Magnetisierung und magnetische Materialien

Das Vorhandensein einer Substanz mit magnetischen Eigenschaften äußert sich in einer Änderung der Parameter des Magnetfelds im Vergleich zum Feld im nichtmagnetischen Raum. Die in der mikroskopischen Darstellung ablaufenden physikalischen Prozesse hängen mit dem Auftreten magnetischer Momente von Mikroströmen im Material unter dem Einfluss eines Magnetfeldes zusammen, deren Volumendichte als Magnetisierungsvektor bezeichnet wird.

Das Auftreten von Magnetisierung in der Substanz, wenn man sie hineinlegt Magnetfeld wird durch den Prozess der allmählichen Vorzugsorientierung magnetischer Momente erklärt, die in Mikroströmen in der Richtung des Feldes zirkulieren. Ein großer Beitrag zur Entstehung von Mikroströmen in der Substanz ist die Bewegung von Elektronen: Rotation und Orbitalbewegung von Elektronen, die mit Atomen verbunden sind, Spin und freie Bewegung von Leitungselektronen.

Nach ihren magnetischen Eigenschaften werden alle Materialien in Paramagnete, Diamagnete, Ferromagnete, Antiferromagnete und Ferrite unterteilt. Die Zugehörigkeit eines Materials zu der einen oder anderen Klasse wird durch die Art der Reaktion der magnetischen Momente von Elektronen auf ein magnetisches bestimmt Feld unter Bedingungen starker Wechselwirkungen von Elektronen untereinander in Mehrelektronenatomen und Kristallstrukturen.

Diamagnete und Paramagnete sind schwach magnetische Materialien. Bei Ferromagneten wird ein viel stärkerer Magnetisierungseffekt beobachtet.

Die magnetische Suszeptibilität (das Verhältnis der Absolutwerte der Magnetisierungs- und Feldstärkevektoren) für solche Materialien ist positiv und kann mehrere Zehntausend erreichen. In Ferromagneten bilden sich Bereiche spontaner unidirektionaler Magnetisierung – Domänen.

Ferromagnetismus beobachtet in Kristallen von Übergangsmetallen: Eisen, Kobalt, Nickel und einer Reihe von Legierungen.

Wenn ein externes Magnetfeld mit zunehmender Stärke angelegt wird, richten sich die spontanen Magnetisierungsvektoren, die zunächst in unterschiedlichen Bereichen auf unterschiedliche Weise ausgerichtet waren, allmählich in die gleiche Richtung aus. Dieser Vorgang wird als technische Magnetisierung bezeichnet. Er ist durch eine anfängliche Magnetisierungskurve gekennzeichnet – die Abhängigkeit der Induktion bzw. Magnetisierung von die resultierende magnetische Feldstärke im Material.

Bei einer relativ kleinen Feldstärke (Abschnitt I) kommt es zu einem schnellen Anstieg der Magnetisierung, hauptsächlich aufgrund einer Vergrößerung der Domänen mit der Magnetisierungsorientierung in der positiven Hemisphäre der Richtungen der Feldstärkevektoren. Gleichzeitig wird die Größe der Domänen in der negativen Hemisphäre proportional reduziert.In geringerem Maße ändern sich die Abmessungen dieser Bereiche, deren Magnetisierung näher an der Ebene orthogonal zum Intensitätsvektor ausgerichtet ist.

Bei weiterer Intensitätssteigerung überwiegen die Rotationsprozesse der Domänenmagnetisierungsvektoren entlang des Feldes (Abschnitt II), bis die technische Sättigung erreicht ist (Punkt S). Die anschließende Erhöhung der resultierenden Magnetisierung und das Erreichen der gleichen Ausrichtung aller Bereiche im Feld wird durch die thermische Bewegung der Elektronen behindert. Region III ähnelt von Natur aus paramagnetischen Prozessen, bei denen die Zunahme der Magnetisierung auf die Ausrichtung der wenigen magnetischen Spinmomente zurückzuführen ist, die durch thermische Bewegung desorientiert sind. Mit zunehmender Temperatur nimmt die desorientierende thermische Bewegung zu und die Magnetisierung der Substanz ab.

Für ein bestimmtes ferromagnetisches Material gibt es eine bestimmte Temperatur, bei der die ferromagnetische Ordnung der Domänenstruktur und die Magnetisierung verschwinden. Das Material wird paramagnetisch. Diese Temperatur wird Curie-Punkt genannt. Für Eisen entspricht der Curie-Punkt 790 °C, für Nickel – 340 °C, für Kobalt – 1150 °C.

Durch Absinken der Temperatur unter den Curie-Punkt werden die magnetischen Eigenschaften des Materials wieder wiederhergestellt: die Domänenstruktur mit einer Netzwerkmagnetisierung von Null, wenn kein äußeres Magnetfeld vorhanden ist. Daher werden Heizprodukte aus ferromagnetischen Materialien oberhalb des Curie-Punktes verwendet, um diese vollständig zu entmagnetisieren.

