11.3. Намагничивание
Процесс намагничивания ферромагнетика с увеличением внешнего магнитного поля происходит в несколько этапов. Вначале за счет смещения стенок Блоха увеличивается в размерах домен, у которого вектор намагниченности составляет наименьший угол с напряженностью магнитного поля ( рис. 11.7, б). Смещение границ происходит до полного заполнения кристалла одним доменом.
С дальнейшим ростом Н происходит поворот вектора намагниченности в направлении к магнитному полю (рис. 11.7, в) до их совпадения.
Наконец, сильное магнитное поле может вызвать параллельную ориентацию тех спинов, которые в доменах из-за теплового движения могли иметь антипараллельную ориентацию, и наступит насыщение намагниченности образца ферромагнетика. Типичная кривая намагничивания ферромагнетика, т. е. зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н приведена на рис. 11.8. Максимальная величина индукции Bs называется индукцией насыщения.
ОА ‒ область смещения стенок домена; АВ ‒ область вращения вектора намагниченности; ВС ‒ область парапроцесса ‒ остаточной переориентации спинов.
Рис. 11.8. Зависимость магнитной индукции ферромагнетика от напряженности магнитного поля.
Если после достижения насыщения убрать магнитное поле, то индукция не обратится в нуль, а будет иметь некоторое значение Вr называемое остаточной индукцией. Для уничтожения остаточной индукции необходимо создать магнитное поле противоположного направления. Величина напряженности магнитного поля |Hс|, при которой индукция в ферромагнетике обращается в нуль, называется коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля возникает перемагничивание ферромагнетика вплоть до насыщения, когда индукция достигает величины ‒Bs. Следовательно, при циклическом перемаг-ничивании ферромагнетика наблюдается явление гистерезиса, т.е. отставание индукции от напряженности магнитного поля [40, 41].
Проводя циклическое перемагничивание при разных амплитудах магнитного поля, можно получить различные петли гистерезиса (рис. 11.9).
Рис. 11.9. Петли гистерезиса при различных значениях амплитуды магнитного поля.
Максимальная петля, полученная при напряженности магнитного поля, соответствующей индукции насыщения Bs, называется предельной. Магнитный гистерезис связан с необратимыми процессами намагничивания.
При нагревании обменное взаимодействие ослабляется и при некоторой температуре, называемой ферромагнитной точкой Кюри θс, происходит распад доменной структуры, и магнитная проницаемость μ становится равной примерно единице, т. е. ферромагнетик превращается в парамагнетик.
По ферромагнитной точке Кюри можно оценить энергию обменного взаимодействия:
При намагничивании ферромагнетиков происходят потери энергии, приводящие к нагреву тела. Эти потери в основном состоят из потерь на гистерезис и на вихревые токи. Потери на гистерезис, обусловленные необратимыми процессами перемагничивания, за один цикл перемагни-чивания, отнесенные к единице объема, при медленном изменении магнитного поля (статическая петля гистерезиса) равняются площади петли гистерезиса
.
(11.13)
Потери на образование вихревых токов,
возникающих в проводящей среде за счет
ЭДС самоиндукции, пропорциональны
скорости изменения магнитного потока,
т.е. потери на вихревые токи
изменяются пропорционально частоте.
Потери же на гистерезис
остаются не зависящими от частоты v
в широком диапазоне частот. Общие потери
.
(11.14)
При отключении внешнего магнитного поля уменьшение намагниченности ферромагнетиков происходит с некоторым запаздыванием, величина которого изменяется от долей миллисекунд до минут и резко зависит от температуры. С увеличением температуры время установления стабильного магнитного состояния существенно уменьшается.
Существование доменов можно наблюдать с помощью обычного микроскопа, используя метод, предложенный в 1930г. Н.Акуловым и Ф. Биттером. Суть этого метода состоит в том, что на полированную поверхность ферромагнетиков наносится тонкий слой суспензии, содержащей мелкие ферромагнитные частицы. Частицы собираются в местах максимальной неоднородности локального магнитного поля, т е. в области стенок Блоха, образуя полосы, наблюдаемые под микроскопом.
Кстати, косвенным доказательством существования доменов является эффект Г. Баркгаузена (1919 г.), состоящий в том, что при намагничивании ферромагнетика изменение величины индукции образца происходит не плавно, а скачкообразно. Эти скачки свидетельствуют о резком повороте намагниченности отдельных доменов.
При нагревании ферромагнитных тел их магнитные свойства существенно изменяются, в частности, уменьшаются магнитная восприимчивость и величина намагниченности.