19.5. Сильномагнитные вещества

19.5.1. Ферромагнетики

Сильномагнитными являются ферро- антиферро- и ферримагнетики.

Ферромагнетики в отличие от диа- и парамагнетиков обладают остаточным магнетизмом, т.е. намагниченность при напряженности магнитного поля .

К ферромагнетикам относятся Fe, Ni, Co, ряд редкоземельных элементов; сплавы и соединения этих элементов. По своим свойствам они подобны сегнетоэлектрикам, рассмотренным в §  15.5.

Магнитная восприимчивость  для ферромагнетиков достигает значений ~10³-10⁶, т.е. в огромное число раз превосходит значение для диа- и парамагнетиков.

Рис. 19.5

Рис. 19.4

Магнитная восприимчивость  (а следовательно, и магнитная проницаемость =1+) у диа- и пара- магнетиков не зависит от напряженности поля H (рис. 19.4, а), в то время как для ферромагнетиков  (а следовательно, и ) является функцией от H (рис. 19.4, б — кривая Столетова).

У диа- и пара- магнетиков намагниченность J линейно зависит от H в не очень сильных полях (рис. 19.5, а). Только в очень сильных полях наступает нелинейность для парамагнетиков. У ферромагнетиков зависимость J(H) нелинейна, начиная с очень слабых магнитных полей (рис. 19.5, б).

Рис. 19.6

Как и сегнетоэлектриков (где происходит отставание поляризованности P от изменения напряженности поля E, т.е. возникает явление гистерезиса), у ферромагнетиков наблюдается подобное явление отставания J от H, которое также называется гистерезисом (рис. 19.6). На этом рисунке J₀ — остаточный магнетизм, H_c — коэрцитивная сила.

При более детальном исследовании зависимости J от H Баркгаузен обнаружил скачкообразный рост намагниченности J с ростом напряженности магнитного поля H (эффект Баркгаузена — рис. 19.7).

Рис. 19.7

Существует некоторая температурная точка, называемая точкой Кюри, выше которой ферромагнетик утрачивает свои необычные свойства и становится обычным парамагнетиком. Для железа она равна 768 ⁰C.

Для ферромагнетиков характерно явление магнитострикции, т.е. изменение формы и размеров тела при его намагничивании.

Природа ферромагнетизма была объяснена Я.И. Френкелем и В. Гейзенбергом в 1928 г. на основе введенных ранее Вейсом представлениях о доменной структуре ферромагнетиков. Домен представляет собой область (размером ~10 мкм), где магнитные моменты электронов (спины) самопроизвольно ориентируются параллельно друг другу. При наложении магнитного поля домен поворачивается как целое так, что его магнитный момент становится параллельным вектору . Поворот каждого домена сопровождается заметным ростом намагниченности, что и объясняет эффект Баркгаузена. Когда все домены сориентируются вдоль поля, наступает насыщение.

Если ферромагнетик намагнитить до насыщения, а затем уменьшать напряженность поля H, значение намагниченности остается завышенным по сравнению с прямым ходом, так как сохраняется преимущественная ориентация доменов в направлении поля. Такое запаздывание в переориентации доменов объясняет петлю гистерезиса.

При температуре выше точки Кюри домены разрушаются и ферромагнетик превращается в парамагнетик. При охлаждении ферромагнетика ниже точки Кюри доменная структура восстанавливается.