Từ hóa và vật liệu từ tính

Sự có mặt của chất có từ tính thể hiện ở sự thay đổi các thông số của từ trường so với trường trong không gian phi từ tính. Các quá trình vật lý xảy ra trong biểu diễn vi mô có liên quan đến sự xuất hiện trong vật liệu dưới tác động của từ trường của các mômen từ của dòng vi mô, mật độ thể tích của nó được gọi là vectơ từ hóa.

Sự xuất hiện của từ hóa trong chất khi bạn đặt nó bên trong từ trường được giải thích bằng quá trình các mô men từ định hướng ưu tiên dần dần lưu thông trong nó các dòng vi mô theo hướng của trường. Một đóng góp rất lớn cho việc tạo ra các dòng vi mô trong chất là chuyển động của các điện tử: chuyển động quay và chuyển động quỹ đạo của các điện tử liên kết với các nguyên tử, spin và chuyển động tự do của các điện tử dẫn.

Theo tính chất từ ​​tính của chúng, tất cả các vật liệu được chia thành thuận từ, nghịch từ, sắt từ, phản sắt từ và ferit... Việc một vật liệu thuộc lớp này hay lớp khác được xác định bởi bản chất của phản ứng momen từ của các electron đối với từ tính. trường trong điều kiện tương tác mạnh của các electron với nhau trong nguyên tử đa electron và cấu trúc tinh thể.

Diamagnets và paramagnets là những vật liệu có từ tính yếu. Một hiệu ứng từ hóa mạnh hơn nhiều được quan sát thấy trong các chất sắt từ.

Độ nhạy từ tính (tỷ lệ giữa các giá trị tuyệt đối của vectơ cường độ từ trường và từ trường) đối với các vật liệu như vậy là dương và có thể đạt tới vài chục nghìn. Trong các nam châm sắt từ, các vùng từ hóa một chiều tự phát - các miền - được hình thành.

sắt từ quan sát thấy trong tinh thể của các kim loại chuyển tiếp: sắt, coban, niken và một số hợp kim.

Khi một từ trường bên ngoài có cường độ tăng dần được áp dụng, các vectơ từ hóa tự phát, ban đầu được định hướng ở các khu vực khác nhau theo những cách khác nhau, dần dần sắp xếp theo cùng một hướng. Quá trình này được gọi là kỹ thuật từ hóa… Nó được đặc trưng bởi một đường cong từ hóa ban đầu—sự phụ thuộc của cảm ứng hoặc từ hóa vào cường độ từ trường kết quả trong vật liệu.

Với cường độ trường tương đối nhỏ (Phần I), có sự gia tăng nhanh chóng về từ hóa, chủ yếu là do sự gia tăng kích thước của các miền có hướng từ hóa ở bán cầu dương theo hướng của các vectơ cường độ trường. Đồng thời, kích thước của các lĩnh vực trong bán cầu tiêu cực được giảm tỷ lệ thuận.Ở mức độ thấp hơn, kích thước của các vùng này thay đổi, từ hóa của chúng được định hướng gần mặt phẳng trực giao với vectơ cường độ hơn.

Với cường độ tăng hơn nữa, các quá trình quay của vectơ từ hóa miền dọc theo trường chiếm ưu thế (phần II) cho đến khi đạt đến độ bão hòa kỹ thuật (điểm S). Sự gia tăng tiếp theo của từ hóa thu được và việc đạt được cùng một hướng của tất cả các vùng trong trường bị cản trở bởi chuyển động nhiệt của các electron. Vùng III có bản chất tương tự như các quá trình thuận từ, trong đó sự gia tăng từ hóa là do sự định hướng của một số momen từ spin bị mất phương hướng bởi chuyển động nhiệt.Khi nhiệt độ tăng, chuyển động nhiệt mất phương hướng tăng và từ hóa của chất giảm.

Đối với một vật liệu sắt từ nhất định, có một nhiệt độ nhất định mà tại đó thứ tự sắt từ của cấu trúc miền và từ hóa biến mất. Vật liệu trở nên thuận từ. Nhiệt độ này được gọi là điểm Curie. Đối với sắt, điểm Curie tương ứng với 790 ° C, đối với niken - 340 ° C, đối với coban - 1150 ° C.

Việc giảm nhiệt độ xuống dưới điểm Curie sẽ khôi phục lại các đặc tính từ tính của vật liệu: cấu trúc miền với từ hóa mạng bằng 0 nếu không có từ trường bên ngoài. Do đó, các sản phẩm làm nóng bằng vật liệu sắt từ trên điểm Curie được sử dụng để khử từ hoàn toàn chúng.

