22.4. Ферромагнетики

Ферромагнетиком называется вещество, у которого магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость принимают большие значения. К ферромагнетикам относятся: железо ( ), кобальт, никель, сталь, пермаллой (µ = ), супермаллой (µ , сплавы, Cd, Ho, Er, Dy и др. редкоземельные элементы. В 1871 г. исследования ферромагнетиков проводил А. Столетов.

Свойства ферромагнетиков

А) Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость ( ) ферромагнетиков зависят от напряженности внешнего магнитного поля (рис. 22.4.1).

Б ) Намагниченность ферромагнетиков имеет насыщение (рис. 22.4.2).

У диамагнетиков и парамагнетиков насыщение намагниченности не наблюдается (рис. 22.4.3).

В) У ферромагнетиков наблюдается магнитный гистерезис – явление отставания (запаздывания) намагниченности (магнитной индукции) от изменений напряженности внешнего магнитного поля (рис. 22.4.4).

В 1914-1915 гг. А. Эйнштейн и нидерландский физик де Гааз измерили гиромагнитное отношение ферромагнетиков и получили величину, совпадающую с .

Э ти опыты доказали, что магнитные свойства ферромагнетиков определяются не орбитальными магнитными моментами, как у парамагнетиков и диамагнетиков, а спиновыми магнитными моментами электронов.

Ферромагнетик состоит из доменов (домен в переводе с франц. – область). Размеры доменов составляют d м. Домены имеют собственные магнитные моменты. Во внешнем магнитном поле домены ориентируются по полю (рис. 22.4.5).

Тепловое движение доменов нарушает ориентацию доменов вдоль поля. Если магнитные моменты доменов направлены хаотично, то намагниченность вещества равна нулю (левый чертеж рис. 22.4.5).

С ростом напряженности внешнего магнитного поля ( ) растет намагниченность ( ): участок OA (рис. 22.4.4), что соответствует среднему чертежу (рис. 22.4.5).

Если все магнитные моменты доменов направлены вдоль поля, то наблюдается насыщение намагниченности: точка А (рис. 22.4.4) (правый чертеж рис. 22.4.5).

При уменьшении напряженности внешнего магнитного поля намагниченность уменьшается из-за хаотического движения доменов. Спад намагниченности отстает от изменений напряженности (участок АJ₀).

Остаточная намагниченность ( ) – это значение намагниченности ферромагнетика при напряженности внешнего магнитного поля равной нулю Н = 0. Для размагничивания ферромагнетиков направление напряженности внешнего магнитного поля меняют на противоположное и постепенно увеличивают напряженность. Коэрцитивная сила ( ) равна напряженности внешнего магнитного поля, при котором намагниченность становится равной нулю. Продолжая увеличивать напряженность магнитного поля, можно опять получить насыщение намагниченности (точка ) и далее размагнитить, а затем вернутся в точку А на графике рис. 22.4.4.

Г рафик зависимости намагниченности (или магнитной индукции) от напряженности внешнего магнитного поля называется петлей гистерезиса. Если размагничивание начать не в точке А, а раньше, тогда получим другую петлю гистерезиса (рис. 22.4.6) и таких петель много. С ростом температуры возрастает хаотическое движение доменов, что приводит к уменьшению намагниченности. При температуре Кюри ферромагнетик становится парамагнетиком. Ниже приведены температуры Кюри для некоторых ферромагнетиков:

^;

^;

t _k (Ni) = 360 ⁰C (633 K).

П о величине коэрцитивной силы ферромагнетики делят на магнито-мягкие и магнито-жесткие ферромагнетики. Магнито-мягкими называют ферромагнетики с малой коэрцитивной силой. Они легко перемагничиваются. Их применяют для изготовления сердечников трансформаторов (мягкое железо, сплав железа с никелем). У магнито-жестких ферромагнетиков большая коэрцитивная сила, их трудно перемагничивать. Их применяют для изготовления постоянных магнитов (вольфрамовые и углеродистые стали).

У антиферромагнетиков ( FeO, CrO) спиновые магнитные моменты направлены противоположно и компенсируют друг друга, поэтому магнитная восприимчивость мала и антиферромагнетики являются слабыми парамагнетиками (рис. 22.4.7).

Ферриты – это полупроводниковые ферромагнетики ( , ).

Спиновые магнитные моменты ферритов направлены противоположно, но в отличии от антиферромагнетиков они не компенсируются (рис. 22.4.8). У ферритов большая магнитная проницаемость (µ ~ 600), малая коэрцитивная сила и большое сопротивление.

Магнитострикция – явление изменения размеров ферромагнетиков во внешнем магнитном поле. Это явление было открыто Джоулем в 1842 г. Относительная деформация ферромагнетиков пропорциональна намагниченности в квадрате.

.

Магнитострикцию применяют для получения ультразвука.