T. Ферромагнетики

Ферромагнетизм

Как указано выше, ферромагнетики — это вещества, у которых магнитная проницаемость μ очень велика (μ»1). Кроме того, ферромагнетики обладают еще и другими свойствами, существенно отличающими их от диа- и парамагнетиков. Особые свойства ферромагнетиков обусловливаются двумя факторами: 1) наличием нескомпенсированных магнитных моментов в недостроенных электронных оболочках; 2) особой кристаллической структурой ферромагнетиков.

Специальные опыты, проведенные де Гаазом, показали, что ферромагнетизм обусловлен спиновым магнитным моментом электронов, а не их орбитальным движением. Причем в этих веществах образуются целые области (домены), в которых нескомпенсированные спиновые моменты ориентированы в одном направлении. При отсутствии магнитного поля домены ориентированы хаотически, а при наложении внешнего магнитного поля ориентируются вдоль него (рис. 1).

Рис. 1

Этим объясняются свойства ферромагнетиков:

1) ферромагнитные свойства вещества проявляются только тогда, когда соответствующее вещество находится в кристаллическом состоянии;

2) для каждого вещества имеется определенная температура (точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают и ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик;

3) магнитная проницаемость ферромагнетика зависит от внешнего магнитного поля (рис. 2).

Рис. 2

Вначале μ растет с увеличением \(~B_0\) затем, достигая максимума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к 1 (при значении магнитной индукции \(~B'_0\) все домены ориентированы вдоль поля и при дальнейшем увеличении \(~B_0\) магнитная индукция \(~B_1\) в образце перестает изменяться, а \(~B_0\) увеличивается и магнитная проницаемость уменьшается;

\(~\mu = \frac B{B_0} = \frac {B_0 + B_1}{B_0} = 1 + \frac {B_1}{B_0}\)

4) ферромагнетики намагничиваются до насыщения в слабых магнитных полях. На рисунке 3 показано, как изменяется магнитная индукция \(~B\) в стали с изменением внешнего поля \(~B_0\). Для сравнения: парамагнетик намагничивается до насыщения в полях с \(~B_0 \)= 100 ÷ 1000 Тл;

Рис. 3

5) у ферромагнетиков наблюдается остаточная намагниченность. Если, например, ферромагнитный стержень поместить в соленоид, по которому проходит ток, и намагнитить до насыщения (точка А) (рис. 4), а затем уменьшать ток в соленоиде, а вместе с ним и \(~B_0\), то можно заметить, что индукция поля в стержне в процессе его размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания. Когда \(~B_0 = 0\) (ток в соленоиде выключен), индукция будет равна \(~B_r\) (остаточная индукция). Стержень можно вынуть из соленоида и использовать как постоянный магнит. Чтобы окончательно размагнитить стержень, нужно пропустить по соленоиду ток противоположного направления, т.е. приложить внешнее магнитное поле с противоположным направлением \(~\vec B_0\) . Увеличивая теперь по модулю индукцию этого поля, размагничивают стержень (\(~B =0\)). Модуль \(~B_{oc}\) индукции магнитного поля, размагничивающего намагниченный ферромагнетик, называют коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении \(~B_0\) можно намагнитить стержень до насыщения (точка А').

Рис. 4

Уменьшая теперь \(~B_0\) до нуля, получают опять постоянный магнит, но с индукцией \(~-B_r\) противоположного направления. Чтобы вновь размагнитить стержень, нужно снова включить в соленоид ток первоначального направления, и стержень размагнитится, когда индукция \(~B_0\) станет равной \(~B_{oc}\). Продолжая увеличивать \(~B_0\), снова намагничивают стержень до насыщения (точка А).

Таким образом, при намагничивании и размагничивании ферромагнетика индукция \(~B\) отстает от \(~B_0\). Это отставание \(~B\) от \(~B_0\) называется явлением гистерезиса. Изображенная на рисунке 4 кривая называется петлей гистерезиса. Величины \(~B_r\), \(~B_{oc}\) и \(~\mu_m\) определяют область применения ферромагнетиков для практических целей. Ферромагнетики с узкой петлей гистерезиса (малое значение \(~B_r\) и \(~B_{oc}\)(рис. 5, а) называют мягкими, их используют для изготовления сердечников трансформаторов, генераторов, двигателей, где ферромагнетик подвергается частым перемагничиваниям. Ферромагнетики с широкой петлей гистерезиса (большое значение \(~B_r\) и \(~B_{oc}\)) (рис. 5, б) называют жесткими и используют для изготовления постоянных магнитов;

Рис. 5

6) процесс намагничивания ферромагнетиков сопровождается изменением их линейных размеров и объема. Это явление называется магнитострикцией.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C.333- 335.