Процессы намагничивания ферро-и ферримагнетиков описываются кривыми намагничивания – зависимостями магнитной индукции (В) от напряженности магнитного поля (Н) (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Основная кривая намагничивания и кривая магнитной проницаемости ферро-магнитного материала:

а – безгистерезисная В(Н), б – основная В(Н), в – кривая магнитной проницаемости μ(Н); 1 – область самых слабых полей; 2 – область слабых полей; 3 – область средних полей; 4 – область сильных полей

При намагничивании предварительно размагниченного образца различают зависимости следующих типов:

1) начальную (нулевую) кривую намагничивания, которую получают при монотонном увеличении Н;

2) безгистерезисную (идеальную) кривую намагничивания, полученную при одновременном воздействии постоянного и переменного магнитных полей с убывающей до нуля амплитудой (рис. 6.5, кривая а);

3) основную (коммутационную) кривую намагничивания представляющую собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, получающихся при циклическом перемагничевании (рис. 6.5, кривая б).

Начальная кривая обычно мало отличается от основной, но она не отвечает требованиям хорошей воспроизводимости и не может быть использована для сравнительной оценки свойств различных материалов. Безгистерезисная кривая намагничивания характеризуется быстрым возрастанием индукции до индукции насыщения в слабых постоянных магнитных полях.

Основная кривая намагничивания является важнейшей характеристикой магнитных материалов. Она отвечает требованиям хорошей воспроизводимости и широко используется для характеристики намагничивания материалов. С использованием основной кривой намагничивания может быть определена одна из важнейших характеристик – абсолютная магнитная проницаемость:

Кроме абсолютной магнитной проницаемости, выделяют относительную магнитную проницаемость:

                                 (6.2)

где μ₀ = 4π∙10^-7 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума.

Основная кривая намагничивания В(Н) и, соответственно, зависимость μ(Н) могут быть разделены на 4 области в соответствии с возможным различием процессов намагничивания при изменении напряженности магнитного поля (см. рис. 6.5).

Рис. 6.6. Магнитная структура граничного слоя в кристалле

Область 1 (см. рис. 6.5) – область самых слабых магнитных полей характеризуется обратимым смещением границ доменов в магнитном поле и линейной зависимостью В(Н). В граничном слое (рис. 6.6) элементарные магнитные моменты имеют переходную ориентацию в кристалле между соответствующими направлениями намагниченности соседних доменов. Под действием внешнего поля граничные слои между соседними доменами смещаются таким образом, что размеры доменов, намагниченность которых составляет наименьшие углы с направлением поля, а следовательно, энергетически «выгодно» ориентированных по отношению к полю, растут за счет других доменов (рис. 6.7, б). При умень­шении напряженности внешнего поля происходит процесс смещения гра­ниц в обратном направлении.

При Н = 0 границы занимают свои исходные положения и В = 0. Магнитная проницаемость в этой области называется начальной магнитной проницаемостью (μ_Н). Она имеет постоянное значение. Практически μ_H определяется при H ≈ 0,1 А/м. Область 1 называют начальной областью магнитной проницаемости или областью выполнения закона Рэлея.

Область 2 (см. рис. 6.5) – область необратимого смещения границ доменов, характеризуется наиболее сильной зависимостью В(Н), и μ проходит через максимум. При необратимых процессах смещения границ доменов уменьшение напряженности внешнего поля до нуля не возвращает границы доменов в исходное положение. Следовательно, при напряженности внешнего поля, равной нулю, В ≠ 0, вследствие остаточной намагни­ченности.

Необратимое смещение границ доменов происходит только тогда, когда энергия отдельных граничных слоев, зависящая от напряженности магнитного поля, достигает определенных значений. В связи с этим область 2 представляет собой непрерывный ряд скачкообразных изменений намагниченности. Эту область кривой намагничивания называют об­ластью эффекта Баркгауза.

Область 3 (см. рис. 6.5) – область вращения вектора намагниченности. Процесс вращения состоит в повороте вектора намагниченности доменов в направлении поля (см. рис. 6.7, в). Этот процесс характеризуется приближением намагниченности доменов к техническому насыщению, при котором векторы самопро­извольной намагниченности доменов ориентируются параллельно внешнему полю, значение магнитная индукция (В) приближается к максимальному (В_max), а μ уменьшается и приближается к единице.

Область 4 – область насыщения (см. рис. 6.5). В этой области значение В практически не зависит от значения Н. При дальнейшем росте Н происходит парапроцесс, который в большинстве своем дает очень малый прирост намагниченности. Следо­вательно, практический процесс намагничивания считается законченным при достижении технического насыщения. Парапроцесс – возрастание самопроизвольной намагниченности до­менов под действием внешнего магнитного поля. Парапроцесс обусловлен ориентацией в магнитном поле элементарных носителей магнетизма внутри домена, оставшихся неразвернутыми в направлении результирующей намагниченности вследствие дезориентирующего действия теплового движения.

Рис. 6.7. Схема процессов протекающих при намагничивании:

а – исходное состояние при Н = 0, когда в монокристалле имеются четыре домена с различно направленными векторами спонтанной намагниченности доменов (указаны стрелками); б – смещение границ доменов при воздействии внешнего магнитного поля (рост объема домена 1, благоприятно ориентированного относительно поля Н); в – вращение вектора намагниченности (Мm) при дальнейшем увеличении магнитного поля

Следовательно, процесс намагничивания ферро- и ферримагнетиков под действием приложенного магнитного поля напряженностью H можно свести к двум подпроцессам:

1) смещению границ доменов под действием приложенного магнитного поля (см. рис. 6.5, области 1 и 2 и рис. 6.7, б) в слабых магнитных полях;

2) ориентации магнитных моментов доменов по направлению приложенного магнитного поля (см. рис. 6.5, область 3 и рис. 6.7, в) в средних и высоких магнитных полях.

Проведенный анализ процесса намагничивания ферро- и ферримагнетиков упрощен. В действительности различные виды процессов и подпро­цессов перекрывают друг друга. На характер процесса намагничивания оказывают влияние многие причины, например: магнитная анизотропия, магнитострикция, действие теплового поля, механические напряжения, дефекты структуры и др.

В технике для описания свойств магнитных материалов используют различные виды магнитной проницаемости. Кроме ранее рассмотренных μ_а и μ, выделяют также:

· максимальную магнитную проницаемость

;                (6.3)

· дифференциальную магнитную проницаемость

;                  (6.4)

· импульсную магнитную проницаемость

,                     (6.5)

где ΔB_u – максимальное изменение индукции на намагничивание им­пульсным полем ΔН_и.

Рис. 6.8. Зависимость магнитной проницаемости (μ) от частоты (ƒ) магнитного поля

Магнитная проницаемость ферро- и ферримагнетиков зависит от частоты (f) приложенного магнитного поля следующим образом (рис. 6.8). Эта зависимость обусловлена инерционностью магнитных процессов:

· область I – (невысокие частоты магнитного поля), когда все магнитные моменты доменов успевают следовать за полем (успевают ориентироваться);

· область II – (средние частоты магнитного поля), когда магнитные моменты самых инерционных доменов, имеющих максимальный угол с направлением внешнего магнитного поля, не успевают следовать за полем, а начинают запаздывать. Магнитная проницаемость ферро- и ферримагнетиков с увеличением частоты (f) приложенного магнитного поля начинает уменьшаться.