Презентация на тему "Магнитные материалы"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Магнитные материалы

  Лекции Ковалева Татьяна Юрьевна

• 
  Слайд 2

  ЭлектромагнетизмЛекция №9. Магнитные свойства вещества.

  1. Магнитные моменты электронов и атомов. 2. Атом в магнитном поле. 3. Магнитное поле в веществе. 4. Диамагнетики и парамагнетики в магнитном поле. 5. Ферромагнетики.

• 
  Слайд 3

  1. Магнитные моменты электронов и атомов

  Различные среды при рассмотрении их магнитных свойств называют магнетики. Все вещества в той или иной мере взаимодействуют с магнитным полем. У некоторых материалов магнитные свойства сохраняются и в отсутствие внешнего магнитного поля. Намагничивание материалов происходит за счет токов, циркулирующих внутри атомов – вращения электронов и движения их в атоме. «амперовские токи». В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов вещества ориентированыобычнобеспорядочно, так что создаваемые ими магнитные поля компенсируют друг друга.

• 
  Слайд 4

  Продолжение лекции

  При наложении внешнего магнитного поля атомы стремятся сориентироваться своими магнитными моментами по направ-лению внешнего магнитного поля, и тогда компенсация магнитных моментов нарушается, тело приобретает магнитные свойства – намагничивается Все телапри внесении их во внешнее магнитное поле намагничиваются в той или иной степени, т.е. создают собственное магнитное поле, которое накладывается на внешнее магнитное поле. Магнитные свойства вещества определяются магнитными свойствами электронов и атомов. Магнетикисостоят из атомов, которые в свою очередь состоят из положительных ядер и, условно говоря, вращающихся вокруг них электронов.

• 
  Слайд 5
  

  где е – заряд электрона, ν– частота его вращения по орбите. Электрон, движущийся по орбите в атоме эквивалентен замкнутому контуру с орбитальным током

• 
  Слайд 6
  

  Орбитальному току соответствует орбитальный магнитный момент электрона где S – площадь орбиты – единичный вектор нормали к S, –скорость электрона. Электрон, движущийся по орбите имеет орбитальный момент импульса Lе , который имеет противоположное направление, по отношению к Pm и связан с ним соотношением:

• 
  Слайд 7
  

  Коэффициент пропорциональности называется гиромагнитным отношением: Кроме того, электрон обладает собственным моментом импульсаLеS, который называется спином где hпостоянная Планка:

• 
  Слайд 8
  

  Спину электрона LeS соответствует спиновый магнитный момент электрона PmS, направленный в противоположную сторону: Величину γS называют гиромагнитным отношением спиновых моментов Проекция спинового магнитного момента электрона на направление вектора индукции магнитного поля может принимать только одно из следующих двух значений где μБ– квантовый магнитный момент электрона – магнетон Бора.

• 
  Слайд 9
  

  Орбитальным магнитным моментомРmатома называется геометрическая сумма орбитальных магнитных моментов всех электронов атома где Z – число всех электронов в атоме – порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева. Орбитальным моментом импульсаLатоманазывается геометрическая сумма моментов импульса всех электронов атома: Общий орбитальный момент атома равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) всех электронов:

• 
  Слайд 10

  2. Атом в магнитном поле. Продолжение лекции

  В магнитное поле с индукцией на электрон, движущийся по орбите эквивалентной замкнутому контуру с током, действует момент сил При этом изменяется орбитальный момент импульса электрона: Аналогично изменяется вектор орбитального магнитного момента электрона

• 
  Слайд 11

  3. Магнитное поле в веществе Продолжение лекции

  При изучении магнитного поля в веществе различают два типа токов – макротоки и микротоки. Макротокаминазываются токи проводимости и конвекционные токи, связанные с движением заряженных макроскопических тел. Микротоками (молекулярными токами) называют токи, обусловленные движением электронов в атомах, молекулах и ионах. Магнитное поле в веществе является суперпозицией двух полей: внешнего магнитного поля, создаваемогомакро-токами и внутреннего или собственного, магнитного поля, создаваемого микротоками. Характеризует магнитное поле в веществе вектор , равный геометрической сумме создаваемого макротоками и создаваемого микротоками:

