Зараз було б добре розповісти про різні сорти магнітних матеріалів, які застосовуються в техніці, і про деякі проблеми, пов'язані зі створенням магнітних матеріалів для різних цілей. Перш за все про сам термін «магнітні властивості заліза», який часто доводиться чути. Він, строго кажучи, не має сенсу і здатний ввести в оману: «заліза» як строго визначеного матеріалу не існує. Властивості заліза істотно залежать від кількості домішок, а також від способу його приготування. Ви розумієте, що магнітні властивості залежатимуть від того, наскільки легко рухаються доменні стінки, саме ця властивість буде визначальною, а зовсім не те, як поводяться окремі атоми. Так що практично феромагнетизм не є властивістю атомів заліза: це властивість шматка заліза в певному стані. Залізо, наприклад, може перебувати в двох різних кристалічних формах. Звичайна форма має об'ємноцентровану кубічну ґратку, але може ще мати й гранецентровану ґратку, яка, однак, стабільна лише при температурах вище 1100°С. При цих температурах, звісно, залізо вже пройшло точку Кюрі. Однак, сплавляючи із залізом хром і нікель (один з можливих складів містить 18% хрому і 8% нікелю), ми можемо отримати те, що називається нержавіючою сталлю; хоча вона й складається переважно із заліза, але зберігає гранецентровану ґратку навіть при низьких температурах. Завдяки своїй кристалічній структурі цей матеріал має зовсім інші магнітні властивості. Зазвичай нержавіюча сталь немагнітна скільки-небудь помітною мірою, хоча є сорти з іншим складом сплаву, які певною мірою магнітні. Хоча такий сплав, як будь-яка речовина, є магнетиком, він не феромагнетик, як звичайне залізо, попри те що в основному він все ж складається із заліза.
Існують спеціальні матеріали, які були придумані для отримання особливих магнітних властивостей. Про деякі з них я хочу розповісти. Якщо потрібно зробити постійний магніт, то потрібно знайти матеріал з незвично широкою петлею гістерезису, щоб при вимкненні струму, коли ми спустимося до нульового намагнічувального поля, намагніченість все ж залишилася великою. Для таких матеріалів межі доменів повинні бути «заморожені» на місці якомога міцніше. Одним з таких матеріалів є чудовий сплав Алніко V (51% Fe, 8% Al, 14% Ni, 24% Co, 3% Cu). Доволі складний склад цього сплаву свідчить про ту копітку працю, яку треба було витратити, щоб створити хороший магніт. Скільки терпіння знадобилося для того, щоб, змішуючи по-різному п'ять компонентів, перевіряти різні їхні склади, аж поки не було знайдено ідеальний сплав! Коли Алніко V твердне, у нього з'являється «друга фаза», яка, осаджуючись, утворює безліч маленьких зерен і викликає дуже великі внутрішні напруження. Рух доменних стінок у цьому матеріалі дуже утруднений. А щоб отримати на додачу потрібну будову, Алніко V механічно «обробляється» так, щоб кристали вишиковувалися у формі видовжених зерен у напрямі майбутньої намагніченості. При цьому намагніченість, природно, прагне дивитися в потрібному напрямі й протистояти ефектам анізотропії. Більше того, в процесі приготування матеріал навіть охолоджується в зовнішньому магнітному полі, так що зерна ростуть з правильною орієнтацією кристалів. Петля гістерезису Алніко V наведена на фіг. 37.12. Бачите, вона в 500 разів ширша за петлю гістерезису м'якого заліза, яку я вам показував (див. фіг. 36.8). Звернімося тепер до інших сортів матеріалів. Для виготовлення трансформаторів і моторів потрібен матеріал, який був би «м'яким» у магнітному відношенні, тобто такий, намагніченість якого могла б легко змінюватися, так що навіть дуже мале прикладене поле призводило б до дуже великої намагніченості. Для цього потрібні чисті, добре відпалені матеріали з дуже малою кількістю дислокацій і домішок, так щоб доменні стінки могли легко рухатися. Анізотропію бажано зробити якомога меншою. Тоді навіть якщо зерна матеріалу розташовані під «неправильним» кутом стосовно поля, матеріал все одно буде легко намагнічуватися. Ми говорили, що залізо віддає перевагу намагнічуванню в напрямі [100], тоді як нікель віддає перевагу напряму [111], так що якщо ми будемо в різних пропорціях змішувати залізо й нікель, то можна сподіватися знайти таку їхню пропорцію, коли сплав не матиме жодного переважного напряму, тобто напрями [100] і [111] будуть еквівалентні. Виявляється, що це досягається при змішуванні 70% нікелю і 30% заліза. На додачу (ймовірно, за щасливим збігом обставин, а може, через якийсь фізичний взаємозв'язок між анізотропією і магнітострикційними ефектами) виявилося, що константи магнітострикції заліза й нікелю мають протилежні знаки. Для сплаву цих двох металів магнітострикція зникає при вмісті нікелю близько 80%. Так що при вмісті нікелю десь між 70 і 80% у нас виходять дуже «м'які» магнітні матеріали — сплави, які дуже легко намагнічуються. Вони називаються пермалоями. Пермалої використовуються у високоякісних трансформаторах (при низьких рівнях сигналів), але зовсім не годяться для постійних магнітів. Готувати пермалої й працювати з ними потрібно дуже обережно. Магнітні властивості пермалою докорінно змінюються, якщо його деформувати понад межу його пружності, так що цей матеріал жодним чином не можна згинати. Інакше в результаті виникнення дислокацій, поверхонь ковзання та інших механічних деформацій його проникність зменшується, і межі доменів вже рухатимуться не так легко. Утім, колишню високу проникність можна відновити відпалом при високій температурі.
