Ферромагнетики

Состояние вещества, при котором магнитные моменты // ат атомов в веществе параллельны, и вещество обладает самопроизвольной намагниченностью при температурах Т ниже критической температуры Кюри Т к, называется ферромагнетизмом. Твёрдые вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью не при слишком высоких температурах Т < Т к) называются ферромагнетиками. Термин “ферромагнетизм” происходит от латинского слова F е г г и m - железо, так как магнитные свойства впервые были обнаружены у железа, железных РУД-

Ферромагнетики относятся к сильномагнитным веществам. Собственное магнитное поле, возникающее в ферромагнетиках при внесении их во внешнее магнитное поле, в сотни, тысячи и сотни тысяч раз превосходит внешнее магнитное поле.

Большой практический интерес представляет изучение поведения ферромагнетиков в переменных магнитных полях, периодически изменяющихся от положительного максимального значения до отрицательного максимального значения напряжённости Н, с одной и той же амплитудой.

Зависимость намагниченности У ферромагнетиков от напряжённости Н внешнего магнитного поля впервые экспериментально исследовал русский физик А. Г. Столетов в 1872 г. Опыты показали, что зависимость намагниченности У образца ферромагнетика от напряжённости Н внешнего магнитного поля нелинейная. Она существенно зависит от того, каким воздействиям ранее подвергался образец.

Предположим, что образец ферромагнетика получен из расплава путём кристаллизации при отсутствии внешнего магнитного поля. Он полностью размагничен (J = 0) и не проявляет магнитных свойств. Такой образец поместим в медленно изменяющееся внешнее магнитное поле.

Намагниченность У с увеличение напряжённости Н магнитного поля при малых значениях Н быстро увеличивается, а затем по мере дальнейшего роста Н медленнее. Намагниченность J возрастает от нуля (У = 0) до максимального значения У „ (У = У „), когда напряжённость Н внешнего магнитного поля увеличивается от нуля (Н = 0) до максимальной величины Н(Н = Н „). Когда напряжённость Н магнитного поля достигнет определённого значения, равного Н м, намагниченность J образца не изменяется при дальнейшем увеличении напряжённости Н внешнего магнитного поля (рис. 155).

Рис. 155

График зависимости намагниченности J изначально не намагниченного образца ферромагнетика от напряжённости Н внешнего магнитного поля представляет собой начальную кривую намагничивания (кривая о - а на рис. 155). Начальная кривая намагничивания в точке а переходит в горизонтальную прямую (участок а-а’). Тогда в образце достигается состояние магнитного насыщения, намагниченность J имеет максимальное значение J

При перемагничивании ферромагнетиков возникает явление магнитного гистерезиса. Оно проявляется в том, что намагниченность J неоднозначно зависит от напряжённости Н внешнего магнитного поля, а именно, изменение намагниченности J в переменном магнитном поле отстаёт от изменения напряжённости Н.

Когда напряжённость Н внешнего магнитного поля уменьшается от максимального значения Н = Н „ до нуля (// = 0), намагниченность J образца ферромагнетика изменяется по кривой а - в, лежащей выше начальной кривой намагничивания о - а (рис. 156).

Напряжённость Н внешнего магнитного поля равна нулю (Н = 0) в точке в, а намагниченность J образца в этой точке равна J г. Она называется остаточной намагниченностью. Образец ферромагнетика является постоянным магнитом.

Изменим направление вектора напряжённости Н внешнего магнитного поля и будем увеличивать напряжённость Н от Н = О до Н = - Н м, тогда изменение намагниченности образца

ферромагнетика описывается кривой в - с’ - d. Намагниченность У в точке с ’ равна нулю (У = 0), а напряжённость Н = —Нс.

Рис. 156

Напряжённость Н достигает максимального значения (Н = - Н ,,) в точке d. Затем, уменьшаем величину вектора напряжённости Н внешнего магнитного поля. Изменение намагниченности У образца описывается кривой d bВ точке b ’ напряжённость Н равна нулю, а намагниченность У = — У г.

Изменение намагниченности образца У описывается

кривой Ь’ — с - а, если изменить направление магнитного поля на противоположное направление и увеличить напряжённость Н от 0 до Н

График зависимости намагниченности У образца ферромагнетика от напряжённости Н внешнего магнитного поля, когда

напряжённость Н изменяется от значения + Н „ до - Н „ и от Н „ до + Н м, называется предельной петлёй магнитного гистерезиса. Предельная петля магнитного гистерезиса определяет важные характеристики ферромагнетика - остаточную намагниченность У и коэрцитивную силу Н с.

Коэрцитивной силой называется напряжённость Н с внешнего магнитного поля, в которой образец ферромагнетика, намагниченный до насыщения (в точке а), размагничивается, т. е. намагниченность У образца равна нулю (У = 0). Коэрцитивная сила Н с характеризует способность ферромагнетика сохранять намагниченное состояние. Величина коэрцитивной силы Н с ферромагнетиков меняется в

широких пределах от 8 -10 ~2 до 8 ? 10 5 А.

м

Ферромагнетики, в зависимости от величины коэрцитивной силы, делят магнитно-мягкие и магнитно-твёрдые. Коэрцитивная сила Н с у магнитно-мягких ферромагнетиков имеет малые значения

с ~ 0, 8 - 8 А). Для магнитно-мягких ферромагнетиков характерна

м

узкая петля магнитного гистерезиса. Магнитно-мягкие ферромагнетики намагничиваются до насыщения в слабых магнитных

полях (Н ~ 8 — 800 А). Они используются в электротехнике

м

(трансформаторы, электромоторы, генераторы и др.), радиотехнике, слаботочной технике связи и др.

