3. Намагничение магнетиков

Результирующая индукция магнитного поля в магнетиках складывается из индукции В₀ внешнего (намагничивающего) поля и индукции В' магнитного поля, порождаемого магнетиком (его атомами и молекулами):

В = В₀ + В'. (10.7)

Намагничение магнетика количественно характеризуется вектором J — намагниченностью. Эта величина определяется как сумма магнитных·моментов атомов (или молекул) в единице объема вещества⁵:

(10.8)

При вычислении индукции результирующего поля в магнетике мы сталкиваемся с такой же трудностью, что и при вычислении результирующей индукции поля в диэлектрике: величина В' зависит от В₀. Преодолеть это затруднение можно введением такой характеристики магнитного поля, которая определялась бы только источниками внешнего магнитного поля. Эта величина называется напряженностью магнитного поля Н. При этом считается, что намагниченность J в каждой точке магнетика связана с напряженностью магнитного поля⁶:

, (10.9)

где — характерная для данного магнетика постоянная величина, называемаямагнитной восприимчивостью. В соответствии с вышесказанным < 0 для диамагнетиков и > 0 для парамагнетиков. Выражение (10.9) справедливо лишь для однородных и изотропных сред. Индукция магнитного поля в магнетиках

Β = μ₀(Η + J); (10.10)

С учетом (10.9) получаем

Β = μ₀Η + μ₀Η = μ₀(1+)Η = μμ₀Η, (10.11)

где μ — величина, называемая магнитной проницаемостью среды. Для вакуума μ= 1 и тогда

Β₀ = μ₀Η. (10.12)

Для диамагнетиков μ < 1 и для парамагнетиков значения μ соответственно больше единицы. Впрочем, для этих магнетиков выражения (10.11) и (10.12) справедливы лишь для случаев, когда однородный и изотропный магнетик заполняет объем, ограниченный поверхностями, которые образованы линиями напряженности внешнего поля Η₀ = Β₀/μ₀.

4. Ферромагнетики

Существует класс магнетиков, для которых (а значит, иμ) гораздо больше единицы (μ~10⁴) ⁷. Эти вещества называются ферромагнетиками. Для ферромагнетиков характерно также и то обстоятельство, что магнитная проницаемость этих веществ зависит от внешнего магнитного поля, а также от предыстории намагничения данного образца. Даже в отсутствие внешнего магнитного поля они могут обладать намагниченностью (остаточная намагниченность). В этом ферромагнетики аналогичны сегнетоэлектрикам. Подобно последним, кривая намагничения ферромагнетика [зависимость B = f(H)] имеет вид петли, называемой петлей гистерезиса (рис. 10.3). Если ферромагнетик был первоначально размагничен (B = 0, H = 0), то его намагничение происходит по основной кривой ОА. В точке А индукция В_н магнитного поля и напряженность H_н соответствуют состоянию магнитного насыщения. Если начать размагничение ферромагнетика, то оно будет происходить вдоль кривой ACDA'. При H = 0 намагниченность не исчезнет, а будет принимать значение, соответствующее отрезку ОС (остаточная намагниченность ). Для ее уничтожения надо приложить полеН = Н_с (отрезок DO). Величина Н_с называется коэрцитивной силой⁸. Принято считать ферромагнетик жестким, если 100 А/м. Если H_с < 100 А/м, то ферромагнетик считается мягким. В точке А' вновь достигается состояние насыщения намагничения. Если теперь вновь изменить направление напряженности магнитного поля, то намагничение ферромагнетика будет происходить вдоль кривойA'C'D'A. Если при циклическом намагничении ферромагнетика напряженность поля будет достигать значений, соответствующих состоянию насыщения намагничения, то получаемая при этом петля гистерезиса будет иметь максимальные размеры. При использовании более слабых циклически изменяющихся магнитных полей будут получаться петли гистерезиса меньших размеров — частные циклы намагничения⁹.

Природа ферромагнетизма может быть рассмотрена только на основе квантовой механики. В рамках классической теории можно дать лишь качественное объяснение этому явлению. В ферромагнетиках ответственными за их магнитные свойства являются собственные (спиновые) магнитные моменты электронов. Для атомов этих веществ энергетически более выгодной оказывается конфигурация с параллельными спинами электронов. При этом индукция магнитного поля, создаваемого атомами (ионами) с такой ориентацией спинов, оказывается весьма значительной, так что в пределах макроскопических областей (порядка нескольких микрометров) магнитные моменты всех атомов ориентируются вдоль одного общего направления. Такие области, характеризующиеся одинаковой ориентацией магнитных моментов всех атомов, называются доменами¹⁰. В пределах домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом, но направление этого момента различно для различных доменов (рис. 10.4).

Поэтому в отсутствие внешнего поля (и остаточной намагниченности) суммарный магнитный момент ферромагнетика равен нулю. Между доменами существуют границы некоторой толщины, в пределах которых намагниченность изменяет свое направление от ориентации в одном домене к ориентации в другом домене. Увеличение намагниченности при росте напряженности магнитного поля происходит в несколько стадий. При слабых полях (начальный участок основной кривой намагниченияОА на рис. 10.3) происходит смещение границ и поворот граничных стенок, вследствие чего увеличиваются те домены, магнитные моменты которых составляют меньший угол с напряженностью H поля за счет доменов, у которых этот угол больше. Домены 1 и 3 на рис. 10.4a увеличиваются за счет доменов 2 и 4. В результате энергетически выгодной становится конфигурация представленная на рис. 10.4b.

На среднем участке кривой ОА наблюдается полное исчезновение доменов с «невыгодной» ориентацией и, наконец, на верхнем участке этой кривой (вблизи точки А) происходит постепенный поворот магнитных моментов всех доменов в направлении поля до тех пор, пока весь ферромагнетик не превратится в однодоменный кристалл и не будет достигнуто состояние насыщения при намагничении¹¹ (рис. 10.4е.).

У каждого ферромагнетика имеется определенная температура (точка Кюри Т_с), при которой домены распадаются и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Для железа, например, эта температура равна 768 °С. При охлаждении ниже точки Кюри¹² в ферромагнетике вновь возникают домены.