Классификация веществ по воздействию на них магнитного поля

Лекция 3. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В НАМАГНИЧЕННЫХ СРЕДАХ

Классификация веществ по воздействию на них магнитного поля

Все вещества в природе можно считать магнетиками, т.к. они обладают определенными магнитными свойствами и соответствующим образом взаимодействуют с внешним магнитным полем. Магнитные свойства веществ определяются магнитными свойствами атомов или элементарных частиц (электронов, протонов и нейтронов), входящих в состав атомов. В настоящее время установлено, что магнитные свойства протонов и нейтронов почти в 1000 раз слабее магнитных свойств электронов. Поэтому магнитные свойства веществ в основном определяются электронами, входящими в состав атомов, которые кроме движения по орбите (орбитальный момент) имеют собственный магнитный момент, получивший название спина (spin – вращение). Как спиновое, так и орбитальное движение эквивалентно круговому току, характеризующему магнитные моменты. Если вещество поместить во внешнее магнитное поле, то магнитные поля атомов взаимодействуют с этим полем, в результате чего возникает дополнительный момент, либо совпадающий с внешним полем, либо противоположный ему [9].

Образование под действием внешнего поля собственного магнитного поля называется намагниченностью тела и количественно характеризуется вектором намагниченности , представляющим собой магнитный момент единицы объема вещества V [6]:

, (2.1)

Магнитный момент служит мерой способности намагниченного тела создавать собственное магнитное поле. Чем больше магнитный момент, тем больше поле, которое он характеризует.

Магнитная индукция , создаваемая в присутствии вещества, связана с намагниченностью следующим соотношением:

=m₀( + ), (2.2)

где m₀ - магнитная постоянная, равная 4p× 10^-7 Гн/м.

Выражение (2.2) также может быть записано в виде

=m₀m , (2.3)

где m=1++ - относительная магнитная проницаемость вещества.

Относительная магнитная проницаемость m также показывает, во сколько раз индукция магнитного поля в однородной среде отличается по модулю от индукции магнитного поля в вакууме .

Все вещества по характеру зависимости их намагниченности от напряженности магнитного поля могут быть подразделены на три различных класса [10].

Диамагнитными называются вещества, у которых результирующий магнитный момент атомов равен нулю, а намагниченность пропорциональна

, (2.4)

где - коэффициент пропорциональности, который называется магнитной восприимчивостью.

Магнитная восприимчивость диамагнетиков отрицательна, а магнитная проницаемость m меньше единицы, т.е. направление намагничивания диамагнетиков противоположно направлению намагничивающего их поля .

В диамагнитных веществах орбиты и векторы спинов электронов в каждом атоме ориентированы так, что их общий магнитный момент, который состоит из суммы моментов отдельных электронов, имеющих как положительное, так и отрицательное значение, равен нулю. При помещении этих веществ в магнитное поле в них проявляется диамагнитный эффект, вызывающий уменьшение внешнего магнитного поля. Диамагнетизм является результатом прецессии электронных орбит атома относительно оси, которая проходит через ядро атома параллельно направлению приложенного поля. Поскольку электроны обладают массой, то каждый атом можно рассматривать как своего рода магнитный волчок, свободный конец оси вращения которого совершает круговые движения (прецессионное движение), что эквивалентно появлению дополнительного замкнутого контура тока. Магнитное поле этого контура тока направлено против внешнего поля и уменьшает его.

Объяснение явлению диамагнетизма впервые было дано в 1905 г. Ланжевеном на основе классической электронной теории. Дальнейшие крупные работы в этой области принадлежат Паули (1920). Строгая квантово-механическая теория диамагнетизма была разработана Ван Флеком [10].

Магнитная восприимчивость диамагнетиков очень мала () и в большинстве случаев не зависит от температуры и напряженности поля. К диамагнетикам относятся все инертные газы, водород, азот, хлор, аммиак, ряд металлов (цинк, золото, ртуть и т.д.), неметаллы (кремний, фосфор, сера), а также дерево, мрамор, стекло, воск, нефть, вода и многие другие вещества. Внешне диамагнитные тела проявляют себя тем, что выталкиваются из недородного магнитного поля (рис.2.1). Поле, создаваемое диамагнитным эффектом, очень слабое и составляет примерно 0, 0001 приложенного поля. Явление диамагнетизма было открыто М. Фарадеем (1845 г.).

Для парамагнитных веществ также характерна пропорциональная зависимость намагниченности от напряженности внешнего поля , однако магнитная восприимчивость парамагнитных тел имеет положительное значение, а магнитная проницаемость m больше единицы, т.е. направление намагниченности совпадает с направлением внешнего магнитного поля .

