Магнитное насыщение - состояние парамагнетика или ферромагнетика, при котором его намагниченность J достигает предельного значения J_¥ — намагниченности насыщения, не меняющейся при дальнейшем увеличении напряжённости намагничивающего поля.

В случае ферромагнетиков J_¥ достигается при окончании процессов так называемого технического намагничивания:

а) роста доменов с магнитным моментом, ориентированным по оси лёгкого намагничивания, в результате процесса смещения границ доменов;

б) поворота вектора намагниченности образца в направлении намагничивающего поля (так называемого процесса вращения);

и парапроцесса — увеличения под действием сильного внешнего поля числа спинов, ориентированных по полю, за счёт спинов, имеющих антипараллельную ориентацию. На практике обычно получают техническое магнитное насыщение (при 20 °С в полях от нескольких э до ~ 10⁴ э), так как для осуществления парапроцесса (вдали от точки Кюри) требуются очень сильные поля. В случае парамагнетиков состояние, близкое к насыщению, достигается в полях ~ 10 кэ (~ 10³ ка/м) при температурах ~ 1К.

Материалы с огромной магнитной энергией анизотропии обладают очень большой по сравнению с соответствующими материалами на основе группы Fe энергией магнитной анизотропии. Она состоит в том, что существует неравноценность энергии намагничивания по осям кристалла. Например, в гексагональном кристалле металла диспрозия Dy (рис. 1а) ось легкого намагничивания (вдоль которой энергия намагничивания мала) лежит в направлении, перпендикулярном к гексагональной оси с, а вдоль оси с кристалла намагничивание происходит с трудом; магнитное насыщение достигается при приложении большого поля Н (рис. 1б) (с - ось трудного намагничивания). Магнитоанизотропные свойства кристаллов характеризуются константой магнитной анизотропии К₁, величина которой пропорциональна разности энергий намагничивания кристалла в направлении трудного и легкого намагничивания. Большие энергии магнитной анизотропии, свойственные редкоземельным веществам, играют решающую роль при создании материалов для постоянных магнитов. Соединения SmCo₅ , NdCo₅ благодаря высоким К₁ и I_s при соответствующей технологической обработке позволяют получить рекордные для подобных материалов коэрцитивные силы (до 10⁴ Э) и огромные магнитные энергии для постоянных магнитов (произведение Н_cI_s ~ 10⁶ Гс Э), что на два порядка больше, чем соответствующие энергии для магнитов из металлов группы Fe.

 

Высокие магнитные энергии для постоянных магнитов и соответствующие значения магнитного насыщения дает возможность изготовлять магниты в несколько десятков раз сильнее, чем магниты на основе металлов группы Fe; они получили широкое применение там, где требуется создавать сильные магнитные поля при минимальном весе и габаритах: магниты для миниатюрных электромоторов, в магнитофокусирующих системах электронных микроскопов, в мощных электронных лампах магнетронах.

Другим примером являются материалы с высоким магнитным насыщением. Эти материалы необходимы для изготовления сердечников электромагнитов и других устройств для получения сильного магнитного поля. До сих пор для этой цели используются Fe и некоторые Fe-Co-сплавы, обладающие достаточно высокими намагниченностями насыщения I_s. На основе редкоземельных элементов можно приготовить материал, у которого I_s гораздо больше. Редкоземельные атомы имеют большие величины М_ат . Причина - отсутствие "замораживания" орбитального момента в кристаллах, а также то, что в f-оболочках, ответственных в этих атомах за магнетизм, в создании М_ат могут участвовать семь спиновых магнитных моментов, тогда как в атомах группы Fe таких моментов пять. Благодаря этому обстоятельству многие редкоземельные металлы (Gd, Dy , Tb, Er , Eu) имеют величины I_s (при 0 К) более высокие, чем Fe и Fe-Co-сплавы. Например, Dy имеет величину I_s в 1,7 раза большую, чем I_s для Fe (для Dy при 0 К величина I_s = 3000 Гс, тогда как для Fe она при той же температуре равна 1720 Гс). Однако использование таких металлов, как Dy , Ho, Er , в поликристаллическом состоянии практически невозможно, так как поле магнитного насыщения H_s для них необычайно велико (~ 10⁶ Э). Причина этого - существование в них громадной энергии магнитной анизотропии.