• 
  Слайд 12

  Продолжение лекции

  Закон полного тока для магнитного поля в веществе: где Iмикрои Iмакро – алгебраическая сумма макро- и микротоков . Вектор называется напряженностью магнитного поля. Намагниченность изотропной среды с напряженностьюсвязаны соотношением где – магнитная восприимчивость среды. коэффициент пропорциональности, характеризующий магнитные свойства вещества

• 
  Слайд 13

  4.Диамагнетики и парамагнетики в магнитном поле. Продолжение лекции

  Микроскопические плотности токов в намагниченном веществе чрезвычайно сложны и сильно изменяются даже в пределах одного атома. Но нас интересуют средние магнитные поля, созданные большим числом атомов. Как было сказано характеристикой намагниченного состояния вещества служит векторная величина – намагниченность, равная отношению магнитного момента малого объема вещества к величине этого объема: Где– магнитный момент i-го атома из числа n атомов, содержащихся в объеме ΔV.

• 
  Слайд 14

  Продолжение лекции

  Магнетики можно разделить на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Если магнитное поле слабо усиливается в веществе, то такое вещество называетсяпарамагнетиком (Се3+,Рr3+, Ti3+, V3+, Fe2+, Mg2+, Li, Na) если ослабевает, то это диамагнетик (Bi, Cu, Ag, Au и др.). Вещества, обладающие сильными магнитными свойствами называютсяферромагнетиками. (Fe, Co, Ni и пр.). постоянные магниты.

• 
  Слайд 15

  Диамагнетики (Продолжение лекции)

  Диамагнетизм (от греч. dia – расхождение)  свойство веществ намагничиваться навстречу приложенному магнитному полю. Диамагнетикаминазываются вещества, магнитные моменты атомов которых в отсутствии внешнего поля равны нулю, т.к. магнитные моменты всех электронов атома взаимно скомпенсированы (например инертные газы, водород, азот, NaCl, Bi, Cu, Ag, Au и др.). При внесении диамагнитного вещества в магнитное поле его атомы приобретают наведенные магнитные моменты ΔPmнаправленные противоположно вектору .

• 
  Слайд 16
  

  Вектор намагниченности диамагнетика равен Для всех диамагнетиков Вектор магнитной индукциисобственного магнитного поля, создаваемого диамагнетиком при его намагничивании во внешнем поленаправлен в сторону, противоположную(В отличии от диэлектрика в электрическом поле). У диамагнетиков –магнитная восприимчивость среды.

• 
  Слайд 17

  Магнитная восприимчивость диамагнетиков (Продолжение лекции)

• 
  Слайд 18

  Парамагнетики (Продолжение лекции)

  Парамагнетизм (от греч. para – возле) свойство веществ во внешнем магнитном поле намагничиваться в направлении этого поля поэтому внутри парамагнетика к действию внешнего поля прибавляется действие наведенного внутреннего поля. Парамагнетиками называются вещества, атомы которых имеют в отсутствии внешнего магнитного поля, отличный от нуля магнитный момент . Эти вещества намагничиваются в направлении вектора . К парамагнетикамотносятся многие щелочные металлы, кислород О2, оксид азота NO, хлорное железо FeCI2 Се3+,Рr3+, Ti3+, V3+, Fe2+, Mg2+, Li, Naи др.

• 
  Слайд 19
  

  В отсутствии внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика J = 0, так как векторы разных атомов ориентированы беспорядочно. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле, происходит преимущественная ориентация собственных магнитных моментов атомовпо направлению поля, так что парамагнетик намагничивается. Значения для парамагнетиковположительны( ) и находятся в пределах ~ 10–5 ÷ 10–3, то есть, как и у диамагнетиков.

