Магнитные свойства веществ: классификация, свойства и характеристики

Магнитные свойства — это фундаментальная характеристика, описывающая, как вещество реагирует на воздействие внешнего магнитного поля. Понимание этих свойств критически важно для электротехники, материаловедения и физики.

Хотя магнетизм был известен с древности (через природные магниты, или магнетит), научное его изучение началось значительно позже. Работы Ханса Кристиана Эрстеда, Андре-Мари Ампера и Майкла Фарадея в XIX веке заложили основу электромагнетизма. Позднее Пьер Кюри и Пьер-Эрнест Вейсс внесли ключевой вклад в понимание современных теорий парамагнетизма и ферромагнетизма.

Все вещества в природе проявляют магнитные свойства. В зависимости от их внутренней структуры и реакции на внешнее поле, их подразделяют на несколько основных классов.

1. Классификация веществ по магнитным свойствам

При помещении в магнитное поле различные материалы ведут себя по-разному. По типу этой реакции все вещества классифицируют на три основные группы:

• Диамагнетики. Это вещества (например, золото, серебро, медь, цинк, вода, висмут), которые при внесении во внешнее магнитное поле создают собственное внутреннее поле, направленное против внешнего. В результате они незначительно ослабляют магнитное поле внутри себя и выталкиваются из него. Их относительная магнитная проницаемость \(\mu_r\) незначительно меньше единицы.
• Парамагнетики. К этой группе относятся платина, магний, алюминий, хром, палладий, щелочные металлы и газообразный кислород. Атомы этих веществ обладают собственными магнитными моментами, которые в отсутствие поля ориентированы хаотично. Внешнее поле частично упорядочивает их, создавая внутреннее поле, сонаправленное с внешним. В итоге они незначительно увеличивают (усиливают) магнитное поле и втягиваются в него. Их \(\mu_r\) незначительно больше единицы.
• Ферромагнетики. Вещества, в которых собственное (внутреннее) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превосходить вызвавшее его внешнее поле. Это свойство называется ферромагнетизмом. К классическим ферромагнетикам относятся железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni), некоторые редкоземельные элементы (например, гадолиний), а также многочисленные сплавы на их основе.

Поскольку магнитное поле в немагнитных материалах при воздействии внешнего поля изменяется крайне слабо, особый практический и теоретический интерес вызывают именно ферромагнетики.

2. Физическая природа ферромагнетизма: доменная структура

Выдающиеся свойства ферромагнетиков объясняются их особым внутренним строением. В отличие от парамагнетиков, где магнитные моменты атомов не связаны, в ферромагнетиках силы квантовомеханической природы (обменное взаимодействие) заставляют магнитные моменты соседних атомов выстраиваться параллельно друг другу.

Этот процесс приводит к образованию макроскопических, спонтанно намагниченных областей, называемых доменами. В принципе, каждый домен является маленьким, но предельно намагниченным постоянным магнитом. Размеры доменов малы, но их можно наблюдать с помощью специальных методов, например, в не очень сильный микроскоп (используя магнитооптический эффект Керра).

Ферромагнитный образец состоит из большого числа доменов, которые при отсутствии внешнего магнитного поля (в размагниченном состоянии) ориентированы произвольным образом. Их магнитные моменты взаимно компенсируют друг друга, и суммарная намагниченность образца равна нулю.

Процесс намагничивания при помещении ферромагнетика во внешнее магнитное поле происходит в два этапа:

1. Смещение границ доменов: Домены, направление намагниченности которых близко к направлению силовых линий внешнего поля, начинают расти в объеме. Они «поглощают» соседние домены, намагниченные против поля, которые, в свою очередь, уменьшаются и исчезают.
2. Поворот векторов: При дальнейшем увеличении напряженности внешнего поля, когда процесс роста доменов в основном завершен, происходит поворот векторов намагниченности всех оставшихся доменов вдоль силовых линий поля.

Когда все домены устанавливаются вдоль поля, наступает магнитное насыщение, и намагниченность материала почти перестает расти даже при значительном увеличении напряженности внешнего поля.

Остаточная намагниченность и точка Кюри

Если теперь уменьшить напряженность внешнего поля до нуля, ориентация доменов нарушится лишь частично из-за внутреннего «трения» (магнитной анизотропии). Намагниченность ферромагнетика уменьшится, но не до нуля — образец сохраняет остаточную намагниченность (\(B_r\)) и становится постоянным магнитом.

