Дипломная работа: Полное магнетосопротивление ферромагнетиков

Для ферромагнитных тел намагниченность является сложной нелинейной функцией . Зависимость от величины называется технической кривой намагниченности (рис. 1а.). Кривая указывает на явление магнитного насыщения: начиная с некоторого значения , намагниченность практически остается постоянной, равной (намагниченность насыщения), - магнитная постоянная в СИ.

Относительная магнитная проницаемость ферромагнетиков, в отличие от пара- и диамагнетиков имеет весьма большие значения и зависит от индукции магнитного поля, в котором находится вещество. Например, для железа =5000, для пермаллоя (78% Ni и 22% Fe) =100 000.

Изучение зависимости намагниченности железа и других ферромагнитных материалов от напряженности внешнего магнитного поля обнаруживает ряд особенностей этих веществ, имеющих важное практическое значение.

Рис. 1а

Возьмем кусок ненамагниченного железа, поместим его в магнитное поле и будем измерять намагниченность железа I , постепенно увеличивая напряженность внешнего магнитного поля H . Намагниченность I возрастает сначала резко, затем все медленнее и, наконец, при значениях H около нескольких сот эрстед намагниченность перестает возрастать: все элементарные токи уже ориентированы, железо достигло магнитного насыщения. Графически зависимость величины I ( H ) в описываемом опыте изображается кривой ОА на рис. 1б. Горизонтальная часть этой кривой вблизи А соответствует магнитному насыщению.

Достигнув насыщения, начнем ослаблять внешнее магнитное поле. При этом намагниченность железа уменьшается, но убывание это идет медленнее, чем раньше шло его возрастание. Зависимость между величинами I ( H ) в этом случае изображается ветвью кривой AС на рис. 1б. Мы видим, таким образом, что одному и тому же значению H могут соответствовать различные значения намагниченности (точки х, х и х" на рис. 1б) в зависимости от того, подходим ли мы к этому значению со стороны малых или со стороны больших значений H . Намагниченность железа зависит, стало быть, не только от того, в каком поле данный кусок находится, но и от предыдущей истории этого куска. Это явление получило название магнитного гистерезиса, т.е отставание изменения величины намагниченности ферромагнитного вещества от изменения внешнего магнитного поля, в котором находится вещество. [1]

Когда внешнее магнитное поле становится равным нулю, железо продолжает сохранять некоторое остаточную намагниченность, величина которого характеризуется отрезком ОС нашего графика. В этом и заключаетсяпричина того, что из железа или стали можно изготовлять постоянные магниты.

Для дальнейшего размагничивания железа нужно приложить внешнее магнитное поле, направленное в противоположную сторону. Ход изменения намагниченности I при возрастании напряженности этого противоположно направленного поля изображается ветвью CDE кривой. Лишь когда напряженность этого поля достигнет определенного значения (в нашем опыте значения, изображаемого отрезком OD ) , железо будет полностью размагничено (точка D ). Таким образом, величина напряженности размагничивающего поля (отрезок OD ) является мерой того, насколько прочно удерживается состояние намагничивания железа. Ее называют коэрцитивной силой. При уменьшении напряженности поля обратного направления и затем при возрастании напряженности поля первоначального направления ход изменения намагничивания железа изображается ветвью кривой EC'A. При новом повторении всего цикла размагничивания, перемагничивания и повторного намагничивания железа в первоначальном направлении форма этой кривой повторяется.

Рис. 1б. Кривая намагниченности железа: зависимость намагниченности I от напряженности внешнего магнитного поля H . Стрелки указывают направление процесса

(Ветвь ОА изображает ход намагничивания исходного ненамагниченного материала и не повторяется при повторных циклах. Для того чтобы вновь воспроизвести ветвь ОА , необходимо привести материал в первоначальное ненамагниченное состояние. Для этого достаточно, например, сильно нагреть его.)

Из рис. 1б видно, что эта кривая, изображающая ход зависимости намагниченности железа I от напряженности внешнего поля H , имеет вид петли. Ее называют петлёй гистерезиса для данного сорта железа или стали. Форма петли гистерезиса является важнейшей характеристикой магнитных свойств того или иного ферромагнитного материала.

В частности, зная ее, мы можем определить такие важные характеристики этого материала, как его магнитное насыщение, остаточное намагничивание и коэрцитивную силу.

