14. Феромагнетики

Феромагнетиками називають тверді речовини, що при не дуже високих температурах мають самочинну (спонтанну) намагніченість, яка сильно змінюється під зовнішнім впливом – магнітного поля, деформації, зміни температури.

Хоча феромагнітних тіл у природі не так вже й багато, саме вони мають найбільше практичне значення. Адже тільки в них магнітні властивості яскраво виявлені. Крім того, їхні магнітні властивості значно складніші й різноманітніші, ніж у діа- і парамагнетиків. Значно складніша також природа феромагнетизму.

Феромагнетики намагнічуються в напрямі поля. Це зближує їх з парамагнетиками, але у феромагнетиків внутрішнє магнітне поле може в сотні й тисячі разів перевищувати зовнішнє поле (магнітна проникність може бути значно більшою за одиницю). І нарешті, феромагнітні тіла мають залишковий магнетизм, якого немає у парамагнітних тіл. Феромагнетиками є кристали перехідних металів (залізо, кобальт, нікель), а також низка рідкоземельних елементів і багато сплавів.

Залежність намагніченості від напруженості магнітного поля показує такзвана крива намагнічування, яку можна знайти експериментально (рис 5.26).

Якщо феромагнітний зразок не був намагнічений, то величина спочатку зростає із збільшеннямН майже за лінійним законом. Починаючи з певного значення , модуль вектора намагніченості лишається незмінним і дорівнює. Це явище називаютьмагнітним насиченням.

Графік залежності В від Н відрізняється від графіка залежності J від H відсутністю горизонтальної частини: як тільки настає насичення, магнітна індукція зростає за лінійним законом в залежності від напруженості магнітного поля (рис. 5.27)

Магнітна проникність феромагнетиків не є сталою. Вона залежить від напруженості Н. Графік залежності подано на рис. 5.28. Ця крива має досить складну форму. Слід підкреслити, що для кожного феромагнетика характерна своя індивідуальна крива намагнічування. Відносна магнітна проникністьспочатку швидко зростає, а потім спадає, прямуючи до одиниці в дуже сильних намагнічувальних полях. Це пояснюється тим, що дієюможна знехтувати у порівнянні з. Тоді. Максимальні значеннядля феромагнетиків дуже великі:~ .

Залежність J від H не є однозначною. Намагніченість залежить не тільки від напруженості поля в даний момент, а й від того, якою була його величина в попередні моменти часу. При зменшенні намагнічувального поля після досягнення насичення намагніченість J зменшуватиметься повільніше, ніж відбувалося її зростання. Це називають магнітним гістерезисом (у перекладі на українську „гістерезис” означає запізнювання).

Загальний характер залежності J від H подано на рис. 5.29. ВідрізокОа являє собою криву намагнічування, подібну до кривої, поданої на рис. 5.26. У точці а досягається насичення. При зменшенні до нуля намагніченість зменшується відповідно до . Її величина являє собоюзалишкову намагніченість. Феромагнітний зразок створює магнітне поле без зовнішнього намагнічувального поля. Отже, він є постійним магнітом. При збільшенні магнітної напруженості, напрямленої вже в протилежний бік, намагніченість зменшується і лише при вона дорівнює нулеві. Величинуназиваютькоерцитивною (затримуючою) силою. Це те поле, яке треба створити для розмагнічування зразка. Коерцитивна сила характеризує здатність феромагнітного матеріалу зберігати намагнічений стан.

Розрізняють „м’які” й „тверді” в магнітному відношенні матеріали. Магніто-м’які матеріали мають малі значення коерцитивної сили. До таких речовин належать, наприклад: залізо, пермалой (сплав заліза з нікелем). Магніто-м’які матеріали використовують для виготовлення сердечників трансформаторів, генераторів, електродвигунів тощо. Магніто-тверді матеріали намагнічуються до насичення і перемагнічуються в досить сильних полях. У цих матеріалів залишкова намагніченість і коерцитивна сила великі. Тому їх використовують для виготовлення постійних магнітів. До магніто-твердих матеріалів належать сталь і багато сплавів. У точці зразок знову намагнічений до насичення, але в оберненому напрямі. Зменшуючи напруженість до нуля і знову збільшуючи її до насичення (точкаа), ми дістанемо замкнену криву, симетричну відносно точки О, яку називають петлею гістерезису.

