Кристаллическая решётка

     Магнитные материалы.  Для различных технических приложений необходимы материалы с различными параметрами петли гистерезиса и, в первую очередь, коэрцитивной силы - от 10-1до 106 А/м. Наибольшее практическое применение имеют материалы с особо малыми (магнитномягкие магнитные материалы) и особо большими (магнитножесткие магнитные материалы) значениями .

     Магнитномягкие материалы  применяют в устройствах, которые  должны перемагничиваться в малых  магнитных полях, это: датчики  магнитного поля, считывающие головки  для чтения магнитной записи, сердечники трансформаторов. В большинстве этих случаев желательно иметь материал с максимальными значениями ; минимальными значениями  и площади петли гистерезиса. Для таких материалов необходимо максимально облегчить движение доменных стенок при перемагничивании, уменьшить влияние магнитной анизотропии и магнитострикции. Для этого в сплаве необходимо уменьшить количество дефектов, мешающих свободному движению доменных стенок, и использовать составы сплавов со слабой магнитной анизотропией и магнитострикцией. В случае использования магнитномягких материалов в переменных магнитных полях желательно иметь большое электросопротивление магнетика. Именно таким требованиям удовлетворяют современные магнитномягкие материалы (см. табл. 5.1).

     Таблица 5.1.

     Наиболее типичные магнитномягкие материалы и их магнитные свойства.

    

 

Группа материалов

НС , А/м

, Тл 

 

чистое железо

6-70

2,15

7-60

 

30-50

1,9-2,1

3-7

 

0,2-4

0,5-0,8

100-1000

аморфные сплавы

0,2-0,4

0,9-1,2

400-600

магнитномягкие ферриты 

15-180

0,4

0,3-4

 

     Первоначально в качестве  магнитномягкого материала использовали  максимально очищенное железо, чистота  железа способствовала уменьшению  концентрации дефектов. Затем нашли  добавки, способствующие увеличению  размеров кристаллитов (что способствовало значительному уменьшению концентрации дефектов) и обеспечивающие формирование кристаллической текстуры - преимущественной ориентации направлений легкого намагничивания вдоль заданных направлений изделия. Таким путем получают так называемые трансформаторные стали - сплавы на основе . Затем подобрали составы сложных сплавов на основе  с минимально возможными параметрами магнитной анизотропии и магнитострикции, что дало еще большее увеличение  (до 106 и более). Следующим шагом было использование аморфных и нано-кристаллических (поликристаллических материалов с размерами кристаллических зерен всего в несколько межатомных расстояний) материалов, в которых магнитная анизотропия еще меньше, так как фактически нет кристаллической решетки; к тому же, удельное электрическое сопротивление в таких материалах значительно больше, чем в кристаллических из-за того, что отсутствие упорядоченного расположения атомов затрудняет направленное движение электронов (см. главу 4).

     Перечисленные классы  магнитномягких материалов обладают сравнительно малым удельным сопротивлением, что способствует появлению в них при перемагничивании больших паразитных токов Фуко (см. том 3). Поэтому в изделиях, которые часто перемагничиваются, магнитномягкие материалы требуется использовать в виде тонких изолированных пластинок или напыленных слоев. Магнитномягкие ферриты (см. разд. 5.1) имеют очень большое удельное электрическое сопротивление и широко применяются в качестве магнитномягких материалов для изготовления монолитных прессованных порошковых деталей. Их недостатками являются меньшие значения , ,  и значительно большая хрупкость, чем у металлических магнитномягких материалов.

     Магнитножесткие (магнитнотвердые)  материалы должны обладать помимо  больших значений  также значительными  величинами: 1) , определяющем поток  вектора  данного магнита, и  2) максимального произведения  (измеренного  во втором квадранте (; , см. рис. 5.13)). Последняя величина приближенно определяет максимальный вращательный момент магнита единичного объема, находящегося в поле . Желательно также иметь высокую временную и температурную стабильность перечисленных параметров и удовлетворительные прочность и пластичность.

