Ферромагнетики

Особый класс образуют вещества, способные обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. По своему наиболее распространенному представителю - железу - они получили название ферромагнетиков. К их числу, кроме железа, принадлежит никель, кобальт, гадолиний, их сплавы и соединения, а также некоторые сплавы марганца и хрома с неферромагнитными элементами. Ферромагнетизм присущ всем этим веществам только в кристаллическом состоянии.

Ферромагнетики являются сильномагнитными веществами. Магнитная проницаемость большинства ферромагнетиков при обычных температурах измеряется многими сотнями и тысячами единиц, а у некоторых специально приготовленных и обработанных ферромагнетиков она достигает миллиона. Ферромагнетики, помимо способности сильно намагничиваться, обладают рядом свойств, существенно отличающих их от диамагнетиков и парамагнетиков.

Характерной особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость между намагниченностью и напряженностью магнитного поля . На графике , полученном для предварительно размагниченного ферромагнетика (рис. 2.6а), можно выделить 3 области значений :

1 – область самых слабых магнитных полей. В этой области растет пропорционально ;

2 – область слабых магнитных полей, в которой небольшие изменения приводят к резкому увеличению ;

3 – область сильных магнитных полей. В этой области рост прекращается и, начиная с некоторого значения напряженности магнитного поля , численное значение намагниченности остается постоянным и равным ;

Кривая намагниченности , полученная для предварительно размагниченного ферромагнетика, называется основной или нулевой кривой намагниченности.

Зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля для предварительно размагниченного ферромагнетика имеет вид, показанный на рис.2. 6 б. Магнитная индукция сначала быстро увеличивается, но по мере намагничивания ферромагнетика ее нарастание замедляется. Поскольку , то по достижении насыщения продолжает расти с по линейному закону: , где .

Рис. 2.6. Сопоставление кривых , , для ферромагнетика

Вследствие нелинейной зависимости от магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля. На рисунке 2.6 приведены в сопоставлении кривые и . В области 1 имеет практически постоянное значение . В области 2 магнитная проницаемость достигает максимального значения . Максимальное значение для ферромагнетиков очень велико. Например, железо, сталь имеют , железо электролитическое прокаленное – , пермаллой (78,5% Ni, 21,5% Fe) – . Благодаря большим значениям внутри ферромагнетиков и вблизи них создается магнитное поле с очень большими значениями магнитной индукции . Следует отметить, что магнитную проницаемость, определяемую по формуле , называют статической магнитной проницаемостью.

Для анализа хода кривой магнитную проницаемость удобно представить в виде . До точки перегиба С (см. рис. 2.6) отношение увеличивается за счет малого изменения величины по сравнению с ; в точке С достигает значения ; после точки С отношение начинает уменьшаться за счет малого изменения по сравнению с , и магнитная проницаемость уменьшается. При намагниченность , т. е. , и при магнитная проницаемость .

Предельное значение магнитной проницаемости при напряженности , называют начальной магнитной проницаемостью. Эта характеристика имеет важное значение при техническом использовании многих магнитных материалов. определяют экспериментально в слабых магнитных полях с .

Крутизну отдельных участков кривой намагничивания характеризуют дифференциальной магнитной проницаемостью .

В одном и том же образце максимальное значение всегда превышает максимальное значение статической магнитной проницаемости .

Вторая характерная особенность ферромагнетиков состоит в том, что для них зависимость , или не однозначна, а определяется предшествующей историей намагничивания ферромагнитного образца. Это явление называется магнитным гистерезисом.

Если довести намагничивание до насыщения (точка 1 на рис. 2.7) и затем уменьшить напряженность магнитного поля, то магнитная индукция B следует не по первоначальной кривой 0 – 1, а изменяется в соответствии с кривой 1 – 2. В результате, когда напряженность внешнего магнитного поля станет равной нулю (точка 2), намагничивание не исчезает и характеризуется величиной , которая называется остаточной магнитной индукцией. Намагниченность имеет при этом значение , называемое остаточной намагниченностью.

Рис. 2.7. Максимальная петля магнитного гистерезиса

Намагниченность обращается в ноль лишь под действием поля , имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Напряженность называется коэрцитивной силой. Существование остаточной намагниченности делает возможным изготовление постоянных магнитов, т. е. тел, которые без затраты энергии на поддержание макроскопических токов обладают магнитным моментом и создают в окружающем их пространстве магнитное поле.

При действии на ферромагнетик переменного магнитного поля магнитная индукция изменяется в соответствии с кривой 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 1 (рис. 2.7), которая называется петлей гистерезиса. Если максимальные значение таковы, что намагниченность достигает насыщения, получается так называемая максимальная петля гистерезиса (рис. 2.7). Если при амплитудных значениях Н насыщение не достигается, получается петля, называемая частным циклом. Частных циклов существует бесконечное множество, все они лежат внутри максимальной петли гистерезиса.

