Спиновые стекла; сперромагнетизм; асперромагнетизм; гелимагнетизм; сперимагнетизм; миктомагнетизм

· Спиновые стекла – магнетики, представляющие собой разбавленные магнитные сплавы (например, CuMn, AgMn, AuFe), т. е. матрица немагнитного материала с включением магнитных примесей. Относительная концентрация магнитных ионов составляет обычно ~10^-3÷ 10^-1.

Как правило, спиновым стеклам характерны следующие свойства:

§ зависимость χ (T) имеет резкий излом при некотором критическом значении температуры T_c. Значение T_c возрастает с увеличением концентрации магнитных примесей и уменьшается с ростом частоты приложенного магнитного поля;

§ многие спиновые стекла обладают магнитной вязкостью – зависимостью значения магнитного момента от времени, при T < T_c;

§ функция зависимости магнитной части теплоемкости от температуры (в области низких температур) имеет линейный характер. В точке T_c наблюдается плавный максимум теплоемкости, что свидетельствует о сильной вырожденности основного состояния спиновых стекол [6], [7].

· Сперомагнетизм – магнитное состояние аморфных магнетиков, в котором равновесные ориентации локализованных магнитных моментов распределены в пространстве хаотически. Вследствие этого, суммарная намагниченность отсутствует, и корреляции между ориентациями близлежащих атомных магнитных моментов исчезают на интервале нескольких межатомных расстояний.

· Асперомагнетизм – магнитное состояние аморфного вещества, определяющееся хаотическим размещением в пространстве локализованных магнитных моментов данного сорта, направления которых ниже некоторой температуры упорядочения зафиксированы так, что имеются преимущественные ориентации, более вероятные, чем остальные (рис. 2.9). К типичным асперомагнетикам относятся GdAg, YbFe₃, GdAl₂.

Рис. 2.9. Магнитная структура асперомагнетика

· Гелимагнетизм – магнитное состояние, возникающее в системе магнитных моментов, локализованных в узлах кристаллической решетки, ниже некоторой температуры и обладающее при различных ориентациях отдельных моментов некоторым преимущественным направлением. Магнитное состояние гелимагнетика есть ничто иное, как кристаллическая форма асперомагнетка. К типичным гелимагнетикам относится MnAu₂.

· Сперимагнетизм – магнитное состояние аморфного твёрдого тела с двумя или большим числом хаотических подсистем – химически различающихся магнитных атомов (ионов), в котором, по крайней мере одна из подсистем магнитных моментов атомов «заморожена» так, что образует асперомагнитную структуру, а другая ориентирована хаотически. Результирующие магнитные моменты каждой из подсистем магнитных атомов могут быть направлены как параллельно, так и антипараллельно друг другу, таким образом, сперимагнетик является хаотическим неколлинеарным ферримагнетиком. Сперимагнетизм наблюдался в некоторых системах редкоземельных металлов с ферромагнетиками группы железа, например Nd-Co, Nd-Fe, Dy-Со, Dy-Fe. В случае химической неразличимости магнитных атомов, сперимагнитная структура тождественна асперомагнитной [8].

· Миктомагнетизм – вид магнетизма, определяющийся совокупностью магнитных свойств некоторых неупорядоченных твердых растворов, (в определенных концентрационных интервалах), обусловленный наличием случайных конкурирующих (знакопеременных) обменных взаимодействий между локализованными магнитными моментами и неоднородностью распределения концентрации компонентов раствора. Таким образом, миктомагнетизм подобен спиновым стеклам, за исключением того, что в нем доминируют локальные корреляции магнитных ионов, ввиду повышенной концентрации магнитных примесей [8].

21. Магнитотвёрдые материалы

Магнитотвердые материалы – магнитные материалы, обладающие большой удельной энергией, которая тем больше, чем больше остаточная индукция B _r и коэрцитивная сила H _c материала.

Граница значений H _c, относительно которой магнитный материал можно отнести к магнитотвердому, является условной. В технике магнитный материал, (в соответствии с
ГОСТ 19693-74) допустимо считать магнитотвердым, если значение его коэрцитивной силы превышает отметку 4 кА/м [9].

