11.6. Измерение магнитных свойств материалов

Материалы характеризуются различными магнитными свойствами.

Магнитная проницаемость – физическая величина, характеризующая связь между магнитной индукцией и магнитным полем в веществе.

Различные материалы по-разному ведут себя в магнитном поле, а значит, имеют различную магнитную проницаемость:

· Диамагнетики – вещества, имеющие магнитную проницаемость меньше 1. Подавляющее большинство веществ являются диамагнетиками.

· Парамагнетики – вещества, имеющие магнитную проницаемость больше 1.

· Ферромагнетики – вещества, имеющие магнитную проницаемость много больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью доменов, хаотически ориентированных в пространстве.

· Ферримагнетики – вещества, имеющие магнитную проницаемость много больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью кристаллических решеток, попарно антипараллельно ориентированных в пространстве. При этом суммарный магнитный момент не равен нулю.

· Антиферромагнетики – вещества, имеющие магнитную проницаемость немного больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью кристаллических решеток, попарно антипараллельно ориентированных в пространстве и скомпенсировавших друг друга.

Коэрцитивная сила (Нс)– напряженность магнитного поля, необходимая для полного размагничивания предварительно намагниченного до насыщения ферромагнетика.

При наличии корреляционных зависимостей между коэрцитивной силой и пластической деформацией по величине коэрцитивной силы можно вести контроль накопления повреждений в материале. Все эти зависимости выводятся экспериментальным путем.

Остаточная намагниченность– намагниченность, которую имеет ферромагнитный материал при напряженности внешнего магнитного поля, равной нулю. Значение остаточной намагниченности – один из важнейших параметров, характеризующих постоянные магниты.

Магнитные потери – потери на перемагничивание ферромагнетиков. Они складываются из потерь на гистерезис, вихревые токи и магнитное последействие.

Потери на гистерезис обусловлены необратимыми процессами перемагничивания. Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания (т. е. за один период изменения поля), отнесенные к единице объема вещества, определяются площадью статической петли гистерезиса.

Потери на вихревые токи. В проводящей среде за счет ЭДС самоиндукции, пропорциональной скорости изменения магнитного потока, возникают вихревые токи. Вихревые токи нагревают проводники, в которых они возникли. Это приводит к потерям энергии в магнитопроводах.

Потери на магнитное последействие обусловлены магнитной вязкостью – отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Одна из основных причин магнитного последействия – тепловая энергия, которая помогает слабо закрепленным доменным границам преодолевать энергетические барьеры, мешающие их свободному смещению при изменении поля.

Магнитометрия– совокупность методов измерения магнитных параметров вещества: векторов напряженности магнитного поля и магнитной индукции, а также характеристик магнитной структуры вещества (электронных оболочек атомов, магнитной доменной структуры и др.).

Объектом магнитометрии является вся совокупность материальных дискретных образований, обладающих массой покоя, – от электронов, атомов, молекул до конденсированных тел.

Инструментарий магнитометрии – магнитоизмерительные приборы, в совокупности которых главную роль играют магнитомеры.

Магнитомер – прибор для измерения модуля полного вектора магнитной индукции или его составляющих. По признаку физического явления, на котором основан принцип действия прибора, магнитометры подразделяются на индукционные, квантовые, магнитооптические и гальваномагнитные.

Индукционные магнитометры. Принцип действия индукционного магнитометра основан на явлении электромагнитной индукции. По способу создания регистрируемого магнитного сигнала различают активные и пассивные индукционные магнитометры.

В приборах активного типа магнитный поток в катушке создают, подвергая ее внешним воздействиям. Большую группу активных магнитометров составляют ферромодуляционные приборы, катушка которых неподвижна, а магнитную проницаемость ее сердечника изменяют с помощью вспомогательного магнитного поля. Оно может быть постоянным или медленно изменяться с частотой в несколько герц. Вспомогательные поля высокой частоты применяют в приборах, названных феррозондами. Феррозонд – прибор для измерения напряженности магнитных полей и их градиентов. Феррозондам свойственна высокая чувствительность к магнитному полю (до 10^–4–10^–5 А/м).

Магнитометры пассивного типа предназначены для измерения магнитной индукции переменных и импульсных полей. С помощью ферромодуляционных и пассивных магнитометров проводят наземные и подводные измерения слабых полей, осуществляют неразрушающий контроль материалов. Магнитные параметры материалов измеряют магнитометрами с вращающейся и вибрирующей катушкой.

Квантовые магнитометры. Квантовый магнитометр (тесламетр) – прибор для измерения слабых магнитных полей, основанный на определении частоты квантового перехода парамагнитных частиц с одного зеемановского подуровня на другой, т. е. явлениях ЯМР, ЭПР и эффектах Ханле и Джозефсона.

Протонные ЯМР-магнитометры, реализующие свободную прецессию ядер, предназначены для измерения слабых полей. Магнитометры с вынужденной прецессией ядер используют для измерения более сильных (0,01–2,5 Тл) полей.

