3. 1. Магнитные характеристики ферромагнетиков

В настоящее время известно, что магнитные свойства вещества обусловлены спиновым и орбитальным магнитными моментами электронов, а также магнитными моментами ядер атомов. Опыты показали, что у некоторых металлов спиновый магнитный момент играет основную роль в создании магнитного момента атома. Чтобы атом в целом имел магнитный момент, спиновые магнитные моменты должны быть нескомпенсированы. Это возможно в атомах с незаполненными оболочками. К ним относятся элементы переходной группы, редкоземельные элементы и некоторые другие. Однако наличие незаполненных оболочек в атоме еще не является достаточным условием для существования ферромагнетизма. Между спинами соседних атомов должно существовать еще сильное электрическое взаимодействие квантовомеханической природы (обменное взаимодействие). Это приводит к возникновению самопроизвольной намагниченности, когда магнитные моменты атомов ориентируются в очень малых объемах (доменах) в одном направлении, как, например, у железа (Fe), никеля (Ni), кобальта (Co), самария (Sm) и некоторых других веществ, называемых ферромагнетиками.

Существуют вещества, для которых энергетически выгодной является антипараллельная ориентация спинов (отрицательное значение обменной энергии). Эти вещества называют антиферромагнетиками. Кристаллическая решетка этих материалов состоит из двух подрешеток, каждая из которых обладает своим магнитным моментом. Магнитные моменты подрешеток направлены антипараллельно. Различают скомпенсированный (суммарный магнитный момент материала равен нулю) и нескомпенсированный антиферромагнетизм (самопроизвольная намагниченность отлична от нуля). Последние материалы носят название ферримагнетиков или ферритов. Многие свойства ферритов (доменная структура, поведение во внешних магнитных полях и т. д.) аналогичны свойствам ферромагнетиков.

Для всех веществ между намагниченностью M и внешним магнитным полем H имеется связь вида:

, (1.1)

где – магнитная восприимчивость. Величина восприимчивости диа- и парамагнитных веществ очень мала (10^-2 - 10^-6), причем у диамагнитных веществ она отрицательна. Для ферро- и ферримагнетиков соотношение (1) является нелинейным, так как существует сильная зависимость от напряженности магнитного поля, при этом восприимчивость этих веществ достигает очень больших (до 10⁶ ) значений. Если какое-либо вещество поместить во внешнее магнитное поле, то внутри этого вещества магнитные моменты атомов создадут магнитные поля, которые будут складываться с внешним полем. Среднее магнитное поле в веществе называется магнитной индукцией В. Магнитная индукция характеризует магнитное состояние вещества в некотором бесконечно малом объеме. Она является функцией внешнего магнитного поля и определяется соотношением:

, (1.2)

где – магнитная проницаемость вакуума (=410^-7 Гн/м). Величина называется магнитной проницаемостью вещества.

3. 1. 1. Поведение ферромагнетиков и ферритов во внешних магнитных полях

При отсутствии внешнего магнитного поля в зависимости от магнитной предыстории ферромагнетики могут находиться как в размагниченном состоянии (М = 0, Н=0), так и в состоянии с некоторой остаточной намагниченностью (М  0, Н = 0). Размагниченное состояние характеризуется тем, что магнитные моменты доменов распределены совершенно хаотично. Его можно получить, например, нагреванием вещества выше точки Кюри (то есть температуры, при которой ферромагнетик становится парамагнетиком) и последующим охлаждением в отсутствии магнитного поля или помещением в переменное магнитное поле с плавно убывающей амплитудой.

При увеличении внешнего магнитного поля H магнитное состояние предварительно размагниченного ферромагнетика меняется по кривой намагничивания (см. рис. 1. 1).

Кривую намагничивания ферромагнетиков можно условно разделить на несколько участков, которые характеризуются определенными процессами намагничивания. В области начального или обратимого намагничивания (участок 1) магнитная восприимчивость  и проницаемость  являются постоянными величинами. Изменение намагниченности в этой

области происходит в основном за счет обратимых процессов, которые обусловлены упругим смещением границ между доменами, и описывается выражением:

, (1.3)

где – начальная магнитная восприимчивость.

