5.2 Феромагнетики. Процеси намагнічування феромагнетиків
У монокристалах феромагнітних речовин існують напрямки легкого й важкого намагнічування. Число таких напрямків визначається симетрією кристалічних граток. У відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти доменів мимоволі орієнтуються уздовж однієї з осей легкого намагнічування.
Легке {100} Середнє{110}
Важке
{111}
Рисунок 5.2 - Напрямки легкого, середнього й важкого намагнічування в монокристалі заліза
Елементарний осередок заліза являє собою об’ємоцентрований куб. Напрямок легкого намагнічування збігається з ребром куба. Отже у монокристалі заліза можна виділити шість еквівалентних напрямків легкого намагнічування. Для намагнічування монокристалічного зразка до насичення уздовж однієї з осей легкого намагнічування треба затратити значно меншу енергію, ніж для такого ж намагнічування уздовж осі важкого намагнічування.
Залежність магнітної індукції макрооб’єму феромагнетика від напруженості зовнішнього магнітного поля називають кривою намагнічування (рисунок 5.3). Зростання індукції під дією зовнішнього поля обумовлено двома основними процесами: зсувом доменних границь і поворотом магнітних моментів доменів.
Початковій ділянці кривої (область 1) відповідає оборотне (пружне) зміщення границь доменів. При цьому відбувається збільшення об’єму тих доменів, магнітні моменти яких утворюють найменший кут з напрямком зовнішнього поля і зменшення розмірів доменів з несприятливою орієнтацією вектора спонтанної намагніченості. Після зняття слабкого поля границі доменні повертаються в початкове положення.
В
1
2 3 4
Н
Рисунок 5.3 - Крива намагнічування феромагнетика.
В області більш сильних полів (область 2) зсув доменних границь має необоротний, стрибкоподібний характер. На ділянці необоротного зсуву доменних границь крива намагнічування має найбільшу крутість.
В процесі подальшого збільшення напруженості магнітного поля зростає роль другого механізму намагнічування - механізму обертання, при якому магнітні моменти доменів з напрямку легкого намагнічування поступово повертаються в напрямку поля (область 3).
Коли
всі магнітні моменти доменів орієнтуються
уздовж поля, наступає технічне насичення
намагніченості (область 4). Незначне
зростання індукції на ділянці насичення
обумовлено складовою частиною
(формула 5.2) і збільшенням намагніченості
самого домена. Це явище одержало назву
парапроцесу або істинного намагнічування.
Строго паралельне розташування спінових
моментів у домені можливе тільки при
температурах, близьких до абсолютного
нуля. В процесі підвищення температури
за рахунок теплової енергії впорядкованість
у розташуванні спінів порушується.
Зовнішнє поле повертає спіни до
паралельної орієнтації. Цим досягається
ефект збільшення намагніченості.
На відміну від істинного намагнічування, зростання індукції за рахунок зсуву доменних границь і обертання магнітних моментів називають технічним намагнічуванням.
Із кривої намагнічування можна визначити статичну (відносну) магнітну проникність. Вона пропорційна тангенсу кута нахилу січної, проведеної з початку координат через відповідну точку на основній кривій намагнічування.
.
(5.5)
Граничне
значення магнітної проникності при
напруженості магнітного поля, що прагне
до нуля, називають початковою магнітною
проникністю
.
Експериментально її визначають у слабких
магнітних полях з напруженістю порядку
0,1 А/м.
Крутість окремих ділянок кривої намагнічування і гілок петлі гістерезису характеризують диференціальною магнітною проникністю
.
(5.6)
У тому самому зразку максимальне значення диференціальної проникності завжди перевищує максимальне значення статичної магнітної проникності.
Якщо феромагнетик намагнітити до насичення Bs, а потім відключити зовнішнє поле, то індукція в нуль не обернеться, а прийме деяке значення Br , яке називається залишковою індукцією. Щоб усунути залишкову індукцію, необхідно прикласти магнітне поле протилежного напрямку. Напруженість розмагнічуваного поля, при якій індукція в зразку, попередньо намагніченому до насичення, обертається в нуль, називається коерцитивною силою. Зміна магнітного стану феромагнетика при його циклічному перемагнічуванні характеризується явищем гістерезису, тобто відставанням індукції від напруженості поля. Для різних амплітудних значень напруженості зовнішнього поля можна одержати сімейство петель гістерезису. Петлю гістерезису, отриману при індукції насичення, називають граничною. При подальшому зростанні поля площа петлі гістерезису залишається незмінною.
Залишкова індукція і коерцитивна сила є параметрами граничної петлі гістерезису. Сукупність вершин петель гістерезису утворює основну криву намагнічування феромагнетика.
Для більш повного та детального розуміння цього питання прочитайте матеріали 1 (стр.87-92), 2 (стр.270-275), література.