Ферромагнетизм. Ферромагнетики.

Вещества, образующие третью группу и называемые ферромагнетиками, представляют наибольший интерес для науки и техники. Ферромагнетики – твердые кристаллические вещества, обладающие самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, то есть в отсутствие внешнего поля магнитные моменты в пределах достаточно больших областей порядка 10^-6 – 10^-5м ориентированы одинаково. Атомы таких веществ обладают отличным от нуля магнитным моментом. В отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков, ферромагнетики - это сильномагнитные вещества. Их внутреннее магнитное поле может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее. Для ферромагнетиков χ и μ положительны и могут достигать очень больших значений, порядка ~10³. Только ферромагнетики могут быть постоянными магнитами. На рис. 15 представлено распределение силовых линий магнитного поля для диамагнетика – рис. а, парамагнетика – рис. б, и ферромагнетика – рис. в

Рис. 15.

Для ферромагнетиков намагниченность J зависит от H нелинейно (рис. 16). Предположим, что при Н=0 начальный магнитный момент ферромагнетика был равен нулю. Вместе с ростом напряженности поля начинается нелинейное нарастание намагниченности, а затем достигается насыщение и J не изменяется при дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля Н. Данная зависимость называется основной или нулевой кривой намагничивания, так как первоначально намагниченность была нулевой. Такая зависимость впервые была получена русским ученым Столетовым (1872 г.).

Рис. 16.

Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса.

Изобразим основную кривую намагничивания в координатах (В,Н), это будет кривая ( 0-1) на рис.17 петли гистерезиса. Мы получаем картину, несколько отличную от графика на рис. 16. Так как , то при достижении значения J_нас магнитная индукция В продолжает расти, но очень слабо, так как μ₀ очень мала: В = μ₀ Н +const, const = μ₀ J_нас.

Доведем намагниченность тела до насыщения, повышая напряженность внешнего поля (на рисунке кривая 0-1), а затем будем уменьшать Н. При этом зависимость В(Н) следует не по первоначальной кривой 0-1, а по новой кривой 1-2. При уменьшении напряженности Н магнитная индукция В уменьшается. При Н=0 магнитная индукция имеет ненулевое значение В_ост, которое называется остаточной индукцией. Если затем приложить внешнее поле обратного направления, то В обращается в нуль (точка 3). Значение напряженности поля Н_с, при котором индукция поля внутри ферромагнетика равна нулю, называется коэрцитивной силой. Продолжая действовать на ферромагнетик магнитным полем, опять достигнем насыщения (точка 4). Уменьшая внешнее поле с напряженностью Н – получим остаточную индукцию (точка 5). Затем размагнитим образец – точка 6, и, соответственно, получим кривую 1-2-3-4—5-6-1, называемую петлей гистерезиса. В данном случае реакция поля внутри образца (В ) как бы отстает от вызывающих ее причин (Н).

Рис. 17.

Существование остаточной намагниченности делает возможным изготовление постоянных магнитов, потому что ферромагнетики с В_ост ≠ 0 обладают постоянным магнитным моментом и создают в окружающем их пространстве постоянное магнитное поле. Такой магнит тем лучше сохраняет свои свойства, чем больше коэрцитивная сила материала, из которого он изготовлен. Магнитные материалы принято делить по величине Н_с на магнитно-мягкие (т.е. с малой Н_с порядка 10^-2 А/м и, соответственно, с узкой петлей гистерезиса) и магнитно-жесткие (Н_с~10⁵ А/м и широкая петля гистерезиса). Магнитно-мягкие материалы требуются для изготовления трансформаторов, сердечники которых постоянно перемагничиваются переменным током. Если сердечник трансформатора будет обладать большим гистерезисом, он будет нагреваться при перемагничивании, на что будет напрасно расходоваться энергия. К ферромагнетикам с узкой петлей гистерезиса относятся сплавы железа с никелем или железа с никелем и молибденом.

Магнитно-жесткие материалы (к ним относятся углеродистые, вольфрамовые, хромовые и алюминиево-никелевые стали) служат для изготовления постоянных магнитов.

Остаточная постоянная намагниченность будет существовать бесконечно долго, если не подвергать ферромагнетик действию сильных магнитных полей, высоких температур и деформации. Вся информация, записанная на магнитных лентах – от музыкальных до видеопрограмм, – сохраняется благодаря этому физическому явлению.

Существенной особенностью ферромагнетиков являются огромные величины магнитной проницаемости и магнитной восприимчивости. Например, для железа μ_мах ≈ 5000. Для ферромагнетиков величины магнитной восприимчивости и магнитной проницаемости являются функциями напряженности магнитного поля Н (рис.18). С ростом напряженности поля значение μ сначала быстро возрастает до μ_мах, а затем уменьшается, приближаясь к значению μ=1 в очень сильных полях. Поэтому, хотя формула В = μμ₀Н остается справедливой и для ферромагнитных веществ, но линейная зависимость между В и Н нарушается.

Рис. 18.

Для каждого ферромагнетика существует своя температура, при которой он теряет свои ферромагнитные свойства и переходит в парамагнитное состояние. Эта температура получила название температуры Кюри, в честь открывшего ее Кюри. Для железа точка Кюри равняется 770ºС, для кобальта - 1130ºС, для никеля - 358ºС. Этот переход не сопровождается выделением или поглощением тепла и является фазовым переходом II рода.