книги / Справочное пособие по магнитным явлениям

Рис. 3.13. Петля гистерезиса для за­ висимости между температурой и магнитной восприимчивостью. При не­ которых магнитных явлениях намагни­ ченность, достигаемая при данной конкретной температуре, зависит от предыстории охлаждения или нагрева­ ния вещества

в единичном объеме вещества, на которое воздействует внешнее магнитное поле с единичной напряженностью. Значения маг­ нитной восприимчивости различных веществ существенно различаются. На рис. 3.12 иллюстрируется общий характер изменения магнитной восприимчивости для некоторых веществ при изменении температуры (кривые на графике не приведены к единому масштабу). Здесь показаны соотношения между тепловыми силами и силами, требуемыми для упорядочения ориентаций осей магнетонов в зависимости от значения темпера­ туры. У некоторых веществ соотношение между температурой и магнитной восприимчивостью характеризуется петлей гисте­ резиса, которая приведена на рис. 3.13.

3.25. ПРЕЛОМЛЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОТОКА

Если ферромагнитное тело, состоящее из двух частей с раз­ ными магнитными проницаемостями, помещено во внешнее магнитное поле, то результирующие силовые линии изменяют свое направление, переходя через поверхность раздела между двумя частями тела. При переходе из одной ферромагнитной среды в другую отношение тангенсов угла падения и угла пре­ ломления остается постоянным. Это явление преломления м аг­ нитного потока отличается от преломления света, поскольку в случае преломления световых лучей сохраняется постоянство отношения синусов углов падения и преломления.

3.26. СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ

Оси всех магнетонов, содержащихся в данном объеме веще­ ства, могут быть упорядочены по направлению либо за счет обменных сил, либо под воздействием приложенных извне маг­ нитных полей. Если мгновенно изменить ориентацию одного из упорядоченных магнетонов, то это отклонение не останется лока­ лизованным в малой области, а начнет распространяться в виде спиновой волны по всей структуре атомной решетки дан­ ного вещества.

Спиновые волны представляют собой колебания относительных ориентаций осей магнетонов решетки и отличаются от вибраций решетки, которые совершаются относительно равновесных рас-

положений атомов решетки. Эти явления иллюстрируются на рис. 8.7 и 8.9. Вибрации решетки, представленные в квантовой форме, называются фононами, а спиновые волны, представленные в квантовой форме,— магнонами. Последние оказывают влияние на тепловые потоки, электрический ток и на другие процессы переноса энергии.

3.27. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Магнитоэлектрическими называют вещества, которые намаг­ ничиваются под действием электрических полей и электрически поляризуются под действием магнитных полей. Такие вещества содержат молекулы, являющиеся асимметричными в смысле неравномерного распределения электрического заряда. Иными

Рис. 3.14. Магнитоэлектрический эф­ фект. Парамагнитное вещество, со­ стоящее из асимметричных ядерных магнетонов, электризуется в магнит­ ном поле и намагничивается в электри­ ческом поле:

• — электрон; О — ион

Рис. 3.15. Магнитоэлектрическая диаграмма Фойгта. Если вещество одновре­ менно испытывает действие механической силы, тепла и магнитного и (или) электрического поля, то любой из этих факторов влияет на эффекты, порождае­

мые любым другим фактором:

/ — пьезокалорический; 2 — магнитоэлектрический; 3 — термоупругнй; 4 — электро­ магнитный

словами, каждая асимметричная молекула представляет собой электрический диполь.

Другое проявление асимметрии заключается в том, что спины различных частиц каждой молекулы не полностью уравно­ вешиваются противоположно направленными спинами соседних частиц. В результате этого каждая молекула обладает неко­ торым результирующим спином наряду с результирующим распределением электрического заряда. Иначе говоря, магнито­ электрические вещества содержат электрические диполи со спином. При отсутствии упорядочивающих ориентации сил эти диполи имеют случайное распределение ориентаций, при котором как их электрические поля, так и магнитные спины компенси­ руются за счет взаимовлияния соседних частиц.

Вещества, в которых сохраняется случайное распределение ориентаций таких частиц, можно назвать парамагнитоэлектрическими. Наблюдались также ферромагнитоэлектрические явления. Не исключена возможность существования и ферримагнитоэлектрических веществ.

