Исследование физических свойств материалов. Ч. 2. Магнитные свойства магнитомягких материалов

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.В. ШИШКИН, О.С. ДУТОВА

ИССЛЕДОВАНИЕ

ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ 

МАТЕРИАЛОВ

Часть 2

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА 

МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ

Учебно-методическое пособие

НОВОСИБИРСК

2010

УДК 621.318.13+537.622](075.8)

Ш 655

Рецензенты:

А.Б. Мешалкин, д-р физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. ИТ СО РАН,

С.Н. Малышев, канд. техн. наук, доц.

Работа выполнена на кафедре 

«Автоматизированные электротехнологические установки» 

и утверждена Редакционно-издательским советом университета 

в качестве учебно-методического пособия

Шишкин А.В.

Ш 655
Исследование физических свойств материалов : учеб.
метод. пособие. – В 4 ч. / А.В. Шишкин, О.С. Дутова. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. – Ч. 2: Магнитные свойства магнитомягких материалов. – 52 с.

ISBN 978-5-7782-1409-5

Приведены теоретические основы магнитных свойств, классифи
кация и маркировка магнитомягких материалов. Описаны конструкция и работа лабораторного стенда для исследования кривой намагничивания и петли гистерезиса магнитомягких материалов. 

Пособие предназначено для подготовки бакалавров по направле
ниям: 140600 – Электротехника, электромеханика и электротехнологии, 080401 – Товароведение и экспертиза товаров (по областям применения), 220301– Автоматизация технологических процессов и 
производств (по отраслям) для дневного и заочного отделений.

УДК 621.318.13+537.622](075.8)

ISBN 978-5-7782-1409-5          
© Шишкин А.В., Дутова О.С., 2010
© Новосибирский государственный

технический университет, 2010

Введение

Цель пособия – помочь студентам в получении теоретических зна
ний и практических навыков при изучения курса «Материаловедение. 
Технология конструкционных материалов» в части, касающейся магнитных свойств магнитомягких материалов.

Материалом называется вещество, обладающее необходимым 

комплексом свойств для выполнения заданной функции отдельно 
и/или в совокупности с другими веществами. 

Магнитные материалы – широко используемые промышленно
стью функциональные материалы. Размеры магнитных устройств, как 
и электрических, различаются на десяток порядков: от запоминающих 
микроэлектронных устройств до огромных электромагнитов. Магнитные материалы могут служить как источниками, так и проводниками 
магнитного поля. В результате к их магнитным свойствам предъявляются прямо противоположные требования. Поэтому необходимо знать, 
как химический состав и структура влияют на магнитные характеристики материалов, чтобы обеспечить получение материалов с заданными магнитными свойствами.

Магнитомягкие материалы широко применяются в технике как 

концентраторы и проводники магнитного поля. Они являются основой 
современных электрогенераторов и электродвигателей, трансформаторов, различных типов аппаратов и приборов автоматики, вычислительной и измерительной техники, электромагнитов, дросселей и т. д.

Материаловедение
это раздел научного знания, посвященный 

свойствам веществ и их направленному изменению с целью получения 
материалов с заранее заданными рабочими характеристиками. Материаловедение опирается на фундаментальную базу всех разделов физики, химии, механики и смежных дисциплин и включает теоретические основы современных наукоемких технологий получения, 
обработки и применения материалов.

Курс материаловедения и технологии конструкционных материа
лов служит следующей цели: познанию природы и свойств материалов, а также методов получения материалов с заданными характеристиками для наиболее эффективного использования в технике.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНЫХ
СВОЙСТВ МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ

Магнитные материалы подразделяются на две большие группы: 

магнитомягкие, используемые в основном в качестве проводников 
магнитного потока, и магнитотвердые – как источники магнитного 
поля. Однако такое разделение не дает полного представления о магнитных материалах, так как их конкретное использование связано со 
всем комплексом значений магнитных характеристик, специфичных 
для данного материала.

