on-line
Сейчас на сайте 0 пользователей и 35 гостей.
Вход в систему
Яндекс.Метрика

49.6 Ферромагнетики.

 Открытие, первые исследования и применения магнетизма связаны с достаточно уникальными магнитными свойствами такого распространенного вещества как металлическое железо. Само название этого класса магнитных материалов происходит от латинского имени железа − Ferrum. Главная особенность этих веществ заключается в способности сохранять намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля, все постоянные магниты относятся к классу ферромагнетикам. Кроме железа ферромагнитными свойствами обладают его «соседи» по таблице Менделеева − кобальт и никель. Ферромагнетики находят широкое практическое применение в науке и технике, поэтому разработано значительное число сплавов, обладающих различными ферромагнитными свойствами.
 Обратите внимание − все приведенные примеры ферромагнетиков относятся к металлам переходной группы, электронная оболочка которых содержит несколько не спаренных электронов, что и приводит к тому, что эти атомы обладают значительным собственным магнитным моментом. В кристаллическом состоянии благодаря взаимодействию1 между атомами в кристаллах возникают области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности − домены. Размеры этих доменов составляют десятые и сотые доли миллиметра (10−4 − 10−5 м), что значительно превышает размеры отдельного атома (10−9 м). В пределах одного домена магнитные моменты атомов ориентированы строго параллельно, ориентация магнитных моментов других доменов при отсутствии внешнего магнитного меняется произвольно (рис. 480).


рис. 480

 Таким образом, и в не намагниченном состоянии внутри ферромагнетика существуют сильные магнитные поля, ориентация которых при переходе от одного домена к другому меняется случайным хаотическим образом. Эти внутренние поля обнаружены экспериментально. Отдельные домены можно увидеть с помощью микроскопа, если на полированную поверхность железа нанести незначительное количество мелкого железного порошка, то его частицу располагаются по границам доменов, что и делает их видимыми. Если размеры тела значительно превышают размеры отдельных доменов, то среднее магнитное поле, создаваемое доменами этого тела, практически отсутствует.
 При помещении ферромагнетика во внешнее магнитное поле происходит ориентация магнитных моментов целых доменов (всех атомов одновременно), поэтому даже относительно слабые магнитные поля приводят к практически полной ориентации магнитных моментов всех атомов. Поэтому магнитная проницаемость ферромагнетиков достигает нескольких тысяч и десятков (μ ≈ 103 − 104).
 Как и для парамагнетиков, ориентации магнитных моментов препятствует тепловое движение, поэтому магнитные свойства ферромагнетиков сильно зависят от температуры. Более того, для каждого ферромагнетика существует значение температуры, при котором доменная структура полностью разрушается, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Это значение температуры называется точкой Кюри. Так для чистого железа значение температуры Кюри приблизительно равно 900 °C.
 Процесс намагничивания ферромагнетиков существенно отличается от намагничивания диамагнетиков и парамагнетиков. Качественно опишем его.
 Пусть изначально не намагниченный железный брусок помещается в магнитное поле, индукцию которого будем медленно изменять. На рис. 481 схематически показана зависимость его намагниченности J от индукции внешнего магнитного поля B.

рис. 481

 При включении магнитного поля и увеличении его индукции возрастает и намагниченность образца (кривая 0-1 на рис.). Даже для не намагниченного образца и слабого магнитного зависимость намагниченности от индукции поля является нелинейной. Сначала при возрастании индукции магнитная восприимчивость возрастает, достигает максимального значения, а затем спадает до нуля. Такой вид зависимости объясняется доменной структурой − при слабом внешнем поле переориентируются только домены малых размеров, в сильном поле все магнитные моменты оказываются полностью ориентированными, поэтому дальнейшее увеличение поля не приводит к возрастанию намагниченности: намагниченность достигает предельного значения (намагниченность насыщения Jнас − точка 1 на графике), а восприимчивость стремится к нулю. Если после достижения насыщения начать уменьшать индукцию внешнего поля, то намагниченность также начнет уменьшаться (участок 1-2 на графике). Однако зависимость J(Bo) будет отличаться от этой же зависимости при намагничивании − при размагничивании будет проявляться «эффект запаздывания», магнитные моменты доменов частично сохраняют первоначальную ориентацию, намагниченность оказывается больше (кривая размагничивания 1-2 лежит выше кривой намагничивания 0-1). Даже при полном снятии внешнего поля образец остается частично намагниченным (точка 2), намагниченность образца при выключенном внешнем поле называется остаточной Jост. Именно наличие остаточной намагниченности ферромагнетиков делает возможным существование постоянных магнитов, которые и являются ферромагнитными телами с остаточной намагниченностью, сохраняющейся в отсутствии внешних полей.
Если к рассматриваемому образцу с остаточной намагниченностью приложить внешнее поле, вектор индукции которого направлен противоположно вектору намагниченности (на рисунке, соответствующие значения индукции отрицательны), то намагниченность образца будет уменьшаться (участок 2-3). Значение индукции внешнего поля, при котором образец оказывается полностью размагниченным, называется коэрцитивной силой Bкоэр (точка 3). При дальнейшем увеличении модуля индукции поля процесс повторится − образец достигнет насыщения в противоположном направлении (точка 4), при изменении внешнего поля намагниченность образца будет описываться кривой 4-5-6-1.
Таким образом, для ферромагнетика намагниченность определяется не только намагничивающим полем, но предысторией образца. Это явление называется магнитным гистерезисом2, а рассмотренная зависимость намагниченности от внешнего поля − петлей гистерезиса.
 Вид кривой намагничивания (петли гистерезиса) существенно различается для различных ферромагнитных материалов, которые нашли очень широкое применение в научных и технических приложениях. Некоторые магнитные материалы имеют широкую петлю с высокими значениями остаточной намагниченности и коэрцитивной силы, они называются магнитно-жесткими и используются для изготовления постоянных магнитов. Для других ферромагнитных сплавов характерны малые значения коэрцитивной силы, такие материалы легко намагничиваются и перемагничиваются даже в слабых полях. Такие материалы называются магнитно-мягкими и используются в различных электротехнических приборах − реле, трансформаторах, магнитопроводах и др.
 Помимо того, что магнитные свойства ферромагнетиков зависят от температуры, они также могут заметно изменяться под действием механических нагрузок. Для монокристаллических образцов магнитная восприимчивость зависит от направления магнитного поля (магнитная анизотропия).
 Известны диэлектрики с очень высоким значение диэлектрической проницаемости, обусловленным большим значением дипольного момента молекул – этот класс диэлектриков называется сегнетоэлектриками. Для них также характерно возникновение доменной структуры (областей с одинаково ориентированными электрическими дипольными моментами). Поведение этих веществ в электрическом поле аналогично поведению ферромагнетиков в магнитном поле, для них наблюдаются аналогичные эффекты: нелинейная зависимость поляризации от напряженности внешнего поля, наличие остаточной поляризации, петли гистерезиса. Для сегнетоэлектриков также существует точка Кюри − температура, при которой разрушается доменная структура и сегнетоэлектрик становится обычным полярным диэлектриком.
 Также отметим, что явления гистерезиса (отставания, запаздывания) присущи не электрическим (в сегнетоэлектриках) и магнитным (в ферромагнетиках) явлениям. Подобные явления существуют и в других областях физики, даже в механике. Типичным примером гистерезиса может служить зависимость деформация металлической проволоки от приложенной нагрузки (рис. 482).

рис. 482

 Если к проволоке подвешивать увеличивающиеся грузы, то ее деформация Δl сначала будет возрастать пропорционально приложенной силе, при дальнейшем увеличении нагрузки деформация будет возрастать медленнее (участок 0-1), при уменьшении нагрузки деформация будет уменьшаться по другому закону (участок 1-2) и при полном снятии нагрузки проволока останется частично деформированной (появится «остаточная» деформация − точка 2). В целом эта зависимость весьма напоминает вид петли магнитного гистерезиса.
 Наконец, еще более простой пример гистерезиса: тело брошено вертикально вверх, зависимости модуля его скорости от высоты подъема будут различны при подъеме и при падении (при учете сопротивления воздуха, конечно).
 Во всех приведенных примерах наличие гистерезиса свидетельствует о некоторых необратимых процессах, протекающих в рассматриваемой системе.


1Помимо магнитных взаимодействий значительную роль в формировании магнитной структуры таких кристаллов значительную роль играют особые, так называемые обменные взаимодействия, которые также играют существенную роль в возникновении химической ковалентной связи. Этот вид межатомных взаимодействий не может быть объяснен в рамках классической физики − его описание дается квантовой теорией.
2В переводе с греческого этот термин означает отставание.