Ферромагнетики

і середніх полях і малі утрати від гистерезиса і вихрових струмів , унаслідок чого вони можуть застосуються для магнитопроводов, що працюють при підвищеній частоті струму .

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

Пермаллои - це сплави різного процентного вмісту заліза і нікелю, а деякі з них , крім того, молібдену, хрому, кремнію, алюмінію. Пермаллои мають високу магнітну проникність, у 10-15 разів більшу, ніж у листової електротехнічної сталі. У цих сплавах індукція насичення досягається при малих напряженностях 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 высоконикелевые пермаллои, що наприклад містить 79% нікелю і 3,8% молібдену, у якого Мн=22000; Мmax=120000; Bs=0,75Тл. До другої групи відносяться низконикелевые пермаллои, що наприклад містять 45% нікелю, у якого Мн=2500; Мmax=23000; Bs=1,5Тл.

У пермаллоів із прямокутною петлею гистерезиса (мал. 6) ступінь прямокутности 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.

У таблиці приведені дані про магнітні властивості деяких магніто-м'яких матеріалах. Такі матеріали намагнічуються у відносно слабких магнітних полях і мають високі значення початкової µн і максимальної µmax магнітних проникностей, малим значенням коерцитивної сили Hc . Значення Bmax - максимальної магнітної індукції - відповідає намагніченості насичення ферромагнетиків.

Магнітні властивості деяких магніто-м'яких матеріалів

Ферромагнетик	В_max Tл	µ_н	µ_max	Н_с А/м	Властивості
Альсифер	1,1	20000	117000	1,8	Відрізняється механічною твердістю і крихкістю. Володіє малої коер-ою силою і високими значеннями магнітних проникностей. Питомий ел. опір 0,6 мком·м. Йде на виготовлення магнитопро-д, корпусів приладів .
Пермаллои високо - нікелеві	0,70-0,75	14000-50000	60000-300000	0,8-4,8	Сплав, що володіє високою магнітною проникністю і невеликою коер-ою силою. Застосовується для виготовлення сердечників слабкострумових транс-ів звукового діапазону, дроселів і т.д.
Електротехнічна сталь	2	200-600	3000-8000	9,6-64,0	Сталь електротехнічна (тран-а) використовується для виготовлення сердечників транс-ов, дроселів, эл. машин і т.д.
Ферриты нікель-цинкові і марганець-цинкові	0,18-0,40	100-6000	3000-10000	8-120
Залізо (технічно чисте , хв. у домішок)	2,16	250	7000	64
Магнитопроводы ГАММАМЕТ^®412А	1,12		600 000	1,2	Область застосування: магнітні підсилювачі, імпульсні трансформатори, дроселі насичення, магнітні ключі. Температура Кюрі 610 °C Щільність: 7400 кг/м3 Питоме электросопротивление: 1,25•10-6 Ом•м

У таблиці приведені дані про магнітні властивості деяких магніто-м'яких матеріалах. Такі матеріали намагнічуються у відносно слабких магнітних полях і мають високі значення початкової µн і максимальної µmax магнітних проникностей, малим значенням коэрцитивной сили Hc . Значення Bmax - максимальної магнітної індукції - відповідає намагніченості насичення ферромагнетиків

б) 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 коерцитивная 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 коэрцитивной силою Hc =20 000*60 000 А/м і залишковою індукцією Br=0,4*0,7 Тл.

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 ω=Br ּHc і порівняно малими значеннями магнітної проникності.

Ферромагнетик	Н_с, А/м	В_r, Tл	ω_max, Дж/м³	Властивості
Альни-3	40000	0,5	7200	Сплави мають великі значення коэрцитивной сили і залишковою індукцією. Щільність 6900 кг/м3 (альни) і 7100 кг/м3 (альнико). Застосовуються для виготовлення литих постійних магнітів.
Альнико-15	48000	0,75	12000
Альнико-18	52000	0,90	19400
Магнико	40000	1,23	32250	Высококоерцитивний сплав, щільністю 7000кг/м3. Сплав використовується для виготовлення постійних магнітів. Магніти з магнико при рівномірній магнітній енергії в 4 рази легше магнітів зі сплаву альни.

Експериментальне вивчення властивостей ферромагнетиків.

Великий внесок в експериментальне вивчення властивостей ферромагнетиков 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 потокосцепления 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 ферромагнетиков (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 гистерезиса, спостерігаючи петлю на екрані приладу .

Розглянемо пристрій експериментальної установки .

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 .

Ферромагнетики без металів?

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 гетероциклическим з'єднань . Виразна назва "паранитрофенилнитронилнироксид", 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 органометаллический 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 викомалтання для обробки інформації специфічних доменних структур- смугових, циліндричних доменів (ЦМД) і ряду інших. Довгий час мікромініатюризація магнітних елементів і пмалтроїв значно відставав від мікромініатюризації напівпровідникових пмалтроїв. Однак, в останні роки тут досягнуті великі успіхи. Вони зв'язані з можливістю викомалтання одиничного магнітного домена як елементарного носія інформації. Звичайно таким носієм інформації є ЦМД. Він формується за певних умов у монокмалталлических чи пластинках плівках деяких ферритов.

Доменна структура таких тонких ферритових 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 поле, 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 оставшиеся смугові домени перетворюються в циліндричні. ЦДМ можуть зникнути (коллапсировать) при досягненні деякого значення поле і, таким чином, уся плівка намагнітиться однородно. Уперше ЦДМ спостерігалися в плівках ортоферритов – речовинах, що мають хімічну формулу

Rfe₃, де R- рідкоземельный елемент.

ЦДМ можуть викомалтовуватися для створення запам'ятовуючих і логічних пмалтроїв. 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 пмалутність 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