1.1. Основные определения и зависимости

1.1.1. Магнитная проницаемость и магнитный момент

Магнитное взаимодействие пространственно разделенных тел осу
ществляется магнитным полем с напряженностью H



, которое, как и 

электрическое поле с напряженностью E



, представляет собой прояв
ление электромагнитной формы движения материи. Однако если источники электрического поля  – электрические заряды, то источник 
магнитного поля  – движение электрического заряда. 

Как электрическое поле создает электрическую индукцию D



, 

так и магнитное поле создает магнитную индукцию B



. В вакууме 

магнитная индукция связана с напряженностью магнитного поля 
через магнитную проницаемость вакуума (магнитную постоянную)
0 = 4
10–7 Гн/м:

0
μ
B
H




.
(1)

Вещество, которое обладает какими-либо магнитными свойствами, 

называют магнетиком. Когда однородный и изотропный магнетик 
полностью заполняет все пространство, где имеется магнитное поле, 
или часть его таким образом, что линии индукции намагничивающего 

поля не пересекают поверхность магнетика, магнитная индукция в 
магнетике:

0
μ
B
H




,
(2)

где 
– относительная магнитная проницаемость магнетика, пока
зывающая, во сколько раз при заданном распределении макроскопических токов магнитная индукция в рассматриваемой точке поля в данном веществе больше, чем в вакууме. Для ферро- и ферримагнитных 
материалов 
фактически является коэффициентом усиления магнит
ного поля веществом. Таким образом, напряженность H характеризует 
внешнее магнитное поле, а индукция B – внутреннее магнитное поле в веществе. 

Аналогично тому, как в любом веществе, помещенном в электри
ческое поле, возникает электрический дипольный момент P



, в любом 

веществе, внесенном в магнитное поле, возникает магнитный момент
m
P


. В отличие от электрического дипольного момента магнит
ный момент создается не системой точечных зарядов, а электрическими токами, текущими внутри системы. Магнитный момент замкнутого 
плоского контура с током равен произведению силы тока на площадь 
витка и направлен вдоль его правой нормали.

В атомных масштабах движение электронов и протонов создает 

орбитальные микротоки, связанные с движением этих частиц в атомах 
или атомных ядрах. Наличие у микрочастиц спина обусловливает существование у них спинового магнитного момента. Магнитный момент тела векторно складывается из элементарных магнитных моментов слагающих его частиц. Из магнитных моментов ядра и электронов 
слагается магнитный момент атома. Поскольку электроны, протоны и 
нейтроны, образующие атомные ядра, атомы, молекулы и все макротела, имеют собственные магнитные моменты, то все вещества подвержены влиянию магнитного поля и обладают магнитными свойствами, 
т. е. являются магнетиками.

1.1.2. Намагниченность и магнитная восприимчивость

Одной из основных характеристик любого магнетика является на
магниченность M



, представляющая собой магнитный момент еди
ницы объема вещества:

/
.
m
M
P
V




(3)

Намагниченность возрастает с увеличением напряженности маг
нитного поля:

0
χ
χ
/ μμ
M
H
B





,
(4)

где 
– магнитная восприимчивость. Для изотропных веществ 
и 

– скаляры. Для анизотропных веществ направления векторов B



и H



могут не совпадать. В этом случае 
является тензором.

Магнитная индукция, создаваемая в присутствии вещества, описы
вается соотношением

0
μ
B
H
M





,
(5)

т. е. складывается из векторов напряженности внешнего магнитного 
поля и намагниченности вещества. С учетом (2) получаем

= 
– 1.
(6)

Магнитная восприимчивость может быть как положительной, так и 

отрицательной. Вещества с отрицательной магнитной восприимчивостью,  которые  ослабляют  магнитное поле, называются диамагнетиками. Вещества с положительной магнитной восприимчивостью, усиливающие магнитное поле, называют парамагнетиками. Поведение 
пара- и диамагнетиков в магнитном поле показано на рис. 1.

