КАК ПРОИСХОДИТ НАМАГНИЧИВАНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Познакомимся теперь более детально с тем, как происходит намагничивание ферромагнетиков. Этот вопрос представляет не только научный, но и большой технический интерес, так как без знания механизма намагничивания и перемагничивания ферромагнитных материалов было бы невозможно их правильное применение в различных приборах и аппаратах. Поэтому учёные уже давно начали изучать процессы намагничивания и перемагничивания в ферромагнетиках.
В парамагнитных веществах процесс намагничивания довольно прост. По мере возрастания силы магнитного поля (что осуществляется увеличением силы электрического тока в катушке электромагнита) атомные магнитики располагаются всё более параллельно полю. Этот процесс происходит постепенно, и намагниченность тела также растёт постепенно. Только при огромном магнитном поле мы достигли бы максимальной намагниченности парамагнитного тела. При этом магнитные моменты всех атомов
почти полностью повернулись бы в направлении поля, и парамагнитное тело намагнитилось до насыщения. Но пока мы ещё не располагаем источниками таких сильных магнитных полей.
У диамагнитных веществ дело обстоит примерно так же. С увеличением поля намагниченность растёт равномерно; однако здесь не наблюдается даже намёка на насыщение.
В ферромагнитных веществах процесс намагничивания гораздо сложнее. Рост намагниченности здесь протекает неравномерно и очень бурно. Насыщение достигается уже в сравнительно небольших магнитных полях. Есть такие ферромагнитные материалы, которые намагничиваются до насыщения в ничтожно слабых полях, например, в земном магнитном поле. Другие ферромагнитные материалы требуют для своего насыщения более сильных магнитных полей, но эти поля всегда неизмеримо меньше, чем поля, требующиеся для намагничивания парамагнитных веществ. Лёгкость, с которой достигается магнитное насыщение в ферромагнетиках, нетрудно объяснить: это связано с тем, что отдельные участки ферромагнетика уже намагничены до насыщения. Роль внешнего поля состоит только в том, чтобы ориентировать магнитные моменты всех областей самопроизвольной намагниченности по полю.
Есть ещё особенности, которые отличают ферромагнитные материалы от парамагнитных. В парамагнитных телах после выключения поля атомные магнитные моменты приходят в первоначальное беспорядочное расположение, и намагниченность опять становится равной нулю. У ферромагнетиков же после выключения магнитного поля или уменьшения его величины часть областей возвращается в прежнее беспорядочное состояние, а другая часть остаётся в направлении поля или близком к нему. Это явление называют магнитным гистерезисом (от греческого слова «отстаю, запаздываю»). Поэтому в ферромагнетике наблюдается некоторая остаточная намагниченность.
В некоторых ферромагнитных материалах, к которым принадлежат, например, мягкое железо, сплав пермаллой (78% никеля и 22% железа) и др., остаточная намагниченность очень неустойчива. Достаточно встряхнуть материал или поместить его в слабое переменное поле, и остаточная намагниченность почти полностью исчезает. Но в других материалах, таких, как закалённая сталь, остаточная намагниченность удерживается долгое время, несмотря на внешние воздействия. Такой материал может служить магнитом.
Мерой устойчивости остаточной намагниченности в каком-либо ферромагнитном материале служит то магнитное поле, которое уничтожает эту остаточную намагниченность. Это поле называется задерживающей или, как говорят в технике и физике, коэрцитивной силой (от латинского слова «коэрситио» — удерживание). Чем больше коэрцитивная сила, тем прочнее в материале удерживается остаточная намагниченность, и с тем большим успехом этот материал может быть использован как магнит.
Опыты показали, что ферромагнитные материалы, помещённые в переменное поле (изменяющееся и по величине, и по направлению), выделяют некоторое количество теплоты. Эту теплоту называют теплотой гистерезиса. Она особенно велика в материалах, имеющих большие остаточную намагниченность и коэрцитивную силу.
Почему же одни ферромагнитные материалы достигают насыщения при очень слабых полях, а другие только при очень сильных? Почему в одних материалах остаточная намагниченность устойчива, а в других она быстро разрушается? В чём состоит природа теплоты гистерезиса? Для того чтобы разобраться в этих вопросах, необходимо хотя бы коротко познакомиться с внутренним строением ферромагнитных материалов.
