Магнетики в тепловом равновесии. Ферромагнетизм

 

Ранее (см.п.3.4) были рассмотрены некоторые свойства магнетиков (пара-и диамагнетиков). Здесь подробнее рассматриваются свойства ферромагнетиков.

К ферромагнетикам относятся вещества, в которых внутреннее собственное магнитное поле может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее намагничивающее поле и затем сохраняться после его действия. К этой группе относятся, прежде всего, железо Fe (отсюда и название «ферромагнетизм»), а также Ni и Со.

Магнитная проницаемость μ ферромагнетиков сложным образом зависит от изменения напряженности внешнего намагничивающего поля (рис.6.13,а). В связи с этим намагничивание ферромагнетика сначала быстро растет, а затем замедляет рост (рис.6.13,б).

в)

б)

а)

 

Рис.6.13.

 

При перемагничивании ферромагнетики характеризуются петлей гистерезиса (рис.6.13,в). Намагничивание до насыщения характеризуется кривой 0 – 1. При уменьшении напряженности внешнего поля кривая размагничивания не совпадает с кривой 1 – 0, а дает отрезок 1-Вr Т.е. при снятии внешнего поля (Н=0) ферромагнетик сохраняет остаточную индукцию 0 – Br. Чтобы размагнитить его полностью, нужно приложить магнитное поле противоположного направления Нс. Величина Нс называется коэрцитивной силой.

Таким образом, кривая 0 –1 характеризует начальное намагничивание ферромагнетика в одном направлении, а кривые 1 – Br – Нс – 2 и 2 – Br – Нс – 1 описывают его перемагничивание при изменении направления вектора внешнего намагничивающего поля. Замкнутая кривая на рис.6.13,в называется петлей гистерезиса. (Гистерезис означает запаздывание от ).

Величины остаточной индукции Br, коэрцитивной силы Нс, магнитной проницаемости m являются основными характеристиками ферромагнетика.

Площадь петли гистерезиса пропорциональна работе, затраченной намагничивающим полем на один цикл перемагничивания. Эта работа приводит к выделению тепла и, следовательно, всякое циклическое перемагничивание сопровождается нагреванием ферромагнетика. Ферромагнетики с малой площадью петли гистерезиса называют мягкими магнитными материалами. Они обладают малой коэрцитивной силой и используются для изготовления сердечников трансформаторов и др. устройств, работающих в высокочастотных полях (мягкое железо, пермаллой и др.).

Ферромагнетики с широкой петлей гистерезиса называют жесткими магнитными материалами. Они обладают большой коэрцитивной силой и применяются для изготовления постоянных магнитов (углеродистые, вольфрамовые и другие стали).

Теория ферромагнетизма была разработана зарубежными и отечественными физиками (Вейс, Я.И.Френкель Гейзенберг) в 1928 г. Согласно ей ответственными за особые свойства ферромагнетиков являются собственные (спиновые) магнитные моменты электронов в атомах (рис.3.24). При некоторых условиях в ферромагнетиках могут возникать внутренние так называемые обменные силы, которые выстраивают магнитные моменты атомов в небольших объемах в одном направлении. Эти области самопроизвольного (спонтанного) намагничивание до насыщения называются доменами. Размеры доменов невелики 1 – 10 мкм, но, содержат много атомов. Один из таких доменов, в котором стрелками показаны магнитные моменты отдельных атомов, изображен на рис.6.14

 

 

Рис.6.14.

 

Большими стрелками показаны магнитные моменты других доменов. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов разориентированы и ферромагнетик в целом ненамагничен (энергетически выгодное состояние вещества).

Внешнее магнитное поле ориентирующе действует на домены, что приводит к возрастанию магнитного поля в ферромагнетике. При этом пока поле слабое, происходит ориентация лишь тех доменов, которые намагничены в направлении, близком к направлению поля. При дальнейшем усилении напряженности внешнего поля происходит ориентация и других доменов. Вещество намагнитится до насыщения (рис.6.13,в), когда все домены будут ориентированы вдоль линий внешнего поля.

Ориентацию, приобретенную во внешнем поле, большинство доменов сохраняет и после действия поля, что и объясняет наличие остаточной индукции Br и явление гистерезиса.

Каждый ферромагнетик свои свойства сохраняет вплоть до определенной температуры Тк, при которой его доменная структура разрушается и вещество становится парамагнетиком. Эта температура называется точкой Кюри (по имени французского физика Пьера Кюри, 1895 г.). Для железа Тк=760⁰С, для никеля=360⁰С.

Интересно, что при намагничивании происходит изменение размеров ферромагнетиков (это явление называют магнитострикцией), что позволяет изготовлять из них преобразователи магнитных колебаний в механические (например, ультразвуковые вибраторы).

Большое применение на практике получили ферриты, которые представляют собой химические соединения окислов железа с окислами других металлов. Изготовляют их смешиванием порошков окислов, прессованием в формах и спеканием при нагреве. Им легко можно придавать нужную форму (они также делятся на мягкие и твердые по магнитным свойствам).

Известны также магнитодиэлектрики, которые также получаются прессованием смеси порошков с добавлением диэлектрической связки (полистирол, резина и др.). Эластичные магнитодиэлектрики применяются, например, для изготовления магнитных лент.

Заключение