Таким образом, процесс намагничивания ферромагнетика характеризуется основной кривой намагничивания (рис. 2.7, кривая 0–1), представляющей собой геометрическое место вершин симметричных циклов, получающихся при намагничивании предварительно размагниченного образца.

При перемагничивании ферромагнетика в периодических магнитных полях в образце имеют место потери энергии на магнитный гистерезис и на вихревые токи. Потери энергии в ферромагнетике пропорциональны площади гистерезисного цикла. Мощность потерь на магнитный гистерезис может быть определена по площади статического цикла гистерезиса, снятого при постоянном токе, когда потери на вихревые токи отсутствуют. В связи с неоднозначностью зависимости В от Н понятие магнитной проницаемости применяется лишь к основной кривой намагничивания.

Третья характерная особенность ферромагнетиков состоит в том, что для всякого ферромагнетика существует определенная температура , называемая температурой или точкой Кюри, при переходе через которую вещество ферромагнетика претерпевает фазовый переход второго рода. Вещество является ферромагнетиком только ниже точки Кюри. Выше точки Кюри оно становится парамагнетиком, причем магнитная восприимчивость в окрестности точки Кюри починяется закону Кюри – Вейсса:

, (21)

где – постоянная, зависящая от рода вещества.

Теория ферромагнетизма была построена Я. И. Френкелем и В. Гейзенбергом в 1928 г. на основе квантовой механики. Кратко суть дела заключается в следующем. Если бы к электронам и атомным ядрам ферромагнетика применить обычный закон Кулона, но рассмотреть движение электронов на основе уравнений квантовой механики, то результат оказался бы таким же, какой получился бы в классической механике при наличии, помимо кулоновских сил, некоторых добавочных сил взаимодействия между электронами. Эти добавочные силы, которые надо ввести в классическую механику, чтобы согласовать ее с квантовой механикой, называются обменными силами. Обменные силы являются короткодействующими, т.е. существуют на расстояниях порядка атомных. При определенных условиях в кристалле обменные силы стремятся установить спины электронов соседних атомов параллельно друг другу. В результате возникают области спонтанного (самопроизвольного) намагничивания, которые называются доменами. В пределах каждого домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом. Направления этих моментов для разных доменов различны, так что в отсутствие внешнего поля суммарный момент всего тела равен нулю. Домены имеют размеры порядка 1-10 мкм. Действие магнитного поля на домен на разных стадиях процесса намагничивания оказывается различным. Вначале, при слабых полях наблюдается смещение границ доменов, в результате чего происходит увеличение тех доменов, моменты которых составляют с меньший угол, за счет доменов, у которых угол между векторами и больше. С увеличением напряженности магнитного поля этот процесс идет все дальше и дальше, пока домены с меньшими углами не поглотят целиком домены с большими углами . На следующей стадии имеет место поворот магнитных моментов доменов в направлении поля. При этом моменты электронов в пределах домена поворачиваются одновременно, без нарушения их строгой параллельности друг другу. Эти процессы являются необратимыми, что и служит причиной гистерезиса. При повышении температуры до области спонтанного намагничивания распадаются, и вещество утрачивает ферромагнитные свойства. При охлаждении ферромагнетика ниже точки Кюри в нем снова возникают домены.

В некоторых случаях обменные силы приводят к возникновению так называемых антиферромагнетиков (хром, марганец и др.). Существование антиферромагнетиков было предсказано Л.Д.Ландау в 1933 г. В антиферромагнетиках собственные магнитные моменты электронов в доменах самопроизвольно ориентированы антипараллельно друг другу. Такая ориентация охватывает попарно соседние атомы. В результате антиферромагнетики обладают крайне малой магнитной восприимчивостью и ведут себя как очень слабые парамагнетики.

Величина остаточной магнитной индукции B _r , коэрцитивная сила H _c и максимальная магнитная проницаемость m_max являются основными характеристиками ферромагнетиков. Ферромагнетики с малой (в пределах от нескольких десятых до 100-200 А/м) коэрцитивной силой Н _c (с узкой петлей гистерезиса) называются мягкими, а ферромагнетики с большой (от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч ампер на метр) коэрцитивной силой (с широкой петлей гистерезиса) называются жесткими. В таблицах 1 и 2, даны магнитные характеристики некоторых веществ, применяемых в современной технике. В зависимости от назначения берутся ферромагнетики с той или иной характеристикой. Так для постоянных магнитов употребляются жесткие ферромагнетики, а для сердечников трансформаторов – мягкие.

Дата добавления: 2015-07-02