Известно, что в твёрдых телах атомы расположены в строгом порядке, симметрично относительно друг друга, образуя кристаллическую ячейку[5]). Множество таких ячеек образует так называемую пространственную кристаллическую решётку.
Для железа и никеля кристаллические ячейки имеют вид куба, поэтому их пространственные решётки называют кубическими (рис. 21, а, б). Разница между кристаллической решёткой железа и никеля состоит в том, что в ячейке железа атомы расположены в центре и по углам куба, в никеле же, кроме того, имеются атомы, расположенные в центрах каждой плоскости или грани. Ещё сложнее устроен кристалл кобальта, его ячейка имеет вид шестигранной призмы (рис. 21, в). Такая система кристаллов называется гексагональной (по-гречески «гекса» — шесть, гонио — грань).
Обычные магнитные материалы состоят не из одного кристалла, а из множества мелких кристаликов, соприкасающихся друг с другом. Их можно видеть, например, на изломе куска металла. Такие металлы называют поликристаллическими (поли — много).
Вания в кристаллах: а — железа, б — никеля ив — кобальта. |
Расположение кристаликов в поликристаллическом металле можно изменять, подвергая его механической обработке (прокатке между вальцами прокатного стана, ковке молотом и т. д.) и термической обработке (отжигу, т. е. нагреву до определённой температуры и последующему медленному охлаждению, закалке, т. е. нагреву и быстрому охлаждению, и т. д.). Под действием этих обработок кристалики меняют своё положение в теле и деформируются (растягиваются в одном направлений и сжимаются в другом). При этом атомы, из которых состоят кристалики, могут несколько «выходить» со своих мест, что нарушает правильность кристаллической решётки.
Тот же результат дают примеси различных элементов. Металл редко бывает свободным от примесей. Атомы примесей могут располагаться или между отдельными кри-
сталиками, или в решётке самого кристалла. Это также искажает решётку и приводит её в напряжённое состояние. Атомы посторонних веществ, находясь вблизи атомов ферромагнитного тела, влияют на их электрическое и магнитное взаимодействие, а это может привести к существенному изменению самопроизвольной намагниченности, а часто и к исчезновению её.
Количество примесей может изменяться в весьма широких пределах вплоть до той величины, когда оно уже перестанет быть «примесью», т. е. когда мы получаем уже смесь или раствор двух веществ. Такое смешанное вещество и называется сплавом.
В некоторых сплавах атомы одного вещества располагаются в кристаллической решётке второго строго определённым образом. Такие сплавы называются упорядоченными. В других сплавах, наоборот, атомы примеси располагаются без всякого порядка. Такие сплавы называются неупорядоченными.
Как же влияют все эти особенности строения, или, как часто говорят, структуры вещества, на процесс намагничивания?
Прежде всего посмотрим, как происходит процесс намагничивания в одном отдельном кристалле ферромагнитного материала. Чтобы изучить этот процесс, получают отдельные кристаллы железа, никеля, кобальта и сплавов достаточно больших размеров, чтобы на них можно было проводить магнитные измерения. Такая задача очень трудна и требует много времени. Для приготовления, например, кристалла никеля необходимо медленно, в течение многих суток, охлаждать расплавленный никель от точки плавления до комнатной температуры. При этом в отдельных местах расплава возникают зародышевые кристаллы, которые затем вырастают до больших размеров.
Измерения магнитных свойств таких кристаллов дали интересные результаты. Оказывается, в некоторых направлениях намагничивание кристалла происходит легко и насыщение достигается даже в слабых полях; в других же направлениях намагнитить кристалл гораздо труднее — для этого требуются очень сильные поля.
33 |
Иными словами, магнитные моменты областей под действием поля в одних направлениях по отношению
3 К. П. Белоз
К решётке кристалла поворачиваются сравнительно свободно, а в других — так, как будто их повороту препятствуют какие-то силы. Это явление получило название магнитной анизотропии (анизотропия — неодинаковость свойств в различных направлениях кристалла), а силы, препятствующие повороту магнитных моментов — силами магнитной анизотропии. Направления, в которых эти моменты поворачиваются свободно, называются осями лёгкого намагничивания. Направления же, в которых они поворачиваются с трудом, называются осями трудного намагничивания.
