7.5. Ферромагнетизм

У ферромагнетиков, так же как и у парамагнитных материалов, собственное поле при намагничивании усиливает внешнее поле, то есть c_m > 0 и достигает очень больших значений (для железа, например, c_m = 5 000, но есть сплавы с еще большими значениями c_m = 50 000).  

Ферромагнитные вещества обладают рядом отличительных свойств:

• магнитная проницаемость ферромагнетиков зависит от напряженности внешнего магнитного поля Н;
• намагниченность ферромагнетиков сохраняется и после снятия внешнего поля, причем зависимость В от Н имеет характерный вид, называемый петлей гистерезиса (рис. 7.10).

Рис. 7.10. Зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н
(основная кривая намагничивания 01, а также частная 1'2'3'4'5'6' и предельная 123456 петли гистерезиса) 

Изучение строения ферромагнетиков показало, что ферромагнетик состоит из множества самопроизвольно (спонтанно) намагниченных областей, с линейными размерами порядка 10^–3–10^–4 см, которые называются доменами. Причиной их образования является сильное взаимодействие спиновых магнитных моментов, которые, стремясь стать параллельными, ориентируются одинаково в пределах достаточно большой области, которая и становится доменом. Раз в каждом из доменов магнитные моменты всех его молекул или атомов направлены в одну сторону, то их векторная сумма дает отличный от нуля магнитный момент всего домена. 

Если ферромагнетик не намагничен (J = 0), то магнитные моменты отдельных доменов распределены по направлениям изотропно, и суммарный момент ферромагнетика равен нулю. При включении внешнего магнитного поля происходит рост доменов, ориентированных вдоль внешнего поля, за счет доменов, магнитные поля которых имеют иное направление. С увеличением внешнего поля происходит рост собственного магнитного поля ферромагнетика. В слабых полях такой рост носит обратимый характер. В более сильных полях одновременно происходит переориентация магнитных моментов в пределах всего домена. Этот процесс является необратимым, чем объясняется гистерезис и остаточная намагниченность. В очень сильном внешнем поле все домены имеют одинаковую ориентацию вдоль внешнего поля. Наступает состояние магнитного насыщения ферромагнетика.

Качественная картина роста доменов, ориентированных параллельно внешнему полю, при увеличении внешнего поля в процессе намагничивания ферромагнетика показана на рис. 7.11.

Рис. 7.11. Намагничивание ферромагнетика во внешнем поле:
1 — Н = 0; 2 — Н = Н₁; 3 — Н = Н₂, Н₂ > Н₁ 

Видео 7.3. Эффект Бракгаузена: хруст «костей» ферромагнетика при его перемагничивании.

В сильных полях с (напряженность H порядка 200 А/м и более) намагничивание достигает насыщения (рис. 7.12).

Рис. 7.12. Насыщение намагничивания в сильных внешних полях 

При достижении насыщения магнитная индукция поля В продолжает расти вместе с внешним полем по линейному закону

В состоянии насыщения практически все домены выстроены вдоль внешнего поля Н. Поэтому индукция В' перестает расти и на увеличение B не влияет, но B₀ с ростом H продолжает увеличиваться. Поэтому в состоянии насыщения магнитная индукция внутри ферромагнетика продолжает медленно линейно возрастать. 

При изменении напряженности H внешнего поля зависимость В = В(H) имеет вид, изображенный на рисунке 7.10. В начальный момент времени, если ферромагнетик не был намагничен, то H = 0 и В = 0, затем при увеличении H до значения H₁ индукция возрастает по кривой 01 до значения В₁. При плавном уменьшении напряженности внешнего магнитного поля индукция В будет изменяться по кривой 12, а не по первоначальной кривой 01. В результате, когда напряженность внешнего поля станет равной нулю, намагничивание образца не исчезает и характеризуется величиной B_r, которая называется остаточной индукцией. Намагниченность имеет при этом значение J_r, называемое остаточной намагниченностью. В этом проявляется необратимость процесса намагничивания ферромагнетика. 