М

Н
Н

М

N
S
N
S

tg

а
б

Рис. 1. Поведение веществ в магнитном поле:

а – парамагнетики; б – диамагнетики

Существует большая группа веществ, обладающих спонтанной 

намагниченностью, т. е. имеющих не равную нулю намагниченность 
даже в отсутствие магнитного поля. Такие магнетики называются ферромагнетиками. Ферромагнетики относятся к магнитоупорядоченным веществам. К группе магнитоупорядоченных веществ относятся 
также антиферромагнетики и ферримагнетики. Основные классы 
магнитных веществ в зависимости от знака и величины магнитной 
восприимчивости приведены в табл. 1.

Та б л и ц а  1

Классификация магнетиков

Свойство
Знак

=
= 
(H)

o
(25 C)
Причина магнетизма

Диамагнетизм
6
5
10 ...10
Нет

Н2О:  

–0,72 10–6;

Bi: –
14 10–6

Прецессия спа
ренных электронов

Парамагнетизм
+
5
2
10 ...10
»

O2: 

0,15 10–6;
W: 14 10–6

Собственный маг
нитный момент неспаренного электрона

Ферромагнетизм
+
2
4
10 ...10
Есть

Fe: < 650;

Sm1
xPrxCo5:  < 

8000

Кооператив
ное выстраивание спинов неспаренных электронов

Антиферромагнетизм
+
4
2
10 ...10
»
MnO: < 10
2

Антипарал
лельное выстраивание 
спинов неспаренных 
электронов двух подсистем

Ферримагнетизм
+
1
3
10 ...10
»
BaFe2O4:  

< 60

Антипарал
лельное выстраивание 
спинов неспаренных 
электронов двух разных
подсистем

1.1.3. Ферромагнетики

Ферромагнетизм обнаруживают кристаллы только девяти химиче
ских элементов: 3d-металлы (Fe, Ni, Co) и 4f-металлы (Gd, Dy, Tb, Ho, 
Er, Tm). Однако имеется огромное число ферромагнитных сплавов и 
химических соединений. Общий признак для всех ферромагнетиков –
недостроенные d- и f-электронные подуровни атомов. Такие атомы 
имеют некомпенсированный магнитный момент. Наличие спонтанной 
намагниченности свидетельствует о том, что магнитные моменты атомов ориентированы упорядоченно (параллельно) друг другу. Ферромагнетизм связан с упорядочением спиновых магнитных моментов.
В ферромагнетиках магнитное упорядочение имеет место в интервале 
температур от 0 К до некоторой критической TC – температуры Кюри. При температуре Кюри происходит фазовый переход 2-го рода: 
превращение ферромагнетик 
парамагнетик.

Ферромагнетизм – особое свойство системы электростатически 

взаимодействующих электронов. При сильном электростатическом 
взаимодействии энергетически выгодным оказывается состояние с параллельной ориентацией спинов, т. е. намагниченное состояние. И это 
несмотря на то, что в соответствии с принципом Паули электроны с 
параллельными спинами не могут занять один энергетический уровень. То есть при перевороте спина электрон вынужден занять уровень 
с большей энергией. Объяснение этому явлению дает квантовая механика: в электростатическое взаимодействие наряду с классической кулоновской энергией дает вклад так называемая энергия обменного 
взаимодействия, зависящая от взаимной ориентации спиновых моментов электронов. В простейшем случае двух электронов обменную 
энергию Eобм можно представить в виде

обм
1
2
E
A S
S




,
(7)

где A – обменный интеграл; 
1S


и 
2
S


– единичные векторы спинов. 

Если A > 0, то минимуму энергии соответствует 
1
2
1
S
S




– па
раллельная ориентация спинов. При A < 0 минимум энергии наблюдается при 
1
2
1
S
S




– антипараллельная ориентация.

Из вышесказанного можно сформулировать условия, благоприят
ные для возникновения ферромагнетизма:

– наличие локализованных магнитных моментов, например, в ато
мах с недостроенными d- или f-электронными подуровнями;

– положительный обменный интеграл;
– большая плотность квантовых электронных состояний в d- или f
зонах. Это необходимо для того, чтобы возрастание кинетической 
энергии, связанное с заполнением электронами более высоких свободных уровней (принцип Паули), не превысило уменьшения энергии за 
счет обменного взаимодействия.