Парамагнетизм характерен для веществ, атомы и молекулы которых обладают собственным магнитным моментом, но в отсутствие внешнего поля эти моменты ориентированы хаотично так, что . Во внешнем поле магнитные моменты атомов парамагнитных веществ ориентируются преимущественно по полю. Следует отметить, что при воздействии на парамагнитные вещества внешнего магнитного поля одновременно с парамагнитным эффектом обязательно наблюдается и диамагнитный эффект. Поскольку эти эффекты противоположны по знаку, суммарные магнитные свойства определяются их разностью, причем у большинства веществ парамагнетизм преобладает над диамагнетизмом.

Парамагнитные вещества обладают свойством насыщения. В очень сильных полях при очень низких температурах их намагниченность стремится к определенному пределу. Для намагничивания парамагнетиков до такого состояния, когда все элементарные магнитные моменты оказываются параллельными внешнему магнитному полю, требуется при комнатной температуре напряженность поля А/м, а при температуре 1К - А/м.

Магнитная восприимчивость парамагнетиков при комнатных температурах составляет и в слабых полях не зависит от напряженности поля и существенно зависит от температуры. Отличие магнитной проницаемости μ от единицы у парамагнетиков чрезвычайно мало. Например, у алюминия, который относится к парамагнетикам, μ ≈ 1, 000023, у вольфрама - μ ≈ 1, 000176. Парамагнетизм свойственен многим чистым металлам, например, щелочным и щелочноземельным, платине, воздуху, а также целому ряду других веществ. Парамагнетики, помещенные в неоднородное магнитное поле, втягиваются в него (рис.2.1). У большинства веществ парамагнитный эффект незначителен – увеличение внешнего поля не превышает 0, 1%.

Рис.2.1. Парамагнетик (1) и диамагнетик (2) в неоднородном магнитном поле

Ферромагнитными называются вещества, атомы которых при отсутствии внешнего магнитного поля обладают результирующим моментом и находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения [9]. Магнитный вид НК основан на анализе взаимодействия магнитного поля с ферромагнитными материалами контролируемых объектов, поэтому целесообразно рассмотреть основные свойства ферромагнитных материалов более подробно (основные методы магнитного неразрушающего контроля представлены в Приложении 1).

Природа ферромагнетизма может быть до конца понята только на основе квантовых представлений. Атомы ферромагнитных веществ образуют кристаллы, в которых часть электронов одних атомов располагается вблизи ядер других, и между соседними атомами возникает обмен электронами. Обменные силы поворачивают соседние атомы так, чтобы их магнитные моменты были параллельными. Такая ориентация спинов в соседних атомах соответствует минимуму энергии системы. Силы обменного взаимодействия очень велики, они эквиваленты напряженности магнитного поля порядка 10⁷А/см. В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области спонтанного намагничивания или домены (области Вейеса) размером порядка 10^–2–10^–4 см. Каждый домен представляет собой небольшой постоянный магнит [6, 9].

В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов индукции магнитных полей в различных доменах ориентированы в большом кристалле хаотически. Такой кристалл в целом окажется ненамагниченным. При наложении внешнего магнитного поля происходит смещение границ доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается. С увеличением индукции внешнего поля возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. В очень сильном внешнем поле домены, у которых собственное магнитное поле совпадает по направлению с внешним полем, поглощают все остальные домены, и наступает магнитное насыщение. Рис.2.2 может служить качественной иллюстрацией процесса намагничивания ферромагнитного образца.

а) б) в)

Рис.2.2. Намагничивание ферромагнитного образца: а) B ₀ =0;

б) B ₀ = B ₀₁; в) B ₀ = B ₀₂ > B ₀₁

Форма доменов, их размер, взаимное расположение доменов и доменных границ входит в понятие «доменная структура». Впервые магнитные домены увидели в 1931-1932 гг. и с тех пор обнаружилось огромное разнообразие доменных структур в кристаллах различных веществ. Оказалось, что для одного и того же вещества, но в образцах разного размера и формы, доменные структуры могут быть совершенно различными. При этом домены различаются не только по виду, но и по своим свойствам. Например, есть доменные структуры, исключительно чутко откликающиеся на внешние воздействия, особенно на магнитные поля. И наоборот, есть структуры, изменить которые очень трудно. Очень поэтично процесс образования доменов описан в работе [10]: «…доменная структура кристалла может самым причудливым образом изменяться в магнитном поле. При последовательном изменении напряженности магнитного поля домены " рождаются", растут, развиваются, начинают взаимодействовать друг с другом, изменяют свою форму и размеры. Потом те домены, в которых намагниченность насыщения ориентирована удачно относительно поля, постепенно поглощают соседние домены. Как показать захватывающую красоту этой " живой", динамичной картины, если для иллюстрации приводятся две-три застывших фотографии?»

На сегодняшний день существует довольно много способов наблюдения доменных структур, из которых наиболее часто используются следующие:

1) Метод магнитной суспензии (метод порошковых фигур), при котором на отполированную электролитическим способом поверхность размагниченного ферромагнитного образца наносится тонкий слой магнитной суспензии. Частицы суспензии собираются в тех местах, где поле наиболее неоднородно, а напряженность его максимальна. Обычно эти места соответствуют выходу доменных стенок на наблюдаемую в микроскоп поверхность образца.

2) Магнитооптические методы, суть которых заключается в том, что при прохождении плоско-поляризованного света через многодоменный кристалл плоскость поляризации поворачивается в доменах с разной ориентацией вектора намагниченности на разные углы (эффект Фарадея). Аналогичной будет ситуация при отражении света от многодоменной поверхности (эффект Керра). Поставив на пути прошедшего (или отраженного) света анализатор и подобрав подходящую ориентацию его плоскости пропускания, можно загасить свет от одной группы доменов и пропустить его от другой. Тогда возникнет контрастная картина доменной структуры, которую можно наблюдать в микроскоп и фотографировать.

На рис.2.3 в качестве примера показан доменная структура кристалла железа в форме тонкой квадратной пластинки (размером 60 мкм и толщиной 0, 5мкм), выявленная с помощью магнитной суспензии. Стороны пластинки параллельны так называемым осям легкого намагничивания кристалла [10].

Рис.2.3. Доменная структура пластинки железа

(стрелками обозначены векторы М в доменах)

Подтверждением существования доменов является эффект Баркгаузена, открытый в 1919 г., который состоит в том, что при монотонном увеличении намагничивающего поля намагниченность в ферромагнетике возрастает не плавно, а скачкообразно. Это объясняется увеличением размеров доменов, векторы намагниченности которых совпадают или близки по направлению с намагничивающим полем, главным образом за счет доменов, у которых вектор намагниченности расположен против или под углом 90° к направлению внешнего поля. Эффект Баркгаузена можно наблюдать в виде отдельных потрескиваний, если плавно перемагничивать натянутую проволоку и охватить проволоку катушкой, присоединенной через усилитель к телефону [6]. В последнее время выявлена возможность использования скачкообразных изменений намагниченности (эффекта Баркгаузена) в магнитоизмерительной технике и для исследования физико-технических свойств магнитных материалов.

Особенностью ферромагнитных веществ является зависимость результирующего магнитного поля от предшествующего магнитного состояния (магнитный гистерезис). Это свойство объясняется большими силами взаимодействия между намагниченными областями, в силу чего при уменьшении внешнего поля ориентация областей в большей или меньшей степени сохраняется.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков имеет очень большое положительное значение и существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Например, у стали - μ ≈ 8000, у сплавов железа с никелем магнитная проницаемость достигает значений 80000 и более.

Таким образом, ферромагнитные материалы характеризуются следующими свойствами:

1) кристаллическим строением;

2) большим положительным значением магнитной проницаемости m (магнитной восприимчивости ), а также существенной и нелинейной ее зависимостью от напряженности поля и температуры;

3) способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых полях;

4) гистерезисом – зависимостью магнитных свойств от предшествующего магнитного состояния («магнитной предыстории»);

5) точкой Кюри, т.е. температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства. Для железа эта температура составляет 753°С, для никеля 376°С, для кобальта 1137°С.

К ферромагнитным материалам, кроме железа и сплавов на его основе, также относятся никель, кобальт, их соединения и сплавы, а также некоторые сплава марганца, серебра, алюминия и др. При относительно низких температурах ферромагнитны некоторые редкоземельные элементы (гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий и тулий) [9, 10].

К группе магнитоупорядоченных веществ наряду с ферромагнитными материалами относятся также антиферромагнетики и ферримагнетики [11]. В антиферромагнетиках магнитные моменты соседних атомов или ионов в отсутствие внешнего поля ориентированы антипараллельно, так что результирующий магнитный момент равен нулю. Антипараллельное расположение магнитных моментов соответствует отрицательной обменной энергии между соседними ионами кристалла. Если в антиферромагнетике наблюдается полная компенсация магнитного момента в кристалле, то по значению такое вещество близко к парамагнетику. К антиферромагнетиками относятся некоторые редкоземельные металлы, окислы и неметаллические соединения. Когда в антиферромагнетике полная компенсация магнитных моментов нарушена, возникает результирующий разностный магнитный момент. Такие вещества носят название ферримагнетиков. Некоторые свойства ферримагнитных материалов аналогичны свойствами ферромагнитных материалов, например, характер зависимости М=f(H). Ферримагнетиками, широко применяемыми в технике неразрушающего контроля, являются ферриты, которые представляют собой двойные оксиды, образуемые оксидом железа и оксидом двухвалентного металла (например, кобальта, цинка, никеля, марганца и др.). Ферриты имеют удельное электрическое сопротивление, во много раз превышающее сопротивление металлических ферромагнетиков, что практически исключает возникновение в ферритах вихревых токов при воздействии на них переменных магнитных полей.