Коэрцитивная сила — важнейшая характеристика магнитных материалов, определяющая их свойства и области применения. Давайте разберемся, что она из себя представляет и как ее можно измерить.
Определение коэрцитивной силы
Коэрцитивная сила показывает, какое внешнее размагничивающее поле нужно приложить к ферромагнетику, чтобы аннулировать его намагниченность или магнитную индукцию после предварительного намагничивания до насыщения. Это одна из ключевых характеристик коэрцитивная сила это гистерезиса.
Коэрцитивная сила всегда больше напряженности поля по индукции HcB, что связано с различиями между кривыми M(H) и B(H) на графике гистерезиса.
Различают коэрцитивную силу:
- По намагниченности HcM
- По индукции HcB
Коэрцитивная сила измеряется в единицах напряженности магнитного поля А/м. Для ферромагнитных материалов она может варьироваться от долей А/м до сотен кА/м.
Физический смысл коэрцитивной силы
Величина коэрцитивной силы определяет "магнитную жесткость" материала - то, насколько трудно изменить направление его намагниченности. Это комплексный показатель, зависящий от многих факторов.
- Магнитная анизотропия
- Наличие дефектов и неоднородностей
- Структура доменов
коэрцитивная сила материалаи его обработка
Высокая коэрцитивная сила может быть в однодоменных частицах, где требуется поле для необратимого вращения вектора намагниченности Ms. А в многодоменных образцах коэрцитивная сила часто определяется критическим полем смещения доменных границ.
| Магнитомягкие материалы | Hc < 100 А/м |
| Магнитотвердые материалы | Hc > 10 кА/м |
Методы определения коэрцитивной силы
Стандартным методом является измерение петли гистерезиса с помощью коэрцитиметра и определение точек, где М или В обращаются в нуль.
Для магнитотвердых материалов и коэрцитивная сила магнитов используют импульсный метод во избежание перегрева.
Влияние температуры и других факторов
На величину коэрцитивная сила это могут влиять температура, механические напряжения, дефекты структуры и другие параметры. Поэтому для корректного сравнения образцов необходимо проводить измерения в одинаковых условиях.
Классификация магнитных материалов
В зависимости от величины коэрцитивной силы выделяют два больших класса ферромагнитных материалов:
- Магнитомягкие (Hc < 100 А/м)
- Магнитотвердые (Hc > 10 кА/м)
Первые используются в электротехнике, вторые - для изготовления постоянных магнитов.
Постоянные магниты
В магнитотвердых материалах для постоянных коэрцитивная сила формула достигает сотен кА/м. Это обусловлено высокой магнитной анизотропией и сложностью изменения намагниченности.
коэрцитивная сила твердых сплавов
У твердых магнитных это сплавов на основе редкоземельных металлов и их соединений коэрцитивная сила может доходить до 1000 кА/м. Это самые "магнитотвердые" материалы на сегодняшний день.
Перспективы повышения коэрцитивной силы
Существуют различные методы дальнейшего увеличения формула коэрцитивной силы ферромагнитных материалов и постоянных магнитов на их основе:
- Легирование редкоземельными металлами
- Оптимизация размера зерна
- Создание ориентированных тонких пленок
Легирование редкоземельными металлами
Одним из эффективных методов повышения коэрцитивной силы является легирование ферромагнитных материалов атомами редкоземельных металлов, таких как неодим, самарий, диспрозий. Это существенно увеличивает магнитную анизотропию и затрудняет изменение направления намагниченности.
Оптимальная концентрация легирующих элементов
При выборе состава легированных ферритов необходимо подобрать оптимальное соотношение между редкоземельным металлом и железом. Избыточное легирование может привести к ухудшению магнитных свойств из-за образования вторичных фаз.
Температурная стабильность
Важной характеристикой легированных ферритов является температурный коэффициент коэрцитивной силы. Он должен быть минимален для применения постоянных магнитов в широком диапазоне температур.
Оптимизация размера зерна
Еще одним методом повышения Hc является создание однодоменной структуры постоянных магнитов за счет уменьшения размера зерна ферромагнитного материала до наноуровня. Это позволяет минимизировать вклад процесса перемагничивания, связанного с движением доменных границ.
Методы получения нанокристаллических порошков
Для синтеза нанокристаллических порошков ферритов используют различные методы: золь-гель технологию, механоактивацию, кристаллизацию из аморфного состояния. Каждый из этих методов имеет свои особенности и позволяет получить частицы заданного размера.
Влияние размера зерна на микроструктуру
С уменьшением размера зерен феррита до наноуровня изменяется характер границ зерен, возрастает число межзеренных контактов. Это приводит к росту коэрцитивной силы, но может ухудшать другие магнитные характеристики.
Создание ориентированных пленок
Еще одним перспективным направлением является создание тонких пленок ферритов со строго заданной кристаллографической текстурой. Это позволяет дополнительно повысить магнитную анизотропию за счет формы образца.
Методы осаждения ориентированных пленок
Для получения текстурированных пленок ферромагнитных оксидов применяют методы ионно-плазменного или лазерного распыления, осаждения из газовой фазы на подложки с определенной кристаллографической ориентацией.
Влияние толщины пленки на магнитные свойства
С уменьшением толщины ориентированной ферритовой пленки до десятков нанометров происходит переход к более однородному распределению намагниченности по толщине. Это приводит к росту коэрцитивности, увеличению константы магнитной анизотропии.
Комбинированные методы
Для дальнейшего увеличения коэрцитивной силы перспективно использование комбинированных методов, сочетающих легирование, наноструктурирование и создание ориентированных пленок.
Легированные нанокристаллические пленки
Одним из вариантов является создание тонких пленок ферритов, легированных неодимом или диспрозием, с размером зерна порядка 10-20 нм. Такое сочетание позволяет существенно повысить Hc по сравнению с объемными образцами.
