3.2.2 Ферромагнитные тела

У ферромагнитных тел, типичным представителем которых является железо, ϰ также положительно, но несравненно больше, чем у парамагнетиков. Кроме того, ϰ у них зависит от Н. Помимо железа в эту группу входят никель, кобальт, гадолиний, диспрозий, гольмий, эрбий и ряд сплавов.

Закономерности намагничивания ферромагнетиков были впервые исследованы А. Г. Столетовым [4].

Рис. 3.2 Зависимость индукции В (а), намагниченности I_m (б) и восприимчивости ϰ (в) от Н для мягкого железа

C увеличением намагничивающего поля В и I_m растут вначале быстро, затем рост замедляется, а начиная с некоторого значения H_s намагниченность достигает практически предельного значения I_s; дальнейшее медленное увеличение индукции происходит почти исключительно за счет роста Н. Это состояние соответствует техническому насыщению ферромагнетика; при приближении к нему ϰ → 0.

Тщательное изучение кривой намагничивания показывает, что с увеличением Н рост I_m происходит не плавно, а скачкообразно. Особенно хорошо это проявляется на участке крутого подъема кривой намагничивания. На

рис. 3.2, б представлен в увеличенном масштабе небольшой отрезок кривой намагничивания, обведенный окружностью. Этот отрезок состоит из большого числа ступенек, отвечающих отдельным скачкам в изменении I_m при плавном увеличении Н. Скачкообразный характер протекания процесса намагничивания был установлен Баркгаузеном и назван эффектом Баркгаузена [4].

Рис. 3.3 Кривая полного цикла перемагничивания ферромагнетика

Из рис. 3.3 видно, что при перемагничивании изменение В отстает от изменения Н и при Н = 0 равно не нулю, а В_ос. Явление такого отставания В от Н получило название магнитного гистерезиса, а индукция В_ос — остаточной индукции или остаточного магнетизма. Для ее уничтожения требуется приложение размагничивающего поля Н_к, которое называют удерживающей силой. Замкнутую кривую АВ_осН_к А'В'_осН'_кА, описывающую цикл перемагничивания, называют петлей гистерезиса. Площадь петли пропорциональна работе перемагничивания единицы объема ферромагнетика. В процессе перемагничивания эта работа полностью переходит в теплоту. Поэтому при многократном перемагничивании ферромагнетик нагревается и тем интенсивнее, чем большей петлей гистерезиса он обладает [4].

В зависимости от формы и площади петли гистерезиса ферромагнитные материалы разделяют на «мягкие» и «жесткие», или высококоэрцитивные. Магнитномягкие материалы, применяемые для изготовления сердечников электрических машин и приборов, обладают низкой коэрцитивной силой и высокой проницаемостью. У лучших сплавов этого типа (супермаллой) μ достигает значения ≈10⁵, индукция при насыщении В_s ≈1 Тл, а коэрцитивная сила Н_к всего лишь ≈ 0,32 А/м. Петля гистерезиса у них настолько узкая, что потери на перемагничивание оказываются примерно в 500 раз меньше, чем у мягкого магнитного железа. Высококоэрцитивные материалы характеризуются значительной коэрцитивной силой и остаточным намагничиванием. Так, у сплава магнико, идущего на изготовление постоянных магнитов, Н_к ≈ 5 * 10⁴ А/м, В_ос = 1,35 Тл.

Ферромагнетики	Железо	Кобальт	Никель	30%-ый пермаллой
‮θк, ºС	770	1150	360	70

При нагревании ферромагнитных тел их магнитные свойства изменяются — уменьшаются ϰ, I_m, μ и т. д. Для каждого ферромагнетика существует такая температура θ_к, при которой он утрачивает свои ферромагнитные свойства. Эта температура названа ферромагнитной точкой Кюри. В качестве примера приведем точки Кюри для некоторых ферромагнитных тел [4].

Рис. 3.4 Зависимость предельной намагниченности железа,

никеля и кобальта от температуры

Выше θ_к ферромагнетики становятся парамагнетиками с характерной для них линейной зависимостью 1/ϰ от Т, которое хорошо передается следующим соотношением, получившим название закона Кюри — Вейсса:

ϰ = С/Т- θ,

где С — постоянная Кюри; θ — парамагнитная температура Кюри (она несколько выше θ_к).

На рис. 3.4 показана зависимость предельной намагниченности железа, никеля и кобальта от температуры. По оси абсцисс отложено отношение Т/‮θ_к, по оси ординат — отношение I_s(T)/I_s (0). В таких относительных координатах зависимость намагничивания от температуры выражается одной и той же кривой для всех ферромагнитных тел. С повышением температуры намагниченность уменьшается и в точке Кюри практически равна нулю [4].

