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 (от него и идет название «ферромагнетизм») — 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. (133.6) и рис. 192), то для ферромагнетиков эта зависимость, впервые изученная в 1878 г. методом баллистического галь­ванометра для железа русским физиком А. Г. Столетовым (1839—1896), является довольно сложной. По мере возрастания Н намагниченность J сначала растет быст­ро, затем медленнее и, наконец, достигает­ся так называемое магнитное насыщениеJ_нас, уже не зависящее от напряженности поля. Подобный характер зависимости J от H 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=m₀(H+J) (см. (133.4)) 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. 193).

Существенная особенность ферромаг­нетиков — не только большие значения m (например, для железа — 5000, для спла­ва супермаллоя — 800 000!), но и зависи­мость m от Н (рис. 194). Вначале m растет с увеличением Н, затем, достигая макси­мума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к 1 (m=В/(m₀Н)=1+J/Н, поэтому при J=J_нас=const с ростом Н отношение J/H->0, а m.->1).

Характерная особенность ферромагне­тиков состоит также в том, что для них зависимость J от H (а следовательно, и В от Н) определяется предысторией на­магничения ферромагнетика. Это явле­ние получило название магнитного гисте­резиса.Если намагнитить ферромагнетик до насыщения (точка 1, рис. 195), а за­тем начать уменьшать напряженность Н намагничивающего поля, то, как по­казывает опыт, уменьшение J описывает­ся кривой 1—2, лежащей выше кривой 1—0. При H=0 J отличается от нуля, т. е. в ферромагнетике наблюдается оста­точное намагничениеJ_oc. С наличием оста­точного намагничения связано существо­вание постоянных магнитов.Намагничение обращается в нуль под действием поля Н_C, имеющего направление, противо­положное полю, вызвавшему намагниче­ние.

Напряженность H_C называется ко­эрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении проти­воположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3—4), и при H=-H_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 H, т. е. одному и тому же значению H со­ответствует несколько значений J.

Различные ферромагнетики дают раз­ные гистерезисные петли. Ферромагнетикис малой (в пределах от нескольких тысяч­ных до 1—2 А/см) коэрцитивной силой H_C (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 H_C, J_ос и m_max 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 вы-

делением теплоты, т. е. в точке Кюри про­исходит фазовый переход II рода (см. §75).

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

Природа ферромагнетизма

Рассматривая магнитные свойства ферро­магнетиков, мы не вскрывали физическую природу этого явления. Описательная тео­рия ферромагнетизма была разработана французским физиком П. Вейссом (1865—1940). Последовательная количе­ственная теория на основе квантовой ме­ханики развита советским физиком Я. И. Френкелем и немецким физиком В. Гейзенбергом (1901 — 1976).

Согласно представлениям Вейсса, ферромагнетики при температурах ниже точки Кюри обладают спонтанной намаг­ниченностью независимо от наличия внеш­него намагничивающего поля. Спонтанное намагничение, однако, находится в кажу­щемся противоречии с тем, что многие ферромагнитные материалы даже при тем­пературах ниже точки Кюри не намагниче­ны. Для устранения этого противоречия Вейсс ввел гипотезу, согласно которой ферромагнетик ниже точки Кюри разбива­ется на большое число малых макроскопи­ческих областей — доменов,самопроиз­вольно намагниченных до насыщения.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных до­менов ориентированы хаотически и ком­пенсируют друг друга, поэтому результи­рующий магнитный момент ферромагнети­ка равен нулю и ферромагнетик не намагничен. Внешнее магнитное поле ори­ентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов, как это имеет место в случае парамагнетиков, а целых об­ластей спонтанной намагниченности. По­этому с ростом Н намагниченность

J (см. рис. 192) и магнитная индукции В (см. рис. 193) уже в довольно слабых полях растут очень быстро. Этим объясня­ется также увеличение mферромагнетиков до максимального значения в слабых по­лях (см. рис. 194). Эксперименты показа­ли, что зависимость В от Я не является такой плавной, как показано на рис. 193, а имеет ступенчатый вид. Это свидетель­ствует о том, что внутри ферромагнетика домены поворачиваются по полю скачком.

При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ферромагнетики сохраняют остаточное намагничение, так как тепло­вое движение не в состоянии быстро дезо­риентировать магнитные моменты столь крупных образований, какими являются домены. Поэтому и наблюдается явление магнитного гистерезиса (рис.195). Для того чтобы ферромагнетик размагнитить, необходимо приложить коэрцитивную си­лу; размагничиванию способствуют также встряхивание и нагревание ферромагнети­ка. Точка Кюри оказывается той темпера­турой, выше которой происходит разруше­ние доменной структуры.

Существование доменов в ферромагне­тиках доказано экспериментально. Пря­мым экспериментальным методом их на­блюдения является метод порошковых фи­гур.На тщательно отполированную по­верхность ферромагнетика наносится во­дная суспензия мелкого ферромагнитного порошка (например, магнетита). Частицы оседают преимущественно в местах мак­симальной неоднородности магнитного по­ля, т. е. на границах между доменами. Поэтому осевший порошок очерчивает границы доменов и подобную картину мож­но сфотографировать под микроскопом. Линейные размеры доменов оказались рав­ными 10^-4—10^-2 см.

