3. Объяснение ферромагнетизма

Прямые опыты, проведенные немецкими физиками Штерном и Герлахом, показали, что магнитные моменты атомов ферромагнетиков имеют тот же порядок, что и магнитные моменты атомов парамагнетиков. Следовательно, ферромагнетизм нельзя объяснить наличием магнитного момента у атома в целом [2].

Дальнейшие исследования привели к выводу о том, что ферромагнетизм обусловлен взаимной ориентацией спиновых магнитных моментов электроноватомов. Спиновые моменты электроноватомов стремятся выстроиться параллельно друг другу под воздействием так называемых обменных сил и при отсутствии внешнего магнитного поля. Обменные силы – это понятие сугубо квантовое, не имеющее аналогов в классической физике. В результате обменных взаимодействий при относительно невысоких температурах в ферромагнетике образуются макроскопические области спонтанного намагничивания с размерами 110 мкм, называемые доменами. Намагниченность (магнитный момент единицы объема вещества) в них достигает насыщения, так как все спиновые магнитные моменты электроноватомов выстраиваются параллельно друг другу (рис. 3).

В отсутствие внешнего магнитного поля образец ферромагнетика может быть и ненамагниченным . При этом ориентация векторов намагниченности доменовтакова, что результирующее магнитное поле доменов равно нулю (рис. 4, в).

Образец ферромагнетика разбивается на несколько доменов с такой ориентацией векторов намагниченности в них потому, что в этом случае энергия магнитного поля системы доменов минимальна, а это, согласно законам термодинамики, обеспечивает системе устойчивое равновесие.

На рис. 4 видно, что в случае (а) энергия внешнего магнитного поля образца ферромагнетика максимальна, а в случае (в) магнитного поля во внешнем пространстве нет, т.к. здесь имеются верхний и нижний “замыкающие” домены в форме трехгранных призм. Состояние в случае (в) энергетически более выгодно, чем состояния в случаях (а) и (б), поэтому ферромагнетик, находящийся в состоянии (а), будет стремиться перейти в состояние (в). Опыты подтверждают такой тип разбиения ферромагнетика на домены.

Рис. 4. Ослабление внешнего магнитного поля образца ферромаг-

нетика при его разбиении на домены: а) образец намагничен до

насыщения без доменной структуры; б) образец разбит на два

домена; в) образец разбит на четыре домена, два из которых

являются «замыкающими»

4. Процессы намагничивания ферромагнетика

Намагниченность J диа- и парамагнетиков изменяется с напряженностью магнитного поля H [1 - 7] линейно в соответствии с выражением

(7)

где –магнитная восприимчивость вещества, являющаяся безразмерной величиной, характерной для данного магнетика. У диамагнетиков и не зависит оту парамагнетикови не зависит оту ферромагнетикови является функцией

Намагниченность J ферромагнетиков зависит от H сложным образом . Объяснение этой сложной нелинейной зависимостиJ от H является одной из задач теории ферромагнетизма. График типичной зависимости J от H ферромагнетика, называемый основной кривой намагничивания, изображен на рис. 5. Кривая условно разбита на области 1, 2, 3, 4, в каждой из которых реализуется один из основных процессов намагничивания ферромагнетика.

Кроме того, для наглядности параллельно рассматривается образец ферромагнетика, условно состоящий из 4 доменов. Поведение доменов образца в указанных областях намагничивания также схематически показано на рис. 5.

В отсутствие внешнего магнитного поля маленький образец ферромагнетика с объемомразбивается на 4 домена равного объема таким образом, чтобы его магнитный моментбыл равен нулю (рис. 5, а). При этом каждый домен намагничен до насыщения и обладает магнитным моментом , равным четверти полного момента всего образцав состоянии насыщения (рис. 5, е).

Рассмотрим область 1 очень слабого внешнего поля, для которой направление и относительная величина вектора напряженностипоказаны на рис. 5, б. Во внешнем магнитном поле с напряженностьюэнергии доменов становятся неодинаковыми – энергия оказывается меньше у тех доменов, у которых вектор магнитного момента образует с направлением поляострый угол, и оказывается больше в том случае, если этот угол тупой. Вследствие этого во внешнем магнитном полеэнергия доменов, расположенных в образце слева, меньше, чем энергия доменов, расположенных справа, т.е. домены слева являются энергетически более выгодными. Поэтому при увеличении напряженностипроисходит рост энергетически выгодных доменов за счет энергетически невыгодных. Следует отметить, что в области очень слабого магнитного поля смещения границ доменовобратимы и точно следуют за изменениями поля.

Теперь рассмотрим область 2 среднего по модулю магнитного поля. С ростом поля энергетически выгодные домены продолжают расти. При этом границы некоторых доменов “натыкаются” на дефекты кристаллической решетки и останавливаются до тех пор, пока поле не достигнет определенной напряженности(рис. 5, в). После этого границы доменов “срываются” и участок длинойпроходят очень быстро (рис. 5, г). Так же быстро, скачком, увеличивается намагниченностьJ ферромагнетика (увеличенный участок кривой J(H) на рис. 5). Эти скачки названы именем немецкого физика Баркгаузена, открывшего их в 1919 г. Они являются еще одним доказательством существования доменов. Магнитное поле в окрестностях таких доменов быстро изменяется. В результате вследствие электромагнитной индукции возникают вихревые токи. При этом происходит потеря энергии из-за нагревания образца вихревыми токами. Поэтому процесс намагничивания ферромагнетика в области 2 необратим.

Далее рассмотрим область 3 сильного поля. При достаточно большой напряженности внешнего поля энергетически невыгодные домены исчезают совсем. При дальнейшем ростевозникает новый тип процесса намагничивания, при котором происходит поворот магнитных моментов внутри доменов (рис. 5, д).

