністю (пермаллої) і оксидні феромагнетики - феррити й оксифери.

Технічне залізо зі змістом вуглецю до 0,04%, вуглеродні сталі і чавун широко застосовуються для магнітопроводів, що працюють в умовах постійних магнітних полів . Технічне залізо має високу індукцію насичення (до 2,2 Тл), високою магнітною проникністю і низкою коерцитивної силою.

Електротехнічні сталі - це сплави заліза з кремнієм (1-4%). Шляхом зміни змісту кремнію і застосуванням різних технологічних прийомів виходять сталі із широким діапазоном магнітних властивостей. Кремній поліпшує властивості технічного заліза: збільшуються початкової і максимальна магнітні проникності, зменшується коерцитивна сила, зменшуються втрати енергії від гістерезиса, збільшується питомий електричний опір, що важливо для зменшення так званих вихрових струмів , що виникають при циклічно змінюється магнітному полі і що нагрівають магнітопровід.

Сталі, з низьким змістом кремнію, мають низьку магнітну проникність, велику індукцію насичення і великих питомих втрат, вони застосовуються в установках і приладах ланцюгів постійного струму або перемінного струму низької частоти. Сталі з високим змістом кремнію застосовуються в тих випадках, коли потрібно мати високу магнітну проникність у слабких і середніх полях і малі утрати від гістерезиса і вихрових струмів , унаслідок чого вони можуть застосуються для магнітопроводів, що працюють при підвищеній частоті струму .

Розглянемо деякі види магніто-м'яких матеріалів, що найбільше часто застосовуються в промисловості.

Пермалої - це сплави різного процентного вмісту заліза і нікелю, а деякі з них , крім того, молібдену, хрому, кремнію, алюмінію. Пермалої - мають високу магнітну проникність, у 10-15 разів більшу, ніж у листової електротехнічної сталі. У цих сплавах індукція насичення досягається при малих напругах полючи (від десятих часток до декількох сотень амперів на метр). Одні з них мають низьку індукцію насичення Bs (близько 0,6 -0,8 Тл), інші - відносно високу (1,3 - 1,6 Тл). До першої групи відносяться високонікелеві пермаллої, що наприклад містить 79% нікелю і 3,8% молібдену, у якого Мн=22000; Мmax=120000; Bs=0,75Тл. До другої групи відносяться низьконікелеві пермаллої, що наприклад містять 45% нікелю, у якого Мн=2500; Мmax=23000; Bs=1,5Тл.

У пермаллоїв із прямокутною петлею гістерезиса (мал. 6) ступінь прямокутності петлі характеризується відношенням залишкової індукції Br до максимальної індукції Bmax, під якою розуміють індукцію при напруженості поля, у 5-10 разів перевищуючу коерцитивну силу. Це відношення досягає 0,85-0,99. Коерцитивна сила таких пермаллоів лежить у межах від 1 до 30 А/м.

Магнітні властивості пермаллоів у сильному ступені залежать від технології їхнього виготовлення.

Магнітно-тверді матеріали (таблиця №2) призначені для виготовлення постійних магнітів усілякого призначення. Ці матеріали характеризуються великий коерцитивною силою і великою залишковою індукцією.

До магнітно-твердих матеріалів відносяться : вуглеродні, вольфрамові, хромисті і кобальтові сталі; їхній коерцитивна сила 5000-8000 А/м, залишкова індукція 0,8 - 1Тл. Вони мають ковкість, піддаються прокатці, механічній обробці і випускаються промисловістю у виді смуг або аркушів.

До магнітно-твердих матеріалів, що володіють кращими магнітними властивостям, відносяться сплави: альни, альниси, альнико й ін. Вони характеризуються коерцитивною силою Hc =20 000*60 000 А/м і залишковою індукцією Br=0,4*0,7 Тл.

15. Магнітні властивості деяких магніто-твердих матеріалів

У таблиці приведені основні дані про магнітні властивості деяких магніто-твердих матеріалів. Ці матеріали намагнічуються в порівняно сильних магнітних полях і мають великі значення коерцитивної сили Hc, великою залишковою магнітною індукцією Br, великими значеннями щільності енергії магнітного поля щ=Br МHc і порівняно малими значеннями магнітної проникності.

