Им присуще явление, получившее название магнитного гистерезиса, что делает зависимость j от h неоднозначной. Значение вектора j зависит от «магнитной предыстории» образца.

Магнитным гистерезисом ферромагнетиков называется запаздывание изменения магнитной индукции В от изменения напряженности внешнего намагничивающего поля.

Существование остаточной намагниченности является основой создания постоянных магнитов, записи и длительного хранения различного рода информации - магнитной памяти.

Напряженность магнитного поля обратного направления , при которой магнитная индукция (намагниченность) становится равной 0, называется коэрцитивной силой. Постоянный магнит тем лучше сохраняет свои свойства, чем больше коэрцитивная сила материала, из которого он изготовлен.

Если максимальные значения , то получается так называемая максимальная петля гистерезиса. Если при циклическом перемагничивании значение не достигается , то получается петля, называемая частным циклом (рис. 3.21). Все частные циклы лежат внутри максимальной петли гистерезиса. Вид кривой намагничивания и вид петли гистерезиса в ферромагнетиках зависит от изменения объема доменов с различными ориентациями J_s за счет смещения границ доменов, а также вращения векторов J_s доменов. Кроме того, они зависят от внешних механических напряжений.

Кривая намагничивания железа была впервые получена русским ученым А.Г.Столетовым. Разработанный им баллистический метод измерения магнитной индукции находит широкое применение до настоящего времени.

 

Точка Кюри. Особые ферромагнитные свойства наблюдаются только в определённом интервале температур, при температуре несколько выше точки Кюри, ферромагнитные свойства исчезают и он становится парамагнетиком.

Ферромагнетики обладают точкой Кюри. При температуре T равной некоторой температуре Q (T_с), области спонтанного намагничивания (домены) распадаются, и ферромагнетики теряют свои магнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри.

Магнитные и другие свойства ферромагнетиков специфически зависят от температуры. Намагниченность насыщения J_s имеет наибольшее значение при T = 0 K (J_so) и монотонно уменьшается до нуля при температуре, равной температуре Кюри (T = q). Выше q ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние, а в некоторых случаях (редкоземельные металлы) – в антиферромагнитное состояние.

При H = 0 переход "ферромагнетик – парамагнетик", как правило, является фазовым переходом второго рода.

Температурная зависимость магнитной проницаемости m (или магнитной восприимчивости c_m) ферромагнетиков имеет явно выраженный максимум вблизи температуры Кюри q (эффект Гопкинсона) (рис. 3.18). При T>q зависимость магнитной восприимчивости ферромагнетиков подчиняется закону Кюри-Вейса:

. (3.41)

При этом изменяется структура кристаллической решетки, теплоемкость, электропроводность и другие физические характеристики. Причиной указанного явления служит полное разрушение доменной структуры при переходе температуры через . Если же понижать температуру, то переход через приводит к полному восстановлению ферромагнитных свойств. При адиабатическом намагничивании и размагничивании ферромагнетики изменяют свою температуру (магнетокалорический эффект). Перечисленные особенности немагнитных свойств ферромагнетиков достигают максимальной величины вблизи T=q.

Столь значительное увеличение индукции внутри ферромагнетика, обязано наличию у электронов собственных или спиновых механических моментов. При попадании ферромагнетиков в магнитное поле, спиновые магнитные моменты легче ориентируются по направлению поля, чем орбитальные и более того, даже в отсутствии внешнего магнитного поля электроны объеденены в группы, в совокупности, в домены, в которых суммарные спиновые моменты отдельных электронов, ориентированы одинаково. У всех электронов отдельного домена, спиновые механические моменты, а отсюда и магнитные моменты ориентированы одинаково и векторная сумма отдельных магнитных моментов равна алгебраической их сумме. Сумма - максимальна.

Разнообразное применение в технике ферромагнетиков привело к необходимости деления их на

два больших подкласса: магнитожесткие ферромагнетики и магнитомягкие ферромагнетики. Для магнитожестких ферромагнетиков характерны большие значения коэрцитивной силы (рис. 3.22), для магнитомягких ферромагнетиков - малые значения (рис. 3.23).

Примером ферромагнетиков могут служить жидкие ферромагнетики. К жидким ферромагнетикам относятся ферромагнитные суспензии, представляющие собой дисперсную систему ферромагнитный порошок - жидкость, и магнитные жидкости - магнитный коллоид.

На рис. 3.24 представлена петля магнитного гистерезиса ферромагнитной суспензии. На рис. 3.25 изменение намагниченности феррожидкости при циклическом изменении напряженности поля.

Исследования жидких ферромагнетиков показывают, что между ФС и МЖ имеется существенное различие магнитных свойств, в частности зависимости остаточной намагниченности (рис. 3.26- ) и коэрцитивной силы (рис. 3.26- ) от напряженности внешнего намагничивающего поля.

Из рис. 3.24 следует, что ферросуспензия (ФС) проявляет свойства магнитожесткого материала, характеризуется определенным значением , причем зависит от максимального значения намагничивающего поля. Между тем магнитная жидкость (МЖ) проявляет свойства магнитомягкого материала, остаточная намагниченность равна 0, коэрцитивная сила . В МЖ диспергированные домены участвуют в интенсивном тепловом движении, поэтому при выключении поля намагниченность образца становится равной 0.

7. При намагничивании ферромагнетиков изменяются их размеры и форма, что называют магнитострикцией. Магнитострикция связана с изменением равновесия между узлами кристаллической решетки под влиянием переориентации векторов спонтанной намагниченности доменов (рис. 3.27).

