III. Ферромагнетизм.

Из элементов периодической системы Менделеева ферромагнитными свойствами обладают Fe, Co, Ni. Кроме того, ферромагнитны некоторые сплавы из неферромагнитных компонентов, например некоторые сплавы на основе Mn и Cr. Все эти вещества ферромагнитны лишь ниже температуры точки Кюри.

Отличительным признаком ферромагнетиков является нелинейная зависимость индукции и намагниченностиот напряженностимагнитного поля:

В = Н + 4πI_s,

где I_s – намагниченность насыщения.

Важной характеристикой ферромагнетиков является кривая магнитной проницаемости:

Кривая проницаемости  носит название кривой Столетова. а – начальная проницаемость.

Объяснение ферромагнитных свойств ведется на основе доменов, т.е. областей, в которых магнитные моменты атомов ориентированы одинаково. Но в целом кристалл не намагничен, т.к. магнитные моменты разных доменов ориентированы хаотично.

а)	б)
в)	г)

При внесении такого кристалла в магнитное поле за счет перемагничивания пограничных атомов увеличиваются домены, магнитные моменты которых ориентированы приблизительно по линиям поля, и уменьшаются домены, магнитные моменты которых ориентированы почти против линий поля. В достаточно сильных полях поворачиваются магнитные моменты доменов. В результате этих процессов образец оказывается намагниченным вдоль внешнего поля (рис.) В₁↑↑В (качественно, как у парамагнетиков). Но все эти процессы гораздо сильнее, ибо ориентируются суммарные магнитные моменты доменов:

Именно поэтому намагничивание ферромагнетиков заметно даже в слабых полях. Кроме того, величина , оказывается, зависит нелинейно от напряженности магнитного поля и от предыстории образца (от того, в каких магнитных полях образец ранее побывал).

Но ферромагнетизм – не свойство данных элементов. Атомы парообразного железа диамагнитны или слабо парамагнитны. Сплавы ферромагнитных веществ могут быть практически немагнитными. Таков сплав 75% Fe и 25% Ni. Наоборот, сплавы практически немагнитных веществ могут быть ферромагнитны. Например, сплав Гойслера: 60% Cu, 25% Mn, 15% Al. Ферромагнетизм – свойство кристаллической решетки, т.е. свойство большого количества атомов в твердом состоянии вещества. У каждого ферромагнетика есть определенная температура – точка Кюри, при которой разрушаются домены, и ферромагнетик становится парамагнетиком.

Для выяснения характера зависимости возьмем образец ферромагнетика, не побывавший ранее в каких бы то ни было магнитных полях (практически это можно осуществить, размагнитив образец сильным нагреванием), поместим его внутрь соленоида, по которому можно пропускать определенный ток. Напряженность магнитного поля соленоида численно равна, вектор магнитной индукции можно измерить, например, по силе Ампера. Сначала вектор

индукции растет в зависимости от _оН нелинейно, затем наступает насыщение, когда все магнитные моменты доменов ориентированы вдоль линий поля, при дальнейшем увеличении _оН вектор магнитной индукции возрастает линейно.

Экспериментальная кривая с насыщением в точке 1 изображена на рисунке. При уменьшении напряженности магнитного поля вектор уменьшается линейно по той же прямой до точки1, затем по кривой 1 – с запаздыванием (относительно кривой 0 – 1). Это объясняется тем, что в процессе намагничивания внешнее поле заставляло магнитные моменты доменов поворачиваться, а теперь они разориентируются благодаряослаблению внешнего воздействия, не сразу и хаотично. Когда ток равен нулю, наблюдается остаточное намагничивание , что позволяет изготовлятьпостоянные магниты. Образец можно размагнитить, включив поле соленоида в обратном направлении(изменив направление тока). При определенном значении напряженности (–коэрцитивная сила) вектор магнитной индукции равен нулю. Дальнейшее увеличение модуля напряженности заставит этот вектор нелинейно изменяться по кривой до насыщения 2, затем линейно. Снова уменьшая абсолютную величину напряженности, мы пройдем через точку 2, остаточное намагничивание – , коэрцитивную силудо точки 1 и т.д. Мы описалиполный цикл гистерезиса.

При заданной напряженности магнитного поля (точка А) вектор магнитной индукции может иметь любое значение из отмеченных фигурной скобкой в зависимости от того, в каких магнитных полях образец был ранее. Поэтому величина  для ферромагнетиков определяется неоднозначно и приблизительно по независимо измеренным значениям и(хотя в этом случае ее ценность сомнительна).

Естественные, природные магниты большей частью представляют собой куски магнитного железняка. Из сталей с большим остаточным намагничиванием изготовляют искусственные постоянные магниты разной формы. У магнита различают полюса – места, где сильнее всего проявляются магнитные свойства, или части магнита, где наибольшее число линий вектора индукции входит или выходит из магнита в воздух. Нейтральная линия – линия магнита, где не обнаруживается его притяжение (отталкивание), или часть магнита, где ни одна линия вектора магнитной индукции не входит и не выходит из магнита.

В магнитном поле (например, в присутствии постоянного магнита) не намагниченный ферромагнитный образец намагничивается. Это явление получило название магнитной индукции. На нем основано устройство электромагнита. Его сердечник сделан из железа с малым остаточным намагничиваем; при выключении тока через обмотку он практически размагничивается.

	На этом же явлении основано устройство электромагнитного реле, которое “срабатывает” при включении или выключении рабочего тока (ток через катушку М намагничивает сердечник, пластина Р притягивается к сердечнику и замыкает контакты К какой-то другой цепи. После выключения тока через катушку пружина В размыкает контакты К).
	На магнитном взаимодействии сердечника и катушки основано устройство электроизмерительных приборов электромагнитной системы. Такие приборы пригодны для измерений и на постоянном, и на переменном токе, надежны, дешевы. Правда, их точность невелика.