тановленю методам электрояой микроскопии, весьма локальна и имеет характерную тонкую структуру [50]. При этом, поскольку процесс намагничивания происходит не поаредством движения круговых доменов, .а границы доменов не перемещаются на сколько-нибудь значительные расстояния, потери на перемагаичивание сводятся только к классическим потерям на вихревые токи, которые локализуются в областях круговых доменов. Это приводит к снижению cyMMaipHbix потерь, что имеет важное значение для материалов, применяемых в качестве сердечников трансформаторов.

Таким образом, аморфные металлы как магнитномягкие материалы весьлГа привлекательны. Свойство высокой магнитной проницаемости аморфных металлов является наиболее очевидным и первоначально именно этому свойству уделяли основное внимание. Например, можно сослаться на работу [51] как одну из наиболее ранних (1967 г.), где изучалось намагничивание переменным током сплава FcsoP 12,507,5- Здесь, однако, коэрцитивная сила составила 240 А/м, поэтому данный сплав трудно квалифицировать как магнитномягкий материал. В более поздних исследованиях на лентах из аморфных сплавов на основе железа, никеля и кобальта, полученных закалкой из жидкости, были определены характеристики процесса статического намагничивания: в 1974 г. на сплаве FesoPisCy )[52], и затем в 1975 г. на сплавах (Fe-Ni)-Р-В 53], В этих материалах при индукции насыщения 1,0-1,3 Тл коэрцитивная сила составила 8-0,8 А/м, поэтому онн оказались перспективными как магнитномягкие материалы. После этого в 1975-76 гг. еще лучшие характеристики получены на сплавах CoTJoFesSiisBio [54-56] и CoFePB [57, 58], обладающих к тому же практически нулевой магнитострикцией. С тех пор исследования в этой области развиваются очень интенсивно (см. гл. 10).

5.4.1. Петля гистерезиса

Аморфные сплавы, изготовленные по методу закалки .из жидкого состояния, как правило, представляют собой тонкие ленты толщиной 20-60 мкм и шириной от одного до нескольких десятков миллиметров. При изучении процессов намагничивания таких лент можно пользоваться одним из способов, показанных на рис. 5.14. В первом способе используется цилиндрический соленоид, в который вставляется аморфная лента (диаметр соленоида составляет 1-3 см, а длина его - около 15 см). Во втором способе лента, свернутая в спираль, помещается внутрь тороидальной обмотки. Наконец, в третьем способе из широкой ленты вырезаются кольца, которые также помещаются внутрь тороидальной обмотки. При таких схемах можно получить обычные петли Гистерезиса в координатах В-Н, при этом несмотря на малую толщину ленты получается довольно высокая чувствительность измерений.

Протекание процесса намагничивания зависит от таких факторов, как форма образца, химический состав, способ изготовления, скорость закалки, термообработка, прокатка, степень растяжения

И т д Соответствующим обр-азом изменяются и характеристики кривых намагничивания. Рассмотрим, например, кривую намагничивания, полученную при наложении поля вдоль оси аморфной

Рис. 5.14. Различные виды образцов и схемы измерения намагниченности быстрозакаленных аморфных лент в слабых магнитных полях:

о - прямая лента; б - тороидальный сердечник; в - кольцевой сердечник; / - аморфная лента; 2 - измерительная обмотка (возбуждения); 5 - компенсирующая обмотка; 4 -намагничивающая обмотка

ленты FeeoPisCy, закаленной на центрифуге (рис. 5.15). Анализ этой кривой позволяет сделать следующее заключение:

1) в области слабых магнитных полей образуется петля гистерезиса, в сильных магнитных полях происходит насыщение, намагничивание аморфной ленты происходит так же, как и кристаллических ферромагнетиков, что обусловлено тем, что намагничивание в обоих случаях происходит путем легко достижимого смещения границ доменов и обратимого вращения вектора спонтанной на-

магниченности Ms,

2) коэрцитивная сила имеет величину ~8 А/м, что соответствует средним значениям коэрцитивной силы для магнитно-мягких материалов;

3) для насыщения необходимы сильные магнитные поля, при этом коэрцитивная сила дости- гает значений в тысячу раз меньших этих полей, остаточная намагниченность мала;

4) с увеличением напряженности магнитного поля намагниченность изменяется прерывисто

(скачки Баркгаузена).