Как уже говорилось, домены — достаточно крупные образования, и тепловое движение не в состоянии разрушить остаточную индукцию. Для этого надо приложить обратное внешнее поле. Магнитная индукция становится равной нулю (точка 3 на рис. 7.10) под действием противоположного по направлению поля величиной H_с. Напряженность размагничивающего поля H_с называется коэрцитивной силой. 

При действии на ферромагнетик переменного магнитного поля с напряженностью Н < H₁ индукция результирующего поля изменяется в соответствии с кривой 1'2'3'4'5'6'1', называемой частной петлей гистерезиса. Если амплитуда напряженности переменного магнитного поля Н > H₁, то получаем предельную петлю гистерезиса 1234561, соответствующую насыщению намагниченности. 

На рис. 7.13 показан опыт, в котором наблюдается петля гистерезиса. Демонстрируется электронно-лучевая трубка с катушками вертикального и горизонтального отклонения луча. При подаче одинакового переменного напряжения на обе пары катушек на экране видна наклонная прямая линия. Затем в горизонтальные катушки, отклоняющие луч по вертикали, вставляются ферромагнитные стержни, и вертикальное отклонение луча становится пропорциональным индукции магнитного поля в ферромагнетике. При этом на экране осциллографа наблюдается петля гистерезиса для данного ферромагнетика. 

 

Рис. 7.13. Петля гистерезиса  

Поскольку магнитная индукция В в ферромагнетике неоднозначно зависит от напряженности поля Н, то указываемая в справочниках магнитная проницаемость ферромагнетиков

,

общепринято определять только для основной кривой намагничивания. 

При высоких температурах вещество ферромагнетика превращается в парамагнетик, поскольку доменная структура вещества разрушается под действием теплового движения. Превращение происходит при вполне определенной для каждого ферромагнетика температуре Т_С, называемой точкой Кюри; для железа Т_С = 1 043 К, для кобальта Т_С = 1 393 К и для никеля Т_С = 631 К. 

На рис. 7.14 демонстрируется исчезновение притяжения ферромагнитной пластинки к постоянному магниту при нагревании ее выше точки Кюри. Пластинка подвешена на тонкой проволоке в стороне от магнита так, что натянутая за счет притяжения к магниту проволока наклонена относительно вертикали. Под пластинку помещают газовую горелку, и после нагрева выше температуры Кюри пластинка перестает натягивать проволоку к магниту, отходит от него, и подвес принимает вертикальное положение. 

 

Рис. 7.14. Разрушение ферромагнитных свойств ферромагнетика при нагревании выше точки Кюри

Видео 7.4. Точка Кюри.

 

Дополнительная информация

http://www.homey.ru/termin430.htm — гистерезис механический;

http://www.youtube.com/watch?v=ydEZ_GeFV6Y  — видео демонстрация ферромагнитного гистерезиса;

http://www.cqham.ru/coax12.htm — гистерезис в коаксиальном кабеле;

http://www.dpva.info/Guide/GuideTricks/TAU/HysteresisOverview/ — гистерезис;

http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1182790&uri=page3.html — цилиндрические магнитные домены;

http://ufn.ru/ufn88/ufn88_9/Russian/r889b.pdf — статья «Физика магнитных доменов»;

http://www.mygeos.com/2009/11/05/zemnoj-magnetizm  — земной магнетизм, остаточная намагниченность пород;

http://www.magnitometr.com/magnitorazvedka_v_arheologii_4/  — остаточная намагниченность, магниторазведка в геологии;

http://www.naukaspb.ru/spravochniki/Demo%20Metall/4_22.htm  — магнитные стали и сплавы;

http://hdd.kulichki.com/page.php?id=12 — магнитные носители для записи информации;

http://comprofit.ru/inform/index.php?id_page=2&id_article=13  — принцип работы магнитного жесткого диска (винчестера);

http://www.youtube.com/watch?v=r_K4gLMLkjs — видео: как работает винчестер;

http://www.ixbt.com/storage/storage-tech.shtml — магнитные носители информации;

http://www.amtc.ru/news/world/2609/ — магнитные материалы с эффектом памяти.