Рис. 1. 1. Кривая намагничивания ферромагнетика

Вторая область кривой намагничивания (область Релея) характеризуется тем, что в этой области наряду с обратимым смещением доменных границ существенную роль начинают играть необратимые процессы смещения. В этой области зависимость намагниченности от поля подчиняется закону Рэлея:

, (1.4)

где – коэффициент Рэлея.

Третья область кривой соответствует быстрому возрастанию намагниченности, изменение которой имеет здесь ступенчатый вид (скачки Баркгаузена), что связано с преимущественно необратимым смещением границ между областями самопроизвольной намагниченности.

В области 4 (область приближения к насыщению) изменение намагниченности объясняется главным образом процессами вращения, когда направление вектора самопроизвольной намагниченности доменов приближается к направлению внешнего поля. Процессы вращения могут носить как обратимый, так и необратимый характер.

На последнем участке (5) кривой намагничивания значение намагниченности практически равно намагниченности насыщения . Слабое увеличение намагниченности здесь происходит в результате ориентации спиновых моментов отдельных электронов, находящихся внутри областей самопроизвольной намагниченности.

Если после получения основной кривой намагничивания уменьшать постепенно значение магнитного поля, то кривая намагничивания не будет совпадать с основной кривой (см. рис. 1. 2). Для одних и тех же значений напряженности магнитного поля получаются различные значения намагниченности. Это явление называется магнитным гистерезисом.

Значение намагниченности, получаемое при напряженности поля, равной нулю, называется остаточной намагниченностью . Она обычно меньше значения насыщения. Если с этого момента опять увеличивать поле, но уже в другом направлении, то величина намагниченности будет уменьшаться и при некотором значении обратного поляона будет равна нулю. Это значение напряженности магнитного поля называется коэрцитивной силой. Дальнейшее увеличение напряженности обратного поля изменит значение намагниченности до величины -. Таким образом, пройдя полный цикл изменения намагниченности от +до -и обратно, мы получим замкнутую кривую, которая называется петлей магнитного гистерезиса. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии затраченной на цикл перемагничивания.

Аналогичная петля гистерезиса получается и в координатах Н, В (магнитное поле, магнитная индукция). Однако, как видно из формулы (2), в высоких полях индукция продолжает возрастать вместе с ростом поля благодаря росту слагаемого .

Рис. 1. 2. Петля магнитного гистерезиса ферромагнетиков и ферритов

Рис. 1. 3. Зависимость полной  , дифференциальной и обратимой проницаемостей от поля на кривой намагничивания

Динамика процессов намагничивания при различных значениях поля может быть охарактеризована величинами проницаемостей (см. рис. 1.3).

Участок 1 кривой намагничивания характеризуется начальной проницаемостью , которая определяется как:

. (1.5)

Полная проницаемость определяется отношением величины индукции В к соответствующему значению магнитного поля в данной точке кривой индукции:

. (1.6)

Как видно из рисунка 1. 3, полная проницаемость при определенном значении магнитного поля достигает максимальной величины. Эту величину легко найти, проведя касательную к кривой намагничивания из начала координат. Угол наклона этой касательной определяет значение максимальной проницаемости . Соответствующее значение поля называется полем максимальной проницаемости. Если магнитное состояние вещества фиксируется какой-либо точкой на кривой намагничивания, то при увеличении магнитного поля на величинувозрастает и индукция на величинуи, соответственно, смещается точка на кривой намагничивания. Величина:

(1.7)

называется дифференциальной проницаемостью. При уменьшении магнитного поля индукция уменьшается не по кривой намагничивания, а несколько медленнее. Если затем опять увеличить поле, то магнитная индукция возвратится к исходному состоянию, но уже по новому пути (то есть будет описана узкая петля). Наклон полученной петли называется обратимой проницаемостью и описывается выражением:

. (1.8)

Все сказанное выше о поведении и характеристиках ферромагнетиков в полной мере относится и к ферритам.