Поскольку рассматриваемые асимметричные молекулы со спином порождают соосные поля — электрическое и магнитное, любая сила, способная упорядочивать ориентации таких моле­ кул, приводит к появлению как электрического, так и магнитного поля во всем объеме магнитоэлектрического вещества (рис. 3.14).

Магнитоэлектрическая диаграмма Фойгта, представленная на рис. 3.15, указывает на одновременное существование пиромагнитного эффекта и пьезомагнитного эффекта, связанных соответствующим образом с пироэлектрическим и пьезоэлектри­ ческим эффектами, свойственными всем кристаллическим веществам.

4. МАГНИТНЫЙ ГИСТЕРЕЗИС

Намагниченность, обусловленная диамагнетизмом или пара­ магнетизмом, пропорциональна намагничивающей силе, причем каждому значению этой силы соответствует лишь один уровень намагниченности. В случае ферромагнетизма, однако, для каж­ дого значения намагничивающей силы существует определенный диапазон уровней намагниченности. Конкретный достигаемый уровень намагниченности зависит от «предыстории» намагни­ чивания вещества, т. е. от характера предшествующего процесса намагничивания. Любое явление, результат которого зависит от его предыстории, называют гистерезисным.

Магнитный гистерезис определяется характеристиками доменов. Домен представляет собой область, в которой магне­ тоны ориентированы в одном и том же направлении. Домен

называется насыщенным, если в его пределах не имеется магнетонов, за счет которых можно было бы дополнительно увеличить намагниченность вещества.

Домены самопроизвольно формируются в кристаллах фер­ ромагнитных веществ, пока их температура не превышает точку Кюри. При температурах выше точки Кюри преобладает слу­ чайная тепловая активность частиц, домены распадаются, вещество приобретает парамагнитные свойства и утрачивает гистерезисные характеристики.

4.1. МАТРИЦА ДОМЕНОВ

Домены возникают спонтанно, как взаимосвязанные элементы определенных групп доменов. Они ориентированы в различных направлениях, причем магнитное поле каждого из них практи­ чески нейтрализуется полями соседних доменов. Фактически все домены в пределах одного кристалла организованы таким образом, чтобы минимизировалось магнитное поле вне данного кристалла. Как показано на рис. 4.1, домены кристалла в поликристаллическом веществе ориентированы так, что их поля противодействуют одно другому и способствуют нейтрализации полей соседних кристаллов. Штриховкой на рисунке выделен один кристалл, являющийся составной частью матрицы из множества кристаллов.

Домены имеют очень малые размеры, обычно меньшие, чем отдельный кристалл, поскольку в каждом кристалле должны присутствовать несколько доменов, чтобы обеспечить миними­ зацию внешнего поля кристалла. Если же частица магнитного вещества настолько мала, что в ней не могут поддерживаться силы, требуемые для стенок доменов, то эта частица существует в форме отдельного домена. На рис. 20.3 иллюстрируются два однодоменных кристалла.

Матрица

срерромагнитных крист аллов

Рис. 4.1. Как в ферромагнитных, так и в ферромагнитных веще­ ствах магнетоны упорядочивают­ ся по ориентациям с групповым противодействием в пределах от­ дельных кристаллов, причем на ориентации групп в каждом кри­ сталле влияют ориентации групп в соседних кристаллах:

4.2. ВЛИЯНИЕ СЛАБОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Конфигурация доменов в ферромагнитных кристаллах отра­ жает условия минимальной энергии. Домены организованы так, что минимизируются внешние магнитные поля. Если ферро­ магнитное вещество помещено в слабое магнитное поле, то те домены, ориентация которых близка к общему направлению приложенного внешнего поля, становятся больше по размерам, а те домены, которые ориентированы иначе, уменьшаются. Эти объемные изменения доменов объясняются тем, что приложенное поле усиливает поля кристалла, в результате чего устанавлива­ ется новая конфигурация распределения магнетонов, обеспе­ чивающая минимум энергии.

