Електрика і магнетизм

У феромагнетиків, так само як і у парамагнітних матеріалів, власне поле при намагнічуванні підсилює зовнішнє поле, тобто cm> 0 і досягає дуже великих значень (для заліза, наприклад, cm = 5 000, але є сплави з ще більшими значеннями cm = 50 000).

Феромагнітні речовини мають ряд відмітних властивостей:

магнітна проникність феромагнетиків залежить від напруженості зовнішнього магнітного поля Н;

намагніченість феромагнетиків зберігається і після зняття зовнішнього поля, причому залежність У від Н має характерний вигляд, званий петлею гистерезиса (мал. 7.10).

Мал. 7.10. Залежність магнітної індукції В від напруженості магнітного поля Н
(Основна крива намагнічування 01, а також приватна 1'2'3'4'5'6 'і гранична 123456 петлі гистерезиса)

Вивчення будови феромагнетиків показало, що феромагнетик складається з безлічі мимовільно (спонтанно) намагнічених областей, з лінійними розмірами порядку 10 -3 -10 -4 см, які називаються доменами. Причиною їх утворення є сильна взаємодія спінових магнітних моментів, які, прагнучи стати паралельними, орієнтуються однаково у межах досить великий області, яка і стає доменом. Раз в кожному з доменів магнітні моменти всіх його молекул або атомів спрямовані в одну сторону, то їх векторна сума дає відмінний від нуля магнітний момент всього домену.

Якщо феромагнетик НЕ намагнічений (J = 0), то магнітні моменти окремих доменів розподілені за напрямками изотропно, і сумарний момент феромагнетика дорівнює нулю. При включенні зовнішнього магнітного поля відбувається зростання доменів, орієнтованих уздовж зовнішнього поля, за рахунок доменів, магнітні поля яких мають інший напрямок. Зі збільшенням зовнішнього поля відбувається зростання власного магнітного поля феромагнетика. У слабких полях таке зростання має оборотний характер. У більш сильних полях одночасно відбувається переорієнтація магнітних моментів в межах всього домену. Цей процес є незворотнім, чим пояснюється гистерезис і залишкова намагніченість. У дуже сильному зовнішньому полі всі домени мають однакову орієнтацію вздовж зовнішнього поля. Настає стан магнітного насичення феромагнетика.

Якісна картина зростання доменів, орієнтованих паралельно зовнішньому полю, при збільшенні зовнішнього поля в процесі намагнічування феромагнетика показана на рис. 7.11.

Мал. 7.11. Намагнічення феромагнетика в зовнішньому полі:
1 - Н = 0; 2 - Н = Н1; 3 - Н = Н2. Н2> Н1

У сильних полях з (напруженість H близько 200 А / м і більше) намагнічування досягає насичення (рис. 7.12).

Мал. 7.12. Насичення намагнічування в сильних зовнішніх полях

При досягненні насичення магнітна індукція поля В продовжує зростати разом із зовнішнім полем за лінійним законом

У стані насичення практично всі домени збудовані вздовж зовнішнього поля Н. Тому індукція В 'перестає рости і на збільшення B не впливає, але B0 з ростом H продовжує збільшуватися. Тому в стані насичення магнітна індукція всередині феромагнетика продовжує повільно лінійно зростати.

При зміні напруженості H зовнішнього поля залежність В = В (H) має вигляд, зображений на малюнку 7.10. У початковий момент часу, якщо ферромагнетик ні намагнічений, то H = 0 і В = 0, потім при збільшенні H до значення H1 індукція зростає по кривій 01 до значення В1. При плавному зменшенні напруженості зовнішнього магнітного поля індукція В змінюватиметься по кривій 12, а не за первісною кривої 01. В результаті, коли напруженість зовнішнього поля стане рівною нулю, намагнічування зразка не зникає і характеризується величиною Br. яка називається залишкової індукцією. Намагніченість має при цьому значення Jr. зване залишкової намагніченістю. В цьому проявляється незворотність процесу намагнічування феромагнетика.

Як вже говорилося, домени - досить великі освіти, і тепловий рух не в змозі зруйнувати залишкову індукцію. Для цього треба докласти зворотне зовнішнє поле. Магнітна індукція стає рівною нулю (точка 3 на рис. 7.10) під дією протилежного у напрямку поля величиною hс. Напруженість розмагнічуючого поля hс називається коерцитивної силою.

При дії на феромагнетик змінного магнітного поля з напруженістю Н

H1. то отримуємо граничну петлю гістерезису 1234561, відповідну насиченню намагніченості.

На рис. 7.13 показаний досвід, в якому спостерігається петля гістерезису. Демонструється електронно-променева трубка з котушками вертикального і горизонтального відхилення променя. При подачі однакового змінної напруги на обидві пари котушок на екрані видно похила пряма лінія. Потім в горизонтальні котушки, що відхиляють промінь по вертикалі, вставляються феромагнітні стрижні, і вертикальне відхилення променя стає пропорційним індукції магнітного поля у феромагнетику. При цьому на екрані осцилографа спостерігається петля гистерезиса для даного феромагнетика.

Мал. 7.13. петля гістерезису

Оскільки магнітна індукція В в ферромагнетике неоднозначно залежить від напруженості поля Н. то вказується в довідниках магнітна проникність феромагнетиків

загальноприйнято визначати тільки для основної кривої намагнічування.

При високих температурах речовину феромагнетика перетворюється в парамагнетик, оскільки доменна структура речовини руйнується під дією теплового руху. Перетворення відбувається при цілком певній для кожного феромагнетика температурі ТС. званої точкою Кюрі; для заліза ТС = 1 043 К, для кобальту ТС = 1 393 К і для нікелю ТС = 631 К.

На рис. 7.14 демонструється зникнення тяжіння феромагнітної платівки до постійного магніту при нагріванні її вище точки Кюрі. Платівка підвішена на тонкій дроті в стороні від магніту так, що натягнута за рахунок тяжіння до магніту дріт нахилена відносно вертикалі. Під пластинку поміщають газовий пальник, і після нагрівання вище температури Кюрі платівка перестає натягувати дріт до магніту, відходить від нього, і підвіс приймає вертикальне положення.

Мал. 7.14. Руйнування феромагнітних властивостей феромагнетика при нагріванні вище точки Кюрі