Магнитотвердые материалы широко применяют для изготовления постоянных магнитов. При этом используется магнитная энергия, возникающая между полюсами магнита, вследствие чего магнитные цепи с постоянными магнитами должны быть разомкнутыми, т. е. иметь полезный (рабочий) воздушный зазор (рис. 3.1, б). Поток в зазоре возникает после намагничивания материала, при кратковременном помещении его в сильное магнитное поле.

После снятия внешнего поля магнитные свойства материала характеризуются кривой размагничивания – участком гистерезисной петли, расположенной во втором квадранте декартовой системы координат (рис. 3.2, а). Положение рабочей точки A на этой кривой определяется конфигурацией магнитной цепи системы с постоянным магнитом. Индукцию B _A называют остаточной индукцией в разомкнутой цепи.

Рис. 3.1. Кольцевые магнитные сердечники

Удельную магнитную энергию в единице объема воздушного зазора d (рис. 3.1, б) можно рассчитать по формуле (3.1).

(3.1)

где В _A и H _A индукция и напряженность магнитного поля соответствующие точки A (рис. 3.2, а) соответственно.

Таким образом, энергия W_A пропорциональна площади прямоугольника со сторонами B _A и H _A.

Очевидно, что из-за отсутствия внешних токов сумма намагничивающих сил сердечника с воздушным зазором должна быть равной нулю. Т. е. можно записать:

H l + H _d · d =0, (3.2)

где H l = F – намагничивающая сила ферромагнитного сердечника; H _d·d = F_d – намагничивающая сила воздушного зазора.

Из выражения (3.2) несложно получить выражения, определяющие как напряженность магнитного поля в воздушном зазоре (3.3), так и напряженность магнитного поля внутри самого сердечника (3.4).

(3.3)

(3.4)

где Н _d – напряженность магнитного поля в единице воздушного зазора; Н _c – напряженность магнитного поля в магните; l – длина средней линии тороида (рис. 3.1, a); d – ширина воздушного зазора.

Таким образом, внутри сердечника существует отрицательная напряженность магнитного поля, которая определяется как величиной индукции, так и относительной величиной зазора.

При изменении воздушного зазора точка A будет перемещаться на кривой размагничивания. Если зазор между полюсами отсутствует, то B _A = B _r, а W_A =0, так как H _A =0. Если зазор очень велик, то W_A также будет стремиться к нулю, вследствие того, что B _A =0, а H _A = H _c. При некоторых значениях B _A и H_A равных наибольшим возможным значениям, удельная магнитная энергия достигает максимального значения W _max.

Рис. 3.2. Петли гистерезиса различных магнитных материалов

Параметр W _max является важнейшим при оценке качества магнитотвердого материала. Иногда вместо W _max пользуются пропорциональной ей величиной (BH)_max, называемой энергетическим произведением.

Максимальная энергия тем больше, чем больше остаточная индукция B _r, коэрцитивная сила H _c и коэффициент выпуклости кривой размагничивания материала, оцениваемый согласно выражению (3.5).

(3.5)

В процессе эксплуатации магнита положение рабочей точки не остается постоянным. При этом изменение магнитного состояния происходит по кривым возврата, представляющим собой частные петли гистерезиса, одна из вершин которых лежит на кривой размагничивания. Кривые возврата являются весьма узкими, в связи с чем, их допустимо заменять прямыми возврата (отрезок CD на рис. 3.2, a), ход которых оценивается коэффициентом возврата:

где ∆ B изменение индукции, соответствующее изменению ∆ H.

Кроме основных параметров магнитотвердых материалов (W _max, γ, μ _∆ ) часто имеют существенное значение их механические свойства (прочность, пластичность и т. п.). При этом, особенно важным для некоторых случаев является вопросы стабильности магнитных свойств данного конкретного образца.

Внутри своей группы, магнитотвердые материалы принято классифицировать по основному способу их производства:

§ литые магнитотвердые материалы (составляют 80 % всех магнитотвердых материалов) – магниты на основе сплавов Fe - Ni - Al - Co, легированных медью, титаном, ниобием и некоторыми другими элементами;

§ порошковые магнитотвердые материалы – магниты, получаемые путем прессования порошков, с их последующей термической обработкой;

§ магнитотвердые ферриты – класс магнитотвердых материалов, характеризующийся высокой устойчивостью к размагничиванию и хорошей коррозионной стойкостью;

§ сплавы на основе редкоземельных элементов – магниты, изготавливаемые прессованием или литьем из интерметаллида Nd₂Fe₁₄B.