Ферромагнетики. Домены и спиновая природа ферромагнетизма. Кривая намагничивания и магнитный гистерезис. Точка Кюри

Ферромагнетики явились исторически первыми изученными представителями сильных магнетиков. К ним относят железо, кобальт, никель, гадолиний. Магнитная проницаемость у этих веществ составляет сотни и тысячи, то есть в них под действием внешнего магнитного поля возни­кает сильное соб­ственное магнитное поле, сонаправленное внешнему магнитному полю и много­кратно усиливаю­щее его. Природа ферромагнетизма долгое время оставалась загадкой и тай­ной для физиков, которая была раскрыта лишь в нашем столетии после соз­дания квантовой механики, вскрывшей специфические законы движения и вза­имодействия микрообъектов во внутриатомных масштабах.

В некоторых веществах (к ним относят так называе­мые переходные металлы) энергетически выгод­ной при не очень высоких температурах оказы­вается параллельная ориентация собст­венных (спи­но­вых) магнитных моментов в пре­делах отдельных макроскопических областей образца, назы­ваемых доменами.

В отсутствие внешнего магнитного поля образец ферромагнетика под действием теплового движения обычно оказывается размагни­ченным, то есть нама­гниченность в разных доменах ориенти­рована случайным образом и по всему образцу оказывается равной нулю. Внутри же каждого домена образец намагничен до насыщения и обладает значи­тельным магнитным моментом. Поэтому, пpи нало­жении внешнего магнитного поля на каждый домен действует большой вращающий момент, стремящийся сориентировать магнитный момент домена в на­правлении внешнего магнитного поля. Внешнее магнитное поле ориен­тирует домены (а не отдельные атомы) по полю, и уже в малых полях результи­рующее магнитное поле В быстро растет с рос­том внешнего магнитного поля (участок 1 - 2) достигая насыщения, когда все домены развернулись по полю. При уменьшении поля до нуля (точка 3) ферро­магнетик остается частично намагни­ченным, т. к. тепло­вое движение не в состоянии быстро развернуть такие круп­ные образования. Свойство ферромагнетика оста­ваться частично намагничен­ным используется для полу­чения постоянных магнитов. Чтобы пол­ностью размаг­нитить ферромагнетик необходимо дополнительное поле обратного направления (точка 4). Дальнейшее увеличение поля приводит к перемагничиванию (участок 4 - 5). Затем фер­ромагнетик можно размагнитить (5 – 6 - 7) и пе­ремагнитить до насыщения (7 - 2). Эта кривая на­зывается петлей гис­терезиса.

Для каждого ферромагнетика имеется оп­ределенная температура, называемая точкой Кюри, при которой области спонтанного намаг­ничения распадаются, и вещество утрачивает ферромагнитные свойства.

Из сказанного ясно, что магнитная проницаемость m для диа- и парамагнетиков при изменении внешнего магнитного поля остается неизменной. У ферромагнетиков магнитная проницаемость сильно зависит от величины внешнего магнитного поля.

С ростом индукции (напряжённости) внешнего магнитного поля намагниченность образца ферромагнетика растёт нелинейным образом и достигает состояния насыще­ния. Кривая, изображающая зависимость J(Н), называемая кривой намагничива­ния, изобра­жена на рис.

На этой кривой выделяют три участка. На первом участке намагниченность растёт не очень быстро. Здесь происходит рост так называемых "выгодно ориентированных" доменов, магнитные моменты которых близки по направле­нию к индукции внешнего магнитного поля, за счёт «невы­годно» ориентиро­ванных доменов. На втором участке кривой намагничивания внешнее магнитное поле становится достаточно сильным для поворотов, пе­реориентации "невыгод­ных доменов" в целом в своем направлении. Здесь имеет место скачкообразная переориентация магнитных моментов целых доменов. С этими скачками в изменении магнитного момента образца (его намагничен­ности), называемыми скачками Баркгаузена, связаны звуковые эффекты в виде треска, щелчков в наушниках, подключенных к образцу ферромагнетика.

На третьем участке достигается насыщение: все домены сориентировали свои магнитные моменты в направлении внешнего магнитного поля.

Схематически намагничение ферромагнетика представлено на рисунке. Зависимость индук­ции результирующего магнит­ного поля в ферро­магнетике от напряженно­сти внешнего поля так же, как и кривая намагничи­ва­ния, носит нелинейный и неоднозначный харак­тер. Если образец ферромаг­нетика первоначально был размагничен, то зависи­мость В (Н) имеет вид, пред­ставленный на рис.

С ростом напряжённости внешнего магнит­ного поля индукция результирующего маг­нитного поля в ферромагнетике нелинейно растёт вплоть до участка насыщения. Если же затем напря­жённость внешнего поля уменьшить до нуля, индукция результирующего магнитного поля не уменьшится до нуля, а сохранит некоторое значение В_ост, называемое остаточной индукцией. Это явле­ние интерпретируется как магнитная вязкость; часть доменов как бы вязнет, застревает в своей предыдущей ориентированности сильным внешним магнитным полем. Теплового же движения оказывается недостаточно для полной разориентации доменов и для размагничивания образца ферро­магнетика. Такой образец представляет собой постоянный магнит. Размагнитить его можно либо меха­нической встряской (ударом), либо тепловой, то есть нагревом до значительной температуры, либо жеприложением внешнего поля, противоположного первоначальному направления. Величина соответствующей напряжённости Н_с (см, рис.) называется коэрцитивной силой.

Если напряжённость внешнего магнитного поля циклически менять в значительных пределах, при которых достигается состояние насыщения (все домены сориентировали свои магнитные моменты в направлении внешнего магнитного поля), то зависимость В(Н) изображается замкнутой петлеобразной кривой, называемой петлей гистерезиса.

Ферромагнитное состояние, то есть самопроизво- льная, спонтанная copиентированность маг­нитных моментов всех атомов в пределах домена, сохра­няется лишь в определённом диапазоне тем­пе­ратур, ограниченном сверху температурой Т_с, назы­вае­мой температурой Кюри. При этой температуре теп­ловое разупорядочивающее движение атомов ста­новится столь интенсивным, что превышает упорядо­чивающее действие квантовомеханических, так назы­вемых обменных сил, и домены распадаются на разу­порядоченные атомы; ферро­магнетик превращается в парамагнетик: Т_{с Fе} = 1040 К,
Т_{с Со} = 730 К.

Дата добавления: 2014-01-06