• 
  Слайд 20

  Магнитная восприимчивость парамагнетиковв расчете на один моль (атом)

• 
  Слайд 21

  5. Ферромагнетики

  К ферромагнетикам (ferrum – железо) относятся вещества, магнитная восприимчивость которых положительна и очень велика. Намагниченностьи магнитная индукция ферромагнетиков растут с увеличением напряженности магнитного поля нелинейно, и в полях ~ 8103А/м намагниченность ферромагнетиков достигает предельного значения ,а вектор магнитной индукции растет линейно с : Наличие у ферромагнетиков самопроизвольного магнитного момента в отсутствие внешнего магнитного поля означает, что электронные спины и магнитные моменты атомных носителей магнетизма ориентированы в веществе упорядоченным образом.

• 
  Слайд 22

  Ферромагнетики (продолжение)

  Ферромагнетикиэто вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры. У ферромагнетиков магнитная восприимчивость положительна и очень велика= 104 105. В ферромагнетиках происходит резкое усиление внешних магнитных полей. Для ферромагнетиков сложным образом зависит от величины магнитного поля. Типичными ферромагнетикамиявляются Fe, Co, Ni, Gd,, Dy, Ho, Er, Tm,а также соединения ферромагнитных материалов с неферромагнитными: Fe3Al, Ni3Mn, ZnCMn3 Ферромагнетики, в отличие от слабо магнитных диа- и парамагнетиков, являются сильно магнитными веществами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни раз превосходить внешнее поле.

• 
  Слайд 23

  Основные отличия магнитных свойств ферромагнетиков.

  Ферромагнетики (Fe, Co, Ni и др.) и парамагнетики (U, Pu, FeS) втягиваются в область более сильного поля, диамагнетики (Bi и др.)– выталкиваются из области сильного поля. 1) Нелинейная зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля Н(рис.). Как видно из (рис.), при Н > HS наблюдается магнитное насыщение. Рис. 1.

• 
  Слайд 24
  

  2) При Н HS – линейна(рис. 2). (рис. 2).

• 
  Слайд 25
  

  3) Зависимость относительной магнитной проницаемости μ от Н имеет сложный характер (рис. 3), причем максимальные значения μ очень велики (103 ÷ 106). (рис. 3)

• 
  Слайд 26

  Основные отличия магнитных свойств ферромагнетиков. (продолжение)

  Впервые систематичес-кие исследования μот Н были проведены в 1872 г. А. Г. Столетовым (1839–1896) – выдающимся русским физиком. На рис. 4 изображена зависимость магнитной проницаемости ферромагнетиков от напряженности магнитного поля – кривая Столетова. рис. 4

• 
  Слайд 27

  Магнитная анизотропия

  Магнитная анизотропия – разница в свойствах вдоль разных осей различная степень намагниченности Для Fe наиболее сильное намагничивание -вдоль ребра куба, через объем. В тех случаях, когда анизотропия в поликристаллических ферромагнетиках выражена наиболее ярко, говорят, что он обладает магнитной текстурой (текстурой доменов). Явление анизотропии используется для создания в определенном направлении повышенных магнитных характеристик.  - намагничивание в переменном поле. Процесс намагничивания сводится, во-первых, (в более слабых полях), к увеличению тех доменов, угол магнитных моментов которых составляет минимальное значение с направлением магнитного поля (процесс смещения границ доменов). Во-вторых в более сильных полях к повороту магнитных моментов в направлении внешнего поля в направлении внешнего поля (процесс ориентации). В сильном поле увеличение магнитной индукции не происходит, т.к. все моменты уже ориентированы по полю. Величина В соответствует значению Н при котором наблюдается полная ориентация моментов носит название индукции насыщения. Дальнейший небольшой рост индукции происходит за счет парамагнетизма. Если затем уменьшать Н, то при Н=0, В 0 , т.е. в образце остается преимущественно ориентация части магнитных моментов. Явление отставания кривой намагниченности при многократном перемагничивании называется петлей гистерезиса.

