Свойства ферромагнитных материалов

Ферромагнетики это вещества, у которых внутреннее магнитное поле во много раз (сотни и тысячи) превышает вызвавшее его внешнее магнитное поле. К ферромагнетикам относятся Fe, Co, Ni, Cd и некоторые другие редкоземельные металлы. Максимальная магнитная проницаемость у железа m_Fe = 5×10³, у пермолоя m = 10⁵ (78% Ni, 22% Fe).

Ферромагнетизм обнаружен только в кристаллических веществах, у аморфного железа он отсутствует.

Экспериментальное изучение ферромагнетиков было начато Столетовым и П.Кюри в 1871 году. Основные результаты этих исследований приведены ниже.

Классическая феноменологическая теория ферромагнетизма была разработана французским учёным Пьером Вейсом в 1907 году. Теория Вейса по существу является развитием теории парамагнетизма Ланжевена. В основу теории Вейса положены две гипотезы.

1. Ниже точки Кюри Т_К ферромагнетики обладают самопроизвольной намагниченностью, не зависящей от внешнего магнитного поля.

2. Ферромагнетик разбит на ряд областей (доменов) с самопроизвольной намагниченностью, ориентированных произвольным образом так, что суммарный магнитный момент тела равен нулю. Линейные размеры доменов порядка (1 ¸ 100) мкм.

Внешнее магнитное поле ориентирует по полю домены, т.е. целые области, поэтому индукция магнитного поля B растёт с полем H. Причём рост индукции магнитного поля происходит скачками при переориентации каждого домена. Это явление называется эффектом Баркгаузена (1881 – 1956), по фамилии немецкого физика, открывшего этот эффект. Магнитное насыщение наступает тогда, когда все домены будут ориентированы по направлению внешнего магнитного поля.

Кроме нелинейной зависимости между , и для ферромагнетиков характерно наличие петли гистерезиса: связь между и или оказывается неоднозначной и определяется предшествующей историей намагничивания ферромагнетика.

Если первоначально не намагниченный ферромагнетик намагничивать, увеличивая до значения, при котором наступает насыщение, а затем уменьшать , то кривая намагничивания пойдет не по первоначальному пути, а несколько выше. Если затем изменять в обратном направлении, то кривая намагничивания пойдет ниже. Получившуюся замкнутую кривую называют петлей гистерезиса. Если первоначально не намагниченный ферромагнетик намагничивать, увеличивая до значения, при котором еще не наступает насыщение, то петля гистерезиса получается меньшего размера, как бы вписанная в максимальную петлю гистерезиса.

Чтобы B = 0 необходимо приложить некоторую величину напряжённости H_K, которая называется коэрцитивной силой, противоположного направления. Для поворота домена требуется энергия. Тепловая энергия хаотического движения без участия внешнего поля разорентирует часть доменов. Но суммарное магнитное поле остальных доменов не позволяет всем доменам разорентироваться. Поэтому магнетик характеризуется еще и остаточной намагниченностьюB_ост.

По величине коэрцитивной силы H_K магнитные материалы различаются на "твёрдые" и "мягкие". "Твёрдые" магнитные материалы обладают большой коэрцитивной силой и используются для изготовления постоянных магнитов. "Мягкие" – используются для изготовления сердечников трансформаторов.

Необходимо отметить, что площадь петли гистерезиса равна объёмной энергии потерь за один цикл перемагничивания.

Нарушение остаточной намагниченности может быть вызвано ударом, и даже сильным сотрясением образца (постоянные магниты нельзя ударять) или нагреванием выше точки Кюри (Т_К). При этом спонтанная намагниченность исчезает, и ферромагнетик превращается в парамагнетик.

Ферромагнетики обладают интересным эффектом, который называется магнитострикцией. Это изменение размеров ферромагнетика при перемагничивании. Этот эффект используется в УВЧ генераторах.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: