Краткая теория исследуемого явления. Все макроскопические тела, способные намагничиваться (приобретать магнитные свойства), называются магнетиками

Все макроскопические тела, способные намагничиваться (приобретать магнитные свойства), называются магнетиками.

По магнитным свойствам магнетики подразделяются на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Причиной различного поведения веществ в магнитном поле является различие магнитных моментов у атомов. Под действием магнитного поля у атомов могут возникать магнитные моменты, направленные вдоль или противоположно индукции внешнего поля . Если магнитные моменты атомов изначально не равны нулю, то под действием магнитного поля они ориентируются вдоль поля.

Во всех случаях в веществе возникает собственное (внутреннее) магнитное поле .

Результирующее поле в магнетике равно векторной сумме внешнего (намагничивающего) и внутреннего полей:

, (1)

где , Гн/м – магнитная постоянная, – напряженность магнитного поля.

Опыт и теоретические расчеты показывают, что для несильных полей

, (2)

где х – магнитная восприимчивость вещества. Учитывая (1) и (2), получим

, (3)

где – магнитная проницаемость вещества. Выражения (1) и (2) справедливы для изотропных материалов.

Для диамагнетиков , для парамагнетиков , для ферромагнетиков и может достигать единиц.

Наибольшее практическое значение имеют ферромагнетики. Они применяются в качестве сердечников электромагнитов, трансформаторов, электродвигателей, реле и т.д.

Ферромагнетики имеют ряд особенностей процесса намагничивания.

Если ненамагниченный ферромагнитный образец поме­стить в очень слабое внешнее магнитное поле с напряженно­стью Н и затем постепенно усиливать это поле, то образец начнет намагничиваться и индукция магнитного поля внутри вещества будет возрастать по мере усиления внеш­него поля так, как показано сплошной линией на рис. 1. Изображенная кривая называется основной кривой первич­ного намагничивания. Знание этой кривой представляется весьма существенным, так как ее особенности определяют важнейшие технические области использования магнитного материала

Рис. 1

Рост составляющей поля показан на рис. 1 пунктирной прямой.

При изменении напряженности внешнего поля по величине и направлению (перемагничивание) наблюдается гистерезис – отставание изменения индукции от изменения напряженности. График кривой намагничения имеет вид замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса

Петля гистерезиса несет полную информацию о ферромагнетике. Она позволяет определить остаточную индукцию, коэрцитивную силу, работу перемагничивания и др.

Ферромагнитные свойства вещества сохраняются при температуре ниже температуры Кюри Т_к, зависящей от структуры кристаллической решетки вещества.

К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения.

Причиной ферромагнетизма является наличие у атомов этих веществ некомпенсированных спиновых магнитных моментов электронов, что приводит к особому квантовомеханическому (обменному) взаимодействию. В результате этого взаимодействия образуются макроскопические области самопроизвольного (без внешнего магнитного поля) намагничения – домены.

Увеличение индукции собственного поля вещества связано с принудительной ориентацией под действием сил намагничивающего поля магнитных моментов доменов. Этот процесс требует совершения работы; он может продолжаться только до наступления магнитного насыщения материала (точка С), после чего элементарные магнитные моменты таких областей окажутся ориентированными строго по направлению линий индукции внешнего поля. Индукция собственного поля , отве­чающая такому состоянию, будет максимально достижимой для данного материала, и дальнейшее усиление поля возможно только за счет составляющей . Это значит, что кривая выше точки С имеет прямолинейный участок, параллельный пунктирной прямой .