ЭПР-магнитометры.При резонансном поглощении энергии электромагнитного излучения образцом, находящимся в постоянном магнитном поле, имеет место сверхтонкое взаимодействие ядер образца и его неспаренных электронов. Такому взаимодействию соответствует расщепление линий на спектре ЭПР. Энергия неспаренных электронов, совершающих переходы между энергетическими уровнями, характеризует напряженность локального магнитного поля ядер, т. е. намагниченность образца.

Магнитометры Ханлеоснованы на эффекте Ханле, состоящем в зависимости интенсивности от направления и в уменьшении степени поляризации света резонансной частоты рассеянного атомами магнетика, помещенного в слабое магнитное поле.

СКВИД – сверхпроводящий квантовый магнитометр, принцип действия которого основан на эффекте Джозефсона. По чувствительности он превосходит прочие магнитометры на 2–3 порядка. СКВИД применяют для измерения магнитных полей биологических объектов, измерения магнитной восприимчивости веществ. Основным недостатком СКВИД является необходимость охлаждения сверхпроводящего контура до уровня гелиевых или водородных температур.

Магнитооптические и гальваномагнитные магнитометры. Принцип действия магнитооптических магнитометров основан на изменении оптических свойств веществ под воздействием магнитного поля, т. е. на эффектах Фарадея, Керра, Зеемана, Ханле.

Эффект Фарадея(1845 г.) состоит во вращении плоскости поляризации линейно поляризованного света при прохождении его через вещество, помещенное в магнитное поле.

Эффект Керра(1875 г.) – магнитооптический эффект, состоящий в том, что плоско поляризованный свет, отражаясь от намагниченного ферромагнетика, становится электрически поляризованным.

Эффект Зеемана (1896 г.) – расщепление уровней энергии и спектральных линий атома и других атомных систем в магнитном поле.

Магнитооптические магнитометры применяют в лабораторных исследованиях для измерения магнитной индукции слабых, средних и сильных магнитных полей (постоянных и переменных).

Гальваномагнитные магнитометры регистрируют эффекты, возникающие при одновременном воздействии на полупроводник электрического и магнитного полей, т. е. эффекта Холла (см. параграф 11.3) и магниторезистивного эффекта.

Магниторезистивный эффект, или магнетосопротивление, – изменение электрического сопротивления проводника под действием магнитного поля, вызванное искривлением в магнитном поле траекторий носителей заряда.

Для измерения магнитной индукции постоянных, переменных и импульсных полей применяют магнитометры с измерительными преобразователями на основе эффекта Холла. Тесламетры Холла применяют для контроля магнитных систем в электроизмерительных и электронных приборах. Магниторезистивные тесламетры используют для измерения сильных полей (более 1–2 Тл), в которых зависимость электрического сопротивления от магнитной индукции линейна.

Из совокупности магнитометров, основанных на других принципах, можно выделить магнитомеханические приборы. Их принцип действия, основанный на силовом взаимодействии измеряемого магнитного поля и постоянного магнита, реализован в конструкциях кварцевых и крутильных магнитометров, магнитных весов, магнитных теодолитов, астатических магнитометров. На новых физических принципах основаны волоконно-оптические магнитострикционные приборы; магнитометры, использующие магнитоупругие волны, которые возникают в ферро- и антиферромагнетиках из-за связи между магнитными и упругими свойствами вещества; магнитометры с измерительными преобразователями в виде тонких ферромагнитных пленок.

Магнитные эталоны. Эталон – измерительное устройство, служащее для воспроизведения, хранения и передачи шкалы измерения или единицы измерения какой-либо величины. Эти эталоны обеспечивают единство магнитных измерений.

Наблюдение магнитной доменной структуры. Для экспериментального наблюдения магнитной доменной структуры используют метод магнитной суспензии, электронную микроскопию и магнитную нейтронометрию (нейтронографию).

Метод магнитной суспензиипредложен в 1931 г. белорусским академиком Н. С. Акуловым и независимо от него немецким физиком Ф. Биттером. Он состоит в визуализации границ доменов путем нанесения на полированную поверхность ферромагнитного образца коллоидного раствора ферромагнетика, например, магнитной жидкости. Коллоидные частицы концентрируются на границах доменов, обрисовывая их контуры, которые рассматривают с помощью микроскопа.

Методом лоренцевой электронной микроскопии изучают явления, порожденные силой Лоренца. Ее часть, обусловленная действием магнитного поля образца, искривляет траекторию электронов. Это позволяет идентифицировать поля магнитных доменов в тонких пленках. С помощью электронной микроскопии можно регистрировать динамику перемещения стенок магнитных доменов, например, в процессе перемагничивания тонких магнитных пленок.

Магнитная нейтронография – метод исследования магнитной структуры кристаллов в процессе упругого когерентного рассеяния образцом медленных нейтронов, длина волны которых имеет порядок межатомных расстояний в кристалле ( ~10^–1 нм). Наличие у нейтронов магнитного момента приводит к тому, что наряду с рассеянием на атомных ядрах происходит так называемое магнитное рассеяние нейтронов, возникающее из-за взаимодействия магнитных моментов нейтрона и электронной оболочки атома.