§21.9. Особенности намагничивания ферромагнетиков

Если ферромагнетик намагничивается из состояния М=0, то зависимость М(Н) называется кривой начального намагничивания и имеет вид, представленный на рисунке. Нелинейный характер зависимости является следствием смены ведущих механизмов в процессе намагничивания. В результате можно выделить четыре области значений Н, соответствующих различным механизмам.

Рис.21.8

I. Малая величина внешнего поля. Плавное (обратимое) перемещение границ доменов. При снятии внешнего поля домены принимают свой прежний вид.

II. Необратимое движение границ доменов. Дефекты кристаллической структуры препятствуют обратимому движению доменов. Сопротивление преодолевается внешним полем большего значения. При его снятии дефекты препятствуют возврату стенок в прежнее состояние.

III. Необратимый переворот ориентации доменов

IV. Состояние насыщения, которое достигается при значении внешнего поля, равного полю насыщения H_S (от английского слова saturation  насыщение). Все атомные магнитные моменты ориентированы по внешнему полю, М перестаёт зависеть от Н и приобретает своё максимальное значение М_S.

Термин «необратимое», «необратимый», несколько раз употреблявшийся только что, означает, что у ферромагнетиков не существует однозначной зависимости М(Н).

Если за пределами обратимой области I внешнего поля начать уменьшать Н, то М не будет повторять прежние значения в обратном порядке, а пойдет по новой ветви, «отстающей» от ветви обратимого размагничивания. Т.е. реакция системы на внешнее воздействие не будет определяться только внешним воздействием, но также и состоянием, в котором она испытывает это внешнее воздействие. Отсюда следует, что будущее системы зависит от ее прошлых состояний и, следовательно, от того, какие воздействия испытывала система в прошлом. Значит, система обладает памятью. Экспериментально измеренное поведение ферромагнетика при циклическом перемагничивании за пределами обратимости демонстрирует петлю гистерезиса (петлю отставания) отклика системы на внешнее поле. Каждая из петель, приведенных на рисунке 21.9, соответствует своему максимальному значению внешнего поля H_max, и получена в результате его постепенного увеличения. Вершины петель, соответствующих различным амплитудным значениям внешнего поля, образуют кривую, называемую основной кривой намагничивания. Она практически точно воспроизводит кривую начального намагничивания.

Уменьшение H_max приведет к петле, которая не воспроизведет в точности никакую петлю из семейства, представленного на предыдущем рисунке, но в целом окажется ближе к началу координат. Постепенное уменьшение амплитуды внешнего поля приведет к «стягиванию» петли к началу координат и к размагничиванию ферромагнетика до 0 (рис.21.10). Таким образом, из намагниченного в полностью размагниченное состояние вернуться можно только по спирали.

Увеличение H_max до значения поля насыщения H_S приведет к предельной петле гистерезиса (рис.21.11). Быстрое уменьшение внешнего поля до 0 из состояния с Н=H_S приведет не к нулевому значению намагниченности, а к ее конечному значению M_r, которое называется остаточной намагниченностью (residual  остаточный). Соответствующее значение магнитной индукции B_r=₀M_r называется остаточной индукцией. Именно остаточные намагниченность и индукция являются основной чертой постоянных магнитов и представляют собой память системы о прошлых воздействиях в их отсутствие (например, в магнитофонной записи).

Для того, чтобы намагниченность и магнитная индукция в предельной петле стали равными 0 необходимо изменить направление внешнего поля и увеличить его до величины Н_С, которая называется коэрцитивной силой. Она определяет ширину предельной петли гистерезиса, а следовательно, вместе с остаточной намагниченностью, и ее площадь. Элементарная работа окружения по однородному намагничиванию единицы объёма магнетика имеет выражение:

.

При циклических процессах перемагничивания интеграл всегда равен 0. Геометрический смысл произведенияMdH  элементарная площадь на координатной плоскости (Н,М). Следовательно, работа источников внешнего поля по циклическому перемагничиванию единицы объёма магнетика равна площади петли гистерезиса в осях (Н,М), умноженной на . Поскольку, в результате цикла состояние магнетика не меняется, то вся эта работа выделяется в виде тепла.

Для различных технических нужд требуются ферромагнетики с различными свойствами. Для хранения памяти необходима система, устойчивая к внешним воздействиям, то есть работа на перемагничивание должна быть большой. Это означает необходимость большой коэрцитивной силы. Если перемагничивание носит лишь служебный характер, как, например, в сердечнике трансформатора, то работа на перемагничивание выделяется в виде тепловых потерь и должна быть сведена к минимуму. В этом случае коэрцитивная сила должна быть небольшой. Ферромагнетики с коэрцитивной силой менее 4 кА/м называют мягкими, а с Н_С>4 кА/м  жесткими. На рисунк 21.12 представлены предельные петли гистерезиса мягкого (слева) и жесткого ферромагнетиков.

Рис.21.12