Классификация веществ по магнитным свойствам

Таблица 4. Ряд наиболее простых антиферромагнетиков. 

 

 Антиферромагнетизм, одно из магнитных состояний вещества, отличающееся тем, что элементарные (атомные) магнитики соседних частиц вещества ориентированы навстречу друг другу (антипараллельно), и поэтому намагниченность тела в целом очень мала. Этим Антиферромагнетизм отличается от ферромагнетизма, при котором одинаковая ориентация элементарных магнитиков приводит к высокой намагниченности тела. 
 
 
 
 

Кривая  намагничивания магнитного материала 

 Зависимость макрообъема ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля. Для получения кривой намагничивания в качестве исходного принимают размагниченное состояние образца, при котором в отсутствии внешнего поля индукция равна нулю, т.к. магнитные моменты доменов статистически равновероятно распределяются по всем возможным направлениям легкого намагничивания. На практике размагничивание ферромагнетика осуществляется путем воздействия переменным магнитным полем, амплитуду напряженности которого понижают до нуля. 
 
 

Рис. 1. а — кривая первого  намагничивания: I —  область обратимого намагничивания, II —  область Рэлея, III — область наибольших проницаемостей, IV —  область приближения  к насыщению, V — область парапроцесса; б — схематическое изображение процессов намагничивания в многодоменном ферромагнетике. 

1-я зона характеризует  обратимое смещение доменных  границ. 2-я зона – область сильных  полей; характеризует смещение  доменных границ. 3-я зона – механизм намагничивания увеличивается; домены имеют небольшой угол с Н; 4-я зона – техническое насыщение; все домены ориентированы зоне Н. 
 
 

Явление магнитострикции 

  Магнитострикция  — эффект изменения формы тела при воздействии на него магнитного поля. Эффект вызван изменением взаимосвязей между атомами в кристаллической решётке, и поэтому свойственен всем веществам. Изменение формы тела может проявляться, например, в растяжении, сжатии, изменении объёма, что зависит как от действующего магнитного поля, так и от кристаллической структуры тела. Наибольшие изменения размеров обычно происходят у сильномагнитных материалов. Их относительное удлинение ΔL / L обычно варьируется в пределах 10-5…10-2. 

 При перемагничивании  ферромагнетика имеет место магнитное взаимодействие элекектронов, которое влияет на межатомное расстояние, вызывая деформацию кристаллической решетки, что сопровождается изменением линейных размеров тела и появлением соответствующей магнитоупругой энергии. Это явление называется магнитострикцией.

ри перемагничивании ферромагнетика имеет место магнитное  взаимодействие элекектронов, которое  влияет на межатомное расстояние, вызывая  деформацию кристаллической решетки, что сопровождается изменением линейных размеров тела и появлением соответствующей магнитоупругой энергии. Это явление называется магнитострикцией.

ри перемагничивании ферромагнетика имеет место магнитное  взаимодействие элекектронов, которое  влияет на межатомное расстояние, вызывая  деформацию кристаллической решетки, что сопровождается изменением линейных размеров тела и появлением соответствующей магнитоупругой энергии. Это явление называется магнитострикцией. 
 

Магнитные и  другие физические свойства ферромагнетиков  обладают специфической зависимостью от температуры Т. Намагниченность насыщения Js имеет наибольшее значение при Т = 0 К и монотонно уменьшается до нуля при Т = Q. 
 

Ферриты и их свойства 

  Ферриты – оксидные магнитные материалы со спокойной намагничиванностью доменов из-за некомпенсированного антиферромагнетизма. Ферритами называют ферромагнитные материалы, получаемые из смеси окислов железа, цинка и других элементов. При изготовлении магнитопроводов смесь размалывают, прессуют и отжигают при температуре около 1200 ­ 0С; таким образом, получают магнитопроводы нужной формы. Ферриты обладают очень большим удельным сопротивлением, вследствие чего потери из-за вихревых токов чрезвычайно, малы и их можно применять при высокой частоте.

Ферриты обладают значительной начальной магнитной  проницаемостью, незначительной индукцией  насыщения(0,18 – 0,32Тл) и малой коэрцитивной силой (8 – 80 А/м).

