3.1.4. Домены.

Ферромагнитные Д. (области самопроизвольной намагниченности) — намагниченные до насыщения части объёма ферромагнетика (обычно имеющие линейные размеры ~10^-3—10^-2см), на которые он разбивается ниже температуры Кюри. Векторы намагниченности Д. в отсутствие внешнего магнитного поля ориентированы т. о., что результирующая намагниченность ферромагнитного образца в целом, как правило, равна нулю. Д. доступны непосредственному наблюдению (с помощью микроскопа): при покрытии поверхности ферромагнетика слоемсуспензии, содержащей ферромагнитный порошок, частицы порошка оседают в основном на границах Д. и обрисовывают их контуры. Широко применяют и др. методы исследования доменной структуры, в частности магнитооптический, обладающий большей разрешающей способностью. Разбиение ферромагнетика на Д. объясняется следующими причинами. Если бы весь ферромагнетик был намагничен до насыщения в одном направлении, то на его поверхности возникли бы магнитные полюсы и в окружающем пространстве было бы создано магнитное поле. Для этого требуется больше энергии, чем при разбиении ферромагнетика на Д., при котором магнитное поле вне образца отсутствует (магнитный потокзамыкается внутри образца). При неизменном объёме и постоянной температуре в ферромагнетике реализуются лишь такие доменные структуры, для которыхсвободная энергияминимальна.

Направление векторов намагниченности Д. обычно совпадает с направлением осей лёгкого намагничивания. В этом случае для ферромагнетика выполняется условие минимума энергиимагнитной анизотропии. При уменьшении размеров ферромагнетика до некоторой критической величины разбиение на Д. может стать энергетически невыгодным, образуется так называемая однодоменная структура: каждая ферромагнитная частица представляет собой один Д. На практике это реализуется в ферромагнитных порошковых материалах и ряде гетерогенных сплавов.

3.1.5. Гистерезис.

Значение Jзависит также от «магнитной предыстории» образца, это делает зависимостьJотНнеоднозначной (наблюдается магнитныйгистерезис).

Гистерезис (от греч. hysteresis — отставание, запаздывание), явление, которое состоит в том, что физическая величина, характеризующая состояние тела (например, намагниченность), неоднозначно зависит от физические величины, характеризующей внешние условия (например, магнитного поля). Г. наблюдается в тех случаях, когда состояние тела в данный момент времени определяется внешними условиями не только в тот же, но и в предшествующие моменты времени. Неоднозначная зависимость величин наблюдается в любых процессах, т.к. для изменения состояния тела всегда требуется определённое время (время релаксации) и реакция тела отстаёт от вызывающих её причин. Такое отставание тем меньше, чем медленнее изменяются внешние условия Однако для некоторых процессов отставание при замедлении изменения внешних условий не уменьшается. В этих случаях неоднозначную зависимость величин называется гистерезисной, а само явление — Г.

Г. наблюдается в различных веществах и при разных физических процессах. Наибольший интерес представляют: магнитный Г., диэлектрический Г. и упругий Г.

Магнитный Г. наблюдается в магнитных материалах, например в ферромагнетиках. Основной особенностью ферромагнетиков является наличие спонтанной (самопроизвольной) намагниченности. Обычно ферромагнетик намагничен не однородно, а разбит на домены — области однородной спонтанной намагниченности, у которых величина намагниченности (магнитного момента единицы объема) одинакова, а направления различны. Под действием внешнего магнитного поля число и размеры доменов, намагниченных по полю, увеличиваются за счёт др. доменов. Кроме того, магнитные моменты отдельных доменов могут поворачиваться по полю. В результате магнитный момент образца увеличивается.

На рис. 1изображена зависимость магнитного моментаМферромагнитного образца от напряжённостиНвнешнего магнитного поля (кривая намагничивания). В достаточно сильном магнитном поле образец намагничивается до насыщения (при дальнейшем увеличении поля значение М практически не изменяется, точка А). При этом образец состоит из одного домена с магнитным моментом насыщенияM_s, направленным по полю. При уменьшении напряжённости внешнего магнитного поляНмагнитный момент образцаМбудет уменьшаться по кривойIпреимущественно за счёт возникновения и роста доменов с магнитным моментом, направленным против поля. Рост доменов обусловлен движением доменных стенок. Это движение затруднено из-за наличия в образце различных дефектов (примесей, неоднородностей и т.п.), которые закрепляют доменные стенки в некоторых положениях; требуются достаточно сильные магнитные поля для того, чтобы их сдвинуть. Поэтому при уменьшении поляНдо нуля у образца сохраняется т. н. остаточный магнитный моментM_r(точкаВ).

Рис. 1. Петля магнитного гистерезиса для ферромагнетика: Н — напряжённость магнитного поля; М — магнитный момент образца; Н_с— коэрцитивное поле; M_r— остаточный магнитный момент; M_s— магнитный момент насыщения. Пунктиром показана непредельная петля гистерезиса. Схематически приведена доменная структура образца для некоторых точек петли.

Образец полностью размагничивается лишь в достаточно сильном поле противоположного направления, называемом коэрцитивным полем (коэрцитивной силой)Н_с(точка С). При дальнейшем увеличении магнитного поля обратного направления образец вновь намагничивается вдоль поля до насыщения (точкаD). Перемагничивание образца (из точкиDв точкуА) происходит по кривойII. Т. о., при циклическом изменении поля кривая, характеризующая изменение магнитного момента образца, образует петлю магнитного Г. Если полеНциклически изменять в таких пределах, что намагниченность насыщения не достигается, то получается непредельная петля магнитного Г. (криваяIII). Уменьшая амплитуду изменения поляН до нуля, можно образец полностью размагнитить (прийти в точку О). Намагничивание образца из точки О происходит по кривойIV.

При магнитном Г. одному и тому же значению напряжённости внешнего магнитного поля Нсоответствуют разные значения магнитного моментаМ. Эта неоднозначность обусловлена влиянием состояний образца, предшествующих данному (т. е. магнитной предысторией образца).

Вид и размеры петли магнитного Г., величина Н_св различных ферромагнетиках могут меняться в широких пределах. Например, в чистом железеН_с= 1э, в сплаве магникоН_с=580 э. На петлю магнитного Г. сильно влияет обработка материала, при которой изменяется число дефектов.

Площадь петли магнитного Г. равна энергии, теряемой в образце за один цикл изменения поля. Эта энергия идёт, в конечном счёте, на нагревание образца. Такие потери энергии называются гистерезисными. В тех случаях, когда потери на Г. нежелательны (например, в сердечниках трансформаторов, в статорах и роторах электрических машин), применяют магнитномягкие материалы, обладающие малым Н_си малой площадью петли Г. Для изготовления постоянных магнитов, напротив, требуются магнитножёсткие материалы с большимН_с.

С ростом частоты переменного магнитного поля (числа циклов перемагничивания в единицу времени) к гистерезисным потерям добавляются др. потери, связанные с вихревыми токамиимагнитной вязкостью. Соответственно площадь петли Г. при высоких частотах увеличивается. Такую петлю иногда называют динамической петлей, в отличие от описанной выше статической петли.

От магнитного момента зависят многие др. свойства ферромагнетика, например электрическое сопротивление, механическая деформация. Изменение магнитного момента вызывает изменение и этих свойств. Соответственно наблюдается, например, гальваномагнитный Г., магнитострикционный Г.

Диэлектрический Г. наблюдается обычно в сегнетоэлектриках, например титанате бария. Зависимость поляризацииРот напряжённости электрического поляЕв сегнетоэлектриках подобна зависимостиМотНв ферромагнетиках и объясняется наличием спонтанной электрической поляризации, электрическихдоменови трудностью перестройки доменной структуры. Гистерезисные потери составляют большую частьдиэлектрических потерьв сегнетоэлектриках.

Поскольку с поляризацией связаны др. характеристики сегнетоэлектриков, например деформация, то с диэлектрическим Г. связаны др. виды Г., например пьезоэлектрический Г. , Г. электрооптического эффекта. В некоторых случаях наблюдаются двойные петли диэлектрического Г.. Это объясняется тем, что под влиянием электрического поля в образце происходит фазовый переход с перестройкой кристаллической структуры. Такого рода диэлектрический Г. тесно связан с Г. при фазовых переходах.

Упругий Г., т. е. гистерезисная зависимость деформации иот механического напряжения, наблюдается в любых реальных материалах при достаточно больших напряжениях . Упругий Г. возникает всякий раз, когда имеет место пластическая (неупругая) деформация. Пластическая деформация обусловлена перемещением дефектов, напримердислокаций, всегда присутствующих в реальных материалах. Примеси, включения и др. дефекты, а также сама кристаллическая решётка стремятся удержать дислокацию в определенных положениях в кристалле. Поэтому требуются напряжения достаточной величины, чтобы сдвинуть дислокацию. Механическая обработка и введение примесей приводят к закреплению дислокаций, в результате чего происходит упрочнение материала, пластическая деформация и упругий Г. наблюдаются при больших напряжениях. Энергия, теряемая в образце за один цикл, идёт в конечном счёте на нагревание образца. Потери на упругий Г. дают вклад вовнутреннее трение. В случае упругих деформаций, помимо гистерезисных, есть и др. потери, например обусловленныевязкостью. Величина этих потерь, в отличие от гистерезисных, зависит от частоты изменения(илии). Иногда понятие «упругий Г.» употребляется шире — говорят о динамической петле упругого Г., включающей все потери на данной частоте.