Расположение осей лёгкого намагничивания в кристаллических ячейках железа, никеля, а также и кобальта, показано на рис. 21 стрелками.
Магнитные моменты областей «предпочитают» располагаться в кристалле вдоль направлений лёгкого намагничивания, так как для них эти направления более устойчивы, чем направления трудного намагничивания.
Выражаясь образно, мы можем сказать, что область, магнитный момент которой расположен вдоль оси лёгкого намагничивания, лежит как бы в «яме» и поэтому находится в устойчивом равновесии. Область же, магнитный момент которой расположен вдоль оси трудного намагничивания, лежит на «горбе» и, следовательно, находится в неустойчивом равновесии. Если есть достаточно сильное магнитное поле, направленное по оси трудного намагничивания, то область благодаря ему ещё может удержаться на «горбе». Поле как бы преодолевает силы анизотропии, которые «тянут» магнитный момент области в направлении лёгкого намагничивания, т. е. в «яму». Чем больше силы анизотропии, тем большее поле нужно приложить, чтобы преодолеть эти силы. Если поле выключить, то область не может удержаться на «горбе» и «падает» в «яму», т. е. её магнитный момент резко поворачивается в направление лёгкого намагничивания. При этом выделяется некоторое количество тепла, подобно тому, как это происходит при обычном падении тела на землю. Поворот магнитного момента области и обусловливает тепло гистерезиса.
Имеются и другие причины этого явления, на которых мы останавливаться не будем.
Существование магнитной анизотропии объясняется тем, что в кристалле между атомами действуют магнитные силы. Так как межатомные расстояния в кристаллической решётке неодинаковы (например, диагональ кубической ячейки всегда больше её ребра), то и силы в разных направлениях кристалла различны. Таким образом, магнитная анизотропия определяется характером кристаллической решётки ферромагнетика. Хотя магнитное
Рис. 22. Расположение кристаликов: а — в обычном материале ив — в текстуре, б — схема прокатного стана. 6 |
Б |
А |
Взаимодействие мало по величине и, как мы видели, не может вызвать самопроизвольной намагниченности, тем не менее оно играет исключительно важную роль, ибо обусловливает силы анизотропии, которые определяют «поведение» областей самопроизвольной намагниченности в кристалле.
В выяснении природы магнитной анизотропии большую роль сыграли работы физиков Московского университета.
3* |
Изучив «поведение» областей в кристалле, мы выяснили одну из причин того, почему одни материалы для намагничивания до насыщения требуют малых полей, а другие — больших. Поскольку реальные магнитные материалы представляют поликристаллические тела, в которых кристаллы ориентированы беспорядочным образом (рис. 22, а), то и направления лёгкого и трудного намагничивания здесь распределены беспорядочно. Поэтому магнитная анизотропия в поликристаллах незаметна. Но тем не менее она будет сказываться, ибо для того, чтобы повернуть магнитные моменты областей в направлении поля, надо преодолеть силы анизотропии в тех
кристаллах, в которых оси лёгкого намагничивания не совпадают с ним. Чем больше силы анизотропии, тем большее магнитное поле необходимо, чтобы намагнитить материал до насыщения. Если большая часть кристаллов в таком материале расположена так, что направления лёгкого намагничивания совпадают или близки к совпадению с направлением поля, то материал намагничивается сравнительно легко.
Материал, у которого большая часть кристаллов повёрнута в одном направлении (рис. 22, в), называют текстурованным. Текстуру в материале можно получить искусственным путём. Для этого материал нужно, например, прокатать между вальцами прокатного стана (рис. 22, б). В этом случае возникает кристаллическая текстура, т. е. кристалики располагаются в направлении прокатки. Подбирая направление текстуры и вид термической обработки, можно изменять магнитные свойства в нужную сторону.
На поведение областей сильное влияние оказывают также механические напряжения. Например, при растяжении или сжатии ферромагнитного материала атомы смещаются со своих нормальных положений; это приводит к изменению характера магнитного взаимодействия в кристалле.
В результате, кроме обычной магнитной анизотропии, возникает так называемая магнитоупругая анизотропия, вызванная дополнительным магнитным взаимодействием атомов вследствие искажения решётки.