Anfängliche Magnetisierungskurve

Magnetisierungsprozesse ferromagnetischer Materialien werden im Zusammenhang mit der Änderung des Magnetfelds in reversible und irreversible unterteilt.Wenn nach Beseitigung der äußeren Feldstörungen die Magnetisierung des Materials wieder in den ursprünglichen Zustand zurückkehrt, ist dieser Vorgang reversibel, andernfalls irreversibel.

Reversible Änderungen werden in einem kleinen Anfangssegment der Magnetisierungskurve im Abschnitt I (Rayleigh-Zone) bei kleinen Verschiebungen der Domänenwände und in den Regionen II und III beobachtet, wenn die Magnetisierungsvektoren in den Regionen rotieren. Der Hauptteil von Abschnitt I befasst sich mit einem irreversiblen Prozess der Magnetisierungsumkehr, der hauptsächlich die Hystereseeigenschaften ferromagnetischer Materialien (Verzögerung von Magnetisierungsänderungen aufgrund von Änderungen im Magnetfeld) bestimmt.

Als Hystereseschleife werden Kurven bezeichnet, die die Änderung der Magnetisierung eines Ferromagneten unter dem Einfluss eines sich zyklisch ändernden äußeren Magnetfelds widerspiegeln.

Bei der Prüfung magnetischer Materialien werden Hystereseschleifen für die Funktionen der Magnetfeldparameter B (H) oder M (H) konstruiert, die in einer Projektion auf eine feste Richtung die Bedeutung der erhaltenen Parameter im Inneren des Materials haben. Wenn das Material zuvor vollständig entmagnetisiert wurde, ergibt ein allmählicher Anstieg der magnetischen Feldstärke von Null auf Hs viele Punkte aus der anfänglichen Magnetisierungskurve (Abschnitt 0-1).

Punkt 1 – technischer Sättigungspunkt (Bs, Hs). Die anschließende Reduzierung der Kraft H im Inneren des Materials auf Null (Abschnitt 1-2) ermöglicht es, den Grenzwert (Maximalwert) der Restmagnetisierung Br zu bestimmen und die negative Feldstärke weiter zu reduzieren, um eine vollständige Entmagnetisierung B = 0 zu erreichen (Abschnitt 2-3) am Punkt H = -HcV – die maximale Koerzitivkraft während der Magnetisierung.

Darüber hinaus wird das Material bei H = - Hs in negativer Richtung bis zur Sättigung magnetisiert (Abschnitt 3-4). Eine Änderung der Feldstärke in positiver Richtung schließt die begrenzende Hystereseschleife entlang der 4-5-6-1-Kurve.

Viele Materialzustände innerhalb des Hysteresegrenzzyklus können durch Änderung der Magnetfeldstärke entsprechend partieller symmetrischer und asymmetrischer Hysteresezyklen erreicht werden.

Magnetische Hysterese: 1 – anfängliche Magnetisierungskurve; 2 – Hysterese-Grenzzyklus; 3 – Kurve der Hauptmagnetisierung; 4 – symmetrische Teilzyklen; 5 – asymmetrische Teilschleifen

Teilweise symmetrische Hysteresezyklen liegen mit ihren Scheitelpunkten auf der Hauptmagnetisierungskurve, die als die Menge der Scheitelpunkte dieser Zyklen definiert ist, bis sie mit dem Grenzzyklus zusammenfallen.

Teilweise asymmetrische Hystereseschleifen entstehen, wenn der Startpunkt nicht auf der Hauptmagnetisierungskurve liegt, bei symmetrischer Feldstärkeänderung, sowie bei asymmetrischer Feldstärkeänderung in positiver oder negativer Richtung.

Abhängig von den Werten der Koerzitivkraft werden ferromagnetische Materialien in magnetisch weich und magnetisch hart unterteilt.

Weichmagnetische Materialien werden in Magnetsystemen als Magnetkerne verwendet. Diese Materialien haben eine niedrige und hohe Koerzitivfeldstärke magnetische Permeabilität und Sättigungsinduktion.

Hartmagnetische Materialien haben eine große Koerzitivkraft und werden im vormagnetisierten Zustand als verwendet Permanentmagnete — primäre Magnetfeldquellen.

Es gibt Materialien, zu denen Antiferromagnete aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften gehören... Die antiparallele Anordnung der Spins benachbarter Atome erweist sich für sie als energetisch günstiger. Es wurden Antiferromagnete geschaffen, die aufgrund der Kristallgitterasymmetrie ein erhebliches intrinsisches magnetisches Moment aufweisen... Solche Materialien werden Ferrimagnete (Ferrite) genannt... Im Gegensatz zu metallischen ferromagnetischen Materialien sind Ferrite Halbleiter und weisen deutlich geringere Energieverluste auf Wirbelströme in magnetischen Wechselfeldern.

Magnetisierungskurven verschiedener ferromagnetischer Materialien