Aimantation et matériaux magnétiques

La présence d'une substance aux propriétés magnétiques se manifeste par une modification des paramètres du champ magnétique par rapport au champ dans l'espace non magnétique. Les processus physiques se produisant dans la représentation microscopique sont associés à l'apparition dans le matériau sous l'influence d'un champ magnétique de moments magnétiques de microcourants, dont la densité volumique est appelée vecteur d'aimantation.

L'apparition de magnétisation dans la substance lorsque vous la placez à l'intérieur champ magnétique s'explique par le processus d'orientation préférentielle graduelle des moments magnétiques y faisant circuler des microcourants dans le sens du champ. Une énorme contribution à la création de microcourants dans la substance est le mouvement des électrons : rotation et mouvement orbital des électrons associés aux atomes, spin et libre mouvement des électrons de conduction.

Selon leurs propriétés magnétiques, tous les matériaux sont divisés en paramagnétiques, diamagnétiques, ferromagnétiques, antiferromagnétiques et ferrites... L'appartenance d'un matériau à l'une ou l'autre classe est déterminée par la nature de la réaction des moments magnétiques des électrons à un champ magnétique champ dans des conditions de fortes interactions des électrons les uns avec les autres dans les atomes multiélectroniques et les structures cristallines.

Les diamagnets et les paramagnétiques sont des matériaux faiblement magnétiques. Un effet d'aimantation beaucoup plus fort est observé dans les ferromagnétiques.

La susceptibilité magnétique (le rapport des valeurs absolues des vecteurs d'aimantation et d'intensité de champ) pour de tels matériaux est positive et peut atteindre plusieurs dizaines de milliers. Dans les ferromagnétiques, des régions d'aimantation unidirectionnelle spontanée - domaines - se forment.

Ferromagnétisme observé dans les cristaux de métaux de transition : fer, cobalt, nickel et un certain nombre d'alliages.

Lorsqu'un champ magnétique externe d'intensité croissante est appliqué, les vecteurs d'aimantation spontanée, initialement orientés dans différentes zones de différentes manières, s'alignent progressivement dans la même direction. Ce processus s'appelle l'aimantation technique… Il se caractérise par une courbe d'aimantation initiale - la dépendance de l'induction ou de l'aimantation à l'intensité du champ magnétique résultant dans le matériel.

Avec une intensité de champ relativement faible (section I), il y a une augmentation rapide de l'aimantation, principalement due à une augmentation de la taille des domaines avec l'orientation de l'aimantation dans l'hémisphère positif des directions des vecteurs d'intensité de champ. Dans le même temps, les tailles des domaines dans l'hémisphère négatif sont réduites proportionnellement.Dans une moindre mesure, les dimensions de ces régions changent, dont l'aimantation est orientée au plus près du plan orthogonal au vecteur intensité.

Avec une nouvelle augmentation d'intensité, les processus de rotation des vecteurs d'aimantation de domaine le long du champ prédominent (section II) jusqu'à ce que la saturation technique soit atteinte (point S). L'augmentation subséquente de l'aimantation résultante et l'obtention de la même orientation de toutes les régions du champ sont entravées par le mouvement thermique des électrons. La région III est de nature similaire aux processus paramagnétiques, où l'augmentation de l'aimantation est due à l'orientation des quelques moments magnétiques de spin désorientés par le mouvement thermique.Avec l'augmentation de la température, le mouvement thermique désorientant augmente et l'aimantation de la substance diminue.

Pour un matériau ferromagnétique donné, il existe une certaine température à laquelle l'ordre ferromagnétique de la structure des domaines et l'aimantation disparaissent. Le matériau devient paramagnétique. Cette température s'appelle le point de Curie. Pour le fer, le point de Curie correspond à 790°C, pour le nickel - 340°C, pour le cobalt - 1150°C.

La diminution de la température en dessous du point de Curie restaure à nouveau les propriétés magnétiques du matériau : la structure de domaine avec une aimantation de réseau nulle s'il n'y a pas de champ magnétique externe. Par conséquent, des produits chauffants constitués de matériaux ferromagnétiques au-dessus du point de Curie sont utilisés pour les démagnétiser complètement.

Courbe d'aimantation initiale

Processus d'aimantation des matériaux ferromagnétiques divisés en réversibles et irréversibles en relation avec la modification du champ magnétique.Si, après suppression des perturbations du champ extérieur, l'aimantation du matériau revient à son état d'origine, alors ce processus est réversible, sinon il est irréversible.

Des changements réversibles sont observés dans un petit segment initial de la courbe d'aimantation de la section I (zone de Rayleigh) à de petits déplacements des parois du domaine et dans les régions II, III lorsque les vecteurs d'aimantation dans les régions tournent. La partie principale de la section I traite d'un processus irréversible d'inversion de l'aimantation, qui détermine principalement les propriétés d'hystérésis des matériaux ferromagnétiques (décalage des changements d'aimantation par rapport aux changements du champ magnétique).

Boucle d'hystérésis appelée courbes reflétant la variation de l'aimantation d'un ferromagnétique sous l'influence d'un champ magnétique externe changeant de manière cyclique.

Lors du test de matériaux magnétiques, des boucles d'hystérésis sont construites pour les fonctions des paramètres de champ magnétique B (H) ou M (H), qui ont la signification des paramètres obtenus à l'intérieur du matériau dans une projection sur une direction fixe. Si le matériau était auparavant complètement démagnétisé, une augmentation progressive de l'intensité du champ magnétique de zéro à Hs donne de nombreux points à partir de la courbe d'aimantation initiale (Section 0-1).

Point 1 — point de saturation technique (Bs, Hs). La réduction ultérieure de la force H à l'intérieur du matériau à zéro (section 1-2) permet de déterminer la valeur limite (maximale) de l'aimantation résiduelle Br et de réduire davantage l'intensité du champ négatif pour obtenir une démagnétisation complète B = 0 ( section 2-3) au point H = -HcV - la force coercitive maximale lors de l'aimantation.

De plus, le matériau est magnétisé dans le sens négatif jusqu'à saturation (Section 3-4) à H = — Hs. Un changement d'intensité de champ dans une direction positive ferme la boucle d'hystérésis limite le long de la courbe 4-5-6-1.

De nombreux états matériels dans le cycle limite d'hystérésis peuvent être obtenus en modifiant l'intensité du champ magnétique correspondant aux cycles d'hystérésis partiels symétriques et asymétriques.

Hystérésis magnétique : 1 — courbe d'aimantation initiale ; 2 — cycle limite d'hystérésis ; 3 — courbe de l'aimantation principale ; 4 — cycles partiels symétriques ; 5 — boucles partielles asymétriques

Les cycles d'hystérésis partiellement symétriques reposent leurs sommets sur la courbe d'aimantation principale, qui est définie comme l'ensemble des sommets de ces cycles jusqu'à ce qu'ils coïncident avec le cycle limite.

Des boucles d'hystérésis asymétriques partielles se forment si le point de départ n'est pas sur la courbe de magnétisation principale avec un changement symétrique de l'intensité du champ, ainsi qu'avec un changement asymétrique de l'intensité du champ dans le sens positif ou négatif.

En fonction des valeurs de la force coercitive, les matériaux ferromagnétiques sont divisés en magnétiquement doux et magnétiquement durs.

Les matériaux magnétiques doux sont utilisés dans les systèmes magnétiques comme noyaux magnétiques... Ces matériaux ont une faible force coercitive, une haute perméabilité magnétique et l'induction de saturation.

Les matériaux magnétiques durs ont une grande force coercitive et à l'état pré-magnétisé sont utilisés comme aimants permanents — sources primaires de champ magnétique.

Il existe des matériaux auxquels, selon leurs propriétés magnétiques, appartiennent les antiferromagnétiques... L'arrangement antiparallèle des spins des atomes voisins s'avère énergétiquement plus favorable pour eux. Des antiferromagnétiques ont été créés qui ont un moment magnétique intrinsèque important en raison de l'asymétrie du réseau cristallin... De tels matériaux sont appelés ferrimagnétiques (ferrites)... Contrairement aux matériaux ferromagnétiques métalliques, les ferrites sont des semi-conducteurs et ont des pertes d'énergie nettement inférieures pour courants de Foucault dans les champs magnétiques alternatifs.

Courbes d'aimantation de divers matériaux ferromagnétiques