П П в ll

Н,Щ6Ш

-(?<f -cli -o,z О цг ofi о,в

Н, 73,6А/М

Рис. 5.15. Кривая намагниченности аморфной ленты из сплава Fe-13Р--7С после закалкн иа центрифугу [52]

Ранее предполагалось, что поскольку аморфные сплавы имеют изотропную и однороднук) в магнитном отношении структуру, они должны легко намагничиваться. Подтверждением этому может служить то,- что коэрцитивная сила не превышает 8 А/м. Однако видно, что аморфные ферромагнетики, согласно 3 и 4, могут проявлять анизотропию при намагничивании, т. е. доменные стенки при своем перемещении преодолевают потенциальный барьер. Это указывает на то, что аморфные металлические ленты не всегда находятся в идеально однородном магнитном состоянии. Магнитная анизотропия аморфных сплавов как следствие неоднородности их магнитного состояния, хотя полностью не разрушается при термообработке, но все же, за (Счет дротекания процессов структурной релаксации значительно уменьшается, вследствие чего аморфные сплавы,становятся гораздо более магнитномягкими. Возможность улучшения магнитных свойств аморфных сплавов является сейчас стимулом для разработки новых химических составов, совершенствования способов изготовления и режимов термической обработки. При этом сам поиск оптимальных составов и режимов улучшения магнитных свойств способствует в конечном итоге лучшему пониманию физики процессов намагничивания аморфных ферромагнетиков.

5.4.2. Доменная структура

Для более полного понимания процесса намагничивания и причин появления гистерезиса в аморфных ферромагнетиках (рис. 5.15) необходимо рассмотреть их доменную структуру. На рис. 5.16 показана структура аморфной ленты из сплава FesoPisC?. В работе [59] установили связь между такой доменной структурой и особенностями кривой намагничивания. Основные выводы, сделанные в [59], следующие.

Рис. 5.16. Доменная структура образца, кривая намагничивания которого приведена на рис. 5.15. (в состоянии остаточной иамагничеииости) [59, 60], Данные получены методом Бит-тера

1. На концах ленты часто наблюдается характерный узор, ориентированный вдоль оси ленты. Этот узор соответствует образованию доменов, разделенных 180°-ными границами (коэрцитивная сила составляет 8 А/м); в слабых магнитных полях эти границы перемещаются параллельно оси ленты. Образование петли гистерезиса происходит, когда возможно перемещение этих 180°-ных доменных границ.

2. Наблюдаются длинные извилистые линии, проходящие от

концов ленты к ее центральной части, которые изгибаются и пересекают ось ленты. С наличием этих линий связаны, вероятно, большие значения коэрцитивной силы (800 А/м и выше). Не ясен, однако, характер перемещения этих линий в центральной части ленты. Тем не менее, отсюда следует, что. в центральных частях ленты контролирующим фактором является вращение вектора намагниченности.

3. Наблюдаются причудливо изгибающиеся 180°-ные границы доменов, окружающие тонкие зигзагообразные (лабиринтные) группы доменов. На рис. 5.17 видно, что такая структура стремится к расширению. В отсутствии магнитного поля (рис. 5.17, а) структура выражена нечетко, но с увеличением напряженности магнитного поля доменные стенки перемещаются в плоскости ленты перпендикулярно направлению поля и лабиринтная структура становится более отчетливой (рис. 5.17 6 и в). При перемене на-

Рис. 5.17. Увеличенное изображение доменной структуры, показанной на ,

рис. 5.16 [59]:

а -в состоянии остаточной намагниченности; б -в магнитном поле, перпендикулярном плоскости ленты; в - в магнитном поле, антипарал-лёльном магнитному полю на рис. 5.17,6

правления магнитного поля узор лабиринтной структуры также изменяется, -прн этом белые участки становятся черными, и наоборот. При сильном магнитном поле лабиринтная структура исчезает [59]. Предполагают, что такая лабиринтная структура отражает образование основных доменов. Простейшая схема основных доменов приведена на рис. 5.18. Приложение сильного магнитного поля вдоль оси ленты приводит к вращению векторов М., основных доменов и к исчезновению лабиринтной доменной структуры. Критическое поле для такого вращения составляет (812) 10* А/м, что практически соответствует насыщению кривой намагничивания на рис. 5.1%

В лентах из других аморфных сплавов, полученных закалкой на диске, например FegoPisC? [61], FeNiPB [62], CoSiB [60], FeCoSiB 160], также ббнаружены домены, разделенные 180°-ными границами, и основные домены (лабиринтной структуры, см. сноску) [70]. Разумеется, размеры и характер расположения основных доменов

Очевидно, лучше назвать эти домены основными доменами лабиринтной структуры , поскольку часто основными доменами называют те домены, смещением 180°-ных границ которых обеспечивается намагничивание в малых полях. ; Л Рим. ред.

Зак. 3017

различаются в зависимости от химического состава и способа получения сплава, и, хотя это сравнительно мало влияет на величину коэрцитивной силы (она по-прежнему остается небольшой), поле, необходимое для намагничивания до насыщения (см. рис. 5.15),.