16. Експериментальне вивчення властивостей ферромагнетиків

Великий внесок в експериментальне вивчення властивостей ферромагнетиків вніс А. Г. Столетов. Запропонований ним експериментальний метод полягав у вимірі магнітного потоку Фm у феромагнітних кільцях за допомогою балістичного гальванометра.

Тороід, первинна обмотка якого складалася з N1 витків, мав сердечник з досліджуваного матеріалу (наприклад, відпаленого заліза). Вторинна обмотка з N2 витків була замкнута на балістичний гальванометр G (мал. А). Обмотка N1 включалася в ланцюг акумуляторної батареї Б. Напруга , прикладена до цієї обмотки, а, отже, і силу струму І1 у ній можна було змінювати за допомогою потенціометра R1. Напрямок струму змінювалося за допомогою комутатора К.

При зміні напрямку струму в обмотці N1 на протилежне, у ланцюзі обмотці N2 виникав короткочасний індукційний струм і через балістичний гальванометр проходив електричний заряд q , що дорівнює відношенню узятого зі зворотним знаком зміни потокозчеплення вторинної обмотки до електричного опору R у ланцюзі гальванометра:

Якщо сердечник тонкий , а площа поперечного переріза дорівнює S, то магнітна індукція полюя в сердечнику Напруженість магнітного поля в сердечнику обчислюється по наступній формулі

:

де Lср - середня лінія сердечника. Знаючи B і H можна знайти намагніченість.

Розглянемо ще один спосіб експериментального вивчення властивостей ферромагнетиків (на наш погляд один з найбільш наочних).

Даний метод аналогічний попередній , але відмінність полягає в тому, що в місце гальванометра застосовується електронний осциллограф. За допомогою осциллографа Осц (див. нижче схему) ми одержуємо наочне підтвердження явища магнітного гістерезиса, спостерігаючи петлю на екрані приладу .Розглянемо пристрій експериментальної установки.

1

Напруга знімається з потенціометра Rр пропорційно намагнічує струм І, а отже, напруженості поля в експериментальному зразку Эо. Далі, сигнал, що знімається з реостата Rр, подається на вхід (Х), тобто на пластини горизонтального відхилення осциллографа.

З входу інтегруючого ланцюжка (пунктирний прямокутник на схемі) знімається напруга Uc, що пропорційно швидкості зміни магнітної індукції, тобто подається на вхід (Y) осциллографа, пластини вертикального відхилення.

Відомо, що магнітними властивостями володіє так названа тріада залізо - кобальт - нікель, ще деякі метали і сплави. Властивість феромагнетизму, власне, і одержало назву від заліза, що очолює цю групу. Однак у металів істотний недолік : вони важкі ! І хто б відмовився від магнітних матеріалів легше? Стабільні при звичайній кімнатній температурі і магнітні властивості, що зберігають, невиразно довгий час, вони могли б знайти широкий спектр застосування: від створення "невагомих" електромоторів до розробки нових методів збереження інформації.

За останні роки експериментатори не раз виявляли слабкі феромагнітні властивості в органічних полімерів. Звичайно, для практичного застосування в якості "магнітів" такі з'єднання не годили , однак, як говориться, слід був узятий... І от у 1991 році дві групи вчених практично одночасно (з інтервалом у якусь пару місяців) обнародували отримані ними цікаві результати.

Хімікам Токійського університету на чолі з Мінорові Киносита вдалося синтезувати феромагнітну органічна сполука тільки з легких елементів! У його склад входять вуглець, водень, азот і кисень. Це органічний кристал, за структурою стосовний до гетероциклічних з'єднань . Виразна назва "паранітрофенілнітронілніроксид", на щастя , у побутовому хімічному побуті скорочують до скромного символу p-NPNN. На думку Кунио Авага, одного з творців нової речовини, його феромагнітні властивості порозуміваються наявністю в молекулах p-NPNN так званих непарних електронів, внаслідок чого ці молекули - з хімічної точки зору - поводяться аналогічно іонам металів. У результаті взаємодії спинов непарних електронів останні вступають у "феромагнітне спарювання", орієнтуючи молекули речовини в одному напрямку . Таким чином, магнітні властивості отриманого органічного кристала залежать від способу "упакування" складових його молекул. Узагалі ж для більшості твердих органічних речовин характерно зовсім інше - їхньої молекули вступають у "антиферомагнітне спарювання", так що p-NPNN у своєму роді унікальний.

Хімічна формула ферромагнетика без металу. Відзначено непарні електрони, взаємодія яких додає речовині магнітні властивості (зв'язок N-0).

Але... завжди є своє "але". По-перше, магнітні властивості p-NPNN виявляються при температурі нижче 0,65 ДО (кімнатного її не назвеш). По-друге, його феромагнетизм усе-таки слабкий. Розроблювачі кажуть: створити сильний магніт тільки з органічного матеріалу, без включення металів, "у принципі досить складно".

Група хіміків зі США, очолювана Джоэлем Міллером, синтезувала органометалічний ферромагнетик на основі ванадію й органічної групи тет-рацианоэтилена. Він зберігає магнітні властивості майже до 350 ДО, що відповідає 77° С, і температурний критерій, отже, дотриманий... На жаль, без "але" не обійшлася й тут: речовина виявилося вкрай нестабільним і при взаємодії з повітрям швидко розкладається навіть при звичайній кімнатній температурі.

Проте перші кроки по шляху до органічного магніту зроблені. І в цьому напрямку поспішно кинулися багато хімічних лабораторій...

Висновки

Останнім часом у зв'язку з мікромініатюризацією радіоелектронної апаратури виявляється великий інтерес до вивчення і використання для обробки інформації специфічних доменних структур - смугових, циліндричних доменів (ЦМД) і ряду інших. Довгий час мікромініатюризація магнітних елементів і пристроїв значно відставав від мікромініатюризації напівпровідникових пристроїв. Однак, в останні роки тут досягнуті великі успіхи. Вони зв'язані з можливістю використання одиничного магнітного домена як елементарного носія інформації. Звичайно таким носієм інформації є ЦМД. Він формується за певних умов у монокристалічних чи пластинках плівках деяких феритів.

Доменна структура таких тонких феритових плівок дуже специфічна. Характер доменів і границь між ними істотно залежить від товщини плівки. При малій товщині через те, що фактор, що розмагнічує, у площині плівки на багато порядків менше, ніж у напрямку нормалі до неї, намагніченість розташовується паралельно площини плівки. У цьому випадку утворення доменів із протилежними напрямками намагнічування по товщині плівки не відбувається. У плівках, товщина яких більше деякої критичний, можливе утворення доменів смугової конфігурації. Плівка розбивається на довгі вузькі домени шириною від часток мікрометра до декількох мікрометрів, причому сусідні домени намагнічені в протилежних напрямках уздовж нормалі до поверхні. Такі магнітні плівки одержали назва «закритичних», їхня товщина знаходиться в межах 0,3-10 мкм

Додаток зовнішнього магнітного поля, спрямованого перпендикулярно площини плівки зі смуговими доменами, приводить до зміни розмірів і форми доменів. При збільшенні поле відбувається зменшення довжини смугових доменів, а потім найменший домен перетворюється в циліндричний. У деякому інтервалі значень зовнішнього магнітного поле в плівці можуть існувати як смугові домени, так і ЦДМ. Подальше збільшення поле приводить до того, що ЦДМ зменшується в діаметрі, а залишкові смугові домени перетворюються в циліндричні. ЦДМ можуть зникнути (коллапсувати) при досягненні деякого значення поле і, таким чином, уся плівка намагнітиться однорідно. Уперше ЦДМ спостерігалися в плівках ортоферитів - речовинах, що мають хімічну формулу Rfe₃, де R- рідкоземельний елемент.

ЦДМ можуть використовуватися для створення запам'ятовуючих і логічних пристроїв. При цьому наявність домена в даній крапці плівки відповідає значенню «1», а відсутність -значенню «0». Для збереження і передачі інформації за допомогою ЦДМ потрібно уміти формувати домени, зберігати їх, переміщати в задану крапку, фіксувати їхня чи присутність відсутність (тобто зчитувати інформацію), а також руйнувати непотрібні ЦДМ.

Список використаної літератури

Іродів И.Е. «Електромагнетизм». Основні закони М. ; Лабораторія базових знань, 2000

Павлов П.В., Чубів А.Ф. “Фізика твердого тіла” М. - Вища школа, 2000

3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. “Довідник по фізиці” М. -наука.Физматлит, 1996

Елементарний підручник фізики під ред. Ландсберга Г.С. “Електрика і магнетизм” М. - Наука, 1975

Трофимова Т.И. “Курс фізики” М. - Вища школа, 1999.