Свойства ферромагнетиков. Элементы теории ферромагнетизма. Применение ферромагнетиков

Ферромагнетики обладают рядом характерных магнитных свойств таких, как сложная зависимость магнитной проницаемости от напряжённости поля Н, впервые изученная А.Г. Столетовым³ и называемая кривой Столетова (рис. 9.1). Кроме того, у ферромагнетиков имеет место неоднозначная и нелинейная зависимость индукции В от поля Н, называемая петлёй гистерезиса (рис. 9.2).

¹ П. Ланжевен (1872-1946), французский физик

² Кюри П. (1859-1906), французский физик

³ Столетов А.Г. (1839-1896), русский физик

Рис. 9.1

Магнитные свойства ферромагнетиков обусловлены спиновыми магнитными моментами электронов.

Рис. 9.2

При образовании кристалла ферромагнетика между электронами соседних атомов возникают обменные силы, которые ориентируют спиновые магнитные моменты электронов параллельно, что приводит к появлению результирующего магнитного момента в макроскопических областях ферромагнетика и к возникновению в них однородной, самопроизвольной (или спонтанной) намагниченности .

Области самопроизвольной намагниченности ферромагнетика, в которых спиновые магнитные моменты электронов расположе­ны параллельно друг другу, называют доменами. Они имеют размеры от 10^-4 до 10^{-1 см. В пределах домена ферромагнетик на­}магничен до насыщения I_s. Направления векторов в различных доменах в отсутствие внешнего магнитного поля различны, и поэтому суммарный магнитный момент и намагниченность всего образца ферромагнетика равны нулю (рис. 9.3 и рис. 9.4).

Если ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле Н, он будет намагничиваться. Это означает, что появится и будет возрастать результирующий магнитный момент в ферромагнети­ке. Зависимость намагниченности I от напряженности магнитно­го поля Н показана на рис. 9.3. Кривая намагничивания I =f(Н) для железа была впервые получена А.Г. Столетовым. Рассмотрим её.

Когда внешнее магнитное поле отсутствует (Н = 0), намагниченность I образца равна нулю. При наложении поля Н намагни­ченность ферромагнетика начинает возрастать. В слабых магнит­ных полях Н этот рост I будет происходить за счет процесса скачкообразных, сначала обратимых, а затем необратимых сме­щений доменных границ (участок 1 на рис. 9.3 и 9.4). В результате движения границ будет увеличиваться объём доменов, магнитные моменты которых составляют малые углы с направлением поля Н. Ферромагнетик будет намагничиваться. (Доменной границей называют переходную область между доменами, в которой про­исходит постепенный поворот вектора от направления в одном домене до направления в другом домене).

При возрастании напряжённости внешнего поля Н (участок 2 на рис. 9.3 и 9.4) магнитные моменты доменов начинают необратимо поворачиваться в направлении магнитного поля до совпадения с ним. Когда все собственные магнитные моменты электронов, участвующих в образовании ферромагнитного состояния, оказы­ваются ориентированы по направлению поля Н, возникает техни­ческое насыщение ферромагнетика. Поле Н, в котором возни­кает состояние технического насыщения, называют полем насыщения H_s, а магнитную индукцию, соответствующую полю H_s, -индукцией насыщения B_s.

При дальнейшем увеличении внешнего поля Н (участок 3 на рис.9.3 и 9.4) величина намагниченности I незначительно возрастает за счет парапроцесса, в результате которого увеличивается число электронов, участвующих в образовании ферромагнитного со­стояния.

Если довести ферромагнетик до состояния технического на­сыщения и начать уменьшать величину внешнего магнитного по­ля Н до нуля, а затем, изменив направление напряжённости Н на противоположное, увеличивать величину Н до значения поля на­сыщения H_s, то будет происходить необратимое изменение на­магниченности I образца и его магнитной индукции В. Этот процесс называют перемагничиванием ферромаг­нетика. При этом наблюдается отставание изменения намагни­ченности I и индукции В ферромагнетика от изменения напря­жённости внешнего магнитного поля Н, которое и называют маг­нитным гистерезисом.

Кривую зависимости магнитной индукции В от Н, которая описывает перемагничивание ферромагнетика, называют петлей гистерезиса (см. рис. 9.2). Петля гистерезиса, соответствующая техническому насыщению ферромагнетика, называется максимальной.

Магнитное поле Н, при котором максимальная петля гистерези­са пересекает ось абсцисс и для которого магнитная индукция В равна нулю, называют полем коэрцитивной силы Н_с (см. рис. 9.2).

Магнитная индукция, оставшаяся в ферромагнетике после то­го, как его намагнитили до насыщения, а затем уменьшили маг­нитное поле Н до нуля, называется остаточной индукцией В_ост. (см. рис. 9.2).

Ферромагнитное состояние вещества зависит от температуры. Для каждого ферромагнетика существует определенная темпера­тура Т_с, при которой нарушается параллельная ориентация спи­нов и области самопроизвольного намагничивания распадаются. Вещество утрачивает ферромагнитные свойства. Эту температу­ру называют точкой Кюри. Для железа она равна 1043°К, для ни­келя - 1393°К, для кобальта - 631°К. При температуре выше точ­ки Кюри ферромагнетик становится парамагнетиком. В точке Кюри происходит фазовый переход второго рода, связанный со скачкообразным изменением свойств магнитной симметрии фер­ромагнетиков. При температуре Кюри интенсивность теплового движения атомов ферромагнетика оказывается достаточной для разрушения самопроизвольной намагниченности и исчезно­вения параллельной ориентации собственных магнитных момен­тов электронов. Ферромагнетик превращается в парамагнетик.

Ферромагнетики находят самое широкое применение в электро­технике, радиоэлектронике, ЭВМ, промышленности, транспорте.

Магнитомягкие ферромагнитные материалы, обладающие низкой коэрцитивной силой, используются в генераторах, мото­рах, электродвигателях, трансформаторах.

Магнитожёсткие или высококоэрцитивные ферромагнетики применяются в качестве постоянных магнитов в разнообразных областях современной техники.

Тонкие слои ферромагнетиков или магнитные пленки исполь­зуют в качестве логических элементов и элементов памяти в со­временных ЭВМ.

К началу

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: