Файл: Руководство по разработке технологической карты по магнитопорошковому контролю, приведены тесты для подготовки к сдаче экзаменов по магнитному контролю.pdf

1.2. Краткие
сведения
о
ферромагнетизме.
Свойства
ферромагнетиков. Парамагнетики и диамагнетики
Назовите известные Вам ферромагнетики.
К ферромагнетикам относят железо, кобальт, никель, гадолиний, их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия, меди и др. При низких температурах ферромагнитны материалы из редкоземельных элементов эрбия и диспрозия. Ферромагнитны некоторые виды ферритовой керамики.
Можно изготовить сплавы, обладающие высокими ферромагнитными свойствами, из парамагнитных и диамагнитных материалов. Например, сплав
Гейслера состоит из таких слабомагнитных металлов, как медь (60
), марга- нец (25
) и алюминий (15 ). С другой стороны, некоторые сплавы из ферромагнитных материалов почти немагнитны, например, сплав из 75
 железа и 25
 никеля.
Назовите основные свойства ферромагнетиков.
Все ферромагнетики характеризуются:
 большими положительными значениями магнитной проницаемости, ее нелинейной зависимостью от напряженности магнитного поля и температуры;
 способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах в слабых полях;
 гистерезисом, т. е. зависимостью магнитных свойств от предшест- вующего магнитного состояния;
 точкой Кюри – температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства (для железа – 768 °С, никеля – 360 °С, кобальта –
1130 °С); при температурах выше точки Кюри все ферромагнетики стано- вятся парамагнитными.
Все ферромагнетики, кроме аморфных, имеют кристаллическое строение.
Магнитное поле внутри ферромагнетиков значительно усиливается.
Чем обусловлены ферромагнитные свойства материалов?
В отличие от диамагнетизма и парамагнетизма, являющихся свойствами отдельных атомов или молекул вещества, ферромагнетизм объясняется свойст- вами кристаллической структуры вещества. Атомы ферромагнетика, если взять их, например, в парообразном состоянии, диамагнитны или слабо парамагнитны.
Ферромагнетизм – это свойство вещества в твердом состоянии, т. е. свойство кристаллов вещества. Его физическую природу объясняет квантовая механика.
Ферромагнетизм возникает благодаря особому взаимодействию электронов незаполненных электронных слоев между соседними атомами. Такое
10

взаимодействие называется обменным. Силы обменного взаимодействия заставляют магнитные моменты электронов устанавливаться параллельно друг другу. В результате в ферромагнетике появляются области самопроизвольного, или спонтанного, намагничивания. Их называют
доменами. В пределах домена при обычных температурах ферромагнетик намагничен почти до насыщения.
При отсутствии внешнего поля направления магнитных моментов отдельных доменов различны. Суммарный магнитный момент образца равен нулю, поэтому образец в целом не намагничен.
Итак, ферромагнетизм присущ только элементам, у атомов которых есть внутренние незаполненные электронные слои, а отношение диаметра атома
am
d
в кристаллической решетке к диаметру незаполненного электронного слоя
нэс
d
больше 3 (энергия обменного взаимодействия
W положи- тельна) (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Зависимость энергии обменного взаимодействия от отношения диаметра атома к диаметру незаполненного электронного слоя
W = –2A
1
s

2
s

cos
, где
А – константа обменного взаимодействия, равная разности энергий двух электронов при одинаковом и противоположном направлениях спиновых моментов;
1
s

и
2
s

– результирующие спиновые магнитные моменты атомов;

– угол между векторами этих моментов.

электронов вокруг собственной оси (спиновой магнитный момент электронов) и вращением атомного ядра вокруг своей оси (спиновой магнитный момент ядра атома).
Диамагнетики – вещества, магнитные моменты атомов (молекул) которых в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю, т. к. магнитные моменты всех электронов атома (молекулы) взаимно скомпенсированы. Такими свойствами обладают, например, вещества, в атомах, молекулах или ионах которых имеются только целиком заполненные электронные слои – инертные газы, водород, азот, хлористый натрий и др. При внесении во внешнее поле атомы (молекулы) диамагнетиков приобретают наведенные магнитные моменты. В
диамагнетике, помещенном в магнитное поле, возникает дополнительный магнитный момент, направленный
противоположно полю.
Внешнее магнитное поле создает в веществе индукционные токи, которые собственным полем стремятся противодействовать полю в соответствии с правилом Ленца. Возникновение этих токов обусловлено вращением электрона вокруг ядра. В результате этого каждый атом обладает магнитным моментом.
В магнитном поле появляются силы, стремящиеся направить магнитный момент электрона по полю (ориентировать плоскость электронной орбиты перпен- дикулярно полю). Вследствие этого электронная орбита начинает прецесси- ровать вокруг направления поля. Такая прецессия эквивалентна появлению дополнительного вращения электрона, что приводит к дополнительному магнитному моменту,
всегда ориентированному против поля. Явление диамагнетизма проявляется только тогда, когда все орбитальные и спиновые моменты в атоме скомпенсированы. У диамагнетиков
r

незначительно меньше единицы. Такие вещества незначительно ослабляют магнитное поле.
Диамагнетики – цинк, свинец, золото, серебро и др. Явление диамагнетизма присуще почти всем веществам, однако не всегда оно наблюдается, т. к. перекрывается более сильным парамагнитным или ферромагнитным.
Парамагнетиками называются вещества, атомы (молекулы) которых в отсутствие внешнего магнитного поля имеют отличный от нуля магнитный момент. Это может быть связано как с орбитальным движением электронов в атомах (молекулах) парамагнетика, так и со спиновыми магнитными моментами этих электронов. В отсутствие внешнего магнитного поля векторы магнитных моментов различных атомов (молекул) парамагнетика ориентированы беспорядочно. Намагниченность парамагнетика равна нулю. В магнитном поле магнитные моменты атомов (молекул) прецессируют вокруг направления поля.
Совместное действие межатомных столкновений под действием теплового движения и магнитного поля приводит к преимущественной ориентации собственных магнитных моментов атомов по направлению внешнего поля, т. е. парамагнетик намагничивается вдоль поля.
12