Рис. 2. Кривые намагниченности для различных сортов железа и стали:

1 — мягкое железо; 2 — закаленная сталь; 3 — незакаленная сталь

На рис. 2 показана форма петли гистерезиса для различных сортов железа и стали.

Коэрцитивная сила и форма петли гистерезиса характеризуют свойство ферромагнетика сохранять остаточное намагничивание и определяют использование ферромагнетиков для различных целей. Ферромагнетики с широкой петлей гистерезиса называются жесткими магнитными материалами (углеродистые, вольфрамовые, хромовые, алюминиево-никелевые и другие стали). Они обладают большой коэрцитивной силой и используются для создания постоянных магнитов различной формы (полосовых, подковообразных, магнитных стрелок). К мягким магнитным материалам, обладающим малой коэрцитивной силой и узкой петлей гистерезиса, относятся железо, сплавы железа с никелем. Эти материалы используются для изготовления сердечников трансформаторов, генераторов и других устройств, по условиям работы которых происходит перемагничивание в переменных магнитных полях. Перемагничивание ферромагнетика связано с поворотом областей самопроизвольного намагничивания. Работа, необходимая для этого, совершается за счет энергии внешнего магнитного поля. Количество теплоты, выделяющейся при перемагничивании, пропорционально площади петли гистерезиса.

В отличие от тел парамагнитных и диамагнитных для ферромагнетиков магнитная проницаемость μ не остается постоянной, а зависит от напряженности внешнего намагничивающего поля Н . Эта зависимость для магнитного сплава (пермаллоя) и для мягкого железа показана на рис.3. Как мы видим, магнитная проницаемость имеет малые начальные значения в слабых полях, затем нарастает до максимального значения и при дальнейшем увеличении поля в катушке снова уменьшается.

К характерным особенностям ферромагнетиков также относят явление магнитострикции - искажения внешней формы ферромагнетика при его намагничивании. Связанная с таким искажением относительная деформация ∆ l / l обычно очень мала — по порядку величины она составляет 10^-5 -10^-6 , поэтому обнаружить ее можно лишь точными измерениями. Однако, несмотря на столь незначительное изменение размеров за счет магнитострикции, это явление оказывается существенным при рассмотрении доменной структуры и механизма намагничивания; кроме того, оно имеет множество практических применений.

Важно отметить, что при достижении определенной температуры магнитная проницаемость ферромагнитных тел резко падает до значения, близкого к 1 . Эта температура, характерная для каждого ферромагнитного вещества, носит название точки Кюри. (Речь идет не о том нагревании под действием вихревых токов Фуко, которое испытывают все металлы, помещенные в переменное магнитное поле, но о нагревании ферромагнитных тел, обусловленном их перемагничиванием и связанном со своеобразным внутренним трением в перемагничиваемом веществе.) При температурах выше точки Кюри все ферромагнитные тела становятся парамагнитными. У железа точка Кюри равна 767°С, у никеля 360°С, у кобальта около 1130°С. У некоторых ферромагнитных сплавов точка Кюри лежит вблизи 100°С.

Рис. 3. Зависимость μ от Н у магнитного сплава пермаллоя (1) и у мягкого железа (2)

В последнее время большое значение приобрели полупроводниковые ферромагнетики—ферриты, химические соединения типа MeO*Fe₂ O₃ , где Me—ион двухвалентного металла (Мn, Со, Ni, Сu, Mg, Zn, Cd, Fe). Они отличаются заметными ферромагнитными свойствами и большим удельным электрическим сопротивлением (в миллиарды раз большим, чем у металлов). Ферриты применяются для изготовления постоянных магнитов, ферритовых антенн, сердечников радиочастотных контуров, элементов оперативной памяти в вычислительной технике, для покрытия пленок в магнитофонах и видеомагнитофонах и т. д.