Різні феромагнітні матеріали мають різні форми петлі гістерезису. Форма петлі є дуже важливою магнітною характеристикою матеріалу. У магніто-м’якого матеріалу площа петлі мала, а у магніто-твердого – велика. За умовами роботи сердечники весь час перемагнічуються у змінних магнітних полях. Перемагнічування вимагає виконання роботи. Площа петлі гістерезису, яка подана на рис. 5.29, пропорційна кількості теплоти, що виділяється в одиниці об’єму феромагнетика за один цикл зміни його намагніченості. Ця робота не пов’язана з виділенням тепла струмами Фуко. Тому у м’яких матеріалах енергетичні втрати менші, ніж у твердих.

При деякій певній для даного феромагнетика температурі його феромагнітні властивості зникають і речовина стає парамагнітною. Цю температуру називають температурою Кюрі, за ім’ям французького вченого, який відкрив це явище. Температура Кюрі для заліза , для нікелю. При температурі Кюрі феромагнетик не тільки втрачає власні феромагнітні властивості, але в нього змінюються теплоємність, електропровідність і деякі інші характеристики. Перехід речовини з феромагнітного в парамагнітний стан при температурі Кюрі не супроводжується виділенням або поглинанням теплоти, як, наприклад, плавлення і кристалізація, або кипіння і конденсація. Тому він є прикладом фазових переходів другого роду.

Класичну теорію феромагнетизму розробив французький фізик П.Вейс (1907). Згідно з цією теорією, весь об’єм феромагнітного зразка, що перебуває при температурі нижче за точку Кюрі, самочинно розбитий на невеликі області, намагнічені до насичення, так звані домени (від французького domaine – володіння, область, сфера). Поняття самочинно (спонтанно) припускає, що тут не треба накладання зовнішнього магнітного поля. У повсякденному значенні домени дуже маленькі області, їхні розміри порядку . В атомних масштабах це величезні області, тобто макроскопічні. Домени можна спостерігати безпосередньо за допомогою мікроскопа. Якщо гладко відполіровану поверхню феромагнетика покрити дуже тонким феромагнітним порошком, завислим у рідині, то цей порошок концентрується якраз на межах доменів. Це відбувається тому, що саме тут поле змінюється з відстанню найшвидше (рис. 5.30). Внаслідок хаотичного розподілу напрямів полів окремих доменів зразок в цілому буде ненамагніченим, хоча кожний домен намагнічений до насичення.

Намагнічування зразка в магнітному полі, напруженість якого повільно і монотонно зростає, відбувається за рахунок двох процесів: зміщення меж доменів і обертання магнітних моментів доменів. Процес зміщення меж між доменами спричиняє збільшення розмірів тих доменів, які самочинно намагнічені в напрямах, близьких до напряму вектора . Процес обертання магнітних моментів за напрямомвідіграє основну роль тільки в області, близькій до насичення. Нижня частина кривоїзалежить від руху меж доменів, тобто від збільшення доменів, намагнічених у напрямі. У верхній частині кривої відбувся поворот магнітних моментів у напрямі, паралельному полю. При зменшенні намагнічувального поля дезорієнтація доменів також відбувається поступово. Крива не піде по тому самому шляху, що пояснюється в основному рухом меж доменів, який частково необоротний. Причому значна частина доменів не втрачає орієнтації навіть тоді, коли зовнішнє магнітне поле буде вимкнуто. Для постійних магнітів з доброго сплаву залишкова намагніченість може існувати нескінченно довго, якщо сплав не піддавати дії магнітних полів. Завдяки цьому явищу зберігається інформація, записана на магнітних плівках.

Виникнення доменів пояснює квантова механіка. Між електронами при певних умовах, що визначаються структурою атомної оболонки і характером кристалічних ґрат речовини, виникає специфічна сильна електрична взаємодія. Якщо енергія взаємодії більша за енергію теплового руху частинок, то за рахунок даної взаємодії з’являється строго певна орієнтація електронних спінів ( власних моментів імпульсу). Тільки при температурах, вищих за точку Кюрі, тепловий рух руйнує цю орієнтацію. У домені всі спіни орієнтовані однаково і створювані електронами магнітні поля додаються, підсилюючи одне одного. Феромагнетизм виникає в елементів з незаповненими шарами і оболонками.

У середині дев’ятнадцятого століття було відкрито два магнітомеханічні ефекти:

1) магнітострикція – явище, яке полягає в зміні форми і розмірів феромагнітного зразка при його намагнічуванні (Д. Джоуль, 1842 р.);

2) ефект Вілларі (Е. Вілларі, 1865 р.) – ефект, що полягає в зміні намагніченості феромагнітного зразка при його механічній деформації.

Механічні коливання, що виникають у феромагнетиках при їхньому намагнічуванні в магнітних полях, які періодично змінюються, використовуються в магнітострикційних випромінювачах ультразвуку.