Ферромагнетики и их свойства

Помимо рассмотренных двух классов веществ – диа- и парамагнетиков, называемых слабомагнитными веществами, существуют еще сильномагнитные вещества – ферромагнетики – вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т.е. они намагничены даже при отсутствии внешнего магнитного поля. К ферромагнетикам кроме основного их представителя – железа, относятся, например, кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения. Ферромагнетики помимо способности сильно намагничиваться обладают еще и другими свойствами, существенно отличающими их от диа- и парамагнетиков. Если для слабомагнитных веществ зависимость J от Н линейна (см. (23.7)), то для ферромагнетиков эта зависимость, впервые изученная для железа А.Г.Столетовым, является довольно сложной (рис. 24).

Рис. 24 Рис.25

По мере возрастания Н намагниченность J сначала растет быстро, затем медленнее и, наконец, достигается так называемое магнитное насыщение J_нас, уже не зависящее от напряженности поля. Подобный характер зависимости J от Н можно объяснить тем, что по мере увеличения намагничивающего поля увеличивается степень ориентации молекулярных магнитных моментов по полю, однако этот процесс начнет замедляться, когда остается все меньше и меньше неориентированных моментов, и, наконец, когда все моменты будут ориентированы по полю, дальнейшее увеличение J прекращается и наступает магнитное насыщение.

Магнитная индукция В=μ_o(Н + J) (см. (23.5)) в слабых полях растет быстро с ростом Н вследствие увеличения J,а в сильных полях, поскольку второе слагаемое постоянно (J = J_нас), В растет с увеличением Н по линейному закону (рис. 25).

Существенная особенность ферромагнетиков – не только большие значения μ (например, для железа – 5000, для сплава супермаллоя – 800000!), но и зависимость μ от Н (рис. 26). Вначале μ растет с увеличением Н, затем, достигая максимума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к 1 (μ = В/(μ_оН) = 1 + J/Н, поэтому при J = J_нас= const с ростом Н отношение J/Н → 0, а μ →1).

Характерная особенность ферромагнетиков состоит также в том, что для них зависимость J(Н), а, следовательно, и В(Н) определяется предысторией намагничения ферромагнетика. Это явление получило название магнитного гистерезиса.

Рис.26. Рис.27.

Если намагнитить ферромагнетик до насыщения (точка 1, рис. 27), а затем начать уменьшать напряженность Н намагничивающего поля, то, как показывает опыт, уменьшение J описывается кривой 1-2, лежащей выше кривой 1-0. При Н = 0 J отличается от нуля, т.е. в ферромагнетике наблюдается остаточное намагничение J_ос. С наличием остаточного намагничения связано существование постоянных магнитов. Намагничение обращается в нуль под действием поля Н_с, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничение. Напряженность Н_с называется коэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3-4) и при Н = –Н_нас – достигается насыщение (точка 4). Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (кривая 4-5-6) и вновь перемагнитить до насыщения (кривая 6-1). Таким образом, при действии на ферромагнетик переменного магнитного поля намагниченность J изменяется в соответствии с кривой 1-2-3-4-5-6-1, которая называется петлей гистерезиса (от греч. «запаздывание»). Гистерезис приводит к тому, что намагничение ферромагнетика не является однозначной функцией Н, т.е. одному и тому же значению Н соответствует несколько значений J.

Различные ферромагнетики дают разные гистерезисные петли. Ферромагнетики с малой (в пределах от нескольких тысячных до 1–2 А/см) коэрцитивной силой Н, (с узкой петлей гистерезиса) называются мягкими, с большой (от нескольких десятков до нескольких тысяч ампер на сантиметр) коэрцитивной силой (с широкой петлей гистерезиса) – жесткими. Величины Н_с, J_ос и μ_мах определяют применимость ферромагнетиков для тех или иных практических целей. Так, жесткие ферромагнетики (например, углеродистые и вольфрамовые стали) применяются для изготовления постоянных магнитов, а мягкие (например, мягкое железо, сплав железа с никелем) – для изготовления сердечников трансформаторов.

Ферромагнетики обладают еще одной существенной особенностью: для каждого ферромагнетика имеется определенная температура, называемая точкой Кюри, при которой он теряет свои магнитные свойства, При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. Переход вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное, происходящий в точке Кюри, не сопровождается поглощением или выделением теплоты, т.е. в точке Кюри происходит фазовый переход II рода.

Наконец, процесс намагничения ферромагнетиков сопровождается изменением его линейных размеров и объема. Это явление получило название магнитострикции. Величина и знак эффекта зависят от напряженности Н намагничивающего поля, от природы ферромагнетика и ориентации кристаллографических осей по отношению к полю.