§ 3 МАГНИТНЫЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОНИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

Физические свойства железоникелевых сплавов начали изучаться еще в середине прошлого века. Вначале были исследованы магнитные свойства, причем максимальное внимание уделялось сплавам инварной (29-45% Ni) и пермаллойной (70-80% Ni) областей, что объясняется широким применением этих сплавов в вакуумной технике, электротехнике и радиотехнике. После получения в 1910 г. концентрационной кривой магнитной индукции насыщения исследователи, отвечая на запросы практики, выявили интересные свойства пермаллойных сплавов. Например, повышение максимальной проницаемости до 25·10⁴ гс/э испытывают сплавы с содержанием 65-70% никеля после прохождения так называемой термомагнитной обработки. Была обнаружена также зависимость начальной и максимальной проницаемостей от специальной термической (пермаллойной) обработки сплавов с 50-80% Ni.Среди них особенно выделяется сплав с 78% Ni, у которого начальная проницаемость возрастает от 2000 до 9000. Одна из причин особенных свойств 78-пермаллоя заключается в том, что у него константа магнитной анизотропии и константы магнитострикции близки к нулю, поэтому процесс намагничивания как смещением границ доменов, так и вращением векторов спонтанной намагниченности происходит с малой затратой энергии.

Магнитострикция насыщения λ бинарных Fe - Niсплавов подробно исследована рядом авторов. Оказалось, что сплавам с содержанием никеля около 5, 30 и 81% соответствует нулевое значение λ (рис.4). Отсутствие магнитострикции для сплава с 30% Niсвязано, вероятно, с тем, что он при комнатной температуре может быть неферромагнитен .

Лихтенбергер произвел измерение констант магнитострикции λ₁₀₀ , λ₁₁₁ ,λ₁₁₀ монокристаллах Fe-Niв области концентраций 30-100% никеля (рис.5). Видно, что для сплавов с 60% и 85% никеля все константы равны (сплавы указанных составов обладают изотропной магнитострикцией), а в интервале 30-45% Niконстанты магнитострикции имеют противоположные знаки (λ₁₀₀ <0 λ₁₁₁ >0, λ₁₁₀ >0). Существует узкая область сплавов (от 80% до 85% Ni), в пределах которой константы магнитострикции проходят через нуль и также имеют противоположные знаки.

Явление магнитострикции возникает за счет изменения магнитного взаимодействия атомов ферромагнитного вещества при переориентации векторов самопроизвольной намагниченности J_s доменов во внешнем магнитном поле. В связи с тем, что переориентацию могут вызвать и упругие механические напряжения, в сплавах при их деформации наблюдается механострикция, приводящая к отклонению от закона Гука. С явлением механострикции непосредственно связано явление увеличения под влиянием магнитного поля модуля упругости E Fe-Niсплавов (ΔΕ -эффект).

В середине прошлого столетия был открыт так называемый магнитоупругий эффект, который состоит в том, что при деформации ферромагнитных тел наблюдается изменение их намагниченности. Согласно теории при действии на ферромагнетик упругих напряжений изменяется ориентация векторов J_s доменов, на характер которой существенное влияние оказывает знак магнитострикции. Например, никель (λ < 0) при растяжении имеет меньшую намагниченность, чем в ненагруженном состоянии, а в ферромагнетиках с λ > 0 растяжение приводит к возникновению петли гистерезиса намагниченности прямоугольного вида.

Рис.4. Концентрационные кривые магнитострикции насыщения и константы магнитной анизотропии К поликристаллических сплавов системы железо - никель

Рис. 5. Магнитострикция монокристаллов железоникелевых сплавов

Магнитоупругий эффект в области парапроцесса (ΔJs-эффект) при односторонней деформации растяжения (механопарапроцесс) исследован Беловым. Помимо других поправок им было учтено также изменение намагниченности за счет уменьшения площади поперечного сечения образца при растяжении. Наиболее сильно в системе железо-никель ΔJ_S -эффект проявляется в инварных сплавах, линейно возрастая с увеличением растягивающей нагрузки. Например, относительное возрастание истинной намагниченности при действии нагрузок в 5 кг/мм на сплав 36% Ni- 64% Fе при температуре жидкого азота достигает 0,035%, при комнатных температурах - 0,13%, в области точки Кюри — 1, 2%. С позиций квантовомеханической теории ферромагнетизма этот факт объясняется сильной зависимостью обменного взаимодействия между спинами электронов соседних атомов от межатомных расстояний. При упругом растяжении даже небольшие изменения межатомных расстояний приводят к значительному усилению обменного взаимодействия, ответственного за ферромагнетизм, что и дает увеличение истинной намагниченности. Величину ΔJs-эффекта в области парапроцесса трудно подсчитать, даже если одновременно привлечь зонную и квантовомеханическую теории ферромагнетизма.