1.1.4. Ферримагнетики

Некомпенсированный антиферромагнетизм называется ферри
магнетизмом. В ферримагнетиках имеются магнитные ионы двух или 
более типов разной химической природы или одной природы, но разной валентности (например, Fe2+ и Fe3+ в магнетите  FeO Fe2O3) либо 
ионы одной химической природы и одной валентности, но имеющие в 
магнитных подрешетках разное число узлов в единице объема образца. 
Ферримагнетизм реализуется главным образом в кристаллах окислов 
d-металлов с решетками типа шпинели (MgAl2O4), граната, перовскита 
и др. (так называемых ферритах – двойных окислах металлов
MO Fe2O3, где M – двухвалентный металл: Mg2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Fe2+, 
Mn2+ и др.). Эти вещества по электрическим свойствам, как правило, 
являются полупроводниками или диэлектриками, а по магнитным 
свойствам похожи на ферромагнетики (высокая магнитная проницаемость, большая намагниченность насыщения и т. д. с некоторыми отличиями зависимостей Hs(T), (T)). Именно это качество позволило 
использовать ферриты в технике сверхвысоких частот. Обычные ферромагнитные материалы, обладающие высокой проводимостью, здесь 
применяться не могут из-за очень высоких потерь на образование вихревых токов.

1.2. Свойства ферромагнитных материалов

Ферромагнетики широко используются в электротехнических при
борах и оборудовании (магнитопроводы генераторов, сердечники 
трансформаторов, постоянные магниты и др.). Следует учитывать, что 
такие магнитные характеристики, как намагниченность насыщения, 
коэффициент магнитострикции, константа анизотропии, температура Кюри, зависят только от химического состава. Остаточная намагниченность, коэрцитивная сила, площадь петли гистерезиса, маг

нитная проницаемость и другие величины – это структурочувствительные параметры, они могут изменяться в широких пределах (сотни 
и тысячи раз) при помощи различных обработок материала (термической, термомагнитной, механической и др.).

1.2.1. Анизотропия магнитных свойств

При отсутствии внешнего магнитного поля вектор суммарной на
магниченности под действием сил магнитной анизотропии в магнитном 
материале направлен не произвольным образом, а в определенных кристаллографических направлениях (в аморфном материале – в определенном направлении по отношению к плоскости пленки или ленты). Эти 
направления называются направлениями (осями) легкого намагничивания (НЛН, ОЛН). Направления (оси), в которых необходимо приложить самое большое магнитное поле для намагничивания, называются 
направлениями (осями) трудного намагничивания (НТН, ОТН). 

Для поворота вектора намагниченности M



(3) из легкого в труд
ное направление необходимо затратить энергию, которая пропорциональна энергии магнитной кристаллографической анизотропии (для 
аморфных магнетиков – энергии магнитной анизотропии), характеризуемой константами анизотропии K1, K2, ...

1.2.2. Ферромагнитные домены

В ферромагнетике при температурах ниже температуры Кюри все 

спиновые моменты атомов с недостроенными d- или f-оболочками 
(электронными подуровнями) ориентируются параллельно друг другу.
В результате этого намагниченность (3) макроскопического образца 

должна быть близка к намагниченности насыщения. Однако опыт обычно 
показывает размагниченное состояние 
ферромагнитных тел. При помещении 
такого образца в магнитное поле результирующий 
магнитный 
момент 

возрастает и в достаточно слабых полях достигает насыщения. Объяснение 
этому эффекту было дано П. Вейссом, 
который предположил, что при отсутствии поля кристалл разбивается на 
магнитные области – домены – разме
Рис. 2. Магнитная доменная

структура:

энергетически выгодная плоская четырехдоменная структура с замкнутым магнитным полем. Стрелками 
показаны направления векторов спон
танной намагниченности
s
M