Благодаря упругости стенок доменов указанные объемные изменения осуществляются довольно легко. Все магнетоны одного домена имеют одну и ту же ориентацию. Однако внутри стенок доменов ориентации магнетонов постепенно изменяются по пространству от направления, соответствующего состоянию насыщения одного домена, до направления, соответствующего состоянию насыщения соседнего домена (см. рис. 3.8). Угловая разность ориентаций соседних магнетонов стенки очень мала и остается практически постоянной для всех магнетонов стенки. Небольшое смещение в одном и том же направлении каждой из этих малых угловых разностей приводит в итоге к смещению стенки Блоха.

Поскольку все смежные магнетоны поворачиваются лишь незначительно, в этих условиях отсутствуют химические силы, которые поддерживали бы определенный угол наклона этих магнетонов. После смещения стенки для каждого магнетона сохраняется один и тот же угол между его направлением и направлениями соседних магнетонов независимо от того, где оказалась стенка. Это справедливо по крайней мере для всех магнетонов стенки, за исключением тех, которые непосредственно примыкают к доменам. Эти граничные магнетоны просто «обме­ ниваются ориентацией» с соседними магнетонами — на одной стороне стенки магнетоны стенки превращаются в магнетоны домена, а на другой ее стороне, наоборот, магнетоны домена превращаются в магнетоны стенки. Однако при любом сдвиге стенки доменов относительно положения, соответствующего мини­ мальному внешнему полю кристалла, происходит увеличение этого поля. Если напряженность поля кристалла превысит определен­ ное значение и не будет поддержана некоторым внешним полем, то домены возвратятся к своей первоначальной конфигурации.

Диапазон возможных устойчивых конфигураций доменов с минимальной энергией иллюстрируется на рис. 4.3. Здесь сим­ волами 0 |, Ог и 0 4 обозначены три различные комбинации из четырех доменов, которые сами по себе достаточно устойчивы, но допускают плавный переход к другим устойчивым конфигурациям,

занимающим промежуточное положение между приведенными конфигурациями. Символом Оз обозначена ситуация, когда стенка Блоха «подвешена» к дефектной области решетки, так что плавный переход от одной конфигурации к другой становится невозмож­ ным. Таким образом, существует некоторое множество кон­ фигураций доменов, каждая из которых сама по себе является устойчивой в том смысле, что не создает достаточно большого внешнего поля, которое всегда обеспечивало бы возвращение к одной и той же конфигурации с нулевым полем. Этот широкий диапазон возможных устойчивых ориентаций для каждого магне­ тона лежит в основе формирования петель гистерезиса и эффек­ тов, связанных с постоянным магнитным полем. Наблюдаемые различия внешних магнитных полей разных устойчивых состоя­ ний поддерживаются энергией стенок доменов.

Небольшие изменения условий намагничивания имеют плав­ ный характер при изменении приложенного извне поля с малой напряженностью. Эти изменения являются обратимыми, поскольку при обратном изменении приложенного поля плавно восстанавливается исходное магнитное состояние вещества. Слабым магнитным полем будем называть такое поле, влияние которого на магнитное вещество сводится к смещению сте­ нок томенов.

4.3. ВЛИЯНИЕ СРЕДНЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Если увеличивать напряженность приложенного внешнего магнитного поля, то после достижения ею некоторого опреде­ ленного значения могут возникнуть дополнительные явления. Одно из них порождается дефектами кристаллической решетки. Магнитостатические поля, обусловленные несовершенством кристаллической решетки, удерживают стенку доменов в опре­ деленном положении, пока к веществу не приложено достаточно сильное поле, способное освободить стенку от этого влияния дефекта решетки. Другое явление заключается в том, что при увеличении напряженности внешнего поля размеры доменов возрастают, причем домены с более благоприятной ориентацией увеличиваются быстрее остальных до тех пор, пока каждый кристалл данного материала не станет сам по себе отдель­ ным доменом.

Два описанных явления тесно взаимосвязаны, если прило­ женное внешнее поле настолько сильно, что оно может и осво-1 бодить стенку домена от удерживающего магнитостатического поля, и превратить кристалл в один домен. При этих условиях ось намагниченности для каждого кристалла совпадает с одной осью из конечного числа его собственных кристаллографических осей, а именно с той, которая наиболее близка по направлению к приложенному полю.

После того как предпочтительный домен поглотит все осталь­ ные домены, кристалл окажется в состоянии насыщения по одному направлению. Если вещество является поликристаллическим, то домен каждого кристалла имеет ориентацию, несколько отличающуюся от ориентаций других доменов. Такие разности ориентаций поддерживаются энергией кристалло­ графической магнитной анизотропии.

4.4. ВЛИЯНИЕ СИЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

При дальнейшем увеличении напряженности приложенного магнитного поля ось намагниченности каждого домена повора­ чивается, отклоняясь от предпочтительной оси кристалла до тех пор, пока она не станет параллельной направлению приложен­ ного поля. Когда все домены приобретут такую ориентацию, рассматриваемое тело в целом оказывается в состоянии насыще­ ния. Сильными магнитными полями называют такие поля, которые поворачивают оси намагниченности кристаллов после того, как кристаллы достигнут состояния насыщения под влиянием слабых или средних магнитных полей.

Намагничивание ферромагнитных материалов осуществля­ ется за счет различных механизмов — смещения стенок доменов, разрыва магнитостатических связей, поглощения доменов и поворота осей доменов. Понятия слабого, среднего и сильного магнитных полей определяются механизмами, которые приво­ дятся в действие полем каждого типа. У разных веществ эти механизмы начинают действовать при различных уровнях при­ ложенного поля. В случае отдельного идеального, кристалла, когда отсутствуют дефекты кристаллической решетки, фактиче­ ски не происходит явлений, связанных со средними полями. При этом явления, обусловленные слабыми полями, плавно пере­ ходят в явления, вызываемые сильными полями, и исключаются эффекты разрыва магнитостатических связей.

Сочетание всех вышеуказанных механизмов лежит в основе образования петли гистерезиса.

4.5. ПЕТЛЯ ГИСТЕРЕЗИСА

Явление магнитного гистерезиса представляется графически * в виде кривой, которая изображает зависимость между напряжен­ ностью приложенного внешнего магнитного поля Н и результи­ рующей магнитной индукцией В. Для однородных веществ эти кривые всегда симметричны относительно центра графика, хотя они сильно различаются по форме для разных ферромагнитных веществ. Каждая конкретная кривая отражает все возможные устойчивые состояния, в которых могут находиться магнетоны данного вещества в присутствии или при отсутствии приложен­ ного внешнего магнитного поля. На рис. 4.2 показаны различные

Рис. 4.2. Петля гистерезиса. На­ магниченность как ферромаг­ нитных, так и ферримагнитиых веществ зависит от предыстории их намагничивания:

/ — остаточная	намагниченность;
2 — коэрцитивная	сила; 3 — сме­

щение рабочей точки

характеристики петли гистерезиса, которые определяются еледующим образом.

Остаточная намагниченность выражается магнитной силой, требующейся для возвращения доменов к исходным условиям нулевого равновесия после того, как это равновесие было нару­ шено приложенным извне насыщающим полем. Эта характери­ стика определяется точкой пересечения петлей гистерезиса оси В

(что соответствует значению Н = 0).			напряженность
Коэрцитивная	сила — это	остаточная

внешнего поля в веществе после снятия приложенного внешнего магнитного поля. Эта характеристика определяется точкой пересечения петлей гистерезиса оси Н (что соответствует зна­ чению 5 = 0 ) .

Индукция насыщения соответствует максимальному значению индукции В, которое может существовать в веществе независимо от намагничивающей силы Н. На самом деле плотность потока продолжает возрастать и после точки насыщения, но для боль­ шинства целей его увеличение является уже несущественным. Поскольку в этой области намагниченность вещества не приводит к усилению результирующего поля, магнитная проницаемость падает до очень малых значений.

Дифференциальная магнитная проницаемость выражает наклон кривой в каждой точке петли гистерезиса.

Контур петли гистерезиса показывает характер изменения плотности магнитного потока в веществе при циклическом изменении внешнего магнитного поля, приложенного к этому веществу. Если приложенное поле обеспечивает достижение состояний и положительного, и отрицательного насыщения плот­

ности	потока,	то результирующая		кривая	называется	основ­
ной	петлей	гистерезиса.	Если	же	плотность	потока

не достигает обоих экстремумов, то кривая называется вспо­ могательной петлей гистерезиса. Форма последней

зависит как от напряженности циклического внешнего поля, так и от конкретного расположения вспомогательной петли по отношению к основной. Если центр вспомогательной петли не совпадает с центром основной петли, то соответствующая разность намагничивающих сил выражается величиной, называе­ мой магнитным смещением рабочей точки.

