Архив ZIP - WinRAR_1 / 38) Феромагнетизм гестерезис

Ферромагнетизм (англ. ferromagnetism) — появление спонтанной намагниченности при температуре ниже температуры Кюри^[1] вследствие упорядочения магнитных моментов, при котором большая их часть параллельна друг другу. Вещества, в которых возникает ферромагнитное упорядочение магнитных моментов, называются ферромагнетиками^[2].

Свойства ферромагнетиков:

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков положительна и значительно больше единицы.

При не слишком высоких температурах ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий.

Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса.

Ферромагнетики притягиваются магнитом.

Магнитный гистерезис наблюдается в магнитоупорядоченных веществах (в определенном интервале температур), например в ферромагнетиках, обычно разбитых на домены  области спонтанной (самопроизвольной) намагниченности, у которых величина намагниченности (магнитный момент единицы объема) одинакова, но направления различны.

Под действием внешнего магнитного поля число и размеры доменов, намагниченных по полю, увеличиваются за счет других доменов. Векторы намагниченности отдельных доменов могут поворачиваться по полю. В достаточно сильном магнитном поле ферромагнетик намагничивается до насыщения, при этом он состоит из одного домена с намагниченностью насыщения JS, направленной вдоль внешнего поля H.

 

Типичная зависимость намагниченности от магнитного поля в случае гистерезиса

 

 

Рис. 1

 

В результате многочисленных исследований установлена следующая общая картина процесса намагничивания ферромагнетиков.

В отсутствии внешнего магнитного поля ферромагнетик разбивается на домены таким образом, что его результирующий магнитный момент близок к нулю. При включении внешнего магнитного поля энергии отдельных доменов делаются неодинаковыми: энергия меньше для тех доменов, в которых вектор намагниченности образует с направлением поля острый угол, и больше в том случае, если этот угол тупой. Поэтому возникает процесс смещения границ доменов, при котором объем доменов с меньшей энергией возрастает, а с большей энергией уменьшается. В случае слабых полей эти смещения границ обратимы и точно следуют за изменением внешнего поля. При увеличении поля смещение границ доменов делаются необратимыми. При достаточной величине поля энергетически невыгодные домены исчезают вовсе. Если поле увеличивать еще больше, то возникает новый тип процесса намагничивания, при котором изменяется направление магнитного момента домена. В очень сильном магнитном поле HS магнитные моменты всех доменов устанавливаются параллельно полю. В этом состоянии ферромагнетик имеет наибольший магнитный момент, то есть намагничен до насыщения, следовательно, при дальнейшем увеличении внешнего поля величина намагниченности JS  не меняется.

При уменьшении напряженности внешнего магнитного поля до HS значение намагниченности JS не будет меняться, при дальнейшем уменьшении напряженности внешнего магнитного поля значение намагниченности будет уменьшаться сначала за счет изменения направления магнитного момента домена, а затем преимущественно за счет возникновения и роста доменов с магнитным моментом, направленным против поля. Рост доменов обусловлен движением доменных стенок. Это движение происходит скачками из-за наличия в образце дефектов (неоднородностей, примесей и т. п.), на которых доменные стенки задерживаются. Поэтому при уменьшении поля до нуля у образца сохраняется так называемая остаточная намагниченность JR. Образец полностью размагничивается лишь в достаточно сильном поле противоположного направления HK, называемом коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении магнитного поля обратного направления образец вновь намагничивается вдоль поля до насыщения. При циклическом изменении поля графическая зависимость, характеризующая изменение намагниченности образца, образует замкнутую кривую  петлю магнитного гистерезиса. 

Вектор магнитной индукции связан с векторами намагниченности и напряженности внешнего магнитного поля:

 B = m0(J+H).

 Следовательно, можно построить график зависимости магнитной индукции от напряжения внешнего магнитного поля. Очевидно, что вид кривой будет аналогичен кривой намагниченности, то есть при циклическом изменении поля будет иметь вид замкнутой кривой, которая так же носит название петли гистерезиса. Однако в области полей больших HS магнитная индукция не достигает насыщения, а растет линейно (что видно из уравнения).

 Непредельные петли гистерезиса

 

 

Рис. 2

 

Если величину магнитного поля циклически изменять в таких пределах, что насыщение не достигается, то получается непредельная петля гистерезиса.

Площадь петли магнитного гистерезиса пропорциональна энергии, теряемой в образце за один цикл изменения поля. Эта энергия идет, в конечном счете, на нагревания образца. Такие потери называют гистерезисными.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -2 до 1);

Время существования (log tc от 15 до 15);

Время деградации (log td от 1 до 4);

Время оптимального проявления (log tk от -2 до 0).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Реализация наблюдения магнитного гистерезиса

Наблюдение гистерезиса проще всего осуществить по остаточной намагниченности. Именно, образец магнитно-жесткого ферромагнитика помещается на десять-сто секунд в постоянное магнитное поле. Затем источник магнитного поля устраняется, и наблюдается остаточная намагниченность образца. При многократном повторении опыта направление остаточной намагниченности меняется в соответствии с изменением направления внешнего поля, осуществлявшего намагничивание образца в последнем цикле.

Применение эффекта

Мягие ферромагнетики (мягкое железо, сплав пермолой), обладающие малым значением коэрцитивной силы HK (малыми потерями энергии), используют для изготовления сердечников трансформаторов, статоров и роторов генераторов.

Жесткие ферромагнетики (углеродистые стали, специальные сплавы), обладающие большим значением коэрцитивной силы HK, используют для изготовления постоянных магнитов.