1.1. Природа ферромагнетизма

Основы теории ферромагнетизма были созданы Я.И. Френкелем и В. Гейзенбергом в 1928 г. Из опытов по изучению магнитомеханических явлений следует, что ответственными за магнитные свойства ферромагнетиков являются собственные (спиновые) магнитные моменты электронов. При определённых условиях в кристаллах могут возникать силы, которые заставляют магнитные моменты электронов выстраиваться параллельно друг другу. В результате возникают области спонтанного (самопроизвольного) намагничивания, которые называют доменами. В пределах каждого домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и обладает определённым магнитным моментом. Направления этих моментов для разных доменов различны, так что в отсутствие внешнего поля суммарный момент всего тела равен нулю. У ряда материалов домены имеют размеры порядка 1-10 мкм.

При действии внешнего магнитного поля имеет место поворот магнитных моментов доменов в направлении поля. При этом моменты электронов в пределах домена поворачиваются одновременно, без нарушения их строгой параллельности друг другу.

Для каждого ферромагнетика имеется определённая температура Т_с, при которой области спонтанного намагничивания распадаются и вещество утрачивает ферромагнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри. Для железа она равна 768С, для никеля 365С. При температуре выше точки Кюри ферромагнетик становится обычным парамагнетиком. При охлаждении ферромагнетика ниже точки Кюри в нём снова возникают домены.

Для ферромагнетиков наблюдается явление гистерезиса, заключающееся в том, что магнитная индукция в объеме материала зависит не только от напряженности поля в данный момент, но и от того, каково было значение напряженности магнитного поля ранее. Если ненамагниченный ферромагнетик поместить в среду, магнитное поле в которой постепенно будет увеличиваться, начиная от нуля, то зависимость B(Н) (кривая намагничивания) выразится участком OA на рис. 14.1. Ферромагнетику присущи свойства остаточного намагничивания, поэтому при уменьшении магнитного поля до нуля, кривая намагничивания не совпадает с AO, а пойдёт по кривой AC. Величина OC называется остаточной индукцией и является характеристикой ферромагнетика.

Рис.14.1. Петля гистерезиса ферромагнетика

Для того, чтобы размагнитить ферромагнетик, необходимо изменить направление и величину внешнего магнитного поля. Величина ОК называется коэрцитивной силой и является одной из важнейших характеристик ферромагнетика. Если коэрцитивная сила велика, ферромагнетик называется жёстким. Для него характерна широкая петля гистерезиса. Ферромагнетик с малой коэрцитивной силой (и соответственно узкой петлёй гистерезиса) называется мягким. В зависимости от назначения берутся ферромагнетики с той или иной характеристикой. Так, для постоянных магнитов используются жёсткие ферромагнетики, а для сердечников трансформаторов – мягкие. Как видно из рис.14.1, гистерезис приводит к тому, что намагничивание ферромагнетика не является однозначной функцией внешнего магнитного поля и зависит от «магнитной» предыстории образца.

В связи с неоднозначностью зависимости В от Н понятие магнитной проницаемости применяется лишь к основной кривой намагничивания (кривая ОА на рис. 14.1). Магнитная проницаемость ферромагнетиков  является функцией намагничивающего поля Н. Эта зависимость показана на рис.14.2. Объяснение результатов, показанных на рис. 14.1 и 14.2, студенты должны сделать самостоятельно.

Рис.14.2. Зависимость μ(H) для ферромагнетика