Чтобы уничтожить (скомпенсировать) эту остаточную намагниченность, необходимо приложить внешнее поле противоположного направления. Напряженность такого поля называется коэрцитивной силой (\(H_c\)).

Ферромагнитные свойства являются температурно-зависимыми. Для каждого ферромагнетика существует критическая температура, выше которой его упорядоченная доменная структура разрушается тепловым движением, и он превращается в обычный парамагнетик. Эта температура называется точкой Кюри (\(T_c\)).

• Для железа (Fe) точка Кюри равна 768 °С.
• Для никеля (Ni) — 358 °С.
• Для кобальта (Co) — 1120 °С.

3. Расчетные соотношения для ферромагнетиков

Для инженерного расчета магнитной индукции (плотности магнитного потока) \((B)\) в ферромагнетике используют выражение, которое учитывает как внешнее поле, так и способность материала к намагничиванию:

\[ B = \mu_a H \]

или

\[ B = \mu_r \mu_0 H \]

где:

• \(B\) — магнитная индукция в веществе, измеряется в Тесла (Тл).
• \(H\) — напряженность внешнего (намагничивающего) магнитного поля, измеряется в Амперах на метр (А/м).
• \(\mu_a\) — абсолютная магнитная проницаемость материала, характеризующая его способность проводить магнитный поток (Гн/м).
• \(\mu_0\) — магнитная постоянная (проницаемость вакуума), \(\mu_0 = 4\pi \cdot 10^{-7}\) Гн/м.
• \(\mu_r\) — относительная магнитная проницаемость материала. Это безразмерная величина, показывающая, во сколько раз проницаемость вещества больше проницаемости вакуума.

Следует особо отметить, что способность ферромагнетика к намагничиванию как раз и учитывается проницаемостью \(\mu_r\). Для ферромагнетиков \(\mu_r\) может достигать десятков и сотен тысяч (\(\mu_r \gg 1\)), в то время как в немагнитных материалах (диа- и парамагнетиках) \(\mu_r \approx 1\).

Важно: \(\mu_r\) для ферромагнетиков не является константой. Она нелинейно зависит от напряженности поля \(H\), что и обуславливает сложность расчетов магнитных цепей.

4. Кривая намагничивания и петля гистерезиса

Основными характеристиками, описывающими поведение ферромагнетиков, являются нелинейная зависимость \(B(H)\), известная как кривая намагничивания, и петля гистерезиса.

Для получения петли гистерезиса образец материала подвергают циклическому перемагничиванию. Напряженность поля \(H\) плавно увеличивают от нуля до максимального значения \(H_{max}\), а затем уменьшают от \(H_{max}\) до \(–H_{max}\) и обратно до \(H_{max}\).

После нескольких таких циклов процесс стабилизируется, и кривая \(B(H)\) образует замкнутый цикл, который называется петлей магнитного гистерезиса (от греч. «hysteresis» — запаздывание). Это запаздывание означает, что индукция \(B\) в материале зависит не только от текущего значения поля \(H\), но и от предыстории намагничивания.

При разных значениях \(H_{max}\) получаем семейство вложенных друг в друга петель гистерезиса (см. рис. 1б).

Если значение напряженности магнитного поля \(H_{max}\) превышает значение, при котором наступает магнитное насыщение (\(H_{max} \ge H_s\)), то размеры петли больше не увеличиваются. Растут только линейные безгистерезисные участки (обозначенные 1—2 и 5—6 на рис. 1а). Такая петля называется предельной петлей гистерезиса.

Анализ предельной петли (рис. 1а):

• Кривая 0—1: Линия первоначального намагничивания материала, который ранее не был в магнитном поле.
• Точки 3 и 7: Дают значения остаточной индукции (\(B_r\) и \(–B_r\)). Это индукция, которая остается в материале после снятия внешнего поля (\(H = 0\)).
• Точки 8 и 4: Соответствуют коэрцитивной силе (\(H_c\) и \(–H_c\)). Это та напряженность обратного поля, которую нужно приложить, чтобы полностью размагнитить материал (снизить индукцию \(B\) до нуля).

Площадь, охватываемая петлей гистерезиса, пропорциональна энергии, которая тратится на один цикл перемагничивания и выделяется в материале в виде тепла. Это так называемые «потери на гистерезис».

Соединяя вершины в семействе всех гистерезисных кривых (рис. 1б), получаем основную кривую намагничивания. Эта кривая в основном используется во всех технических расчетах и почти совпадает с кривой первоначального намагничивания 0—1 (см. рис. 1а). В справочниках ее обычно приводят только для положительных значений \(B\) и \(H\).

5. Классификация магнитных материалов по коэрцитивной силе

В зависимости от значения коэрцитивной силы \(H_c\) (т.е. от ширины петли гистерезиса), все магнитные материалы принято делить на два больших класса: магнитомягкие и магнитотвердые.

5.1. Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы (кривая 1 на рис. 2) имеют малую коэрцитивную силу (\(H_c\)) и, как следствие, очень узкую петлю гистерезиса. Это означает, что они легко намагничиваются и легко размагничиваются, а потери энергии на перемагничивание (нагрев) минимальны.

• Примеры: Электротехническая сталь (сплав железа с кремнием), пермаллои (сплавы никеля с железом), ферриты.
• Применение: Сердечники трансформаторов, магнитопроводы электрических машин (двигателей, генераторов), дроссели, электромагниты, компоненты электрических аппаратов, работающие в переменных магнитных полях.
• Преимущества: Высокая магнитная проницаемость, малые потери на гистерезис и вихревые токи.
• Недостатки: Низкая остаточная индукция, неспособность сохранять намагниченность.

5.2. Магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы (кривая 2 на рис. 2) обладают большой коэрцитивной силой и очень широкой петлей гистерезиса. Они с трудом намагничиваются, но, будучи намагниченными, сохраняют это состояние (высокую остаточную индукцию \(B_r\)) даже после снятия намагничивающего поля и при воздействии сильных размагничивающих полей.

• Примеры: Углеродистые стали (для старых магнитов), сплавы Альнико (Al-Ni-Co), самарий-кобальтовые (SmCo) и неодимовые (Nd-Fe-B) магниты.
• Применение: Изготовление постоянных магнитов, которые широко применяются в громкоговорителях, электрических измерительных приборах, малых электродвигателях, магнитных сепараторах и т.д.
• Преимущества: Высокая остаточная индукция и большая коэрцитивная сила, способность создавать стабильное магнитное поле без затрат энергии.
• Недостатки: Сложность первоначального намагничивания, большие потери при перемагничивании (поэтому их никогда не используют в переменных полях).

Таблица 1. Сравнение магнитомягких и магнитотвердых материалов

Характеристика	Магнитомягкие материалы	Магнитотвердые материалы
Коэрцитивная сила (\(H_c\))	Малая (легко размагничиваются)	Большая (трудно размагничиваются)
Петля гистерезиса	Узкая	Широкая
Потери на гистерезис	Малые	Большие
Остаточная индукция (\(B_r\))	Обычно низкая	Высокая
Магнитная проницаемость (\(\mu_r\))	Высокая	Низкая
Основное назначение	Проведение магнитного потока (в переменных полях)	Источник постоянного магнитного поля (постоянные магниты)
Примеры	Электротехническая сталь, пермаллой, ферриты	Сплавы AlNiCo, Nd-Fe-B, Sm-Co

6. Анализ рабочей кривой B(H)

При практических расчетах магнитных систем (например, трансформатора) инженеры используют основную кривую намагничивания \(B(H)\) для выбора оптимального режима работы материала. Условно эту кривую (см. рис. 3) можно разбить на три характерные зоны:

• Зона 1 (Начальная): Участок вблизи начала координат. Здесь магнитная индукция \(B\) остается пониженной, несмотря на рост поля \(H\). Использование магнитного материала в этой зоне является неэффективным, так как его «магнитные» свойства используются не в полной мере, а энергия магнитного поля невелика.
• Зона 3 (Зона насыщения): Область, где кривая \(B(H)\) снова приобретает почти линейный характер, но с очень малым наклоном. Здесь материал практически достиг насыщения. Энергия магнитного поля является повышенной, но для незначительного прироста индукции \(B\) требуется очень большой прирост тока (и поля \(H\)), что приводит к резкому росту магнитных потерь (нагреву). Как правило, эта зона также не является рабочей (за исключением специальных устройств, например, стабилизаторов).
• Зона 2 («Колено»): Область изгиба характеристики \(B(H)\). Эта зона является оптимальной для выбора рабочей точки. Здесь достигается наилучшее соотношение между высокой магнитной индукцией (эффективное использование материала) и еще не слишком большими потерями. Рабочие точки основных электротехнических устройств, содержащих магнитные системы (трансформаторы, машины), выбираются именно в зоне 2.

