Ферромагнетизм

Ферромагнитными веществами или ферромагнетиками назы­вают такие вещества, в которых магнитная индукция может в сотни и даже тысячи раз превышать вызвавшую ее внешнюю магнитную индукцию. К ферромагнетикам относятся железо (от­сюда этот класс веществ и получил подобное название), никель, кобальт, некоторые сплавы и химические соединения. Ферромагнентизм обнаруживается в кристаллическом состоянии этих веществ.

У ферромагнетиков магнитная проницаемость не только ве­лика (μ, может быть в пределах от 100 до 20000), но и непостоян­на; она зависит от напряженности намагничивающего поля. С ее увеличением μ сначала быстро возрастает, достигая максимума, а затем уменьшается, приближаясь (при очень сильных полях) к значению μ=1 (рис. 1).

Поэтому, хотя формула (3) остается справедливой и для ферромагнитных веществ, магнитная индукция в этих веществах уже не пропорциональна напряженности намагничивающего по­ля. При сравнительно небольшой напряженности Н_тах индук­ция достигает большого значения В_тах (насыщения), после чего она изменяется уже медленно — пропорционально изменению Я (рис. 2), т.е. примерно так, как в парамагнитном веществе. За­висимость μ и В от H была исследована впервые в 1872 году А.Г. Столетовым.

Если в ферромагнетике, намагниченном, например, до состо­яния насыщения, В_тах начнет уменьшаться, то индукция В тоже будет уменьшаться. Однако ее уменьшение происходит не по ли­нии 1-0, а по линии 1-2 графика намагничивания (рис. 3).

При уменьшении H до нуля ферромагнетик не размагничи­вается полностью: в нем остается остаточная магнитная индук­ция В₀. Лля его полного размагничивания необходимо создать противоположное внешнее поле напряженностью -H_k; эта напря­женность называется коэрцитивной силой (точка 3 на графике).

При дальнейшем увеличении противоположного поля ферро­магнетик начинает перемагничиваться (линия 3-4), а при Н=H_max. намагнитится до насыщения в противоположном напра­влении (В — -В_тах в точке 4). Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (линия 4-5-6) и вновь перемагнитить до на­сыщения В_тах (линия 6-1). Рассмотренное явление отставания изменения магнитной индукции от изменения напряженности на­магничивающего поля называется магнитным гистерезисом, а замкнутая кривая 1-2-3-4-5-1 — петлей гистерезиса.

Площадь, ограниченная петлей гистерезиса, характеризует работу, затрачиваемую внешним полем на однократное перемаг-ничивание ферромагнентика. Эта работа выделяется в виде те­пла. Очевидно, что для уменьшения потерь на перемагничивание ферромагнетика (например, сердечника трансформатора) следу­ет применять ферромагнетики, имеющие малую площадь петли гистерезиса и, следовательно, характеризующиеся малым значе­нием коэрцитивной силы (магнито-мягкие материалы, например, сплав железа с никелем). Для изготовления постоянных магни­тов следует применять магнетики, характеризующиеся большим значением коэрцитивной силы (магнито-жесткие материалы, на­пример, углеродистые стали).

Для каждого ферромагнетика имеется определенная темпе­ратура, называемая точкой Кюри, при которой теряются ферро­магнитные свойства вещества (например, для железа t_k = 780°С, для никеля t_k = 350°С). При охлаждении его ниже точки Кюри ферромагнитные свойства возвращаются.

Теория ферромагнетизма была разработана заведующим ка­федрой теоретической физики Ленинградского Политехническо­го института Яковом Ильичей Френкелем и профессором теоре­тической физики Лейпцигского университета Вернером Гейзен-бергом (1928 г). Согласно этой теории, ответственными за маг­нитные свойства ферромагнетиков являются собственные (спи­новые) магнитные моменты электронов.

В кристаллах могут возникать силы, которые поворачивают магнитные моменты электронов параллельно друг другу. В ре­зультате этого возникают области спонтанного (самопроизволь­ного) намагничивания, называемые доменами. Линейные разме­ры доменов имеют порядок Ю^-2 мм. Ломен объединяет многие миллиарды атомов. В пределах одного домена магнитные момен­ты электронов ориентированы одинаково. Однако в отсутствие внешнего магнитного поля ориентация самих доменов хаотична (рис. 4) и ферромагнетик не намагничен.

С появлением внешнего поля напряженностью Н домены постепенно переориентируются в направлении внешнего поля (рис. 5), а при достижении напряженности Н_тах в ферромагне­тике наступает насыщение, выражающееся в полной ориентации доменов в направлении вектора Н (рис. 6).

Гистерезис тогда можно объяснить тем, что уменьшение внешней напряженности до нуля не способно полностью дезори­ентировать такие крупные образования, как домены. Они еще со­храняют определенную ориентацию и для полного размагничи­вания необходимо приложить коэрцитивную силу, при которой домены возвращаются к полностью хаотической ориентации.

При температуре, соответствующей точке Кюри, тепло­вое движение дезориентирует атомы в самих доменах, доменная структура разрушается и ферромагнетик превращается в пара­магнетик.

Ферромагнитные материалы широко используются в техни­ке. Из них изготавливают магнитные экраны, ленты магнитной звукозаписи, сердечники электромагнитов, трансформаторов и других приборов. Широкое распространение получили искус­ственные полупроводниковые ферромагнетики, называемые фер­ритами или оксиферритами. В них малы потери на вихревые токи, поэтому их используют при изготовлении сердечников для приборов, работающих на переменных токах высокой частоты.

Лекция № 30