• 
  Слайд 28

  Процесс намагничивания

   Процесс намагничивания в переменном поле сводится: В более слабых полях приводит к увеличению тех доменов, угол магнитных моментов которых составляет минимальное значение с направлением магнитного поля (процесс смещения границ доменов). В более сильных полях - к повороту магнитных моментов в направлении внешнего поля в направлении внешнего поля (процесс ориентации). В сильном поле увеличение магнитной индукции не происходит, т.к. все моменты уже ориентированы по полю. Величина Вr ( Js)соответствует значению Н при котором наблюдается полная ориентация моментов носит название индукции насыщения. Дальнейший небольшой рост индукции происходит за счет парамагнетизма. Если затем уменьшать Н, то при Н=0, В 0 , т.е. в образце остается преимущественно ориентация части магнитных моментов. Явление отставания кривой намагниченности при многократном перемагничивании называется петлей гистерезиса.

• 
  Слайд 29

  Основные отличия магнитных свойств ферромагнетиков. (продолжение)

  4) У каждого ферромагнетика имеется такая температура называемая точкой Кюри (ТК ), выше которой это вещество теряет свои особые магнитные свойства. Наличие температуры Кюри связано с разрушением при T >TК упорядоченного состояния в магнитной подсистеме кристалла – параллельной ориентации магнитных моментов.

• 
  Слайд 30
  

  Для никеля температура Кюри равна 360 С. Если подвесить образец никеля вблизи пламени горелки так, чтобы он находился в поле сильного постоянного магнита, то не нагретый образец может располагаться горизонтально, сильно притягиваясь к магниту. По мере нагрева образца и достижения температуры T >TКферромагнитные свойства у никеля исчезают и образец никеля падает. Остыв до температуры ниже точки Кюри, образец вновь притянется к магниту. Нагревшись, вновь падает и т. д. Эти периодические колебания будут продолжаться все время, пока горит свеча или горелка .

• 
  Слайд 31

  Температура Кюри TС ферромагнетиков

• 
  Слайд 32

  Свойства ферромагнетиков

  5) Существование магнитного гистерезиса. На (рис. 5) показана петля гистерезиса– график зависимости намагниченности вещества от напряженности магнитного поля Н. JS –намагниченность насыщения JR - остаточная намагниченность Нс -коэрцитивная сила. Рис.5

• 
  Слайд 33

  Свойства ферромагнетиковпродолжение

  Намагниченность JS при Н = НS называется намагниченность насыщения. Намагниченность JRпри Н = 0 называется остаточной намагниченностью (что служит для создания постоянных магнитов) Напряженность Нс магнитного поля, полностью размагниченного ферромагнетика, называетсякоэрцитивной силой. Она характеризует способность ферромагнетика сохранять намагниченное состояние. Большой коэрцитивной силой (широкой петлей гистерезиса) обладают магнитотвердыематериалы, используемые для изготовления постоянных магнитов Малую коэрцитивную силу имеют магнитомягкие материалы (используются для изготовления трансформаторов

• 
  Слайд 34
  

  Элементарными носителями магнетизма в ферромагнетиках являются спиновые магнитные моменты электронов. Самопроизвольно намагничиваются макроскопические области монокристалловферромагнитных материалов - домены, например никеля или железа, размером 10–3 10–5 м. Векторы намагниченности доменов в отсутствие внешнего магнитного поля ориентированы таким образом, что полный магнитный момент ферромагнитного материала равен нулю.

• 
  Слайд 35

  Свойства магнитных материалов и их параметры

  - магнитная анизотропия – разница в свойствах вдоль разных осей различная степень намагниченности. Для Fe наиболее вдоль ребра куба, через объем. В тех случаях, когда анизотропия в поликристаллических ферромагнетиках выражена наиболее ярко, говорят, что он обладает магнитной текстурой (текстурой доменов). Явление анизотропии используется для создания в определенном направлении повышенных магнитных характеристик.   Намагничивание в переменном поле. Процесс намагничивания сводится, во-первых, (в более слабых полях), к увеличению тех доменов, угол магнитных моментов которых составляет минимальное значение с направлением магнитного поля (процесс смещения границ доменов).

