§ 6. Свойства ферромагнетиков

1. Основная кривая намагничивания. Это зависимость J(H) при условии, что в начальном состоянии (при ) намагниченность отсутствовала: .

Зависимость J(H) нелинейная. Уже при сравнительно небольших Н намагниченность достигает насыщения J_нас.

М агнитная индукция в ферромагнетике . Когда намагниченность достигает насыщения, линейно растет с ростом H.

Магнитная восприимчивость зависит от Н: . Как видно из графика J(H), это отношение равно . Сначала оно растет с ростом Н, достигает максимума и затем уменьшается, стремясь к нулю при . Магнитная проницаемость ведет себя подобным же образом, и при . Вблизи максимума значения и достигают 10³ – 10⁵ (есть сплавы с ).

Обратите внимание: понятия «магнитная восприимчивость» и «магнитная проницаемость» применяют только для основной кривой намагничивания.

2 . Магнитный гистерезис. Зависимости J(H) и В(Н) определяются предшествующей историей намагничивания образца.

Предположим, что изначально не намагниченный образец пометили в постепенно возрастающее внешнее поле и по основной кривой намагниченности (мелкий красный пунктир) дошли до участка насыщения 1. Если теперь постепенно ослаблять напряженность Н, создаваемую внешними токами проводимости, намагниченность J и поле В в образце не будут уменьшаться по той же основной кривой, а будут меняться так, как это показано черной кривой. Когда напряженность станет , магнитная индукция в образце останется равной - это так называемая «остаточная намагниченность» (r от англ «rest»). Такой образец может служить постоянным магнитом.

Чтобы полностью убрать остаточную намагниченность, надо приложить напряженность Н_с противоположного направления – так называемую «коэрцитивную силу». При дальнейшем изменении напряженности кривая В(Н) образует замкнутую «петлю гистерезиса» («гистерезис» - греч. «отставание»).

Если размагничивание начать не с участка насыщения, а раньше (точка 1а), то получится петля меньшего размера (зеленая).

Чтобы полностью размагнитить образец и привести его к состоянию при , его помещают в поле переменной напряженности и постепенно уменьшают амплитуду изменения Н до нуля.

ф ерромагнетики с большими значениями коэрцитивной силы Н_с называют магнитотвердыми (рис. а), с малыми – магнитомягкими (рис. б). Площадь внутри петли равна работе по перемагничиванию образца. Если образец находится в переменном поле (как, например, сердечник трансформатора), то он всё время перемагничивается и из-за этого нагревается. Чтобы сердечник меньше грелся, его делают из магнитомягкого материала (потом мы узнаем и о других способах предотвращения нагревания).

3. Физическая природа ферромагнетизма.

Э то явление смогла объяснить только квантовая физика.

Между спиновыми магнитными моментами электронов в атомах существует так называемое «обменное взаимодействие» - чисто квантовый эффект, вследствие которого магнитные моменты атомов устанавливаются параллельно друг другу в некоторой макроскопической области кристалла. Такие области спонтанного намагничивания называют доменами. Их размеры порядка 10 мкм. В отсутствие внешнего поля намагниченности разных доменов направлены по-разному и в сумме дают .

При постепенном увеличении внешнего поля Н происходит следующее:

- Сначала смещаются границы доменов: те, у которых намагниченность направлена по полю или образует с вектором малые углы, растут за счет доменов, у которых направлена против поля или образует с большие углы (рис. 2).

- Когда все невыгодные домены «съедены» (рис. 3), «победивших» доменов или медленно поворачивается с ростом Н (если угол между и мал), или меняет своё направление скачком (если угол между и велик), устанавливаясь в конце концов строго вдоль линий . Это соответствует насыщению (рис. 4).

Рис. 1. Рис. 2. Рис. 3. Рис. 4.

После выключения внешнего поля намагниченность немного уменьшается, но сохраняется очень долгое время. Доменный порядок можно разрушить нагреванием, или ударив по образцу молотком.

Демонстрация: «шумы перемагничивания». Намагниченный образец вращается между полюсами постоянного магнита. При перемагничивании образца сдвигаются границы доменов, что сопровождается шумом – его можно услышать с помощью усилителя.