В конце концов в очень сильном поле магнитные моменты всех доменов устанавливаются параллельно внешнему полю . В этом состоянии ферромагнетик имеет наибольший возможный при данной температуре магнитный момент, т.е. он намагничен до насыщения(рис. 5, е). Такое насыщение называетсятехническим насыщением.

При дальнейшем увеличении напряженности H магнитного поля, намагниченность J ферромагнетика будет слабо и практически линейно расти с полем за счет ориентации магнитных моментов атомов, дезориентированных тепловым движением (рис. 5, область 4). Этот процесс называют парапроцессом по аналогии с линейной зависимостью намагниченности J парамагнетика от напряженности H. Парапроцесс увеличивает намагниченность ферромагнетика очень мало и практического применения в технике не имеет, поэтому в области 4 считают, что практически .

Магнитная индукция поля в ферромагнетике в соответствии с формулой

(8)

где магнитная постоянная,

после достижения технического насыщения при дальнейшем увеличении напряженностимагнитного поля продолжает возрастать вместе сН по линейному закону

где (рис. 7, а) [1].

Смещение границ доменов и поворот их магнитных моментов отстают от изменения напряженности H внешнего поля, что приводит к явлению гистерезиса в ферромагнетиках. Оно заключается в том, что значение J определяется не только значением H в данный момент времени, но зависит от истории намагничивания. Поэтому одному значению H могут соответствовать несколько значений J (рис. 6).

Рассмотрим явление гистерезиса подробнее. Если намагнитить образец ферромагнетика до технического насыщения(точка 1, рис. 6), а затем уменьшать напряженностьH магнитного поля, то намагниченность J будет уменьшаться не по основной кривой 0 – 1, а по кривой 1 – 2. В результате в точке 2 напряженность H=0, а намагниченность характеризуется величиной , которая называетсяостаточной намагниченностью .

Намагниченность J обращается в нуль лишь под действием поля

противоположного направления с напряженностью , называемойкоэрцитивной силой (точка 3, рис. 6).

Существование остаточной намагниченности у ферромагнетиков делает возможным изготовление постоянных магнитов. Очевидно, что постоянный магнит будет тем лучше сохранять свои свойства, чем больше будет коэрцитивная силаферромагнетика, из которого он изготовлен. Ферромагнетики с большой коэрцитивной силойи, следовательно, с широкой петлей гистерезиса называютмагнитожесткими, так как они трудно перемагничиваются. Именно из них делают постоянные магниты.

Ферромагнетики с малой коэрцитивной силой и, следовательно, с узкой петлей гистерезиса называютмагнитомягкими, так как они легко перемагничиваются. Из них делают сердечники трансформаторов и электрических машин переменного тока.

При дальнейшем увеличении (после точки 3) напряженности H поля противоположного направления вновь достигается состояние насыщения (точка 4, рис. 6). Но в этой точке вектор направлен противоположно векторув точке 1. Уменьшая после этого напряженность поля доH=0 (точка 5, рис. 6) и меняя его направление на противоположное, приходим через точку 6 в исходное состояние насыщения (точка 1). Получается так называемаямаксимальная петля гистерезиса ферромагнетика (рис. 6).

Если при максимальном значении напряженности H намагничивающего поля насыщение не достигается, то получается петля, называемая частным циклом. Частных циклов может быть бесконечное множество, и они располагаются внутри максимальной петли гистерезиса.

Проявлением гистерезиса является то, что, например, при напряженности (рис. 6) намагниченностьJ может иметь любое значение в пределах от до.

В связи с такой неоднозначностью зависимости J от H понятие магнитной проницаемости  применяется лишь к основной кривой намагничивания или(рис. 7, а).

Установим простую связь между магнитной индукцией и напряженностью поляH. Для этого формулу (7) подставим в выражение (8):

. (9)

Безразмерная величина

(10)

является относительной магнитной проницаемостью или просто магнитной проницаемостью. Тогда выражение (9) можно переписать в виде искомого простого соотношения

. (11)

Так как у ферромагнетиков магнитная восприимчивость является функцией напряженности магнитного полято на основании (10) магнитная проницаемость является функцией напряженности H поля (рис. 7, б). На рис. 7 видно, что значение достигается несколько раньше, чем насыщение ферромагнетика. При дальнейшем неограниченном увеличении напряженностиH магнитная проницаемость  асимптотически приближается к единице. Этот вывод следует из выражения

, (12)

где J не может превысить .

Величины (или),иявляются основными характеристиками ферромагнетика, обычно помещаемыми в справочные таблицы.

Рис. 7. Сравнение основной кривой намагничивания В(Н)

ферромагнетика (а) с зависимостью его магнитной

проницаемости  от напряженностиНвнешнего поля (б)

При намагничивании ферромагнетики деформируются. Это явление называется магнитострикцией. Оно было открыто английским физиком Джоулем в 1842 г. Возникающие при магнитострикции деформации весьма малы: относительное изменение линейных размеров образца в полях с напряженностьюH порядка 10⁵А/м составляет величину 10^-510^-6. Знак эффекта зависит от природы ферромагнетика и от напряженности H намагничивающего поля.

Механические колебания, возникающие в ферромагнетиках при их намагничивании в переменных магнитных полях, используются в мощных магнитострикционных излучателях ультразвуковых волн.

У ферромагнетиков наблюдается также и обратное явление – изменение намагниченности при их деформации, называется магнитоупругим эффектом. Оно используется в приборах, служащих для измерения давлений и деформаций.

У каждого ферромагнетика имеется определенная температура , называемаятемпературой Кюри, при которой домены распадаются и ферромагнетик становится обычным парамагнетиком. Например, точка Кюри для железа равна 770С, для никеля 365 С, для кобальта 1150 С.