Корисно для характеристики різних магнітних матеріалів оперувати якимись числами. Двома такими характеристиками є значення B і H у точках перетину петлі гістерезису з осями координат (фіг. 37.12). Ці значення називаються залишковим магнітним полем Вr і коерцитивною силою Нc. У табл. 37.1 наведено ці характеристики для деяких матеріалів.
Існують спеціальні матеріали, які були придумані для отримання особливих магнітних властивостей. Про деякі з них я хочу розповісти. Якщо потрібно зробити постійний магніт, то потрібно знайти матеріал з незвично широкою петлею гістерезису, щоб при вимкненні струму, коли ми спустимося до нульового намагнічувального поля, намагніченість все ж залишилася великою. Для таких матеріалів межі доменів повинні бути «заморожені» на місці якомога міцніше. Одним з таких матеріалів є чудовий сплав Алніко V (51% Fe, 8% Al, 14% Ni, 24% Co, 3% Cu). Доволі складний склад цього сплаву свідчить про ту копітку працю, яку треба було витратити, щоб створити хороший магніт. Скільки терпіння знадобилося для того, щоб, змішуючи по-різному п'ять компонентів, перевіряти різні їхні склади, аж поки не було знайдено ідеальний сплав! Коли Алніко V твердне, у нього з'являється «друга фаза», яка, осаджуючись, утворює безліч маленьких зерен і викликає дуже великі внутрішні напруження. Рух доменних стінок у цьому матеріалі дуже утруднений. А щоб отримати на додачу потрібну будову, Алніко V механічно «обробляється» так, щоб кристали вишиковувалися у формі видовжених зерен у напрямі майбутньої намагніченості. При цьому намагніченість, природно, прагне дивитися в потрібному напрямі й протистояти ефектам анізотропії. Більше того, в процесі приготування матеріал навіть охолоджується в зовнішньому магнітному полі, так що зерна ростуть з правильною орієнтацією кристалів. Петля гістерезису Алніко V наведена на фіг. 37.12. Бачите, вона в 500 разів ширша за петлю гістерезису м'якого заліза, яку я вам показував (див. фіг. 36.8). Звернімося тепер до інших сортів матеріалів. Для виготовлення трансформаторів і моторів потрібен матеріал, який був би «м'яким» у магнітному відношенні, тобто такий, намагніченість якого могла б легко змінюватися, так що навіть дуже мале прикладене поле призводило б до дуже великої намагніченості. Для цього потрібні чисті, добре відпалені матеріали з дуже малою кількістю дислокацій і домішок, так щоб доменні стінки могли легко рухатися. Анізотропію бажано зробити якомога меншою. Тоді навіть якщо зерна матеріалу розташовані під «неправильним» кутом стосовно поля, матеріал все одно буде легко намагнічуватися. Ми говорили, що залізо віддає перевагу намагнічуванню в напрямі [100], тоді як нікель віддає перевагу напряму [111], так що якщо ми будемо в різних пропорціях змішувати залізо й нікель, то можна сподіватися знайти таку їхню пропорцію, коли сплав не матиме жодного переважного напряму, тобто напрями [100] і [111] будуть еквівалентні. Виявляється, що це досягається при змішуванні 70% нікелю і 30% заліза. На додачу (ймовірно, за щасливим збігом обставин, а може, через якийсь фізичний взаємозв'язок між анізотропією і магнітострикційними ефектами) виявилося, що константи магнітострикції заліза й нікелю мають протилежні знаки. Для сплаву цих двох металів магнітострикція зникає при вмісті нікелю близько 80%. Так що при вмісті нікелю десь між 70 і 80% у нас виходять дуже «м'які» магнітні матеріали — сплави, які дуже легко намагнічуються. Вони називаються пермалоями. Пермалої використовуються у високоякісних трансформаторах (при низьких рівнях сигналів), але зовсім не годяться для постійних магнітів. Готувати пермалої й працювати з ними потрібно дуже обережно. Магнітні властивості пермалою докорінно змінюються, якщо його деформувати понад межу його пружності, так що цей матеріал жодним чином не можна згинати. Інакше в результаті виникнення дислокацій, поверхонь ковзання та інших механічних деформацій його проникність зменшується, і межі доменів вже рухатимуться не так легко. Утім, колишню високу проникність можна відновити відпалом при високій температурі.Корисно для характеристики різних магнітних матеріалів оперувати якимись числами. Двома такими характеристиками є значення B і H у точках перетину петлі гістерезису з осями координат (фіг. 37.12). Ці значення називаються залишковим магнітним полем Вr і коерцитивною силою Нc. У табл. 37.1 наведено ці характеристики для деяких матеріалів.
Зображення
