Зависимость магнитных свойств ферромагнетика

От дефектов структуры

Анализ процессов намагничивания и перемагничивания позволил в ряде случаев установить связь таких магнитных свойств, как коэрцитивная сила и начальная магнитная проницаемость с величиной и распределением немагнитных включений в ферромагнитных материалах, а также величиной и распределением в них напряжений.

Явление гистерезиса (т.е. наличие остаточной индукции, коэрцитивной силы) обусловлено необратимым намагничиванием. Необратимое намагничивание соответствует крутому подъему кривой намагничивания или крутой части гистерезисной петли в области коэрцитивной силы. Оно обусловлено смещением междоменных границ, если тело состоит из крупных ферромагнитных кристаллов, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Если же магнетик состоит из мелких однодоменных ферромагнитных частиц, изолированных одна от другой слабомагнитным веществом так, что их взаимодействие пренебрежимо мало, то необратимое намагничивание будет обусловлено вращением вектора каждого изолированного домена.

Рассмотрим процесс смещения границы. Коэрцитивная сила приблизительно равна критическому полю , в котором происходит смещение границы, если она пришла в движение под влиянием более сильного поля , называемого полем старта.

Теория коэрцитивной силы при наличии неферромагнитных включений (Е.И.Кондорский) основана на допущении, что . Это означает, что на процесс намагничивания преимущественное влияние оказывает кристаллическая анизотропия.

Рис. 1.37. Схема смещения границы при образовании структуры «шлейфа»

Из теории следует и экспериментально подтверждается, что при возникновении полей рассеяния возле включений образуется доменная субструктура, так называемая структура «шлейфа» (рис. 1.37). Магнитный поток как бы обходит включение и внутри домена возле включения (на рис. 1.37а – заштрихованный квадрат) образуются малые домены «треугольной» формы. Длинными сторонами треугольника на рис. 1.37а изображены дополнительно возникшие междоменные границы.

При росте домена 1 за счет домена 2 , т.е. при переходе границы АВ (рис. 1.37б) через включение размером , происходит увеличение поверхностной энергии на величину , где - смещение границы.

Согласно теории Е.И. Кондорского, для гетерогенных материалов

, (1.98)

где - объемное содержание включений. Принято, что . Макроскопические поры действуют так же, как и неферромагнитные включения. Выражение (1.98) справедливо для .

В более точной модели зависимость от - не монотонная, а проходит через максимум при = 1, а по величине < , так как в реальных сплавах имеет порядок 0,01 – 0,1.

В теории напряжений (Е.И. Кондорский), наоборот, принято, что влияют преимущественно внутренние напряжения ( ). В таком случае изменение энергии границы , где . Эта энергия приравнивается энергии намагничивания в объеме ( - площадь междоменной границы) и

, (1.99)

а так как , то

. (1.100)

Видно, что основное значение имеет градиент напряжений. При линейно напряженном состоянии (рис. 1.38)

, (1.101)

где принято, что . На рис. 3.18 показано, что этот градиент тем больше, чем больше амплитуда и чем меньше период .

Рис. 1.38. Распределение внутренних напряжений

для линейно-напряженного состояния

В зависимости от соотношения толщины границы и периода напряжений ( и ) уточненная теория дает следующие значения коэрцитивной силы:

при << следует ,

при >> следует . (1.102)

При получается максимально возможная коэрцитивная сила

. (1.103)

Как уже говорилось, смещение границы задерживается не только напряжениями, но и включениями. При наличии включений смещение границы сопровождается и изменением плотности поверхностной энергии, и изменением площади граничной поверхности, и изменением , обусловленным возникновением магнитных полей рассеяния вокруг включений.

Хотя в разных теориях учитываются различные материальные константы вещества – в теории напряжений учитывается магнитострикция, а в теории включений константа кристаллической анизотропии, по-видимому, последняя может влиять на величину и в отсутствие включений, если микронапряжения очень велики и сосредоточены в малых объемах. В этих сильно напряженных участках магнитная восприимчивость будет очень малой и резко отличающейся от восприимчивости основного ферромагнетика. Эти участки будут влиять как включения.

При очень малых коэрцитивных силах в так называемых магнитомягких материалах необратимое намагничивание осуществляется смещением границ между доменами. Для магнитотвердых материалов коэрцитивная сила может достигать сотен и тысяч ампер на метр также при смещении границ, если велика константа анизотропии. В однодоменных частицах перемагничивание осуществляется вращением вектора .

Согласно Е.И. Кондорскому, абсолютно изолированная однодоменная частица может иметь коэрцитивную силу

, (1.104)

где и - размагничивающие факторы поперек и вдоль частицы.

Фактически в гетерогенных материалах, в которых мелкие ферромагнитные частицы разделены немагнитной фазой, магнитным взаимодействием частиц полностью пренебречь нельзя и коэрцитивная сила всегда меньше рассчитанного по формуле (1.104) значения.

Процесс вращения вектора в однодоменной частице определяется как размагничивающим фактором частицы, так и анизотропией , куда входят как кристаллическая, так и магнитоупругая энергия.

Ниже приведены эмпирические формулы для [А/м] железа и никеля, а также значения их кристаллической анизотропии и магнитострикции:

Fe: , , Дж/м³ , ;

Ni: , , .

Здесь - по-прежнему концентрация включений, а - часть объема сильно искаженной решетки. Видно, что для железа из-за большой кристаллической анизотропии основную роль в повышении играют включения ( ). В никеле, наоборот, эта роль принадлежит напряжениям из-за большой величины .

Для оценки величин коэрцитивной силы и начальной магнитной восприимчивости также используют следующие обобщенные выражения:

, (1.105)

, (1.106)

где - суммарная сила, препятствующая смещению доменной границы; - её максимальное значение; - намагниченность насыщения; - поперечный размер домена; - площадь доменной границы. Сравнивая выражения (1.105) и (1.106) и учитывая, что при различных воздействиях на ферромагнетик (тепловых, деформационных) увеличение градиента силы , как правило, сопровождается увеличением ее максимального значения, можно отметить, что между величинами коэрцитивной силы и начальной магнитной восприимчивости должна существовать корреляция вида . Такая зависимость часто наблюдается в действительности.

Таблица 1.3.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: