Ферромагнетики. Магнитный гистерезис. Точка Кюри.

Некоторые из веществ обладают свойством давать весьма боль-шое добавочное поле. Такие вещества характеризуются большой маг-нитной проницаемостью μ (∼ 10 ⁴–10⁵) и называются ферромагнитны-ми.К числу ферромагнитных веществ относятся железо,никель,кобальт, их сплавы и некоторые сплавы неферромагнитных веществ.

Ферромагнитные вещества обладают рядом особенностей:

– они сохраняют намагниченность и после того, как намагничи-вающее поле прекратило свое действие;

– магнитная проницаемость μ (а также магнитная восприимчи-вость χ) для них не являются величиной постоянной, а зависят от на-пряженности намагничивающего поля (рис. 4.4.1). Зависимость маг-нитной проницаемости μ (или восприимчивость χ) от Н характеризуется тем, что μ (или χ) сначала сильно возрастает с увели-чением напряженности намагничивающего поля, а затем, достигнув максимума, начинает уменьшаться. При больших значениях намагни-чивающего поля значение μ стремится к единице, а χ – к нулю.

μ

μmax

1

O H

Рис. 4.4.1

Рассмотрим графическую зависимость намагничивания J от на-пряженности поля Н (рис. 4.4.2). Как видно из графика, намагничива-ние быстро возрастает с увеличением напряженности, а затем возрас-тание уменьшается, и, наконец, начиная с некоторого значения Н, дальнейшее увеличение напряженности не дает увеличения намагни-чивания J, что соответствует горизонтальному участку графика. Это

явление, открытое русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (1872 г.), носит название магнитного насыщения.

Зависимость магнитной индукции В от напряженности намагни-чивающего поля Н выражается сходным графиком, не имеющим, од-нако, горизонтальной части (рис. 4.4.3). При насыщении магнитная индукция растет по линейному закону в зависимости от напряженно-сти внешнего поля.

J B

Jнас

Весьма важной особенностью ферромагнетиков является магнит-ный гистерезис.Явление гистерезиса заключается в том,что намаг-ниченность J (следовательно, и магнитная индукция В) зависит, не только от значения напряженности намагничивающего поля Н в дан-ный момент, но и от того, какова напряженность была раньше.

На рис. 4.4.4 приведен график зависимости J от Н. Ветвь кривой 0А дает возрастание намагниченности J при увеличении поля Н при условии, что намагничивание производится первый раз. Точка А соот-ветствует насыщению (намагниченность достигает максимального значения J_нас). Если после того как насыщение достигнуто, начать уменьшать напряженность поля H, то намагниченность J будет спа-дать не по кривой А0, а по новой кривой АС. Тем же самым значениям H,проходимым в обратном порядке,соответствуют большие значения J.При H = 0намагниченность полностью не пропадает,а сохраняется остаточная намагниченность J_ост.Чтобы вызвать дальнейшее умень-шение J, надо изменить направление намагничивающего поля Н на обратное. При некотором определенном Н = –Н_c намагниченность J пропадает (точка D). Значение Н_с называется коэрцитивной силой. При еще большем возрастании напряженность H обратного по на-правлению поля возникает намагниченность обратного знака. Здесь может быть также достигнуто насыщение (точка А'). Далее уменьшая напряженность обратного по направлению магнитного поля до нуля получаем остаточную намагниченность –J_ост (точка C'). Чтобы убрать остаточную намагниченность необходимо приложить поле напряжен-

ностью +Н_c (точка D'). Если затем напряженность H магнитного поля увеличивать до значения +Н_нас, то зависимость J от Н изобразится симметричной кривой АCDA'C'D'А, которую назвали петлей гистере-зиса.Если намагниченность ферромагнетика достигает насыщения,топетля гистерезиса называется максимальной (рис. 4.4.4, сплошная ли-ния). Если в процессе намагничивания ферромагнетика насыщение не достигается, то полученную петлю гистерезиса называют частным циклом (рис. 4.4.4,пунктирная линия).Все частные циклы лежатвнутри максимальной петли гистерезиса.