Đường cong từ hóa ban đầu

Các quá trình từ hóa vật liệu sắt từ được chia thành thuận nghịch và không thuận nghịch liên quan đến sự thay đổi của từ trường.Nếu sau khi loại bỏ các nhiễu loạn trường bên ngoài, từ hóa của vật liệu trở lại trạng thái ban đầu, thì quá trình này là thuận nghịch, nếu không thì không thể đảo ngược.

Các thay đổi thuận nghịch được quan sát thấy trong một đoạn nhỏ ban đầu của đường cong từ hóa tiết diện I (vùng Rayleigh) tại các chuyển vị nhỏ của các vách miền và trong các vùng II, III khi các vectơ từ hóa trong các vùng quay. Phần chính của Phần I đề cập đến quá trình đảo ngược từ hóa không thể đảo ngược, chủ yếu xác định các đặc tính từ trễ của vật liệu sắt từ (độ trễ của sự thay đổi từ hóa so với sự thay đổi của từ trường).

Vòng từ trễ được gọi là các đường cong phản ánh sự thay đổi từ hóa của một chất sắt từ dưới tác động của từ trường bên ngoài thay đổi theo chu kỳ.

Khi kiểm tra vật liệu từ tính, các vòng trễ được xây dựng cho các chức năng của tham số từ trường B (H) hoặc M (H), có nghĩa là các tham số thu được bên trong vật liệu theo hình chiếu trên một hướng cố định. Nếu vật liệu trước đó đã được khử từ hoàn toàn, thì cường độ từ trường tăng dần từ 0 đến Hs sẽ tạo ra nhiều điểm từ đường cong từ hóa ban đầu (Phần 0-1).

Điểm 1 — điểm bão hòa kỹ thuật (Bs, Hs). Việc giảm lực H bên trong vật liệu về 0 sau đó (Phần 1-2) cho phép xác định giá trị giới hạn (tối đa) của từ hóa dư Br và tiếp tục giảm cường độ trường âm để đạt được sự khử từ hoàn toàn B = 0 ( phần 2-3) tại điểm H = -HcV - lực cưỡng bức cực đại trong quá trình từ hóa.

Hơn nữa, vật liệu được từ hóa theo hướng âm đến bão hòa (Phần 3-4) tại H = — Hs. Sự thay đổi cường độ trường theo hướng tích cực sẽ đóng vòng trễ giới hạn dọc theo đường cong 4-5-6-1.

Nhiều trạng thái vật chất trong chu kỳ giới hạn trễ có thể đạt được bằng cách thay đổi cường độ từ trường tương ứng với các chu kỳ trễ đối xứng từng phần và không đối xứng.

Độ trễ từ: 1 — đường cong từ hóa ban đầu; 2—chu kỳ giới hạn trễ; 3 — đường cong từ hóa chính; 4 — chu trình từng phần đối xứng; 5 — vòng lặp một phần không đối xứng

Các chu kỳ trễ đối xứng một phần đặt các đỉnh của chúng trên đường cong từ hóa chính, được định nghĩa là tập hợp các đỉnh của các chu kỳ này cho đến khi chúng trùng với chu kỳ giới hạn.

Các vòng trễ không đối xứng một phần được hình thành nếu điểm bắt đầu không nằm trên đường cong từ hóa chính với sự thay đổi đối xứng về cường độ trường, cũng như với sự thay đổi không đối xứng về cường độ trường theo hướng dương hoặc âm.

Tùy thuộc vào các giá trị của lực cưỡng bức, vật liệu sắt từ được chia thành mềm từ tính và cứng từ tính.

Vật liệu từ mềm được sử dụng trong các hệ thống từ tính làm lõi từ... Các vật liệu này có lực kháng từ thấp, lực kháng từ cao Tính thấm từ và cảm ứng bão hòa.

Vật liệu từ cứng có lực cưỡng bức lớn và ở trạng thái tiền từ hóa được sử dụng làm nam châm vĩnh cửu - nguồn sơ cấp của từ trường.

Có những vật liệu mà theo tính chất từ ​​tính của chúng, các phản sắt từ thuộc về... Sự sắp xếp phản song song của các spin của các nguyên tử lân cận hóa ra lại thuận lợi hơn về mặt năng lượng đối với chúng. Các phản sắt từ đã được tạo ra có momen từ nội tại đáng kể do mạng tinh thể không đối xứng... Những vật liệu như vậy được gọi là sắt từ (ferit)... Không giống như vật liệu sắt từ kim loại, ferit là chất bán dẫn và có tổn thất năng lượng thấp hơn đáng kể cho dòng điện xoáy trong từ trường xoay chiều.

Đường cong từ hóa của các vật liệu sắt từ khác nhau