3 Общие сведения о ферромагнетизме
К ферромагнетикам относятся Fe, Co, Ni, гадолиний, их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы Mn, Ag, Al и некоторых других элементов. При низких температурах ферромагнитны отдельные редкоземельные элементы – лантаноиды (эрбий и диспрозий).
Ферромагнетизм возникает благодаря особому взаимодействию электронов незаполненных электронных слоев между соседними атомами. Такое взаимодействие называется обменным.
Все ферромагнетики характеризуются:
Кристаллическим строением (кроме аморфных).
Большими положительными значениями магнитной проницаемости, ее нелинейной зависимостью от напряженности магнитного поля и температуры.
Способностью намагничиваться при обычных температурах до насыщения уже в слабых магнитных полях.
Гистерезисом, т. е. зависимостью магнитных свойств от предшествующего магнитного состояния (магнитной истории).
Точкой Кюри – температурой, выше которой исчезают ферромагнитные свойства.
Таким образом, ферромагнетизм присущ лишь тем элементам, у атомов которых имеются незаполненные внутренние электронные слои, а отношение диаметра атома в кристаллической решетке к диаметру незаполненного электронного слоя больше трех (энергия обменного взаимодействия положительна).
Рис.1. Область ферромагнетизма.
Магнетизм на молекулярном уровне в основном обусловлен спиновыми моментами электронов.
4 Магнитные свойства вещества характеризуются:
1.Вектором намагниченности М, равным плотности магнитного момента в данном объеме:
(1)
2.Вектором магнитной индукции:
.
(2)
где
=
Гн/м
- магнитная постоянная;
[A/м]
– вектор напряжённости магнитного
поля;
3.Абсолютной магнитной проницаемостью:
(3)
где
-
относительная магнитная проницаемость
( безразмерная величина).
4.Магнитной восприимчивостью
(4)
Из выражений (3) и (2) можно получить:
(5)
5 Кривая намагничивания
Зависимость намагниченности (или магнитной индукции) полностью размагниченного образца от напряженности поля, монотонно и медленно изменяющегося от 0 до некоторой величины, называется кривой первоначального намагничивания (нулевая кривая).
В общем случае кривую первоначального намагничивания можно разделить на пять частей.
Рис.2.
Кривая первоначального намагничивания:
I – область начального (обратимого) намагничивания;
II – область Релея;
III – область наибольших магнитных проницаемостей;
IV – область приближения к насыщению;
V – область парапроцесса.
Для облегчения понимания процессов, протекающих в каждой из указанных областей, рассм-им намагничивание монокристалла железа. Монокристалл – одиночный кристалл, частицы кот распределены единообразно по всему объему. Известно, что намагничивание монокристалла Fe по различным направлениям протекает по-разному, т. е. в ферромагнитных кристаллах существует магнитная анизотропия.
Железо кристаллизуется в виде кубической объемноцентр-ой решетки.
На рисунке представлены кривые намагничивания монокристалла железа вдоль различных кристаллографических направлений:
1 – вдоль ребра;
2 – вдоль диагонали грани;
3 – вдоль пространственной диагонали.
Из рис видно, что работа намагнич-я вдоль ребра куба для Fe (заштрихованная обл-ть) наим-ая , а вдоль простр-ой диагонали – наиб.
Поэтому направление[100]в Fe наз-ют направл-ем легкого, а направ-е, совпадающее с пространств-ой диагональю, – трудного намагничивания.
а) Пусть на монокристалл Fe налагается внешнее поле вдоль оси легкого намагнич-ия. Некоторые обл-ти самопроизвольной (спонтанной) намагнич-ти (домены) – оказыв-ся в более выгодном полож-и относ-но поля, чем другие, так как направление намагниченности в них будет совпадать с направлением поля, что соответствует минимуму энергии, и начнут расти за счет областей, намагниченных антипараллельно полю.
Рост доменов будет происходить путем смещения границ между ними в направлении к середине областей, намагниченных антипараллельно полю. Рост доменов будет происходить до тех пор, пока не исчезнут домены, намагниченные менее выгодно. Останется один домен.
б)
Если вектор напряженности внешнего поля Н0 направлен под некоторым углом к оси легкого намагничивания, то после завершения процесса смещения начнется вращение вектора спонтанной намагниченности в кристалле по направлению к вектору поля Hο до совпадения с ним.
в)
При t-ре, = абс-му нулю, все спины в обл-ти спонтанной намагнич=ти будут ориентированы одинаково, || одному из напр-ий легкого намагнич-ия. С увеличением t-ры вел-на спонтанной намагнич-ти будет убывать. Физически это означает, что некоторые спины внутри домена будут переходить в направление, антипараллельное спонтанной намагнич-ти. В точке Кюри число параллельно и антипараллельно направленных спинов становится одинаковым, спонтанная намагниченность исчезает.
Такая переориентация спинов с увеличением t-ры обусловлена дезориентирующим действием теплового движения, которое может гаситься ориентирующим действием сильного приложенного поля.
Последнее явление называется парапроцессом.
Вернемся снова к кривой первоначального намагничивания (рис.2). На участке I, то есть в очень слабых полях намагнич-ть М пропорциональна напряженности поля. Аналогично и магнитная индукция B:
æ
.
Особенностью этой области является обратимость процессов намагничивания при возрастании и убывании H. Это объясняется упругим смещениями границ доменов.
На участке II частично происходит упругое смещение границ доменов, однако осн роль играют процессы изм-я напр-я вектора М в пределах домена. Процессы, протекающие в этой области, уже не явл полностью обратимыми.
Участок III хар-ся быстрым возраст-ем М при изм-и H. Его особенностью явл ступенчатое изм-е намагнич-ти (скачки Баркгаузена). Они обусловлены необратимым смещением границ между доменами.
На участке IV намагнич-ть приближается к насыщению. В этой обл-ти изм-е намагнич-ти происходит из-за уменьш-я угла между векторами М доменов и направлением намагничивающего поля (процессы вращения).
Ничтожно малые приращения намагнич-ти в области V обусловлены парапроцессом, то есть увеличение намагнич-ти происходит вследствие возрастания магн момента под действием сильного приложенного поля.
Поскольку на практике часто невозможно полностью размагнитить образец так, чтобы в нем было действительно хаотическое расположение векторов магнитных моментов доменов (кроме случая нагревания до точки Кюри, когда это допустимо), кривая первоначального намагничивания вследствие ее нестабильности не является технической характеристикой ферромагнитного изделия. То есть, она вследствие нестабильности не может быть исп-на для опр-ия таких параметров, как µ начальное, µ обратимое, µd и т.д.