J

+Jост А

С

–Hнас –Hс D′

D 0 +H_с +Hнас H

С′

А′ –Jост

Рис. 4.4.4

В результате явления гистерезиса одному и тому же значению намагничивающего поля H могут соответствовать несколько значений намагниченности J. Например, Н = 0 соответствуют: 1) отсутствие намагниченности (точка 0); 2) намагниченность, выражаемая отрезком 0D (имеет место после намагничивания ферромагнетика ); 3) намагни-ченность, выражаемая отрезком 0D' (имеет место после перемагничи-вания ферромагнетика).

Различные ферромагнитные вещества дают весьма разнообразные кривые гистерезиса. Ферромагнитные свойства оказываются тесно свя-занными с кристаллической структурой вещества. Кривые намагничения (петли гистерезиса) реальных материалов зависят от их мелкокристал-лической структуры и меняются под влиянием внешних воздействий. Принято различать «магнитомягкие» ферромагнетики, характеризуемые малой коэрцитивной силой, и «магнитожесткие», характеризуемые большой коэрцитивной силой. Магнитомягкие ферромагнетики исполь-зуются для изготовления сердечников электрических машин (трансфор-

маторов, генераторов, электродвигателей). Магнитожесткие ферромаг-нетики используются как постоянные магниты.

Ферромагнетизм специфически связан с твердой фазой вещества. Для всякого ферромагнетика существует такая температура Т = Θ, при которой его ферромагнитные свойства пропадают. Эта температура Θ называется температурой или точкой Кюри. При температурах, ле-жащих выше точки Кюри, ферромагнетик ведет себя, как обычное па-рамагнитное вещество. В точке Кюри наблюдается не только исчезно-вение ферромагнитных свойств у вещества, но и аномалия в ряде других их свойств, например, аномалия в ходе теплоемкости, электро-проводности и т. д.

Рис. 4.4.5

Рассмотренные особенности ферромагнетика обусловлены тем, что в нем имеется множество сравнительно крупных самопроизвольно намагниченных областей , называемых доменами (рис. 4.4.5). Домены содержат большое число атомов, и в пределах одного домена спино-вые магнитные моменты электронов всех атомов ориентированы оди-наково. Это упорядочение определяется специфическим (квантово-механическим) взаимодействием спинов молекул ферромагнитных веществ. Возникновение доменной структуры соответствует миниму-му энергии тела.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты различных доменов ориентированы беспорядочно, в результате чего те-ло в среднем не намагничено (рис. 4.4.6, а). С появлением внешнего магнитного поля домены, ориентированные в направлении этого поля начинают увеличиваться в объеме за счет соседних доменов, имеющих иные ориентации магнитных моментов. Ферромагнетик начинает на-магничиваться (рис. 4.4.6, б). Сначала при увеличении напряженности внешнего поля происходит обратимый рост границ доменов, ориентиро-ванных по полю (рис. 4.4.7, область 1); при дальнейшем возрастании по-ля происходит необратимый рост границ доменов (рис. 4.4.7, область 2). Далее происходит переворачивание доменов, ориентированных против поля, в направлении внешнего поля (рис. 4.4.7, область 3). При доста-точно сильных полях все домены ориентируются в направлении поля (ферромагнетик представляет собой один монодомен) и намагничива-ние достигает насыщения (рис. 4.4.6, в).

Jнас

O

J

1 2 3

H

Рис. 4.4.7

При выключении внешнего поля тепловое движение не в состоя-нии полностью разрушить преимущественную ориентацию доменов. Поэтому ферромагнетики полностью не размагничиваются, а сохра-няют остаточную индукцию (намагниченность). Этим объясняется яв-ление гистерезиса.

При нагревании ферромагнетика до точки Кюри тепловое движение молекул становится достаточно интенсивным, чтобы разрушить домены. Поэтому исчезает спонтанная намагниченность, и ферромагнетик ведет себя как обычный парамагнетик. Процесс, связанный переходом через точку Кюри, не сопровождается выделением или поглощением теплоты, что указывает на фазовый переход второго рода.