Магнитная	проницаемость	возврата — это	значе­
ние наклона вспомогательной петли в окрестности			рабочей
точки.

4.6. ЭФФЕКТ БАРКГАУЗЕНА

Эффект Баркгаузена заключается в последовательности малых «скачков» намагниченности, возникающей при непре­ рывном изменении намагничивающей силы. Это явление наблю­ дается только в средней части петли гистерезиса.

Если кристаллическая решетка обладает идеальной симметри­ ей, то стенки доменов могут быть плавно смещены в одном или другом направлении. Если же имеются нарушения симме­ трии, то результирующие машитостатические поля препятствуют возможным изменениям направления магнетонов. Разности на­ пряженностей магнитостатического поля способствуют устано­ влению требуемых угловых разностей ориентаций магнетонов стенки, причем стенка доменов минимизирует собственную энер­ гию с использованием имеющейся магнитостатической энергии. Поскольку стенка будет обладать меньшей энергией благодаря наличию такой неоднородности, для смещения стенки и уда­ ления ее от области неоднородности потребуется большая энер­ гия.

При описанных условиях стенки доменов оказываются	как
бы «пришпиленными», или подвешенными в точках	на­

рушения регулярности кристаллической решетки; стенку домена можно плавно перемещать до тех пор, пока она не встретит такую точку. Стенка стремится удерживаться на этих областях нерегулярности и может оторваться от них лишь при условии, что приложенное внешнее поле сообщит ей достаточно большую энергию. После этого отрыва стенка удаляется от точки, к кото­ рой была прикреплена, перемещаясь скачкообразно из одного положения в другое и в процессе этого движения вызывая внезапные скачки намагниченности вещества.

На самом деле энергия отрыва стенки обычно бывает достаточно велика, чтобы вовлечь в процесс два домена. При возрастании напряженности приложенного поля, когда достига­ ются условия отрыва стенки от области неоднородности, два домена объединяются и образуют один домен с большими раз­ мерами. Это внезапное объединение доменов при возрастании напряженности внешнего поля (или расщепление доменов при уменьшении напряженности внешнего поля) лежит в основе

Рис. 4.3. Эффект Баркгаузена. Стенки доменов стремятся «по­ виснуть» на дефектах кристалла (электростатических разрывах); если заставить стенку оторвать­ ся от этого зафиксированного расположения, то произойдет скачок намагниченности:

О — дефект

эффекта Баркгаузена. Он проявляется как шум в электрических цепях, содержащих элементы с ферромагнитными материалами. Увеличение магнитной индукции, вызванное каждым таким отдельным скачком, имеет порядок величины 10“ 10 Тл.

В случае кристаллов с регулярной структурой эффект Барк­ гаузена не наблюдается. У кристаллов с дефектами он может проявиться только в средней части петли гистерезиса. В об­ ласти ниже центра петли домены плавно увеличивают свои размеры в результате смещения стенок, причем связанные с дефектами стенки при необходимости сохраняют свое поло­ жение. В области выше центра петли движение стенок не про­

исходит,	а оси доменов		плавно	поворачиваются,		отклоняясь
от предпочтительных осей кристалла.
На рис. 4.3 показана стенка доменов, прикрепленная к
дефектной	области	при	наличии	внешнего	магнитного поля
Н2 и при	нулевом	внешнем поле		(обозначение	О з).	Напряжен­

ность приложенного внешнего поля Н5 недостаточна, чтобы оторвать стенку от области дефекта; отрыв (эффект Баркгау­ зена) не происходит до тех пор, пока приложенное поле не воз­ растет до величины Н6.

4.7. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

Площадь, ограниченная петлей гистерезиса для данного ве­ щества, характеризует потери энергии, имеющие место при воз­ действии на вещество периодического магнитного поля. Эта выделенная энергия вызывает повышение температуры вещества, помещенного в периодически изменяющееся поле.