Magnetização e materiais magnéticos

A presença de uma substância com propriedades magnéticas se manifesta em uma mudança nos parâmetros do campo magnético em comparação com o campo no espaço não magnético. Os processos físicos que ocorrem na representação microscópica estão associados ao aparecimento no material sob a influência de um campo magnético de momentos magnéticos de microcorrentes, cuja densidade de volume é chamada de vetor de magnetização.

A aparência de magnetização na substância quando você a coloca dentro campo magnético é explicado pelo processo de momentos magnéticos de orientação preferencial gradual que circulam nele microcorrentes na direção do campo. Uma grande contribuição para a criação de microcorrentes na substância é o movimento dos elétrons: rotação e movimento orbital de elétrons associados a átomos, spin e movimento livre de elétrons de condução.

De acordo com suas propriedades magnéticas, todos os materiais são divididos em paramagnetos, diamagnetos, ferromagnetos, antiferromagnetos e ferritas... A pertença de um material a uma ou outra classe é determinada pela natureza da reação dos momentos magnéticos dos elétrons a um magnético campo sob condições de fortes interações de elétrons uns com os outros em átomos multieletrônicos e estruturas cristalinas.

Diamagnets e paramagnets são materiais magnéticos fracos. Um efeito de magnetização muito mais forte é observado em ferromagnetos.

A suscetibilidade magnética (a proporção dos valores absolutos dos vetores de magnetização e força de campo) para esses materiais é positiva e pode atingir várias dezenas de milhares. Nos ferromagnetos, regiões de magnetização unidirecional espontânea - domínios - são formadas.

ferromagnetismo observado em cristais de metais de transição: ferro, cobalto, níquel e várias ligas.

Quando um campo magnético externo de força crescente é aplicado, os vetores de magnetização espontânea, inicialmente orientados em diferentes áreas de maneiras diferentes, gradualmente se alinham na mesma direção. Este processo é chamado de magnetização técnica... É caracterizado por uma curva de magnetização inicial - a dependência da indução ou magnetização em a força do campo magnético resultante no material.

Com uma intensidade de campo relativamente pequena (Seção I) há um rápido aumento na magnetização, principalmente devido a um aumento no tamanho dos domínios com a orientação de magnetização no hemisfério positivo das direções dos vetores de intensidade de campo. Ao mesmo tempo, os tamanhos dos domínios no hemisfério negativo são reduzidos proporcionalmente.Em menor grau, as dimensões dessas regiões mudam, cuja magnetização é orientada mais próxima do plano ortogonal ao vetor de intensidade.

Com um novo aumento de intensidade, predominam os processos de rotação dos vetores de magnetização de domínio ao longo do campo (seção II) até atingir a saturação técnica (ponto S). O aumento subsequente da magnetização resultante e a obtenção da mesma orientação de todas as regiões do campo são impedidos pelo movimento térmico dos elétrons. A região III é de natureza semelhante aos processos paramagnéticos, onde o aumento da magnetização é devido à orientação dos poucos momentos magnéticos de spin desorientados pelo movimento térmico.Com o aumento da temperatura, o movimento térmico desorientador aumenta e a magnetização da substância diminui.

Para um dado material ferromagnético, existe uma certa temperatura na qual o ordenamento ferromagnético da estrutura de domínio e a magnetização desaparecem. O material torna-se paramagnético. Essa temperatura é chamada de ponto Curie. Para o ferro, o ponto Curie corresponde a 790 ° C, para o níquel - 340 ° C, para o cobalto - 1150 ° C.

Diminuir a temperatura abaixo do ponto Curie restaura as propriedades magnéticas do material novamente: a estrutura de domínio com magnetização de rede zero se não houver campo magnético externo. Portanto, produtos de aquecimento feitos de materiais ferromagnéticos acima do ponto Curie são usados ​​para desmagnetizá-los completamente.

Curva de magnetização inicial

Processos de magnetização de materiais ferromagnéticos divididos em reversíveis e irreversíveis em conexão com a mudança no campo magnético.Se, após a remoção das perturbações do campo externo, a magnetização do material retornar ao seu estado original, esse processo é reversível, caso contrário, é irreversível.

Mudanças reversíveis são observadas em um pequeno segmento inicial da curva de magnetização da seção I (zona de Rayleigh) em pequenos deslocamentos das paredes de domínio e nas regiões II, III quando os vetores de magnetização nas regiões giram. A parte principal da Seção I trata de um processo irreversível de reversão de magnetização, que determina principalmente as propriedades de histerese de materiais ferromagnéticos (atraso das mudanças na magnetização das mudanças no campo magnético).

Laço de histerese chamado curvas refletindo a mudança na magnetização de um ferroímã sob a influência de um campo magnético externo que muda ciclicamente.

Ao testar materiais magnéticos, os loops de histerese são construídos para as funções dos parâmetros do campo magnético B (H) ou M (H), que têm o significado dos parâmetros obtidos dentro do material em uma projeção em uma direção fixa. Se o material foi previamente completamente desmagnetizado, então um aumento gradual na intensidade do campo magnético de zero a Hs fornece muitos pontos da curva de magnetização inicial (Seção 0-1).

Ponto 1 — ponto de saturação técnica (Bs, Hs). A subsequente redução da força H dentro do material para zero (Seção 1-2) torna possível determinar o valor limite (máximo) da magnetização residual Br e reduzir ainda mais a força do campo negativo para alcançar a desmagnetização completa B = 0 (seção 2-3) no ponto H = -HcV - a força coercitiva máxima durante a magnetização.

Além disso, o material é magnetizado na direção negativa para a saturação (Seção 3-4) em H = — Hs. Uma mudança na intensidade do campo em uma direção positiva fecha o loop de histerese limitante ao longo da curva 4-5-6-1.

Muitos estados de material dentro do ciclo de limite de histerese podem ser alcançados alterando a força do campo magnético correspondente aos ciclos de histerese simétricos e assimétricos parciais.

Histerese magnética: 1 — curva de magnetização inicial; 2 — ciclo limite de histerese; 3 — curva da magnetização principal; 4 — ciclos parciais simétricos; 5 — loops parciais assimétricos

Os ciclos de histerese parcialmente simétricos repousam seus vértices na curva principal de magnetização, que é definida como o conjunto de vértices desses ciclos até que coincidam com o ciclo limite.

Loops de histerese assimétricos parciais são formados se o ponto de partida não estiver na curva de magnetização principal com uma mudança simétrica na intensidade do campo, bem como com uma mudança assimétrica na intensidade do campo na direção positiva ou negativa.

Dependendo dos valores da força coercitiva, os materiais ferromagnéticos são divididos em magneticamente macios e magneticamente duros.

Materiais magnéticos macios são usados ​​em sistemas magnéticos como núcleos magnéticos... Esses materiais têm baixa força coercitiva, alta permeabilidade magnética e indução de saturação.

Materiais magnéticos duros têm uma grande força coercitiva e no estado pré-magnetizado são usados ​​como imãs permanentes — fontes primárias de campo magnético.

Existem materiais aos quais, de acordo com suas propriedades magnéticas, pertencem os antiferromagnetos... O arranjo antiparalelo dos spins dos átomos vizinhos acaba sendo energeticamente mais favorável para eles. Foram criados antiferromagnetos que possuem um momento magnético intrínseco significativo devido à assimetria da rede cristalina... Esses materiais são chamados de ferrimagnetos (ferritas)... Ao contrário dos materiais ferromagnéticos metálicos, as ferritas são semicondutores e têm perdas de energia significativamente menores para correntes parasitas em campos magnéticos alternados.

Curvas de magnetização de vários materiais ferromagnéticos