3. Ферромагнетизм

3.1. Поведение ферромагнетиков во внешних магнитных полях

Характеристики ферромагнетиков. В ферромагнетике под действием магнитного поля создаётся (возникает, возбуждается) такая намагниченность, которая в десятки и сотни раз превышает первопричину, т. е. намагничивающее поле.Эта способность сохраняется у ферромагнетиков до определённой температуры, называемой температурой Кюри (см. далеемагнитное превращение).

С увеличением намагничивающего поля намагниченность возрастает всё медленнее. Если в малых полях , то в больших полях величина становится соизмеримой с намагниченностью . При рассмотрении процессов в ферромагнетике величинойнельзя пренебрегать, поэтому в рассмотрение вводят величину, называемую магнитной индукцией:

. (1.70)

Размерность магнитной индукции - тесла (Тл); и - ампер на метр (А/м); магнитной постоянной- генри разделить на метр (Гн/м). В (1.70) первое слагаемое представляет собой индукцию приложенного магнитного поля, а второе слагаемое характеризует свойства намагничиваемого вещества.

Намагниченность , а, значит, и индукция, зависят отнелинейным образом. В качестве исходного состояния ферромагнетика обычно принимают размагниченное состояние, которое можно получить, например, нагреванием ферромагнетика выше температуры Кюри с последующим охлаждением при отсутствии магнитного поля или переменным магнитным полем низкой частоты с плавно убывающей до нуля амплитудой. Полученные при увеличении намагничивающего поля кривыеиназывают кривыми намагничивания. Кривые намагничивания могут быть различными в зависимости от способа достижения исходного состояния ферромагнетика и способа измерения этих кривых. На рис. 1.20 приведены кривые намагничивания, полученные различными способами.

Рис. 1.20. Начальная (1), основная (2) и идеальная (3) кривые

Намагничивания

1. Начальную кривую получают измерением при постепенном увеличениииз состояния= 0,= 0. Эта кривая часто невоспроизводима, т.к. зависит от многих случайных причин (сотрясений, температуры и т.д.).

2. Основную (коммутационную) кривую получают тем, что перед измерением каждой точки поле переключают несколько раз с положительного на отрицательное (циклическое перемагничивание).

3. Безгистерезисную (идеальную) кривую получают так же, но перед измерением каждой точки на образец воздействуют переменным магнитным полем с убывающей до нуля амплитудой (действие переменного магнитного поля можно заменить механической вибрацией), что облегчает процессы намагничивания и позволяет получить большое значение намагниченности уже в слабых полях.

Магнитная проницаемость. Аналогично (1.7) можно записать

, (1.71)

где - абсолютная магнитная проницаемость. Целесообразно (1.71) переписать в виде

, (1.72)

тогда становится безразмерной величиной, характеризует свойства ферромагнетика и называется относительной проницаемостью. Из выражений (1.7), (1.70) и (1.72) следует

. (1.73)

Величины , ,нелинейно зависят от и различаются для разных видов кривых намагничивания. Наиболее часто используют основную кривую намагничивания; проницаемость, соответствующую этой кривой, называют нормальной (в дальнейшем слово "нормальная" опускается). Как видно из рис. 1.21а, проницаемость в некоторой точке основной кривой намагничивания можно определить из выражения. График функциипоказан на рис. 1.21б.

Различают также начальную и максимальнуюмагнитные проницаемости.

Часто используют понятие дифференциальной магнитной проницаемости

. (1.74)

Зависимость показана на рис. 1.21б. При = 0 следует. В больших поляхбыстрее стремится к единице, чем(только при).

В специальных случаях используются другие виды проницаемостей (дифференциальная проницаемость возрастания, убывания и т.д.).

Рис. 1.21. К определению ии их зависимости от поля.

Магнитный гистерезис. Характерной особенностью ферромагнетиков является то, что при уменьшении поля после намагничивания до некоторой величины , функция будет иметь другой вид, чем при увеличении, и приокажется, что. Если построить, уменьшая поле от некоторого значениядо, а затем, увеличивая отдо, то получится замкнутая кривая, напоминающая петлю, которая называется петлей магнитного гистерезиса (рис. 1.22). Эти петли являются симметричными. Начиная измерения с различных, можно получить семейство петель гистерезиса (при этом их вершины лежат на основной кривой намагничивания). Однако существует поле, когда измерения суже не дают новых петель, совпадая между собой. Петля гистерезиса, построенная при циклическом перемагничивании отдо, называется предельной. Предельная петля гистерезиса является важнейшей характеристикой данного ферромагнетика. Она имеет несколько характерных точек (см. рис. 1.22).

Индукцией насыщения называют индукцию, соответствующую намагниченности насыщения , когда с увеличением намагниченность не увеличивается, а увеличение осуществляется только за счет поля.

Рис. 1.22. Петли гистерезиса

Остаточной индукцией (см. рис. 1.22) называют индукцию, которая остаётся в предварительно намагниченном до насыщения ферромагнетике после снятия намагничивающего поля.

Коэрцитивной силой (см. рис. 1.22) называют величину размагничивающего поля, которое должно быть приложено, чтобы установить = 0.

Можно говорить о величинах и для любых симметричных петель гистерезиса, но обычно под остаточной индукцией и коэрцитивной силой понимают (если это не оговаривается особо) их значения на предельной петле.

Что касается величины , то различают коэрцитивную силу по индукциии коэрцитивную силу по намагниченности. Их различие показано на рис. 1.23. Суть построений на рис. 1.23 следует из формулы (1.65): величина больше, чем на величину, поэтому величины и ^. совпадают (т.к. Н = 0), а иотличаются. Для обычных материалов это различие несущественно, оно имеет значение только для магнитотвердых (высококоэрцитивных) материалов.

Рис. 1.23. Отличие коэрцитивной силы по намагниченности от