§78. Феромагнетики

У дев’яти чистих хімічних елементів, а саме залізі , нікелі,кобальтіі ланоганидах - гадолінію,тербію, диспрозію, гольмію,ербіюі туліюта їх численних сплавах виявлено властивість миттю намагнічуватися навіть у слабких магнітних полях. Усі вони утворюють групу сильномагнітних речовин -феромагнетиків.Феромагнетики підсилюють зовнішнє поле в сотні і тисячі разів.

Експериментальне вивчення феромагнетиків було розпочате О.Г.Столє­товим.Він дослідив залежність намагніченості заліза від напруженості магнітного поля.

На рис. 188 показано залежність намагніченості заліза від напруженостімагнітного поля. Починаючи з деякого числового значення намагніченість залишається сталою і дорівнює. Це явище Столєтов назвавмагнітним насиченням.

На рис. 189 зображено криву залежності магнітної індукціїВ від. При магнітна індукція зростає за лінійним законом залежно від напруженості поля. Це пояснюється тим, що намагніченістьпри цій напруженості поля вже не змінюється і вектор магнітної індукціїзалежить лише від напруженості.

Відносна магнітна проникністьферомагнетика спочатку швидко зростає із збільшенням, досягає максимуму і потім спадає, прямуючи до одиниці при сильних намагнічуючих полях (рис. 190). Це пов’язано з тим, що

.

Тому при із зростаннямвідношення, а.

О. Столетов вивчив явище намагнічування феромагнетика у змінному за величиною і напрямком зовнішньому магнітному полі.

Залежність намагніченості Jвід напруженості поляHвизначається передісторією намагнічення феромагнетика (рис. 191).

Це явище називається магнітним гістерезисом.

Помістимо стрижень з феромагнетика, який після виготовлення ні разу не був у зовнішньому магнітному полі, у соленоїд і монотонно збільшуватимемо струм у його обмотці. При цьому зростатиме напруженість Hполя та намагніченняJстрижня (криваОа), при напруженості полянамагнічення досягає насичення.

Якщо поступово зменшувати струм в обмотці соленоїда, то зменшується напруженість поля соленоїда і намагніченнястрижня. Але кривавже не збігається з первинною кривою намагніченняОа. В той момент, коли намагнічуюче поле, у феромагнітного стрижня спостерігатиметься залишкове намагнічення.

Після зміни на клемах соленоїда полярності джерела і монотонного збільшення струму виникає магнітне поле, яке напрямлене протилежно до залишкового намагнічення, і стрижень розмагнічуватиметься. Та напруженість поля, яка потрібна, щоб повністю розмагнітити попередньо намагнічений стержень, називаєтьсякоерцитивною напруженістю(коерцитивною силою).

При подальшому збільшенні маг­нітного поля, протилежного початковому, намагнічення стрижня знову досягає на­магнічення насичення - при. Повертаючись поступово до напруженості магнітного поля, дістанемо замкнену криву, яка називаєтьсяпетлею гістерезису.

Коерцитивна сила характеризує властивість феромагнетика зберігати на­магніченість. Матеріали з великою коерцитивною напруженістю дають широку петлю гістерезису і називаються „твердими” магнітними матеріалами. З них виготовляють постійні магніти.

„М’які” магнітні матеріали мають малу коерцитивну силу і дають вузьку петлю гістерезису. Ці матеріали використовують для виготовлення осердь трансформаторів. Перемагнічення феромагнетика пов’язане з повертанням областей спонтанного намагнічення. Робота, необхідна для цього, здійснюється за рахунок енергії зовнішнього магнітного поля. Кількість тепла, яке виділяється під час перемагнічування, пропорційна до площі петлі гістерезису.

В експериментах із залізом П. Кюрі встановив, що при певній температурі воно втрачає властивість феромагнетика і переходить в парамагнітний стан. Цю температуру називають точкою Кюрі.

Залежність магнітної сприйнятливості феромагнетиків від абсолютної температури Тречовини у феромагнітному стані наближено описується законом Кюрі:

,

де і набуває різних значень у різних температурних інтервалах. Наприклад, при температурах, близьких до точки фазо­вого переходу,.

Магнітна сприйнятливість феромаг­нетика в парамагнітній фазі змінюється за законом Кюрі-Вейса:

.

Перехід речовини з феромагнітного стану в парамагнітний не супроводжується виділенням або поглинанням тепла.

Класична теорія феромагнетизму була розроблена П. Вейсом. В основу цієї теорії покладено дві гіпотези. Перша гіпотезаполягає в тому, що в певній області температур (від до) феромагнетикам властива спонтанна намагніченість, яка не залежить від наявності зовнішнього магнітного поля. Проте досліди показали, що у разі відсутності зовнішнього магнітного поля, якщо не брати до уваги явище магнітного гістерезису, будь-яке феромагнітне тіло буде в цілому розмагнічене. Це примусило ввестидругу гіпотезупро те, що прибудь-яке феромаг­нітне тіло розділяється на малі області, яким властива однорідна спонтанна намагніченість. Такі області називаютьсядоменами. Лінійні розміри доменів досягають см. Межі доменів (доменні стін­ки) не слід уявляти у вигляді геометричних площин. Фактично це області, що охоплюють сотні атомних шарів, в яких напрямок намагнічення змінюється монотонно.

Коли зовнішнього магнітного поля немає, вектори магнітних моментів окремих доменів орієнтуються в просторі хаотично, так що результуючий магнітний момент усього тіла дорівнює нулю. Зов­нішнє магнітне поле, яке діє на феромагнетики, орієнтує магнітні моменти не окремих частинок як у парамагнетиках, а цілих областей спонтанної намагніченості, домени починають збільшуватись в об’ємі за рахунок сусідніх доменів, що мають інші орієнтації намагніченості (рис. 192).

При досить сильному полі всі домени повертаються в напрямку поля і феромагнетик намагнічується до насичення.

Класична теорія феромагнетизму дала змогу пояснити існування магнітного насичення, яке полягає в тому, що вектори магнітних моментів в усіх областях спонтанної намагніченості встановлюються паралельно до зовнішнього магнітного поля. Подальший розвиток теорії феромагнетизму Гейзенбергом і Френкелем, а також ряд експериментальних фактів дозволили з’ясувати природу елементарних носіїв феромагнетизму. Магнітні властивості феромагнетиків визначаються спіновими магнітними моментами електронів.

Феромагнітні властивості можуть мати лише кристалічні речовини, в атомах яких недобудовані внутрішні електронні оболонки з нескомпенсованими спінами. У цих кристалах можуть виникати сили, які примушують спінові магнітні моменти електронів орієнтуватися паралельно один до одного, що і призводить до виникнення областей спонтанного намагнічення. Ці сили, що називаються обмінними силами, мають квантову природу - вони зумовлені хвильовими властивостями електронів.