     Получить максимальные  значения  удается при выполнении  нескольких обязательных условий.  Во-первых, обеспечивают невозможность  перемагничивания за счет движения  доменных стенок, для чего создают  структуру, в которой мелкие  однодоменные частицы ферромагнитного вещества окружены прослойками парамагнитного вещества. В таком случае перемагничивание может быть осуществлено только за счет вращения вектора  домена, что осуществимо только в сравнительно больших полях . Такая структура, состоящая из однодоменных частиц, получается как правило 1) при мелком размоле ферромагнетика, с последующими смешиванием его с парамагнитным связующим веществом и спеканием, или же 2) при использовании разделения однородного твердого раствора на две фазы ( парамагнитную и ферромагнитную (см. разд. 2.3). Во-вторых, для затруднения вращения вектора  домена используют вещества с очень сильной магнитной анизотропией (, некоторые типы ферритов) или обеспечивают вытянутую форму доменов (в сплавах ), используя методы, описанные в разд. 2.3.

     Все параметры (, , ) увеличиваются при одинаковой  ориентации осей легкого намагничивания (или в ряде случаев длинных  осей доменов) вдоль одного  направления. Последнюю достигают,  ориентируя частицы размолотого  порошка в сильном магнитном поле (порядка 1 Тл), или же проводя начальные стадии разделения твердого раствора на фазы (см. разд. 2.3) во внешнем магнитном поле (порядка 0,1 Тл). По этой же причине использование монокристаллических магнитов со сформированной в нем двухфазной структурой также позволяет улучшить все параметры магнита по сравнению с поликристаллическими материалами.

     Самые распространенные  постоянные магниты (см. табл. 5.2) получают в соответствии с  изложенными выше принципами. Все  магниты полученные по "порошковой технологии" как правило недостаточно прочные и хрупкие. Этот же недостаток есть и у магнитов на основе . От этого недостатка свободны магниты на основе твердых растворов на основе , разделившихся на две фазы, однако их применение сдерживается сравнительно малыми значениями .

     Таблица 5.2.

     Наиболее типичные  магнитножесткие материалы и  их типичные магнитные свойства.

    

 

Группа материалов

НС , кА/м

, Тл 

, кДж/м3 

 

1000-1200

1,2-1,4

600-800

 

1200-1500

1,0-1,1

400-600

 

50-120

1,0-1,2

40-60

 

40-70

1,3-1,6

40-60

ферриты

30-100

0,3-0,5

10-15

 

     В настоящее время  наилучшим комплексом "магнитных"  параметров обладают магниты  на основе , получаемые по "порошковой  технологии". В них однодоменные  частицы ферромагнитного вещества  представляют собой тонко размолотый порошок соединения , формирующегося в сплаве при термообработке. Это вещество, имеющее сложную (68 атомов в ячейке) тетрагональную кристаллическую решетку, обладает очень сильной магнитной анизотропией с осью . В качестве связки используют порошки легкоплавких веществ или же просто избыточный легкоплавкий неодим сплава. Смесь порошков прессуют в магнитном поле в прессформах, соответствующих будущему магниту, затем спекают при температуре порядка 1000 С. Ясно, что высокой прочности достигнуть таким путем не удается. Существенным недостатком этого материала также является сравнительно низкая температура Кюри и сильное уменьшение параметров магнита при нагреве. По таким же принципам и технологии изготавливают магниты на основе сплавов .

     Удачным набором магнитных  (см. табл. 5.2) и механических (приблизительно  как у обычных нержавеющих  сталей) свойств обладают магнитные  материалы на основе . Их, в частности,  можно изготавливать в виде  листа и проволоки, штамповать  и обрабатывать резанием. Физические механизмы формирования свойств в таких, а также и в описанных ниже материалах, описаны в разд. 3.2 и в [10].

