19.5. Сильномагнітні речовини

19.5.1. Феромагнетики

Сильномагнітними є феро- антиферо- і феримагнетики.

Феромагнетики на відміну від діа- і парамагнетиків мають залишковий магнетизм, тобто намагніченість при напруженості магнітного поля .

До феромагнетиків відносяться Fe, Ni, Co, ряд рідкоземельних елементів; сплави та сполуки цих елементів. Зо своїми властивостями вони подібні сегнетоелектрикам, розглянутих в §  15.5.

Магнітна сприйнятливість  для феромагнетиків досягає значень ~10³-10⁶, тобто незрівнянно більша від значення для діа- і парамагнетиків.

Магнітна сприйнятливість  (а отже, і магнітна проникність =1+) у діа- і пара- магнетиков не залежить від напруженості поля H (рис. 19.4, а), у той час як для феромагнетиків  (а отже, і ) є функцією від H (рис. 19.4, б — крива Столєтова).

У діа- і пара- магнетиків намагніченість J лінійно залежить від H у не дуже сильних полях (рис. 19.5, а). Тільки в дуже сильних полях наступає нелінійність для парамагнетиків. У феромагнетиків залежність J(H) нелінійна, починаючи з дуже слабких магнітних полів (рис. 19.5, б).

Рис. 19.5

Рис. 19.4

Як і для сегнетоелектриків (де відбувається відставання поляризованості P від зміни напруженості поля E, тобто виникає явище гістерезису), так і для феромагнетиків спостерігається подібне явище відставання J від H, що також називається гістерезісом (рис. 19.6). На цьому рисунку J₀ — залишковий магнетизм, H_c — коерцитивна сила.

Рис. 19.6

Рис. 19.7

При більш детальному дослідженні залежності J від H Баркгаузен виявив стрибкоподібне зростання намагніченості J зі зростанням напруженості магнітного поля H (ефект Баркгаузена — рис. 19.7).

Існує деяка температурна точка, так звана точка Кюрі, вище якої феромагнетик втрачає свої незвичайні властивості й стає звичайним парамагнетиком. Для заліза вона дорівнює 768 ⁰C.

Для феромагнетиків характерне явище магнітострикції, тобто зміна форми й розмірів тіла при його намагнічуванні.

Природа феромагнетизму була пояснена Я. И. Френкелем і В. Гейзенбергом в 1928 р. на основі уведених раніше Вейсом уявлень про доменну структуру феромагнетиків. Домен являє собою область (розміром ~10  мкм), де магнітні моменти електронів (спіни) самочинно орієнтуються паралельно один одному. З накладанням магнітного поля домен повертається як ціле так, що його магнітний момент стає паралельним вектору . Поворот кожного домена супроводжується помітним ростом намагніченості, що й пояснює ефект Баркгаузена. Коли всі домени зорієнтуються уздовж поля, наступає насичення.

Якщо феромагнетик намагнітити до насичення, а потім зменшувати напруженість поля H, значення намагніченості залишається завищеним у порівнянні із прямим ходом, оскільки зберігається переважна орієнтація доменів у напрямку поля. Таке запізнювання в переорієнтації доменів пояснює петлю гістерезису.

При температурі вище точки Кюрі домени руйнуються і феромагнетик перетворюється в парамагнетик. При охолодженні феромагнетика нижче точки Кюрі доменна структура відновлюється.

19.5.2. Ферримагнетики

До феримагнетиків відноситься група речовин, у яких, як і у феромагнетиків є доменна структура, однак у феримагнетиків усередині домену є переважна орієнтація спінів електронів. За своїми магнітними властивостями вони аналогічні феромагнетикам. Значна частина феримагнетиків (феритів) — це діелектричні або напівпровідникові кристали, що містять магнітні атоми різних елементів: Fe₃O₄, MgFe₂O₄, численні мінерали (ферити-шпинелі, ферити-гранаты тощо).