Аморфные ферромагнетики

В настоящее время почти все сферы технического применения АМС основываются на уникальном сочетании магнитных и механических свойств, которое делает аморфные металлы одним из ключевых элементов современных информационных технологий.

При комнатной температуре ферромагнетизмом обладают три чистых металла: железо (Fe), никель (Ni) и кобальт (Co). Каждый из атомов этих элементов обладает магнитным моментом, то есть может рассматриваться как очень маленькая магнитная стрелка или постоянный магнит. Естественно, магнитный момент каждого атома мал, мал настолько, что для удобного его описания применяется специальная единица — магнетон Бора. Магнетон Бора μ_Б является самой маленькой единицей (квантом) маг­нетизма, и по современным представлениям никакая физическая система не может иметь отличный от нуля магнитный момент, меньший μ_Б. Величина магнетона Бора определяется по формуле

(1)

и является комбинацией фундаментальных физических констант: e, m — заряд и масса электрона, h — постоянная Планка и c — скорость света.

Возникновение ферромагнетизма связано с проявлением так называемого обменного взаимодействия, которое получает объяснение в рамках квантовой теории. Для нас важен результат этого процесса, который сводится к следующему: существует определенная критическая температура T_C (температура Кюри), ниже которой весь объем ферромагнетика разбивается на области, получившие название доменов, внутри которых магнитные моменты атомов параллельны друг другу.

Величина магнитного поля, возникшего в веществе вследствие упорядочения ориентации атомных магнитных моментов, называется намагниченностью. В материалах, не обладающих ферромагнетизмом, намагниченность возникает под влиянием внешнего магнитного поля, ориентирующего магнитные моменты атомов. Внутри доменов ферромагнетика намагниченность возникает самопроизвольно под действием сил обменного взаимодействия. Поэтому домены называют областями спонтанной (то есть самопроизвольной) намагниченности. На границе двух доменов магнитные моменты атомов постепенно меняют ориентацию в тонком переходном слое, который называется доменной стенкой. Схема расположения доменов в ферромагнитном материале представлена на рис. 4.

Рис. 4. Доменная структура ферромагнетика

Изменение намагниченности в зависимости от внешнего поля принято изображать графически. При этом по оси абсцисс откладывается внешнее магнитное поле H, прикладываемое к ферромагнетику, а по оси ординат — намагниченность M. Типичная кривая намагниченности представлена на рис. 5. При отсутствии внешнего

Рис. 5. Схематическое изображение процесса растущего домена

поля намагниченность равна нулю. По мере возрастания внешнего магнитного поля происходит движение доменных стенок таким образом, что объем доменов, спонтанная намагниченность которых параллельна внешнему полю, также возрастает (средняя часть отрезка кривой). Дальнейшее увеличение внешнего поля приводит к тому, что весь объем ферромагнетика намагничивается до насыщения. Максимальное значение намагниченности называют намагниченностью насыщения и обозначают M_s (от англ.

При уменьшении внешнего поля до нуля намагниченность ферромагнетика не становится нулевой. Всегда остается так называемая остаточная намагниченность, которая обозначается M_r (от англ. remainder — остаток). Наличие остаточной намагниченности лежит в основе существования постоянных магнитов. Чтобы снять остаточную намагниченность, необходимо прикладывать внешнее магнитное поле с обратным знаком (то есть в противоположном направлении). Значение размагничивающего поля, которое необходимо для того, чтобы остаточная намагниченность образца стала равной нулю, называется коэрцитивной силой и обозначается H_c. Название не очень удачное, никакой силы нет, есть только магнитное поле. Поэтому в настоящее время термин "коэрцитивная сила" вытесняеся термином "коэрцитивное поле".

Коэрцитивное поле является очень важной характеристикой ферромагнитного материала, величина которой определяет, является ли материал магнитомягким (H_c < 100 A/м) или магнитожестким (H_c > 100 A/м). Магнитомягкие материалы применяются для изготовления сердечников трансформаторов и электромагнитов, статоров электромоторов, магнитных головок записи и воспроизведения. Магнитожесткие материалы используются главным образом для изготовления постоянных магнитов.

Еще одной важнейшей характеристикой ферромагнитных материалов (главным образом магнитомягких) является начальная магнитная проницаемость

где H берется на восходящем участке кривой намагничивания равным H_c по абсолютной величине. Для магнитомягких материалов коэрцитивное поле всегда мало, поэтому μ_i измеряется на начальном участке кривой намагничивания. Типичные значения μ_i при малых (менее 1 МГц) частотах перемагничивания лежат в интервале 10⁴—10⁵. С ростом частоты изменения внешнего поля начальная магнитная проницаемость кристаллических ферромагнетиков уменьшается до 10²—10³.

Долгое время существовало мнение, что ферромагнетизм присущ только упорядоченным кристаллическим структурам. А.И. Губанов в 1960 году первым предсказал существование ферромагнетизма в аморфных металлических сплавах. Следует подчеркнуть, что ферромагнетизм аморфных сплавов обусловлен наличием в них одного, двух или всех трех ферромагнитных элементов: железа, никеля и кобальта. Двойные ферромагнитные сплавы можно разделить на следующие группы: сплавы ферромагнитных элементов с переходными металлами: Fe—Au, Co—Zr, Ni—Pt и т.д.; сплавы ферромагнитных эле­ментов с неметаллами: Fe—C, Co— B, Ni—P и т.д.; сплавы ферромагнитных элементов с одним из ред­коземельных металлов: Fe—Tb, Co—Sm, Ni—Nd и т. д. Кроме двойных разработано большое количество трех-, четырех- и многокомпонентных аморфных ферромагнитных сплавов.

Какие полезные магнитные свойства улучшаются в результате образования аморфной структуры? Известно, что в обычных ферромагнетиках всегда имеется магнитная анизотропия, обусловленная кристаллическим порядком расположения магнитных моментов атомов. Магнитная анизотропия существенно уменьшает подвижность доменных стенок и увеличивает коэрцитивное поле. В принципе в аморфных ферромагнетиках магнитная анизотропия должна быть равна нулю, поскольку отсутствует кристаллический дальний порядок. Практически реальные аморфные ферромагнетики все же обладают магнитной анизотропией, которая, однако, на два порядка меньше, чем в кристаллических. Уменьшение магнитной анизотропии приводит к резкому снижению коэрцитивного поля до значений 0,01 А/м, что уменьшает потери при перемагничивании. Таким образом, аморфные металлические сплавы почти всегда являются магнитомягкими ферромагнетиками.

Другим полезным свойством аморфных ферромагнетиков является более высокое значение начальной магнитной проницаемости как на низких (0,1—1 МГц), так и на высоких (5—15 МГц) частотах. Это свойство определяется высоким удельным электрическим сопротивлением аморфных ферромагнетиков, значительно снижающим потери на токи Фуко.

Завершая описание магнитных свойств аморфных ферромагнетиков, мы приходим к выводу, что присущие им магнитные свойства возникают благодаря неупорядоченному расположению атомов. Некоторые из этих свойств являются уникальными и не могут быть получены в кристаллических сплавах.