7. Интересные факты о магнетизме

1. Кислород — парамагнетик: В отличие от большинства газов, кислород является парамагнетиком. В жидком состоянии он достаточно сильный парамагнетик, чтобы его можно было удержать между полюсами мощного магнита.
2. Диамагнитная левитация: Все вещества, включая воду, являются диамагнетиками. Эффект слаб, но достаточно сильное магнитное поле (около 16 Тесла) способно левитировать объекты, содержащие воду, например, клубнику или даже живую лягушку.
3. Магнитное поле Земли: Наше планетарное магнитное поле, защищающее нас от солнечной радиации, генерируется сложными процессами в жидком железном внешнем ядре Земли (теория геодинамо).
4. Эффект Мейснера: Сверхпроводники — это идеальные диамагнетики. При охлаждении ниже критической температуры они полностью вытесняют из своего объема магнитное поле, что позволяет им левитировать над магнитом.
5. Точка Кюри и геология: Температура внутри Земли быстро растет с глубиной. На определенной глубине (около 25 км) температура превышает точку Кюри для железа, поэтому породы земной коры ниже этого уровня не могут быть постоянными магнитами, несмотря на обилие железа.
6. Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС): Это открытие, удостоенное Нобелевской премии по физике в 2007 году. Суть в том, что электрическое сопротивление структуры из чередующихся тончайших (наноразмерных) магнитных и немагнитных слоев резко изменяется (обычно падает) при воздействии внешнего магнитного поля. Это происходит из-за того, что поле выравнивает намагниченность всех магнитных слоев. Этот эффект произвел революцию в хранении данных, позволив создать сверхчувствительные головки для чтения информации с жестких дисков (HDD) и привел к резкому росту их емкости.
7. Магнитострикция (и гул трансформатора): Это явление, при котором ферромагнитные материалы изменяют свои физические размеры (незначительно удлиняются или сжимаются) в процессе намагничивания. Существует и обратный эффект. Именно магнитострикция сердечника, работающего в переменном магнитном поле (который постоянно меняет размеры с частотой сети, обычно 50 или 60 Гц), является основной причиной характерного низкочастотного «гула» или «гудения» силовых трансформаторов.

8. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Заключение

Магнитные свойства веществ — ключевой раздел физики, лежащий в основе всей современной электротехники. Реакция материала на магнитное поле определяется его внутренним строением: на атомном уровне (для диа- и парамагнетиков) и на уровне доменной структуры (для ферромагнетиков).

Способность ферромагнетиков многократно усиливать магнитное поле сделала их незаменимыми. Понимание характеристик, таких как кривая намагничивания \(B(H)\) и петля гистерезиса, позволяет инженерам классифицировать материалы на магнитомягкие (для трансформаторов и моторов) и магнитотвердые (для постоянных магнитов) и выбирать оптимальные режимы их работы.

Нормативная база

Технические требования, терминология и методы испытаний магнитных материалов в Российской Федерации и странах СНГ регламентируются межгосударственными стандартами (ГОСТ):

• ГОСТ 19693-74 — Материалы магнитные. Термины и определения.
• ГОСТ 8.377-80 — Государственная система обеспечения единства измерений. Материалы магнитомягкие. Методики выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик.
• ГОСТ 24897-81 — Материалы магнитотвердые деформируемые. Марки.
• ГОСТ 10160-75 — Сплавы прецизионные магнитно-мягкие. Технические условия.

Рекомендуемая литература

1. Калашников С. Г. Электричество. — М.: Физматлит, 2003. — 624 с.
2. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. — М.: Высшая школа, 2007. — 701 с.
3. Зильберман Г. Е. Электричество и магнетизм. — М.: Физматлит, 2008. — 480 с.
4. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные свойства вещества. — М.: Мир, 1983. — 304 с.