где а — некоторая постоянная величина. Так как магнитострикция является функцией намагниченности, то она, как и намаг ниченность, уменьшается с температурой и обращается в нуль при температуре Кюри.
При намагничивании ферромагнетика не остается также по стоянным его объем. Так, например, при намагничивании железа в сильных магнитных полях изменение
его объема достигает 10-6.
Важным свойством магнитострикционного эффекта является его обратимость. Если размеры ферромагнетика изменяют ся под воздействием внешних сил (напри мер, упругих напряжений), то изменяется магнитное состояние тела. В частности, в ферромагнетике с положительной магнитострикцией намагничивание в направле нии растяжения образца осуществляется с меньшей затратой энергии, чем в пер пендикулярном направлении. Это свя
зано с тем, что при растяжении в отсутствие поля магнитные моменты спинов устанавливаются вдоль оси растяжения, в ре зультате чего в присутствии поля намагничивание состоит только
всмещении границ. При сжатии наблюдается обратная картина:
вобразцах с положительной магнитострикцией спиновые мо менты устанавливаются перпендикулярно оси сжатия, что при водит к увеличению энергии намагничивания. У образцов с от рицательной магнитострикцией (например, из никеля) намаг ничивание по направлению растяжения будет происходить бо лее затруднительно, чем по направлению сжатия.
При наложении на ферромагнетик упругих деформаций су щественным образом изменяется петля гистерезиса. Так, напри мер, при хаотическом распределении в образце внутренних на пряжений за счет дезориентации векторов намагниченности до менов площадь петли гистерезиса увеличивается. Поэтому при создании материалов с высокой магнитной проницаемостью стремятся получить сплав с низкой магнитострикцией, чтобы внутренние напряжения не оказывали влияния на локальную энергию анизотропии. Явление магнитострикции, связанное с изменением размеров ферромагнетиков, находит широкое при менение в современной технике, например для генерации ультра звуковых волн при дефектоскопии и т. п.
Изменение размеров и формы тела можно наблюдать не только при наложении внешнего магнитного поля, но и при пе реходе тела из парамагнитного состояния в ферромагнитное при охлаждении или нагревании. Изменение размеров ферромагне тика в результате возникновения в нем самопроизвольной на магниченности называется термострикцией. По мере понижения
температуры тела величина термострикции растет.
К категории четных эффектов помимо магнито- и термострикции относятся также гальвано- и термомагнитные явления. Под гальвано-магнитными явлениями понимают изменения сопротив ления проводников при внесении их в магнитное поле. Приме ром термомагнитных явлений может служить изменение термо
электродвижущей |
силы тер |
°С |
|||||
мопары при |
наложении |
на |
|||||
П95 |
|||||||
нее |
магнитного |
поля, если |
|
||||
один |
из |
|
представителей |
|
|||
спая |
является ферромагне |
1150 |
|||||
тиком. |
|
|
эффектам |
||||
К |
нечетным |
|
|||||
относится эффект Холла. |
на |
|
|||||
Факторы, |
влияющие |
Ш |
|||||
магнитные |
свойства ферро |
||||||
магнетиков. |
|
Доменная |
|
||||
структура |
ферромагнетиков |
|
|||||
тесно связана с их свойства |
|
||||||
ми, |
имеющими |
большое |
|
||||
практическое |
значение. |
На |
|
||||
свойства |
ферромагнетиков |
|
|||||
большое влияние оказывают |
|
||||||
химический состав, способ их изготовления, механическая и тер мическая обработка и т. д. При этом если некоторые свойства, как, например, намагниченность насыщения, незначительно изме няются в зависимости от химического состава и обычно не зави сят от условий изготовления и термической обработки, то такие, как коэрцитивная сила, проницаемость, восприимчивость, по тери на гистерезис, существенно обусловлены этими факторами и более других физических свойств чувствительны к изменению содержания примесей или к термической обработке. В то же время установлено, что намагниченность ферромагнетиков мо жет существенно изменяться при приложении внешнего давле ния. Это явление названо пьезомагнитным эффектом.
Большое влияние на ферромагнитное состояние оказывают превращения, происходящие в металле или сплаве при его го рячей механической или термической обработках. В качестве примера рассмотрим диаграмму состояния двойных сплавов же леза с кобальтом. Как видно из рис. 9.17, все поле диаграммы разделено на области, характеризующиеся составом и строением фаз, устойчивых при указанных температурах и концентрациях компонентов. Фаза а обладает кристаллическим строением, ха рактерным для железа при комнатных температурах, и имеет объемноцентрированную кубическую решетку. С повышением
температуры (при 911°С) a -фаза |
переходит в у-модификацию |
с гранецентрированной кубической |
решеткой, а при 1392 °С — |
у 6 - ф а з у , имеющую такую же решетку, как и a -фаза. Кобальт при нагревании выше 420 °С переходит из е-фазы (гексагональ-
ная решетка) в 7 -фазу с гранецентрированной кубической ре* шеткой. При нагревании до линии а сплавов, содержащих до 15 мае. % кобальта, ферромагнетизм исчезает без каких-либо фазовых превращений. На линии Ь происходит фазовый переход сплавов с гексагональной решеткой е-фазы в сплавы с ГЦК-ре-
|
|
шеткой у-фазы, причем обе эти |
||||
|
|
фазы ферромагнитны. |
||||
|
|
На рис. 9.18 показано измене |
||||
|
|
ние спонтанной |
намагниченности |
|||
|
|
от температуры, характерное для |
||||
|
|
этой группы сплавов. |
||||
|
|
В |
интервале |
температурного |
||
|
|
перехода е |
у наблюдается рез |
|||
400 |
|
кое изменение в сторону умень |
||||
h |
шения. |
спонтанной |
намагничен |
|||
|
т°с |
ности, |
что |
связано |
с кристал |
|
Рис. 9.18. |
|
лографической перестройкой кри |
||||
|
сталлографической |
структуры и |
||||
|
|
|||||
разупорядочиванием атомов при переходе сплава из одной кри сталлографической модификации в другую. Соответственно по линии с диаграммы одновременно с перестройкой из а- в у-со- стояние происходит переход сплавов из ферро- в парамагнитное состояние при нагревании и обратный переход при охлаждении. По линии m никаких структурных превращений не происходит, а наблюдается только переход из ферро- в парамагнитное со стояние. Спонтанная намагниченность сплавов, соответствую щих линиям а, с и т , в зависимости от температуры опреде ляется законом трех вторых (9.19), а температуры, отвечающие пунктирным линиям а, с и m на рис. 9.17, являются температу рами Кюри —(Ts) для соответствующих сплавов.
Превращения на линии е (911°С) происходят при температу рах, когда обе фазы немагнитны, однако они оказывают влияние на магнитные свойства сплавов при комнатной температуре. При очень малой скорости охлаждения сплавов, нагретых выше 911 °С, внутренние напряжения, возникающие при фазовом пе реходе, благодаря диффузии успевают выравниться и не оказы вают влияния на магнитные свойства при комнатной темпера туре. Если же сплавы быстро охлаждать с этой температуры, то фазовая перестройка не успеет совершиться полностью и соз даст большие внутренние напряжения, которые окажут значи тельное влияние на магнитные характеристики. В частности, бы строе охлаждение (закалка) сопровождается увеличением коэр цитивной силы.
Напряженность магнитного поля, намагниченность, прони цаемость, коэрцитивная сила и т. д. — все эти свойства до вольно сильно изменяются при изменении температуры, если при этом не происходит никаких фазовых превращений. На чальная проницаемость с возрастанием температуры понижает
ся и резко падает при температурах, близких к точке Кюри.. Так как при механической обработке (прокатке, протяжке, волочении и т. д.) в ферромагнетике могут создаваться пред почтительные направления намагниченности, то магнитная про ницаемость реальных металлов зависит от направления, в ко тором производят ее измерение, и имеет максимальные значе
ния по этим предпочтительным направлениям.
Холодная обработка металлов давлением затрудняет их на магничивание. Поэтому для снятия внутренних напряжений,, которые возникают при холодной обработке, а также для уничто жения анизотропии и улучшения намагничивания ферромагне тиков после холодной обработки их подвергают отжигу. Осо бенно благотворное влияние оказывает отжиг, проводимый в ва кууме и в водороде, при котором наряду с уничтожением внут ренних остаточных напряжений происходит дополнительная очистка металла от примесей.
Влияние термической обработки на коэрцитивную силу и проницаемость связывается с наличием доменов и величиной зерна поликристаллического ферромагнетика. Если создать в ферромагнетике условия, затрудняющие смещения границ, то коэрцитивная сила повысится. Этого можно добиться термиче ской обработкой, измельчающей зерно, или обработкой, стимули рующей выпадение одной из фаз сплава, в результате чего об разуется весьма дисперсная гетерогенная структура.
Особенно значительное повышение коэрцитивной силы на блюдается в том случае, когда зерна сплава настолько малы, что представляют собой отдельные домены. Так как процесс намагничивания такой однодоменной структуры происходит только за счет вращения вектора намагниченности, то он тре бует больших внешних полей, зависящих от энергии анизотро пии и формы частиц. Это объясняется тем, что при поворачива нии вектора намагниченности необходимо преодолеть энергети ческий максимум, соответствующий направлению трудного на магничивания.
Зависимость магнитных свойств от холодной и горячей обра ботки часто используется для получения ферромагнетиков с заданными свойствами. Так, например, если для сердечников трансформаторов требуется материал с высокой магнитной про ницаемостью, то для постоянных магнитов — с высокой коэрци тивной силой. Создавая затруднительные условия или ограни чения для смещения границ доменов на первом этапе намагничи вания, можно повысить коэрцитивную силу. Это можно осуще ствить при изготовлении постоянных магнитов путем использо вания очень мелких ферромагнитных частиц, например метода ми порошковой металлургии, или путем выделения мелких час тиц при старении сплавов в ходе термической обработки. В обоих случаях изделие приобретает гетерогенную очень тонкую струк туру, обеспечивающую высокую коэрцитивную силу.
При изготовлении магнитов с высокой проницаемостью при меняют достаточно чистые по химическому составу и однород ные по структуре материалы и термическую обработку, обеспе чивающую получение в ферромагнетике крупного зерна и лег кое, свободное смещение границ доменов.
Существенное влияние на магнитные свойства оказывают примеси. Так, например, увеличение в железе содержания угле рода приводит к необходимости для получения одной и той же намагниченности значительно повышать напряженность магнит ного поля. Большое влияние имеет химический состав сплава. В некоторых случаях незначительное изменение в химическом составе сопровождается значительным изменением магнитных свойств. Так, например, сравнение двух магнитных сплавов по казывает: молибденовый' пермалой (16 мае. % Fe, 78 мае. % Ni и 3,8 мае. % Мо) при соответствующей термической обра ботке имеет начальную магнитную проницаемость 12 0 0 0 , мак симальную— 120 000 и коэрцитивную силу 3,184 А/м, сплав су пермалой (15 мае. % Fe, 79 мае. % Ni и 5 мае. % Мо) после термообработки имеет начальную проницаемость 100 0 0 0 , мак симальную— 900 0 0 0 и коэрцитивную силу 0,3184 А/м.
Изучение магнитных свойств металлов находит широкое при менение при исследовании процессов внутреннего превращения в ферромагнитных сплавах. С помощью магнитных методов изу чают процессы закалки, отпуска, изотермического распада, дис персионного твердения и т. д.
9.7. АНТИФЕРРО- И ФЕРРИМАГНЕТИКИ
Учение о ферромагнетизме показывает, что электростатиче ское обменное взаимодействие приводит ниже определенной тем пературы к упорядоченной параллельной ориентации спинов, т. е. к спонтанной намагниченности. Однако есть группа твердых тел, которые состоят из атомов (ионов) с нескомпенсированными спинами электронов на внутренних незавершенных оболоч ках и у которых обменное взаимодействие вызывает антипараллельное упорядочивание спинов, в результате чего при Т = 0 К магнитный момент таких тел независимо от их объема равен нулю. Состояние самопроизвольной антипараллельной ориента ции спинов называется антиферромагнитным, а само явление — антиферромагнетизмом. Для антиферромагнитного состояния обменная энергия, как и для ферромагнетиков, равна
U оби = |
2AS1S2, |
но обменный интеграл имеет отрицательное значение.
Теория антиферромагнетизма основывается на ряде допуще ний. Во-первых, при рассмотрении антиферромагнитных тел их кристаллическая структура представляется как бы состоящей из ряда подрешеток, т. е. из отдельных объединений ионов, по ложения которых в кристалле тождественны; во-вторых, на об