2. Объяснение ферромагнетизма

Прямые опыты, проведенные немецкими физиками Штерном и Герлахом, показали, что магнитные моменты атомов ферромагнетиков имеют тот же порядок, что и магнитные моменты атомов парамагнетиков. Следовательно, ферромагнетизм нельзя объяснить наличием магнитного момента у атома в целом.

Дальнейшие исследования привели к выводу о том, что ферромагнетизм обусловлен взаимной ориентацией спиновых магнитных моментов электроноватомов. Спиновые моментыатомов стремятся выстроиться параллельно друг другу под воздействием так называемых обменных сил и при отсутствии внешнего магнитного поля. Обменные силы – это понятие сугубо квантовое, не имеющее аналогов в классической физике. В результате обменных взаимодействий при относительно невысоких температурах в ферромагнетике образуются макроскопические области спонтанного намагничивания с размерами 110 мкм, называемые доменами. Намагниченность (магнитный момент единицы объема вещества) [1 – 5] в них достигает насыщения , так как все спиновые моментыатомов выстраиваются параллельно друг другу (рис. 5).

В отсутствие внешнего магнитного поля образец ферромагнетика может быть и ненамагниченым . При этом ориентация векторов намагниченности доменовтакова, что результирующее магнитное поле доменов равно нулю (рис. 6).

Образец ферромагнетика разбивается на несколько доменов с такой ориентацией векторов намагниченностив них потому, что в этом случае энергия магнитного поля системы доменов минимальна, а это, согласно законам термодинамики, обеспечивает системе устойчивое равновесие (рис. 7, в).

На рис. 7 видно, что в случае (а) энергия внешнего магнитного поля образца ферромагнетика максимальна, а в случае (в) магнитного поля во внешнем пространстве нет, т.к. здесь имеются верхний и нижний “замыкающие” домены в форме трехгранных призм. Состояние в случае (в) энергетически более выгодно, чем состояния в случаях (а) и (б), поэтому ферромагнетик, находящийся в состоянии (а), будет стремиться перейти в состояние (в). Опыты подтверждают такой тип разбиения ферромагнетика на домены (рис. 8).

3. Процессы намагничивания ферромагнетика

Намагниченность J диа- и парамагнетиков изменяется с напряженностью магнитного поля H [1 - 5] линейно в соответствии с выражением

(5)

где –магнитная восприимчивость вещества, являющаяся безразмерной величиной, характерной для данного магнетика. У диамагнетиков и не зависит оту парамагнетикови не зависит оту ферромагнетикови является функцией

Намагниченность J ферромагнетиков зависит от H сложным образом . Объяснение этой сложной нелинейной зависимостиJ от H является одной из задач теории ферромагнетизма. График типичной зависимости J от H ферромагнетика, называемый основной кривой намагничивания, изображен на рис. 9. Кривая условно разбита на области 1, 2, 3, 4, в каждой из которых реализуется один из основных процессов намагничивания ферромагнетика.

Кроме того, для наглядности параллельно рассматривается образец ферромагнетика, условно состоящий из 4 доменов. Поведение доменов образца в указанных областях намагничивания также схематически показано на рис. 9.

В отсутствие внешнего магнитного поля маленький образец ферромагнетика с объемомразбивается на 4 домена равного объема таким образом, чтобы его магнитный моментбыл равен нулю (рис. 9,а). При этом каждый домен намагничен до насыщения и обладает магнитным моментом , равным четверти полного момента всего образцав состоянии насыщения (рис. 9,е).

Рассмотрим область 1 очень слабого внешнего поля, для которой направление и относительная величина вектора напряженности показаны на рис. 9,б. Во внешнем магнитном поле с напряженностьюэнергии доменов становятся неодинаковыми – энергия оказывается меньше у тех доменов, у которых вектор магнитного момента образует с направлением поляострый угол, и оказывается больше в том случае, если этот угол тупой. Вследствие этого во внешнем магнитном полеэнергия доменов, расположенных в образце слева, меньше, чем энергия доменов, расположенных справа, т.е. домены слева являются энергетически более выгодными. Поэтому при увеличении напряженностипроисходит рост энергетически выгодных доменов за счет энергетически невыгодных. Следует отметить, что в области очень слабого магнитного поля смещения границ доменовобратимы и точно следуют за изменениями поля.

Теперь рассмотрим область 2 среднего по модулюмагнитного поля. С ростом поля энергетически выгодные домены продолжают расти. При этом границы некоторых доменов “натыкаются” на дефекты кристаллической решетки и останавливаются до тех пор, пока поле не достигнет определенной напряженности(рис. 9,в). После этого границы доменов “срываются” и участок длиннойпроходят очень быстро (рис. 9,г). Так же быстро, скачком, увеличивается намагниченностьJ ферромагнетика (увеличенный участок кривой J(H) на рис. 9). Эти скачки названы именем немецкого физика Баркгаузена, открывшего их в 1919 г. Они являются еще одним доказательством существования доменов. Магнитное поле в окрестностях таких доменов быстро изменяется. В результате возникает магнитострикция, то есть деформация ферромагнетика (доменов) под действием изменяющегося магнитного поля, и, вследствие электромагнитной индукции, возникают вихревые токи. При этом происходит потеря энергии из-за образования звуковых волн и нагревания образца вихревыми токами. Поэтому процесс намагничивания ферромагнетика в области 2 необратим.

Далее рассмотрим область 3 сильного поля. При достаточно большой напряженности внешнего поля энергетически невыгодные домены исчезают совсем. При дальнейшем ростевозникает новый тип процесса намагничивания, при котором происходит поворот магнитных моментов внутри доменов (рис. 9,д). В конце концов в очень сильном поле магнитные моменты всех доменов устанавливаются параллельно внешнему полю. В этом состоянии ферромагнетик имеет наибольший возможный при данной температуре магнитный момент, т.е. он намагничен до насыщения(рис. 9,е). Такое насыщение называетсятехническим насыщением.

При дальнейшем увеличении напряженности H магнитного поля, намагниченность J ферромагнетика будет слабо и практически линейно расти с полем за счет ориентации магнитных моментов атомов, дезориентированных тепловым движением (рис. 9, область 4). Этот процесс называют парапроцессом по аналогии с линейной зависимостью намагниченности J парамагнетика от напряженности H. Парапроцесс увеличивает намагниченность ферромагнетика очень мало и практического применения в технике не имеет, поэтому в области 4 считают, что практически .

Магнитная индукция поля в ферромагнетике в соответствии с формулой

(6)

где магнитная постоянная,

после достижения технического насыщения при дальнейшем увеличении напряженностимагнитного поля продолжает возрастать вместе сН по линейному закону

где (рис. 11,а) [1].

Смещение границ доменов и поворот их магнитных моментов отстают от изменения напряженности H внешнего поля, что приводит к явлению гистерезиса в ферромагнетиках. Оно заключается в том, что значение J определяется не только значением H в данный момент времени, но зависит от истории намагничивания. Поэтому одному значению H могут соответствовать несколько значений J (рис. 10).

Рассмотрим явление гистерезиса подробнее. Если намагнитить образец ферромагнетика до технического насыщения(точка 1, рис. 10), а затем уменьшать напряженностьH магнитного поля, то намагниченность J будет уменьшаться не по основной кривой 0 – 1, а по кривой 1 – 2. В результате в точке 2 напряженность H=0, а намагниченность характеризуется величиной , которая называетсяостаточной намагниченностью .

Намагниченность J обращается в нуль лишь под действием поля

противоположного направления с напряженностью , называемойкоэрцитивной силой (точка 3, рис. 10).

Существование остаточной намагниченности у ферромагнетиков делает возможным изготовление постоянных магнитов. Очевидно, что постоянный магнит будет тем лучше сохранять свои свойства, чем больше будет коэрцитивная силаферромагнетика, из которого он изготовлен. Ферромагнетики с большой коэрцитивной силойи, следовательно, с широкой петлей гистерезиса называютмагнитожесткими, так как они трудно перемагничиваются. Именно из них делают постоянные магниты.

Ферромагнетики с малой коэрцитивной силой и, следовательно, с узкой петлей гистерезиса называютмагнитомягкими, так как они легко перемагничиваются. Из них делают сердечники трансформаторов и электрических машин переменного тока.

При дальнейшем увеличении (после точки 3) напряженности H поля противоположного направления вновь достигается состояние насыщения (точка 4, рис. 10). Но в этой точке вектор направлен противоположно векторув точке 1. Уменьшая после этого напряженность поля доH=0 (точка 5, рис. 10) и меняя его направление на противоположное, приходим через точку 6 в исходное состояние насыщения (точка 1). Получается так называемаямаксимальная петля гистерезиса ферромагнетика (рис. 10).

Если при максимальном значении напряженности H намагничивающего поля насыщение не достигается, то получается петля, называемая частным циклом. Частных циклов может быть бесконечное множество, и они располагаются внутри максимальной петли гистерезиса.

Проявлением гистерезиса является то, что, например, при напряженности (рис. 10) намагниченностьJ может иметь любое значение в пределах от до.

В связи с такой неоднозначностью зависимости J от H понятие магнитной проницаемости  применяется лишь к основной кривой намагничивания или(рис. 11, а).

Установим простую связь между магнитной индукцией и напряженностью поляH. Для этого формулу (5) подставим в выражение (6):

. (7)

Безразмерная величина

(8)

является относительной магнитной проницаемостью или просто магнитной проницаемостью. Тогда выражение (7) можно переписать в виде искомого простого соотношения

. (9)

Так как у ферромагнетиков магнитная восприимчивость является функцией напряженности магнитного полято на основании (8) магнитная проницаемость является функцией напряженности H поля (рис. 11, б). На рис. 11 видно, что значение достигается несколько раньше, чем насыщение ферромагнетика. При дальнейшем неограниченном увеличении напряженностиH магнитная проницаемость  асимптотически приближается к единице. Этот вывод следует из выражения

, (10)

где J не может превысить .

Величины (или),иявляются основными характеристиками ферромагнетика, обычно помещаемыми в справочные таблицы.

При намагничивании ферромагнетики деформируются. Это явление называется магнитострикцией. Оно было открыто английским физиком Джоулем в 1842 г. Возникающие при магнитострикции деформации весьма малы: относительное изменение линейных размеров образца в полях с напряженностьюH порядка 10⁵А/м составляет величину 10^-510^-6. Знак эффекта зависит от природы ферромагнетика и от напряженности H намагничивающего поля.

Механические колебания, возникающие в ферромагнетиках при их намагничивании в переменных магнитных полях, используются в мощных магнитострикционных излучателях ультразвуковых волн.

У ферромагнетиков наблюдается также и обратное явление – изменение намагниченности при их деформации, называется магнитоупругим эффектом. Оно используется в приборах, служащих для измерения давлений и деформаций.

У каждого ферромагнетика имеется определенная температура , называемаятемпературой или точкой Кюри, при которой домены распадаются и ферромагнетик становится обычным парамагнетиком. Например, точка Кюри для железа равна 770С, для никеля 365 С, для кобальта 1150 С.