может отличаться от нее более, чем в 1000 раз.

Появление доменов с 180°-ными границами соответствует мягкому намагничиванию, а основных доменов- жесткому намагничиванию. Далее, наличие на кривой намагничивания скачков Баркгаузена соответствует торможению 180°-ных границ доменов в одной или нескольких точках. Таким образом, неоднородность мапнитной структуры становится очевидной. Причины этого мы попытаемся выяснить ниже.

Рис. 5.18. Схема возиикиовения и расположения основных магнитных доменов [59, 60]

5.4.3. Магиитострикция

Хорошо известно, что важным фактором, влияющим на процесс намагничивания ферромагнетиков, является эффект магнитострик-ции. Она возникает вследствие магнитоупругого эффекта, который появляется из-за наличия самопроизвольной деформации в ферромагнетике. Явление магнитострикции приводит к тому, что для намагничивания необходима некоторая избыточная энергии. Это, в свою очередь, затрудняет процесс намагничивания [63]. Одноосная однородная самопроизвольная деформация приводит к возникновению напряжений, отличающихся вдоль и перпендикулярно оси ленты. Магиитострикция насыщения К вдоль направления спонтанной намагниченности Ms в условиях действия напряжений о определяет величину магнитоупругой энергии

Ea = ~S/2Xs cose.

(5.3)

где 6 - угол между направлением действия растягивающих напряжений и вектором спонтанной намагниченности Ms. Если Л положительна, то величина Еа максимальна, когда Ms и растягивающее напряжение перпендикулярны друг другу. Минимальное значение Еа достигается тогда, когда Ms и растягивающее напряжение параллельны друг другу, если Is отрицательна, то, наоборот, максимальное значение Еа достигается при условии, что направление растяжения совпадает с Ms. Величина Еа служит мерой одноосной магнитной анизотропии, связанной с упругими напряжениями. Однако при изменении направления действия внутренних напряжений Еа может изменяться таким образом, что эти напряжения будут препятствовать движению границ доменов.

Внутренних нлн внешних. Прим. ред-

Т. е. вызывать снижение магнитной проницаемости и рост коэрцитивной силы. Иными словами, действие неоднородных внутренних напряжений увеличивает магнитную неоднородность ферромагнетика.

Конкретные модельные расчеты проведены Керстеном. Результаты этих, расчетов кратко рассматриваются в работе Тикадзуми [63]. В расчетах полагается для простоты, что внутренние напряжения Ог задаются только одномерной гармонической функцией вдоль оси х:

о,-= oocos (2ях ), (5.4)

где / - длина волны; оо -амплитуда внутренних напряжений. В этих расчетах рассматривается только доменная структура, содержащая домены с 180°-ными границами, и считается, что доменные границы перемещаются при намагничивании только вдоль оси х. В расчетах вводится гармонический потенциал у{х), определяющий начальную магнитную проницаемость цо и коэрцитивную силу Не. С уменьшением I ширина доменных стенок 8 я цо также умь-шаются, а Не возрастает. Экстремумы этих величин приблизительно могут быть выражены как

Horain = 2/2/лХсго. (5.5)

Ясгаах = яЯ,сГо 5. (5.6)

Явление магнитострикции .имеет место также ив аморфных ферромагнетиках. Причиной магнитострикции является дипольное взаимодействие между магнитными моментами электронов, которое зависит от межатомного расстояния и в аморфных структурах определяется неупорядоченными атомными конфигурациями. Маг-нитоупругий эффект в аморфных ферромагнетиках является причиной появления магнитной анизотропии и соответствующей ей коэрцитивной силы.

Кратко рассмотрим методы экспериментального определения магнитострикции и покажем, как формулы (5.3), (5.5) и (5.6) можно применить к аморфным металлам. При измерениях магнитострикции аморфных металлических лент, полученных закалкой из жидкого состояния, пользуются дилатометрическим методом, методом чувствительного элемента дифференциального трансформатора, методами измерения деформаций с помощью тензодатчи-ков. Хорошо зарекомендовал себя метод трехэлектродной емкости , позволяющий с высокой точностью определять изменения электростатической емкости. Подробное описание экспериментов по определению магнитострикции последним из перечисленных методов, выполненных на аморфной ленте толщиной 30 мкм, можно

Он имеет смысл энергии границы домена, зависящей от координаты х. Прим. ред.

2 Эти формулы получены из условия, что длина волны внутренних напряжений / примерно равна ширине границы домена. Следует также отметить, что ]Хо зависит от суммарной площади границ доменов, что необходимо учитывать при анализе влияния различных факторов на эту величину. Прим. ред.