По электрическим  свойствам ферриты относятся  к классу полупроводниковых или  даже диэлектриков. Их электропроводность обусловлена процессами электронного обмена между ионами переменной валентности. Применение: магнитомягкие ферриты с начальной магнитной проницаемостью 400-20 тыс. в слабых полях во многих случаях эффективно заменяют листовые ферромагнетические материалы (пермолой, электротехническую сталь). В средних и сильных магнитных полях такая замена не целесообразна,т.к. у ферритов меньше индукция насыщения. Ферриты или магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) находят широкое применение в устройствах автоматики, вычислительной техники, в аппаратуре телеграфной связи. Сердечники у ферритов имеют два устойчивых магнитных состояния, соответствующих различным направлениям остаточной магнитной индукции. Именно благодаря этой особенности их можно использовать в качестве элементов для хранения и переработки двоичной информации. Запись и считывание информации осуществляются переключением сердечника из одного магнитного состояния в другое с помощью импульсов тока, создающих требуемую напряженность магнитного поля.

      Двоичные  элементы на ферритах характеризуются  высокой надежностью, малыми габаритами, низкой стоимостью, относительной стабильностью характеристик. Они обладают практически неограниченным сроком службы,  сохраняют записанную информацию при отключенных источниках питания.

      К материалам и изделиям этого типа предъявляют ряд специфических требований,  а для их характеристики привлекают некоторые дополнительные параметры. Основным из таких параметров является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса К_пу, представляющий собой отношение остаточной индукции В_r к максимальной индукции В_max:

К_пу = В_r/В_max

      Для определенности В_max измеряют при H_max = 5H_c. Желательно, чтобы К_пу был возможно ближе к единице. Для обеспечения быстрого перемагничивания сердечников они должны иметь небольшой коэффициент переключения S_q, численно равный количеству электричества на единицу толщины сердечника, которое необходимо для перемагничивания его из одного состояния остаточной индукции в противоположное состояние максимальной индукции.

      Кроме того, ферриты должны обеспечивать малое время перемагничивания,  возможно большую температурную стабильность магнитных характеристик, а следовательно, иметь высокую температуру Кюри и некоторые другие свойства. 

 Магнитодиэлектрики  – это материалы, получаемые  из смеси

мелкозернистого ферромагнитного порошка  с диэлектриком (поливинилхлорид,

полиэтилен). Смесь  формуют, прессуют и запекают; в результате мельчайшие

частицы ферромагнетика оказываются разделенными электроизолирующей пленкой из

немагнитного  материала.

     Ферриты  и магнитодиэлектрики широко  применяются в качестве

сердечников в  аппаратуре проводной и радиосвязи, в магнитных усилителя,

вычислительных  машинах и в других областях техники.

В настоящее  время ведутся разработки новых  видов магнито-мягких материалов. 
 

Ферриты для устройств  СВЧ 

 Диапазон  СВЧ соответствует длинам волн от 1м до 1мм. В аппаратуре и приборах, где используются электромагнитные волны диапазона СВЧ, необходимо управлять этими колебаниями: переключать поток энергии с одного направления на другое, изменять фазу колебаний, поворачивать полоскость поляризации волны, частично или полностью поглощать мощность потока.

      Электромагнитные  волны могут распространяться в  пространстве, заполненном диэлектриком, а от металлов они почти полностью  отражаются. Поэтому металлические поверхности используют для направления волн, их концентрации или рассеяния. Электромагнитная энергия СВЧ чаще всего передается по волноводам,  представляющим собой трубы. В качестве твердых материалов для управления потоком энергии в волноводах используют ферриты СВЧ и некоторые немагнитные активные диэлектрики. Магнитными характеристиками первых можно управлять с помощью внешнего магнитного поля, электрическими свойствами вторых - за счет внешнего электрического поля.

      Практическое  применение ферритов СВЧ основано на: а) магнитооптическом эффекте Фарадея; б) эффекте ферромагнитного резонанса; в) изменении внешним магнитным полем значения магнитной проницаемости феррита.

      Магнитооптический эффект Фарадея заключается в повороте плоскости поляризации высокочастотных колебаний в намагниченном за счет внешнего поля феррите. При этом могут быть получены различные углы поворота плоскости поляризации, а следовательно, и коммутирование энергии в разные каналы.

