磁化と磁性材料

磁気特性を持つ物質の存在は、非磁性空間の磁場と比較した磁場のパラメータの変化として現れます。微視的表現で発生する物理的プロセスは、微小電流の磁気モーメントの磁場の影響下での材料の外観に関連付けられており、その体積密度は磁化ベクトルと呼ばれます。

物質を中に入れると磁化が現れる様子 磁場 これは、微小電流が磁場の方向に循環する徐々に優先配向する磁気モーメントのプロセスによって説明されます。物質内での微小電流の生成に大きく貢献するのは、電子の動きです。原子に関連する電子の回転と軌道運動、スピンと伝導電子の自由運動です。

磁気特性に従って、すべての材料は常磁性体、反磁性体、強磁性体、反強磁性体、フェライトに分類されます。材料がいずれかのクラスに属するかは、磁性体に対する電子の磁気モーメントの反応の性質によって決まります。多電子原子および結晶構造における電子相互の強い相互作用の条件下での磁場。

反磁性体と常磁性体は弱い磁性材料です。強磁性体では、はるかに強い磁化効果が観察されます。

このような材料の磁化率（磁化ベクトルと磁界強度ベクトルの絶対値の比）は正であり、数万に達することがあります。強磁性体では、自発的な一方向磁化の領域 (ドメイン) が形成されます。

強磁性 遷移金属（鉄、コバルト、ニッケル、および多くの合金）の結晶で観察されます。

増加する強度の外部磁場が印加されると、最初は異なる領域に異なる方向を向いていた自発磁化ベクトルが、徐々に同じ方向に揃います。このプロセスは技術的磁化と呼ばれます。これは、誘導または磁化の依存性である初期磁化曲線によって特徴付けられます。 結果として生じる磁場の強さ 素材の中で。

比較的小さい磁界強度 (セクション I) では、主に磁化方向が磁界強度ベクトルの方向の正の半球にあるドメインのサイズが増加するため、磁化が急速に増加します。同時に、負の半球のドメインのサイズも比例して減少します。程度は低いが、これらの領域の寸法は変化し、その磁化は強度ベクトルに直交する平面に近づくように配向される。

強度がさらに増加すると、磁場に沿ったドメイン磁化ベクトルの回転プロセスが、技術的な飽和に達するまで (セクション II) 支配的になります (ポイント S)。結果として生じる磁化のその後の増加と、フィールド内のすべての領域の同じ配向の達成は、電子の熱運動によって妨げられます。領域 III は常磁性プロセスと本質的に似ており、磁化の増加は、熱運動によって方向が乱れたいくつかのスピン磁気モーメントの配向によるものであり、温度が上昇すると、方向を乱す熱運動が増加し、物質の磁化が減少します。

特定の強磁性材料では、磁区構造の強磁性秩序と磁化が消える特定の温度が存在します。材料は常磁性になります。この温度はキュリー点と呼ばれます。鉄の場合、キュリー点は790℃、ニッケルの場合は340℃、コバルトの場合は1150℃に相当します。

キュリー点よりも温度を下げると、材料の磁気特性が再び復元されます。外部磁場が存在しない場合、ネットワーク磁化がゼロのドメイン構造になります。したがって、強磁性材料で作られた製品をキュリー点以上に加熱して完全に消磁します。

初期磁化曲線

強磁性体の磁化過程は、磁場の変化に応じて可逆と不可逆に分けられます。外部磁場の擾乱を除去した後、材料の磁化が元の状態に戻る場合、このプロセスは可逆的であり、そうでない場合は不可逆的です。

磁壁の小さな変位におけるセクション I 磁化曲線 (レイリー ゾーン) の小さな初期セグメントと、領域内の磁化ベクトルが回転する領域 II、III で可逆的な変化が観察されます。セクション I の主要部分は、主に強磁性材料のヒステリシス特性 (磁場の変化から磁化の変化の遅れ) を決定する磁化反転の不可逆プロセスを扱います。

ヒステリシス ループは、周期的に変化する外部磁場の影響下での強磁性体の磁化の変化を反映する曲線と呼ばれます。

磁性材料をテストする場合、磁場パラメータ B (H) または M (H) の関数に対してヒステリシス ループが構築されます。これらは、材料内部で固定方向に投影して得られたパラメータの意味を持ちます。材料が事前に完全に消磁されている場合、磁場強度がゼロから Hs まで徐々に増加すると、初期磁化曲線 (セクション 0-1) から多くの点が得られます。

ポイント 1 — 技術的な飽和点 (Bs、Hs)。その後、材料内部の力 H をゼロに減少させると (セクション 1-2)、残留磁化 Br の限界 (最大) 値を決定し、負の磁界の強さをさらに減少させて完全な消磁 B = 0 を達成することができます (セクション 1-2)。 2-3) 点 H = -HcV - 磁化中の最大保磁力。

さらに、材料は H = — Hs で飽和するまで負の方向に磁化されます (セクション 3-4)。電界強度が正の方向に変化すると、4-5-6-1 曲線に沿った制限ヒステリシス ループが閉じます。

ヒステリシス リミット サイクル内の多くの材料状態は、部分対称および非対称ヒステリシス サイクルに対応する磁場強度を変更することによって実現できます。

磁気ヒステリシス: 1 — 初期磁化曲線。 2 — ヒステリシス リミット サイクル。 3 — 主磁化の曲線。 4 — 対称的な部分サイクル。 5 — 非対称部分ループ

部分的に対称なヒステリシス サイクルは、リミット サイクルと一致するまで、その頂点を主磁化曲線上に置きます。主磁化曲線は、これらのサイクルの頂点のセットとして定義されます。

部分的な非対称ヒステリシス ループは、開始点が磁界強度の対称変化、および磁界強度の正方向または負の方向の非対称変化を伴う主磁化曲線上にない場合に形成されます。

保磁力の値に応じて、強磁性体は磁気的に柔らかいものと磁気的に硬いものに分けられます。

軟磁性材料は、磁気システムで磁気コアとして使用されます。これらの材料は保磁力が低く、保磁力が高く、 透磁率 そして飽和誘導。

硬磁性材料は保磁力が大きく、あらかじめ着磁した状態で磁性材料として使用されます。 永久磁石 — 磁場の主要な発生源。

磁気特性に従って、反強磁性体が属する材料があります...隣接する原子のスピンの逆平行配置は、それらにとってエネルギー的により有利であることが判明しました。結晶格子の非対称性により大きな固有磁気モーメントを持つ反強磁性体が作成されています...このような材料はフェリ磁性体 (フェライト) と呼ばれます...金属強磁性材料とは異なり、フェライトは半導体であり、エネルギー損失が大幅に低くなります。 交流磁場における渦電流.

各種強磁性体の磁化曲線