Магнитно-твёрдые ферромагнетики намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сильных магнитных полях. Они

имеют большую коэрцитивную силу Н сс ~ 10 4 - 10 5А) и

м

остаточную намагниченность

У магнитно-твёрдых ферромагнетиков широкая петля гистерезиса. Они применяются для изготовления постоянных магнитов. Образец ферромагнетика в точках а и d намагничен до насыщения. Но вектор намагниченности J в этих точках имеет противоположные направления.

Из рис. 156 видно, что намагниченность У ферромагнетика не является однозначной функцией напряжённости Н внешнего магнитного поля. Она зависит от предшествующего состояния образца. Так одному и тому же значению напряжённости Н, например, УД соответствуют три значения намагниченности (У и У 2. У з), обозначенные на рисунке цифрами 1, 2, 3.

Если значения напряжённости Н внешнего магнитного поля превышают величину Н „ для предельной петли гистерезиса, то её форма и размеры не изменяются. Увеличиваются только безгистерезисные участки а а ’ и участка d-d ’.

Когда пределы изменения напряжённости Н внешнего магнитного поля меньше, чем ±Н когда не достигается магнитное насыщение образца ферромагнетика, то получаются, так называемые, частные циклы петли гистерезиса. Их может быть очень много. Но все они лежат внутри предельной петли гистерезиса и имеют площадь меньше, чем площадь предельной петли гистерезиса.

Площадь петли магнитного гистерезиса пропорциональна количеству теплоты, которое выделяется в единице объёма ферромагнетика за один цикл перемагничивания. Эта энергия идёт на нагревание образца. Тепловую энергию необходимо учитывать при расчётах электрических устройств переменного тока, содержащих ферромагнетики, например, в железных сердечниках трансформаторов, вращающихся железных якорях генераторов постоянного тока. При их изготовлении применяют специальные сорта мягкого железа, в которых гистерезис выражен слабо.

Обычно измеряется магнитная индукция В магнитного поля в материале ферромагнетика. Она является количественной характеристикой магнитного поля в веществе.

Магнитная индукция В магнитного поля в веществе связана с намагниченностью J соотношением

7 Гн

где цо — магнитная постоянная, цо = 4 тт- 10 —.

м

Рис. 157

На рис. 157 показана связь магнитной индукции В с напряжённостью Н магнитного поля. Согласно опытным данным, магнитная индукция В магнитного поля в ферромагнетике растёт с увеличением напряжённости Н внешнего магнитного поля.

График зависимости магнитной индукции В от напряжённости Н отличается от графика зависимости намагниченности J от напряжённости Н отсутствием горизонтальной части, когда Н > Нм. Величина магнитной индукции В, после того как наступает насыщение, растёт по линейному закону в зависимости от напряжённости Н внешнего магнитного поля.

Особенностью ферромагнетиков является зависимость магнитной проницаемости и от напряжённости Н внешнего магнитного поля. Она вначале быстро растёт с возрастанием Н, достигая максимума, а затем убывает, стремясь к единице в очень сильных магнитных полях (рис. 158).

Рис. 158

В ферромагнетиках магнитная проницаемость и имеет очень большие значения (ju мах ~ 10 3 - 10 6). Магнитная восприимчивость х ферромагнетиков - положительная величина, значительно превышающая магнитную восприимчивость парамагнетиков. Магнитные свойства ферромагнетиков обладают специфической зависимостью от температуры.

Намагниченность насыщения J „ имеет наибольшее значение при температуре Т = О К и монотонно уменьшается до нуля (/= 0) при температуре Г, равной температуре Кюри Т к (Т = Т к) (рис. 159). Состояние вещества непрерывно изменяется с приближением к температуре Кюри Т к (точке Кюри) и приобретает качественно новые свойства в этой точке.

Ферромагнетики при температуре Т ниже температуры Кюри Т к обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью. Когда ферромагнетик нагревается и его температура приближается к температуре Кюри Т к, усиливающееся тепловое хаотическое движение атомов нарушает одинаковую ориентацию магнитных моментов атомов.

При температуре Т больше температуры Кюри Т к исчезает самопроизвольная намагниченность ферромагнетиков. У него не только исчезают ферромагнитные свойства, но и меняются такие физические характеристики, как теплоёмкость, электропроводность и др. При охлаждении ферромагнетика до температуры Т ниже температуры Кюри Т к, он снова приобретает свойства ферромагнетика.

Рис. 159

Ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние, когда температура Т выше температуры Т к а в редкоземельных металлах - в антиферромагнитное состояние. Магнитная восприимчивость л имеет максимум вблизи температуры Кюри Т к.

Постоянные магниты следует предохранять от ударов, так как при этом исчезает остаточная намагниченность ферромагнетиков. Остаточная намагниченность ферромагнетика с повышением температуры уменьшается. Она полностью исчезает при температуре, равной температуре Кюри Т к.

Д. Джоуль в 1842 г. открыл явление магнитострикции, состоящее в том, что при перемагничивании ферромагнетика изменяются его форма и размеры, а Э. Виллари в 1865 г. открыл явление, названное эффектом Виллари.

Эффект Виллари заключается в том, что при механической деформации образца ферромагнетика изменяется его намагниченность. Это явление применяют в магнитострикционных датчиках и реле. Кроме железа, кобальта, никеля ферромагнитными свойствами, обладают редкоземельные металлы, например, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, а так же различные сплавы из указанных металлов и другие вещества.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >