29. Ферромагнетизм

Ферромагнетиками называются твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, изменения температуры.

Ферромагнетики в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков являются сильномагнитными средами: магнитная индукция поля внутри них может в сотни и тысячи раз превосходить индукцию внешнего поля. Такими свойствами обладают железо, кобальт, никель и материалы, содержащие атомы этих элементов. Исключением является нержавеющая сталь, которая является парамагнитной.

Большой вклад в экспериментальное изучение свойств ферромагнетиков внес русский физик А.Г. Столетов. В 1872 г. он исследовал зависимость намагниченности железа от напряженности магнитного поля. Предложенный им метод заключался в определении магнитного потока в ферромагнитных кольцах при помощи баллистического гальванометра. На рис. 7.14 показана схема установки Столетова. На тороидальный сердечник из исследуемого материала намотано две катушки. Первичная катушка 1 подключается в цепь батареи Б через реостат и амперметр А. Ключ К в этой цепи позволяет изменять направление тока в цепи (полярность подключения батареи). Зная число витков катушки и силу тока в ней, можно, используя закон полного тока (7.11), определить напряженность магнитного поля в сердечнике. Вторичная обмотка 2 подключена к баллистическому гальванометру Г, который дает показания при изменении направления тока в катушке 1 на противоположное. Поскольку при этом потокосцепление первичной катушки изменяет свое значение на противоположное, то во вторичной цепи возникает явление электромагнитной индукции, которая и приводит к протеканию заряда через гальванометр. Используя формулу индукционного заряда (6.4), можно определить потокосцепление вторичной катушки, а, следовательно, индукцию магнитного поля в сердечнике. Изменяя ток в катушке 1 при помощи реостата, можно экспериментально получить зависимость (рис.7.15). Используя соотношение , можно получить и кривую намагничивания (рис. 7.16).

Анализ графиков показывает, что вид кривой намагничивания ферромагнетика существенно отличается от подобных зависимостей для диа- и парамагнетиков. Кроме того, начиная с некоторого значения напряженности магнитного поля , ферромагнетик входит в состояние магнитного насыщения, когда дальнейший рост напряженности поля не приводит к росту намагниченности вещества.

Отличительной особенностью ферромагнетиков является то, что их относительная магнитная проницаемость быстро растет с возрастанием Н, достигает максимума, а затем убывает, стремясь к единице в сильных магнитных полях (рис. 7.17). Последнее объясняется тем, что при очень больших значениях Н в выражении можно пренебречь вторым слагаемым по сравнению с первым. Тогда и .

Дальнейшие теоретические и практические исследования показали, что такие необычные свойства ферромагнетиков объясняются их внутренней структурой. Дело в том, что при отсутствии внешнего магнитного поля внутри ферромагнетиков самопроизвольно возникают области намагничивания, в которых магнитные моменты отдельных атомов разворачиваются в одну сторону. Объясняется это взаимодействием спиновых магнитных моментов соседних атомов и их взаимным влиянием друг на друга. Квантовомеханическое объяснение этого процесса достаточно сложно и не входит в программу нашего курса. Области спонтанного намагничивания внутри ферромагнетика получили название домéнов (этот термин ввел П. Вейс в 1907 г). Их размер может достигать 0,01 мм. На рис.7.18 показаны различные направления ориентации магнитных моментов разных доменов внутри ферромагнетика. Они произвольны и хаотичны, поэтому в исходном состоянии ферромагнетик не обладает намагниченностью. Границы доменных зерен можно наблюдать с помощью обычного микроскопа. Для этого отшлифованный срез ферромагнетика достаточно покрыть слоем жидкости с мелкодисперсным ферритовым порошком (метод порошковых структур). Поскольку на границе доменов магнитное поле резко неоднородно, то частицы порошка переместятся в жидкости так, что расположатся вблизи границ доменов. размагничивания ферромагнетика, называется коэрцитивной силой (от латинского coërcitio – удерживание). Если завершить после этого цикл перемагничивания ферромагнетика, то получается график, показанный на рис. 7.20. Он называется петлей гистерезиса. Можно показать, что площадь петли гистерезиса пропорциональна количеству теплоты, выделяющемуся в единице объема ферромагнетика за один цикл перемагничивания.

Согласованное участие магнитных моментов всех атомов в создании доменов и междоменное взаимодействие позволяют ферромагнетикам усиливать внешние поля в сотни, тысячи и миллионы раз. Необычные свойства ферромагнетиков на этом не заканчиваются. Оказывается, с повышением температуры остаточная намагниченность ферромагнетика уменьшается. Впервые обнаружил это французский физик П. Кюри. При достаточно высокой температуре, называемой точкой Кюри, она исчезает полностью. При более высоких температурах ферромагнетик ведет себя во внешнем поле как обычный парамагнетик (отсюда и название парамагнетиков: от греческого “пара-“, что означает “возле”, “рядом”; т.е. парамагнетизм близок к ферромагнетизму). При температуре точки Кюри в результате сильного теплового движения частиц происходит разрушение доменной структуры ферромагнетика. Для железа эта температура составляет 770 С, для никеля 360 С. Сплав железа с никелем пермаллой, который используется для изготовления трансформаторных сердечников, имеет точку Кюри всего 70 С.

При помещении ферромагнетика в магнитное поле происходит нарушение первичной доменной структуры. Это связано с тем, что различные домены обладают различными энергиями в поле в зависимости от направления ориентации своего момента. Те домены, магнитные моменты которых образуют острые углы с вектором , находятся в энергетически более выгодных положениях, чем те, у которых эти углы тупые (см. 5.35). При увеличении напряженности внешнего поля наблюдается укрупнение энергетически более выгодных доменов за счет соседних. Осуществляется это двумя способами.

При малых значениях Н наблюдается укрупнение доменов, имеющих меньшие значения энергии в поле. “Территории” соседних с ними доменов уменьшаются, т.к. атомы в прилегающих тонких слоях разворачивают свои магнитные моменты. Промежуточный результат этого процесса показан на рис. 7.19. В итоге сумма магнитных моментов единицы объема вещества становится отличной от нуля и намагниченность материала растет. Следует учесть, что рост магнитной индукции поля в веществе на данном этапе процесса намагничивания происходит не слишком сильно, т.к. в процессе участвуют не все атомы вещества (этап 1 на рис. 7.15).

При бóльших значениях Н наряду с описанным процессом происходит другой: отдельные домены начинают целиком поворачиваться, ориентируясь своими магнитными моментами по вектору . Векторы как бы “выстраиваются” вдоль линий индукции внешнего поля (этап 2 на рис. 7.15). Поскольку намагничен-ность материала увеличивается при этом весьма существенно, то рост магнитной индукции и относительной магнитной проницаемости (рис. 7.17) оказывается очень сильным. Когда все домены ферромагнетика “выстроят” свои магнитные моменты в одном направлении, дальнейшее намагничивание материала оказывается невозможным, и он достигает состояния магнитного насыщения, при этом границы между отдельными доменами исчезают. Увеличение магнитной индукции в веществе (этап 3 на рис. 7.15) происходит лишь за счет увеличения напряженности внешнего поля.

Возникающая на определенном этапе необратимость намагничивания материала позволяет ферромагнетикам частично сохранять намагниченность после удаления их из поля. При уменьшении напряженности внешнего поля можно наблюдать процесс запаздывания снижения магнитной индукции в веществе по сравнению с уменьшением Н. Этот процесс в ферромагнетиках получил название гистерезиса (от греческого hystérēsis – отставание, запаздывание). На рис. 7.20 показано, что при уменьшении напряженности внешнего поля до нуля магнитная индукция в предварительно намагниченном ферромагнетике не принимает нулевого значения. Сохраняющееся при этом в веществе магнитное поле характеризуется остаточной магнитной индукцией . Чтобы полностью размагнитить образец, необходимо поместить его в магнитное поле с противоположной ориентацией линий индукции (в “отрицательное поле”). Величина напряженности магнитного поля, необходимая для полного размагничивания ферромагнетика, называется коэрцитивной силой (от латинского coërcitio – удерживание). Если завершить после этого цикл перемагничивания ферромагнетика, то получается график, показанный на рис. 7.20. Он называется петлей гистерезиса. Можно показать, что площадь петли гистерезиса пропорциональна количеству теплоты, выделяющемуся в единице объема ферромагнетика за один цикл перемагничивания.

Согласованное участие магнитных моментов всех атомов в создании доменов и междоменное взаимодействие позволяют ферромагнетикам усиливать внешние поля в сотни, тысячи и миллионы раз. Необычные свойства ферромагнетиков на этом не заканчиваются. Оказывается, с повышением температуры остаточная намагниченность ферромагнетика уменьшается. Впервые обнаружил это французский физик П. Кюри. При достаточно высокой температуре, называемой точкой Кюри, она исчезает полностью. При более высоких температурах ферромагнетик ведет себя во внешнем поле как обычный парамагнетик (отсюда и название парамагнетиков: от греческого “пара-“, что означает “возле”, “рядом”; т.е. парамагнетизм близок к ферромагнетизму). При температуре точки Кюри в результате сильного теплового движения частиц происходит разрушение доменной структуры ферромагнетика. Для железа эта температура составляет 770 С, для никеля 360 С. Сплав железа с никелем пермаллой, который используется для изготовления трансформаторных сердечников, имеет точку Кюри всего 70 С