• 
  Слайд 36
  

  Во-вторых в болеесильных полях процесс намагничивания сводится к повороту магнитных моментов в направлении внешнего поля (процесс ориентации). В сильном поле увеличение магнитной индукции не происходит, т.к. все моменты уже ориентированы по полю. Величина В соответствует значению Н при котором наблюдается полная ориентация моментов носит название индукции насыщения. Дальнейший небольшой рост индукции происходит за счет парамагнетизма. Если затем уменьшать Н, то при Н=0, В=0 , т.е. в образце остается преимущественно ориентация части магнитных моментов. Явление отставания кривой намагниченности при многократном перемагничивании называется петлей гистерезиса.

• 
  Слайд 37
  

  При перемагничивании возникают потери: на гистерезис (в постоянных полях) на вихревые точки (в переменных полях) на последействие Кривые гистерезиса могут быть различны для различных материалов.

• 
  Слайд 38

  Магнитострикция

  Магнитострикция – явление изменения размеров монокристаллов при намагничивании. Явление магнитострикции зависит от напряженности поля и для разных материалов может иметь различные знаки. При этом возникают внутренние напряжения. Сплав Fe – Ni используется для создания высокой, а магнитострикционный момент равен нулю.  

• 
  Слайд 39

  Влияние на магнитные материалы структуры и ее дефекты

  Магнитные свойства зависят от величины зерна. У мелкозернистой структуры магнитные свойства ниже, т.к. меньше магнитная поверхность на единицу объема зерен. Для получения крупнозернистой структуры проводят рекристаллизацию металла и добавляют некоторые присадки. Искажение решетки связано с существованием некоторых примесей. Введение в Fe углерода, вольфрама, хрома, кобальта увеличивает коэрцитивную силу. Отрицательное влияние оказывает растворенный в железе азот, кислород и водород. Искажения возникают также при термической обработке и внутренних напряжений. Механическая обработка (вальцовка, штамповка, протяжка) оказывает влияние на магнитные свойства. При удлинении образца технически чистого железа на 3%, его магнитная проницаемость составляет всего 25% от первоначального, а коэрцитивная сила возрастает в 2 раза. Для устранения напряжений металл отжигают. 

• 
  Слайд 40

  Магнитомягкие материалы

  Для НЧ ММ обладают низкой коэрцитивной силой, малыми потерями на гистерезис, высокой магнитной проницаемостью. Используются они в тех случаях, когда необходимо при наименьшей затрате энергии достигнуть наибольшей индукции. Изготавливают из сердечников трансформаторов, электромагнитов, измерительных приборов. Среди материалов можно встретить: низкоуглеродистую электротехническую сталь альсифер пермаллой пермендюр перминвар и др. 1 Технически чистое железо – содержит небольшие примеси углерода (

• 
  Слайд 41
  

  Благодаря низкому удельному сопротивлению ( ρ =10-5 Ом*см) используется редко, только для магнитопроводов, работающих при постоянном токе. Разновидностью ТЧЖ является низкоуглеродистая электротехническая листовая сталь. Содержит 0,04% углерода и не свыше 0,6% других примесей. μ =3500 – 4500; Нс = 96 – 64 А/м. Для получения железа с содержанием примесей применяют сложные способы: электролитическое карбонильное – Fe(СО4 )5 = Fe +5Со По мере удаления примесей возрастает  . Особенно это зависит от уменьшения кислорода и водорода. Так монокристалл чистейшего железа имеет μт=143000; Нс=0,8 А/м 2 Электротехническая сталь – сплав FecSi (0,5 – 5%) Горячекатанные (листы толщиной 0,35 – 1 мм) для f=50 и 400 Гц и 0,1 - 0,2 для повышенных частот.. Удельные потери возрастают с ростом индукции и частоты.

• 
  Слайд 42
  

  Введение примесей: повышает удельное сопротивление ( =6*10-5 Ом*см), что снижает потери на вихревые токи способствует выделению углерода в виде графита, что увеличивает  , уменьшает Нс и снижает потери на гистерезис. Снижается магнитострикция и анизотропия, строение приобретает крупнозернистую структуру. С ростом содержания кремния снижается индукция В5, повышается хрупкость и твердость.