      Ферромагнитный  резонанс наблюдается при совпадении частоты внешнего возбуждающего поля с собственной частотой прецессии спинов электронов.  Собственная частота прецессии зависит от магнитного состояния образца, а потому ее можно изменять с помощью постоянного подмагничивающего  (управляющего) поля Н_. При резонансе резко возрастает поглощение энергии электромагнитной волны, распространяющейся в волноводе в обратном направлении;  для волны прямого направления поглощение оказывается значительно меньшим. В результате получается высокочастотный вентиль. Рассмотренный эффект наиболее сильно проявляется в том случае, когда напряженности переменного возбуждающего поля и постоянного подмагничивающего полей взаимно перпендикулярны.

      Если  частоту внешнего поля поддерживать постоянной, а изменять напряженность подмагничивающего поля Н_, то вентильные свойства феррита будут проявляться в довольно узком интервале напряженностей постоянного поля DН_, называемом шириной линии ферромагнитного резонанса. Чем меньше значение DН_, тем сильнее поглощение электромагнитной энергии, что благоприятно сказывается на характеристиках ряда СВЧ-устройств (антенные переключатели и циркуляторы, служащие для распределения энергии между отдельными волноводами;  фазовращатели; фильтры; модуляторы; ограничители мощности и др.).

      Помимо  достижения узкой линии резонанса к ферритам СВЧ предъявляют ряд специфических требований. Основными из них являются:

1) высокая чувствительность  материала к управляющему полю (возможность управления относительно слабым внешним полем);

2) высокое удельное  объемное сопротивление (10⁶-10⁸ Ом·м) и возможно меньший тангенс угла диэлектрических потерь (10^-3 - 10^-4), а также возможно меньшее значение магнитных потерь вне области резонанса, обеспечивающее малое затухание в феррите; 

3) температурная  стабильность свойств и возможно  более высокое значение  точки Кюри.  В отдельных случаях к ферриту предъявляют и другие требования, которые могут быть даже противоречивыми. Большинство требований удовлетворяется при использовании магний-марганцевых ферритов с большим содержанием окиси магния.

      Для некоторых целей применяют литий-цинковые и никель-цинковые ферриты и ферриты сложного состава (полиферриты).

      Конфигурация  и размеры ферритового изделия, с одной стороны, определяются принципом действия прибора, а с другой, зависят от свойств самого материала. В различных приборах СВЧ применяемые ферритовые вкладыши имеют форму прямоугольной пластины, равностороннего треугольника, кольца, диска или сферы. При определенной геометрии вкладыша обеспечивается наилучшее согласование его с волноводом, т.е. получается минимальное отражение электромагнитной волны от феррита. Для изготовления вкладышей используются как поликристаллические материалы, так и монокристаллы ферритов. Последние характеризуются более узкой шириной линии ферромагнитного резонанса. 
 

Точка Кюри 

 Точка Кюри, или температура Кюри, — температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества (например, магнитной — в ферромагнетиках, электрической — в сегнетоэлектриках, кристаллохимической — в упорядоченных сплавах). Назван по имени П. Кюри, подробно изучившего этот переход у ферромагнетиков. При температуре T ниже точки Кюри Q ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью и определённой магнитно-кристаллической симметрией. В точке Кюри (T = Q) интенсивность теплового движения атомов ферромагнетика оказывается достаточной для разрушения его самопроизвольной намагниченности («магнитного порядка») и изменения симметрии, в результате ферромагнетик становится парамагнетиком. Аналогично у антиферромагнетиков при T = Q (в так называемой антиферромагнитной точки Кюри или точке Нееля) происходит разрушение характерной для них магнитной структуры (магнитных подрешёток), и антиферромагнетики становятся парамагнетиками. В сегнетоэлектриках и антисегнетоэлектриках при T = Q тепловое движение атомов сводит к нулю самопроизвольную упорядоченную ориентацию электрических диполей элементарных ячеек кристаллической решётки. В упорядоченных сплавах в точке Кюри (её называют в случае сплавов также точкой Курнакова) степень дальнего порядка в расположении атомов (ионов) компонентов сплава становится равной нулю.