     Существуют большие  группы "полужестких" магнитных  материалов с заданными значениями  на основе сплавов  и ряда  других [11]. Их главное применение - коммутационная техника и сердечники импульсных реле, магнитно-механических табло и других устройств, в которых происходит намагничивание сердечника коротким импульсом тока до насыщения, а последующее удержание контактов или узлов изделия осуществляется уже намагниченным сердечником без какого либо потребления энергии; импульс тока заданной величины способен размагнитить такой сердечник и "отпустить" контакты. Похожими комплексами свойств обладают материалы для гистерезисных электродвигателей, вращающий момент в которых обеспечивается за счет перемагничивания ротора из полужесткого материала вращающимся магнитным полем сложной конфигурации.

     Подробные сведения  о современных магнитных материалах  и областях их применения можно  найти в справочниках по специальным сплавам [11] и учебникам по материаловедению [10].

     Задачи к разделу  5.5.

     5.6. Показать, что площадь  петли гистерезиса, построенной  в координатах , равна энергии  затрачиваемой на циклическое  перемагничивание единицы объема ферромагнетика.

     Литература к главе  5.

     1. Ландау Л.Д., Лифшиц  Е.М. Курс теоретической физики. Том. 3. Квантовая механика. - М.: Наука.- 1963. - 832 с.

     2. Давыдов А.С. Квантовая  механика. М.: Физматгиз. 1962. 768 с.

     3. Физические величины. Справочник п.ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. М.: Энергоатомиздат. 1991. 1232 с.

     4. Бозорт Р. Ферромагнетизм. - М.: Изд-во инострю лит-ры.- 1956. - 784 с.

     5. Вонсовкий С.В. Магнетизм. - М.: Наука.- 1971. - 1032 с.

     6. Изюмов Ю.А., Найш В.Е. Озеров Р.П. Нейтронография магнетиков. М.: Атомиздат, 1981. 312 с.

     7. Киттель Ч. Введение  в физику твердого тела. - М.: Наука, 1978, 790 с.

     8. Каганов М.И. Электроны,  фононы, магноны. - М.: Наука.- 1979. - 192 с.

     9. Уэрт Ч., Томсон Р. Физика твердого тела. - М.: Мир. - 1966. - 568 с.

     10. Кекало И.Б., Самарин  Б.А. Физическое металловедение  прецизионных сплавов. Сплавы  с особыми магнитными свойствами. - М.: Металлургия.- 1989.- 496 с.

     11. Прецизионные сплавы. Справочник. Под ред. Молотилова Б.В. М.: Металлургия. 1983. 440 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  ЗАКЛЮЧЕНИЕ  

  

   

 

 

     В учебнике максимально компактно  изложены основные разделы современной  физики твердого тела и их  многочисленные применения в  технике. Такое изложение будет  полезным в первую очередь студентам технических специальностей. Данный учебник пока не охватывает всех разделов физики твердого тела. В ближайшее время планируется дополнить его тремя дополнительными главами: "Фазовые превращения", "Оптические свойства твердых тел", "Сверхпроводимость". Остановимся на содержании этих глав подробнее.

     Шестая глава будет посвящена  процессам выделения фаз и  фазовым превращениям. В ней рассматриваются  механизмы фазовых превращений  (зародышевый и синодальный), типы  фазовых превращений, вопросы термодинамического описания фазовых превращений, управления формой выделений фаз и связанными с ними свойствами материалов с помощью внешних воздействий.

     Седьмая глава будет посвящена  изложению оптических свойств  твердых тел. В ней рассматриваются вопросы взаимодействия электромагнитного излучения с твердыми телами, в том числе: экситоны и экситонные уровни, люминесценция и комбинационное рассеяние, закономерности формирования оптических спектров, принципы работы твердотельных лазеров.

     В восьмой главе изучается  явление сверхпроводимости. Дается  феноменологическое описание этого  явления, его квантовое объяснение  и технические применения.