Кристаллографические направления у железа и у никеля называются направлениями легкого намагничивания, поскольку состояние магнитного насыщения вдоль этих направлений достигается в минимальных магнитных полях; другие направления являются направлениями трудного намагничивания. Площадь, заключенная между направлениями трудного и легкого намагничивания или разность между энергией трудного и легкого намагничивания называется энергией магнитного насыщения.
При низких температурах все спины параллельны, что и обусловливает магнитное насыщение. С увеличением температуры, вследствие возрастания теплового движения атомов и, таким образом, уменьшения степени упорядочения направлений спинов электронов в соседних атомах, напряженность магнитного поля ферромагнетиков, созданного сильным внешним магнитным полем, уменьшается. Таким образом уменьшаются магнитная восприимчивость, проницаемость, намагниченность при насыщении. Вблизи точки Кюри ферромагнетизм исчезает вначале медленно, а затем быстро, пока не достигается температура Кюри, и материал становится парамагнитным. Влияние температуры на ферромагнитные свойства железа, никеля и кобальта приведено на рис. 44, где по оси ординат отложено отношение намагниченности при температуре Т к намагниченности при абсолютном нуле, по оси абсцисс – отношение абсолютной температуры к температуре Кюри. Зависимость магнитного насыщения от температуры в указанных координатах описывается одной и той же для рассматриваемых ферромагнитных тел (Fe, Ni, Co) кривой. Температура Кюри равна: 768° С для железа, 360° С для никеля, 1150° С для кобальта и 16° С для гадолиния.
В для изучения структуры границ раздела в nc-Fe (d = 10-15 нм) были использованы методы магнитного последействия (after-effect) и магнитного насыщения. Магнитное последействие представляет собой временную зависимость магнитной восприимчивости после размагничивания. Отжиг nc-Fe при Т = 350-500 К приводил к необратимым изменениям спектра магнитного последействия; одновременно с этим наблюдалась временная зависимость магнитного последействия. Подобные изменения обусловлены переориентацией атомов, связанной с уменьшением свободных объемов в границах раздела.
Измеряя намагниченность вдоль оси в направлении длины аморфной ленты, можно наблюдать явление магнитного насыщения и петлю гистерезиса, точно такие же, как и в обычных кристаллических ферромагнетиках. Отсюда следует, что в аморфных металлических лентах внутренняя намагниченность разбита на части – магнитные домены. Предполагают, что намагничивание аморфных металлов происходит путем перемещения границ магнитных доменов и вращения вектора спонтанной намагниченности.
У ферромагнетиков внутри каждого домена магнитные моменты атомов расположены параллельно друг другу в одном направлении, поэтому каждый домен спонтанно намагничен до величины магнитного насыщения. Вектора намагниченности доменов ферромагнетиков в отсутствие внешнего магнитного поля ориентированы таким образом, что результирующая намагниченность образца в целом, как правило, равна нулю.
Магнитоупругий (магнитомеханический) резонанс обусловлен зависимостью модуля Юнга Ен от магнитного поля, которая, в свою очередь, появляется из-за добавления к упругой деформации магнитострикционной деформации, зависящей от ориентации вектора намагниченности. Наибольшее отличие модуля Юнга в состоянии магнитного насыщения от модуля Юнга в размагниченном состоянии наблюдается в образце с высокой магнитострикцией и с поперечной магнитной анизотропией, когда векторы намагниченности доменов расположены перпендикулярно направлению приложения поля. Такое состояние создается с помощью отжига в поперечном магнитном поле. К аморфной ленте с поперечной анизотропией вдоль ее длины прикладывается постоянное магнитное поле Н и переменное поле с малой амплитудой. Переменное поле из-за эффекта магнитострикции вызывает колебания размеров образца с частотой, в два раза большей частоты магнитного поля. Вдоль образца распространяется упругая волна. Резонанс наблюдается, когда на длине образца L укладывается целое число n полуволн. Ферро- и ферримагнитные вещества (в том числе и минералы) обладают рядом особенностей, отличающих их от диа- и парамагнетиков. К ним относятся зависимость намагниченности магнитной восприимчивости от напряженности внешнего магнитного поля и от предшествующего магнитного состояния (гистерезис); достижение магнитного насыщения в сильных магнитных полях; наличие областей самопроизвольного намагничивания (доменов), имеющих собственную намагниченность почти до насыщения даже в отсутствии внешнего поля; зависимость магнитных характеристик от температуры и существование особой температуры — точки Кюри, выше которой вещество теряет перечисленные особенности и становится парамагнетиком.