Итак, к
парамагнетикамотносятся вещества с нескомпенсированными магнитными моментами молекул и атомов. Во внешнем магнитном поле парамагнетики приобретают дополнительный магнитный момент, направленный вдоль поля. К парамагнетикам относятся хром, марганец, алюминий, кислород и др. У таких веществ
r

незначительно больше единицы. Во внешнем магнит- ном поле напряженность поля в них лишь очень незначительно возрастает.
1.3. Физические величины, характеризующие магнитные
свойства вещества. Кривая намагничивания. Напряженность
магнитного поля, намагниченность, магнитная индукция,
индукция технического насыщения, магнитная проницаемость
Приведите основные физические величины, которые характеризуют
ферромагнитные свойства вещества.
Ферромагнитные свойства вещества характеризуются:
– вектором намагниченности, равным плотности магнитного момента в данном объеме,
m
dP
M
dV



;
– вектором магнитной индукции
0
(
),
B
H M
 




где
0

– магнитная постоянная,
0

= 4
ꞏ10
-7
Гн/м;
Н – напряженность магнитного поля;
– абсолютной магнитной проницаемостью
0
a
r
B
H
   
, где
r

– относительная магнитная проницаемость (безразмерная величина), для ферромагнетиков
r

=
f (Н) 
1;
–
магнитной восприимчивостью
a
M
H
 
Из второго и последнего выражений следует
r

= 1 +
a
 .
Замечание. При использовании формул
В
=
0

(
H + M
) и
В
=
0

r


следует помнить, что намагниченность
М
и относительная магнитная проницаемость
r

являются функцией напряженности поля. Строго говоря, при малых и средних значениях напряженности магнитного поля
М
является функцией
Н
, а при больших значениях
Н
намагниченность
М
стремится к постоянному значению. При больших значениях намагничивающего поля
r

стремится к единице, а
a

=
r

– 1 – к нулю.
Что понимают под кривой первоначального намагничивания?
Под кривой первоначального намагничивания понимают график зависи- мости намагниченности (магнитной индукции) образца от напряженности
13

поля, полученный при условии монотонного и медленного возрастания намагничивающего поля, в которое помещен полностью размагниченный образец (рис. 1.3). На кривой первоначального намагничивания можно выделить следующие характерные области: начального (обратимого) намагничивания,
Релея, наибольших магнитных проницаемостей, приближения к насыщению и парапроцесса (см. рис. 1.3).
Рис. 1.3. Кривая первоначального намагничивания ферромагнетика: I – область начального (обратимого) намагничивания; II – область Релея; III – область наибольших магнитных проницаемостей; IV – область приближения к насыщению; V – область парапроцесса
Почему кривая первоначального намагничивания не является
технической характеристикой материала?
Зависимость намагниченности (или магнитной индукции) полностью размагниченного образца от напряженности поля, монотонно и медленно изменяющегося от 0 до некоторой величины, называется
кривой первоначального
намагничивания (нулевая кривая).
В общем случае кривую первоначального намагничивания можно разделить на пять частей.
Для построения кривой первоначального намагничивания используется полностью размагниченный образец. Однако часто невозможно размагнитить образец так, чтобы в нем было действительно хаотическое расположение векторов магнитных моментов доменов (кроме случая нагревания выше температуры Кюри, когда это допустимо). Нагревание выше точки Кюри может привести к потере механических свойств изделия. То есть получить нужную кривую по этой причине сложно. Поэтому кривая первоначального намагни- чивания не является технической характеристикой материала, т. е. она непригодна для определения магнитных характеристик материала.
14

Дайте определение основной кривой намагничивания (индукции).
Основная кривая намагничивания вещества – это кривая, представляющая собой геометрическое место вершин симметричных петель магнитного гистерезиса, которые получаются при последовательно возрастающих максимальных значениях напряженности магнитного поля (рис. 1.4). Каждая точка основной кривой намагничивания фиксируется после многократного коммутирования намагничивающего тока для получения установившегося цикла. Основная (коммутационная) кривая намагничивания является исходной для получения таких характеристик ферромагнитных материалов, как
диф

, max

,
обратим

и др.
Рис. 1.4. Основная кривая намагничивания вещества
Почему для получения основной кривой намагничивания требуется
многократное коммутирование намагничивающего тока?
Если несколько раз изменить напряженность магнитного поля, в которое помещен образец, от +
max
Н
до (–
max
Н
) и обратно, то положение вершин петли гистерезиса будет каждый раз несколько изменяться. Только после 10…12 цик- лов (а для некоторых материалов после 50…100) получается установившийся цикл. То есть положение вершин
А и А петли стабилизируется после многократного коммутирования намагничивающего тока (рис. 1.5).
Какая кривая намагничивания называется безгистерезисной?
Намагничиванию ферромагнитных тел препятствует гистерезис, который можно сравнить с внутренним трением. Экспериментально можно получить кривую намагничивания, на которую гистерезис почти не оказывает влияния, – так называемую безгистерезисную кривую намагничивания (рис. 1.6). Она получается в результате наложения на образец небольшого постоянного намагничивающего поля и переменного магнитного поля с убывающей до нуля амплитудой.
15