На рис. 3.27,а изображен шар из монокристалла ферромагнетика в отсутствие внешнего магнитного поля. На рис. 3.27,б схематически представлена магнитострикция этого ферромагнитного шара, находящегося в магнитном поле, при охлаждении ниже температуры Кюри. Шар в магнитном поле превращается в эллипсоид.

В теории магнетизма магнитострикция рассматривается как результат проявления основных типов взаимодействий в ферромагнитных телах: электрического обменного взаимодействия и магнитного взаимодействия. В соответствии с этим возможны два вида различных по природе магнитострикционной деформации тел (их кристаллических решеток): за счет изменения магнитных сил (диполь-дипольных и спин-орбитальных) и за счет изменения обменных сил.

При намагничивании ферро - и ферримагнетиков магнитные силы действуют в интервале от нулевого поля до поля напряженностью H_s, в котором образец достигает технического магнитного насыщения J_s. Намагничивание в этом интервале полей обусловлено процессами смещения границ между доменами и поворота магнитных моментов по полю. Оба эти процесса изменяют энергетическое состояние кристаллической решетки, что проявляется в изменении равновесных расстояний между ее узлами. В результате атомы смещаются, происходит деформация решетки. Магнитострикция этого вида зависит от направления и величины намагниченности J (т.е. анизотропная) и проявляется в основном в изменении формы кристалла почти без изменения его объема (линейная магнитострикция).

Магнитострикция, обусловленная обменными силами, в ферромагнетиках наблюдается в области намагничивания выше технического насыщения, где магнитные моменты доменов полностью ориентированы в направлении поля и происходит только рост абсолютной величины J (парапроцесс). Магнитострикция за счет обменных сил в кубических кристаллах изотропная, т.е. проявляется в изменении объема. В гексагональных кристаллах (например, в Gd, Tb и др. редкоземельных кристаллах) эта магнитострикция анизотропная. Магнитострикция за счет парапроцесса в большинстве ферромагнетиков при комнатной температуре и вблизи точки Кюри мала; в этом случае парапроцесс почти полностью определяет ферромагнитные свойства вещества. Однако в некоторых сплавах с малым коэффициентом теплового расширения (инварных магнитных сплавах) магнитострикция велика (в магнитных полях ~8×10⁴ А/м, отношение DV/V~10^-5). Значительная магнитострикция при парапроцессе характерна также для ферритов и редкоземельных металлов и сплавов при разрушении или создании в них магнитным полем неколлинеарных магнитных структур.

Исследование магнитострикции, особенно в области технического намагничивания, способствует созданию новых магнитострикционных материалов с различными магнитострикционными свойствами. Кроме того, магнитострикция позволяет объяснить некоторые свойства магнитных материалов. Например, установлено, что высокая магнитная проницаемость сплавов Fe-Ni (сплавов типа пермаллоя) связана с тем, что в них мала магнитострикция (наряду с малым значением константы магнитной анизотропии).

Магнитострикция влияет на тепловое расширение ферро-, ферри- и атиферромагнетиков, так как действие обменных (а в общем случае и магнитных) сил проявляется не только в магнитном поле, но и при нагревании тел в отсутствие поля (термострикция). Изменение объема тел вследствие термострикции особенно значительно вблизи точек магнитных фазовых переходов (точек Кюри и Нееля, при температуре перехода коллинеарной магнитной структуры в неколлинеарную и др.).

Наложение этих изменений объема на обычное тепловое расширение иногда приводит к аномально малому значению коэффициента теплового расширения у некоторых материалов, например у сплава типа «инвар» (36% Ni, 64% Fe).

Большие аномалии модулей упругости и внутреннего трения, также наблюдаемые в магнетиках в окрестности точек Кюри и Нееля и других магнитных фазовых переходов, обязаны влиянию магнитострикции, возникающей при нагреве. Кроме того, при воздействии на ферро– и ферримагнитные тела упругих напряжений в них даже при отсутствие внешнего магнитного поля происходит перераспределение магнитных моментов доменов (в общем случае изменяется и абсолютная величина самопроизвольной намагниченности домена). Эти процессы сопровождаются дополнительной деформацией тела магнитострикционной природы - механострикцией. В непосредственной связи с механострикцией находится явление изменения под влиянием магнитного поля модуля упругости ферромагнитных металлов (DE эффект).

Для измерения магнитострикции наибольшее распространение получили установки, работающие по принципу механооптического рычага, позволяющие наблюдать относительные изменения длины образца ~10^-6. Еще большую чувствительность дают радиотехнические и интерференционные методы.

На явлении магнитострикции основано действие магнитострикционных преобразователей и реле, излучателей и приемников ультразвука, фильтров и стабилизаторов частоты в радиотехнических устройствах, магнитострикционных линий задержки в акустике и т.д.

Надо отметить, что в ферро- и ферримагнетиках (Fe, Ni, Co, Gd, Tb, Dy и др.), в ряде сплавов и ферритах магнитострикция достигает значительной величины (относительное удлинение Dl/l ~10^-5 - 10^-2).

8. В ферромагнитных монокристаллах наблюдается магнитная анизотропия - различие магнитных свойств по разным кристаллографическим направлениям. В поликристаллах с хаотическим распределением кристаллических зерен анизотропия в среднем по образцу отсутствует, при неоднородном распределении кристаллических зерен она может наблюдаться (магнитная текстура).