Монокристаллы ферромагнетиков обладают анизотропией намагничивания. В качестве примера на рис. 3.5 приведены кривые намагничивания кристаллов железа (а) и никеля (б) в направлениях [111], [110] и [100]. Из рис. 3.5 видно, что в монокристалле существуют направления, вдоль которых намагничивание происходит наиболее легко и магнитное насыщение достигается при невысоких значениях Н. Их называют направлениями легкого намагничивания. Для железа таковым является [100], для никеля — [111]. В направлениях же [100] и [111], у железа и [110], и [100], у никеля намагничивание происходит значительно труднее и магнитное насыщение достигается при значительно более высоких Н.

Эти направления называют направлениями трудного намагничивания. Интеграл, взятый по кривой намагничивания, выражает работу, расходуемую на намагничивание кристалла в данном направлении.

Um=∫ HdI (7.13)

Эта работа переходит в свободную энергию намагниченною кристалла [4].

Рис. 3.5 Кривые намагничивания кристаллов железа (а) и никеля (б) в направлениях [111], [110] и [100]

Рис. 3.6 Изменение относительной длины стержня из никеля, отожженного и литого кобальта, железа и стали при намагничивании в полях постепенно увеличивающейся напряженности

Из рис. 3.5 видно, что наименьшей свободной энергией обладает кристалл, намагниченный в легком направлении, наибольшей — намагниченный в наиболее трудном направлении.

Намагничивание ферромагнитных тел сопровождается изменением их размера и формы. Это явление получило название магнитострикции [4].

Наибольшее относительное укорочение испытывает никель (почти 0,004%), железо и сталь в слабых полях слегка удлиняются, в более сильных — укорачиваются, литой кобальт, наоборот, в слабых полях укорачивается, в сильных — удлиняется (рис. 3.6).

В соответствии с принципом Ле Шателье о противодействии системы влиянию внешних факторов, стремящихся изменить ее состояние, механическая деформация ферромагнитных тел, приводящая к изменению их формы и размера, должна оказывать влияние на намагничивание этих тел. Именно, если при намагничивании тело испытывает в данном направлении сокращение своих размеров, то приложение в этом направлении напряжений сжатия способствует намагничиванию, приложение напряжений растяжения — затрудняет намагничивание. Изменение магнитных свойств ферромагнитных тел при деформации называют магнитоупругим эффектом. Некоторые ферромагнитные материалы настолько чувствительны к внутренним напряжениям, возникающим при деформировании, что это их свойство используется в гензометрических целях для измерения деформации и напряжений [4].

Если ферромагнитное тело намагничивается в переменном магнитном поле, то его размеры меняются с частотой, равной удвоенной частоте поля. Это используют для устройства магнитострикционных вибраторов, позволяющих получать мощные ультразвуковые колебания с частотой до нескольких мегагерц. Такие вибраторы применяют в установках для ультразвуковой обработки твердых тел и очистки их oт загрязнений, в эхолотах, служащих для измерения глубины водоемов, и многих других установках и приборах.

Интересным и важным является вопрос о тепловом расширении ферромагнитных тел. Расширение твердых тел при нагревании обусловлено, как мы знаем, ангармоническим характером колебаний частиц около своих положений равновесия. У диамагнитных и парамагнитных твердых тел ангармоничность является единственной причиной изменения их размера при нагревании. Поэтому с повышением температуры такие тела всегда

расширяются [4].

Обозначим коэффициент линейного расширения, обусловленный ангармоническим характером колебаний атомов, через α₁.

Рис. 3.7 Зависимость коэффициента термического расширения железоникелевых (а) и железоплатиновых (б) сплавов от их состава

В ферромагнитных материалах дело обстоит сложнее. Изменение температуры приводит к изменению их намагниченности и тем самым к изменению их размеров. Это явление было названо Н. С. Акуловым термострикцией.

Обозначим коэффициент линейного расширения, обусловленный термострикцией, через α₂. Полный коэффициент термического расширения ферромагнитных тел α = α₁ + α₂. Коэффициент α₁ всегда положителен, α₂ может быть и положительным и отрицательным. Поэтому полный коэффициент термического расширения ферромагнитных материалов может быть положительным, равным нулю и отрицательным. В частности, к группе ферромагнитных материалов, имеющих отрицательную «ферромагнитную» часть термического коэффициента линейного расширения, относятся инварные сплавы [4].

У сплавов, содержащих 36% никеля, α примерно в 10 раз меньше, чем у чистого никеля и железа у сплава, содержащего 56% платины α отрицателен: такой сплав при нагревании не расширяется, а, наоборот, сжимается.

Инварные сплавы находят широкое практическое применение в приборостроении, метрологии, авиации, в производстве электро- и радиоламп и т.д. В зависимости от практического назначения могут быть изготовлены сплавы, обладающие весьма малым, нулевым и даже отрицательным коэффициентом термического расширения [4].