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 такжеNiи 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).

а)

Рис.6.13.

При перемагничивании ферромагнетики характеризуются петлей гистерезиса (рис.6.13,в). Намагничивание до насыщения характеризуется кривой 0 – 1. При уменьшении напряженностивнешнего поля кривая размагничивания не совпадает с кривой 1 – 0, а дает отрезок 1-ВrТ.е. при снятии внешнего поля (Н=0) ферромагнетик сохраняетостаточную индукцию 0 –Br. Чтобы размагнитить его полностью, нужно приложить магнитное поле противоположного направления Нс. Величина Нс называетсякоэрцитивной 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 векторавнешнего намагничивающего поля. Замкнутая кривая на рис.6.13,в называетсяпетлей гистерезиса.(Гистерезис означает запаздываниеот).

Величины остаточной индукции Br, коэрцитивной силы Нс, магнитной проницаемости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 водном направлении. Эти областисамопроизвольного (спонтанного) намагничивание до насыщения называютсядоменами. Размеры доменов невелики 1 – 10 мкм, но, содержат много атомов. Один из таких доменов, в котором стрелками показаны магнитные моментыотдельных 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 Brи 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.