Дальнейшее развитие теории ферро­магнетизма Френкелем и Гейзенбергом, а также ряд экспериментальных фактов позволили выяснить природу элементар­ных носителей ферромагнетизма. В насто­ящее время установлено, что магнитные свойства ферромагнетиков определяются спиновыми магнитными моментами элек­тронов (прямым экспериментальным ука­занием этого служит опыт Эйнштейна и де

Гааза, см. § 131). Установлено также, что ферромагнитными свойствами могут обла­дать только кристаллические вещества, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки с не­скомпенсированными спинами. В подо­бных кристаллах могут возникать силы, которые вынуждают спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться па­раллельно друг другу, что и приводит к возникновению областей спонтанного намагничения. Эти силы, называемые об­менными силами,имеют квантовую при­роду — они обусловлены волновыми свой­ствами электронов.

Так как ферромагнетизм наблюдается только в кристаллах, а они обладают ани­зотропией (см. §70), то в монокристаллах ферромагнетиков должна иметь место анизотропия магнитных свойств (их за­висимость от направления в кристалле). Действительно, опыт показывает, что при одних направлениях в кристалле его на­магниченность при данном значении на­пряженности магнитного поля наиболь­шая (направление легчайшего намагниче­ния), в других — наименьшая (направле­ние трудного намагничения). Из рассмот­рения магнитных свойств ферромагнети­ков следует, что они похожи на сегнето­электрики (см. §91).

Существуют вещества, в которых об­менные силы вызывают антипараллельную ориентацию спиновых магнитных моментов электронов. Такие тела называются антиферромагнетиками.Их существова­ние теоретически было предсказано Л. Д. Ландау. Антиферромагнетиками являются некоторые соединения марганца (МnО, MnF₂), железа (FeO, FeCl₂) и мно­гих других элементов. Для них также су­ществует антиферромагнитная точка Кю­ри (точка Нееля), при которой магнит­ное упорядочение спиновых магнитных моментов нарушается и антиферромагне­тик превращается в парамагнетик, пре­терпевая фазовый переход II рода (см. §75).

В последнее время большое значение приобрели полупроводниковые ферромаг­нетики — ферриты,химические соедине­ния типа МеО•Fе₂О₃, где Me — ион двух­валентного металла (Mn, Co, Ni, Cu, Mg, Zn, Cd, Fe). Они отличаются заметными ферромагнитными свойствами и большим удельным электрическим сопротивлением (в миллиарды раз большим, чем. у ме­таллов). Ферриты применяются для изго­товления постоянных магнитов, ферритовых антенн, сердечников радиочастотных контуров, элементов оперативной памяти в вычислительной технике, для покрытия пленок в магнитофонах и видеомагнитофо­нах и т. д.

Контрольные вопросы

• Почему орбитальные магнитный и механический моменты электрона в атоме противоположно направлены?

• Что называют гиромагнитным отношением?

• Из каких магнитных моментов складывается магнитный момент атома?

• Что такое диамагнетики? парамагнетики? В чем различие их магнитных свойств?

• Что такое намагниченность? Какая величина может служить ее аналогом в электростатике?

• Запишите и объясните соотношения между магнитными проницаемостью и восприимчивостью для парамагнетика; для диамагнетика.

• Выведите связь между векторами магнитной индукции, напряженности магнитного поля и на­магниченности.

•Объясните физический смысл циркуляции по произвольному замкнутому контуру векторов: 1) В; 2) Н; 3) J.

• Выведите и прокомментируйте условия для векторов В и Н на границе раздела двух магнетиков.

• Объясните петлю гистерезиса ферромагнетика. Что такое магнитострикция?

• Какие ферромагнетики являются магнитомягкими? магнитожесткими?

• Каков механизм намагничения ферромагнетиков?

• Какую температуру для ферромагнетика называют точкой Кюри?

Задачи

16.1.Напряженность однородного магнитного поля в меди равна 10 А/м. Определить магнитную индукцию поля, создаваемого молекулярными токами, если диамагнитная восприимчивость меди |c|=8,8•10^-8. [1,11 пТл]

16.2.По круговому контуру радиусом 50 см, погруженному в жидкий кислород, течет ток 1,5 А. Оп­ределить намагниченность в центре этого контура, если магнитная восприимчивость жидкого кислорода 3,4•10^-3. [5,1 мА/м]

16.3. По обмотке соленоида индуктивностью 1 мГн, находящегося в диамагнитной среде, течет ток 2 А. Соленоид имеет длину 20 см, площадь поперечного сечения 10 см² и 400 витков. Опреде­лить внутри соленоида: 1) магнитную индукцию; 2) намагниченность. [1)5 мТл; 2) 20 А/м]

!6.4. Алюминиевый шарик радиусом 0,5 см помещен в однородное магнитное поле (В₀=0,1 Тл). Определить магнитный момент, приобретенный шариком, если магнитная восприимчивость алюминия 2,1•10^-5. [8,75 мкА•м²]