Ферромагнетизм

Рассмотрим кратко основные свойства ферромагнетиков. График зависимости намагничивания тела от поля называют кривой намагничивания. В технике кривую намагничивания обычно строят в координатах В и Н, где В — индукция образца, связанная с намагничиванием J соотношением . Типичная кривая намагничивания показана на рисунке. Если взять размагниченный образец и увеличивать от нуля намагничивающее поле Н, то наблюдается рост индукции по первоначальной кривой намагничивания, показанной на рисунке пунктирной линией.

В поле индукция достигает значение , близкому к насыщению. Если теперь уменьшать поле до нуля, то кривая пойдет выше первоначальной кривой. При Н = 0 индукция оказывается отлична от нуля и равна Р_r. Чтобы индукция снова оказалась равной нулю, нужно изменить направление поля и приложить к образцу поле — Н_c. Когда поле будет равно –Н_s, образец опять окажется близок к намагничиванию до насыщения, но уже в противоположном направлении, В = –В_s. Таким образом, изменяя поле от –Н_s до +Н_s, получим так называемую петлю гистерезиса, представленную на рис.

Отмеченные на рисунке величины имеют особые названия:

Н_s — поле насыщения;

В_s — индукция насыщения;

Н_c — коэрцитивная сила;

В_r — остаточная индукция.

Площадь петли гистерезиса пропорциональна работе, затрачиваемой на перемагничивание единицы объема ферромагнетика. В процессе перемагничивания эта работа полностью переходит в теплоту. В зависимости от ферромагнетика петля может быть широкой или узкой. Магнитные материалы с узкой петлёй гистерезиса легко перемагничиваются и называются магнито-мягкими (трансформаторная сталь, пермаллой). Такие материалы применяются для изготовления сердечников трансформаторов, роторов электрических машин, сердечников электромагнитов. Материалы с широкой петлёй называются магнито-жёсткими и используются, в частности, для изготовления постоянных магнитов.

Магнитная проницаемость не являются постоянной, как у обычных парамагнетиков а, зависят от напряженности, намагничивающего поля Н. Она определяется по первоначальной кривой намагничивания , пропорциональной тангенсу угла наклона прямой, проведённой из начала координат к исследуемой точке кривой.

Ферромагнетизм возникает благодаря особому взаимодействию электронов внутренних незаполненных слоев атомов. Этому требованию удовлетворяют атомы переходных элементов: железо, никель, кобальт, гадолиний и некоторые сплавы и соединения. Это взаимодействие называется обменным, так как взаимодействующие электроны коллективизируются, атомы ферромагнетика как бы обмениваются электронами. Минимуму энергии обменного взаимодействия соответствует параллельная ориентация спинов взаимодействующих электронов. Так возникает спонтанная намагниченность ферромагнетиков. Возникает вопрос: почему тогда весь ферромагнетик не оказывается, намагничен до насыщения? Действительно в этом случае обменная энергия была бы минимальна. Но при этом возросла бы магнитная энергия. Поэтому энергетически более выгодным оказывается разбиение ферромагнетика на микроскопические намагниченные до насыщения области — домены.

При намагничивании ферромагнетика происходит, в основном, два процесса: процесс смещения доменных границ, при котором объем доменов, ориентированных энергетически более выгодно по отношению к внешнему полю, увеличивается за счет других доменов, и процесс вращения вектора намагниченности. Первый процесс имеет место в слабых полях, соответствующих начальному участку кривой намагничивания. Второй процесс начинается тогда, когда заканчивается первый. Крутизна кривой намагничивания при переходе к процессу вращения уменьшается. Вращение заканчивается техническим насыщением ферромагнетика. Эти процессы рассмотрен на рисунке.

Основная причина гистерезиса заключается в том, что любой реальный ферромагнетик имеет дефекты, структурные неоднородности и т. д., которые задерживают смещение доменных границ в процессе размагничивания. Явление отставания изменения индукции В от изменения поля Н приводит к тому, что при полном снятии поля (Н = 0) возникает остаточная индукция .

Ферромагнетизм наблюдается при температуре, не превышающей некоторую, характерную характерную для данного ферромагнетика, температуру . По мере приближения температуры к спонтанная намагниченность уменьшается и обращается в нуль при . При доменная структура разрушается и ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. Например, для железа , для никеля . Температура называется температурой или точкой Кюри. Превращение, которое испытывает ферромагнетик при , относится к фазовым переходам второго рода.