Инварные сплавы Fe-Ni обладают и другими интересными физическими свойствами. Так, сплав с γ-решеткой, содержащей 36% никеля, имеет минимальное значение коэффициента линейного расширения. Благодаря этому свойству, этот сплав применяют при изготовлении деталей точных измерительных приборов ив различных конструкциях с вакуумноплотными спаями. Шевенар впервые высказал догадку, что аномалия теплового расширения инвара имеет чисто ферромагнитную природу: при нагревании происходит магнитное превращение, которому сопутствует объемное изменение, компенсирующее обычное термическое расширение тела.

В инварной области наблюдается ухудшение упругих свойств, что, вероятно, обусловлено максимальным значением параметра кристаллической решетки (рис. 4). Исследование температурной зависимости модуля упругости инварного сплава с 42% Niпоказало, что возрастание модуля упругости с повышением температуры до точки Кюри (характерное для многих ферромагнетиков) сохраняется и в намагниченных до насыщения образцах (рис. 7), тогда как у неинварных сплавов в полях насыщения эта аномалия снимается [12]. Положительный знак температурного коэффициента модуля упругости в полях технического насыщения наблюдается в области 29-45% никеля (рис. 6); аномалия исчезает лишь при температурах выше точки Кюри [64]. Если аномалия температурной зависимости модуля Юнга у обычных ферромагнитных металлов и сплавов определяется в основном тем, что под воздействием внешних напряжений происходит переориентация векторов спонтанной намагниченности, то у инварных сплавов большую роль играет еще и вторая причина - изменение самой величины истинной намагниченности под действием напряжений (ΔJs-эффект), которое и обусловливает специфические температурные особенности поведения модуля упругости.

С явлением ΔJs-эффекта тесно связано явление смещения точки Кюри ферромагнетика под действием упругих напряжений, обнаруженное Беловым [65] в инварных железоникелевых сплавах. Ферромагнетизм у сплавов инварной области обусловлен обменным взаимодействием атомов не только первой координационной сферы, но и последующих. Подтверждением этому является тот факт, что ферромагнитное превращение инваров чрезвычайно размыто по температурному интервалу. Возможно, что упругие напряжения меняют параметры первой и последующих координационных сфер, а это, в свою очередь, вызывает изменение обменного взаимодействия. Если намагниченность возрастает, то это приводит к смещению точки магнитного превращения в сторону более высоких температур [12, 65].

Рис. 6. а) модуль нормальной упругости и б) кривые температурного коэффициента модуля нормальной упругости (1 ) и параметра кристаллической решетки ( 2 ) сплавов системы железо - никель

Парапроцесс, как и процессы смещения границ доменов и вращения векторов Jsдоменов во внешнем магнитном поле, сопровождается магнитострикцией, которая изменяет, в основном, объем ферромагнетика. В системе железо-никель максимальное значение объемной магнитострикции парапроцесса также приходится на инварные сплавы. В сущности, это термодинамическое следствие того, что в инварах обменная энергия сильно зависит от межатомных расстояний. Поэтому не случайно Деринг связывал аномалию температурного коэффициента модуля упругости инваров с аномалией объемной магнитострикции в области парапроцесса.

На инварные сплавы железо-никель приходится также максимум электросопротивления и минимум теплопроводности.

В настоящее время существует несколько точек зрения на природу инварных аномалий в железоникелевых сплавах, каждая из которых, хорошо согласуясь с частью наблюдаемых инварных эффектов, не в состоянии охватить проблему в целом. Это работы Белова К. П., Кондорского E. И., Вейса , Сидорова С. К. и др., Шаги и др.

Идея Кондорского о том, что особенности инварных аномалий связаны с отрицательным обменным взаимодействием атомов γ-фазы железа была подтверждена при квантовомеханическом рассмотрении проблемы и широкими экспериментальными исследованиями. Рассматривая работы по принципу подхода в них к электронной структуре атомов в инварных сплавах Fе- Ni, можно сделать вывод, что все инварные аномалии не могут быть объяснены в настоящее время ни с точки зрения коллективизированых, ни с точки зрения локализованных 3d-электронов.

Рис. 7. Температурная зависимость модуля упругости:

а) сплава Fe - 42 % N i в магнитных полях: 1 - О; 2 - 40;

3 - 575 эрстед

б) чистого никеля в магнитных полях: 1-575; 2 -106;

3-41; 4 - 10; 5 - 6; 6 - 0 эрстед