Магнитоупругая анизотропия, как и обычная магнитная анизотропия, очень сильно изменяет характер намагничивания ферромагнетиков. При намагничивании, например, сильно растянутого (внешними силами) никелевого образца трудно получить магнитное насыщение даже в очень сильном магнитном поле. Наоборот, если никелевый образец подвергается сжатию, то насыщение может быть получено в слабом магнитном поле.
Магнитоупругая анизотропия присутствует в материалах и в том случае, если внешние силы не действуют, так как в материалах всегда имеются так называемые внутренние механические напряжения, искажающие решётку. Если материал подвергнуть длительному отжигу, то внут
ренние напряжения, а следовательно, и магнитоупругая анизотропия, пропадают.
Учёные установили, что намагничивание ферромагнетиков происходит не только путём поворота магнитных моментов областей в направлении поля. Полное намагничивание осуществляется за счёт трёх процессов.
/ |
На рис. 23, а схематически показано расположение границ областей в ферромагнетике в отсутствие поля. Допустим, что наложено поле, которое направлено по стрелке, Направление маенитмго лпля
Тного ппля J
/ /
Рис. 23. Процесс намагничивания ферромагнетика: а — магнитного поля нет, б и в—магнитное поле постепенно нарастает, границы между областями смещаются вправо, г — ферромагнетик намагничен До насыщения. |
//////// //////// //////// //////// |
Нарисованной над ферромагнетиками (рис. 23). Тогда границы между областями смещаются вправо, причём объём области, магнитный момент которой близок к направлению поля, будет увеличиваться (рис. 23, б ив). Этот процесс называется «смещением»; он обычно происходит в слабых магнитных полях. После того, как останется одна область, а остальные будут как бы поглощены ею, при дальнейшем увеличении поля (увеличение длины стрелок на рис. 23 указывает, что величина поля растёт) наступает известный нам уже процесс «вращения»; он продолжается до тех пор, пока магнитный момент области не совпадёт с полем, т. е. пока не наступит насыщение (рис. 23, г).
Но этим дело, оказывается, не ограничится. При дальнейшем увеличении поля наблюдается ещё некоторый рост намагниченности. Дело в том, что внутри самой
области самопроизвольной намагниченности увеличивается число параллельных атомных магнитных моментов за счёт тех, которые из-за теплового движения не были ориентированы внутренними силами. Этот процесс похож на парамагнитное намагничивание, поэтому он носит название парапроцесса.
Прирост намагничивания вследствие парапроцесса, однако, очень мал и изучение его представляет только теоретический интерес.
Допустим теперь, что поле уменьшается и затем его направление меняется на обратное. При этом будет наблюдаться отставание намагниченности от изменений магнитного поля, т. е. гистерезис. Если поле уменьшить до нуля, то часть магнитных моментов областей «застрянет» в направлениях лёгкого намагничивания, расположенных близко к направлению поля. Этим и объясняется возникновение остаточной намагниченности в материале. Для того чтобы уничтожить остаточную намагниченность, надо приложить некоторое, обратное по направлению, поле — коэрцитивную силу.
Для того чтобы в материале прочнее удерживалась остаточная намагниченность, или, что то же, материал обладал большой коэрцитивной силой, необходимо разъединить области самопроизвольной намагниченности, например, введением в пространство между ними прослоек из неферромагнитного вещества. В настоящее время искусственным путём получают высококоэрцитивный материал, производя дробление мягкого железа и перемешивая его с каким-либо неферромагнитным веществом, которое образует прослойки между областями. Наоборот, для того чтобы получить материал с малой коэрцитивной силой, надо устранить эти прослойки.
Путём соответствующей обработки, регулируя состав и количество примесей, мы можем получать материалы с разными магнитными свойствами. Металлурги разработали таким путём высококачественные магнитные материалы, применяемые для изготовления различных электротехнических и радиотехнических аппаратов и приборов. Создание теоретических представлений о процессах намагничивания, природе коэрцитивной силы и магнитного гистерезиса имеет большое значение для правильного подхода к изысканию и совершенствованию магнитных материалов.
Большая заслуга в этом принадлежит профессору Московского университета Е. И. Кондорскому.