Магнитное поле в веществе

– результирующее поле (5.5)

– внешнее магнитное поле; – поле микротоков. подставляем в формулу (5.5):

(5.6)

Таким образом:

–

вектор напряженности магнитного поля. Как показывает опыт, в несильных полях: J ~ H поля, вызывающего намагничивание, т.е.

, (5.7)

где χ – магнитная восприимчивость вещества, χ – безразмерная величина. На рисунке представлена линейная зависимость для парамагнетиков и диамагнетиков.

χ_Д < 0 – для диамагнетиков, так как поле микротоков противоположно внешнему.

χ_П > 0 – для парамагнетиков (поле микротоков совпадает с внешним).

Подставляем формулу (5.7) в формулу (5.6):

,

где μ = 1 + χ – магнитная проницаемость вещества. Следовательно:

(5.8)

Так как, χ для диа- и парамагнетиков очень мало (порядка 10^-6 – 10^-4), то μ ≈ 1. Это просто понять, так как магнитное поле микротоков намного меньше внешнего поля: B` << В₀.

χ _Д < 0 и μ_Д ≤ 1 – для диамагнетиков;

χ _П > 0 и μ_П ≥ 1 – для парамагнетиков.

Ферромагнетики

В магнитном отношении все вещества можно разделить на слабомагнитные (парамагнетики и диамагнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики). Пара- и диамагнетики при отсутствии (внешнего) магнитного поля, как мы знаем, не намагничены и характеризуются однозначной зависимостью намагниченности Jот Н: J =χH.

Ферромагнетики – твердые вещества, которые могут обладать спонтанной намагниченностью, т.е. намагничены уже при отсутствии внешнего магнитного поля. Типичные представители ферромагнетиков – это железо, кобальт, никель и многие их сплавы. Это элементы, атомы которых имеют недостроенные внутренние d-облочки. У этих веществ имеются постоянные (не зависящие от внешнего магнитного поля) магнитные моменты электронных оболочек атомов вещества (спиновых или орбитальных или обоих вместе).

Jот H ( J= χH )у пара- и диамагнетиков изменяется линейно. Jот Hу ферромагнетиков зависит сложным образом. На рис. 5.1 приведена основная кривая намагничивания ферромагнетика.КогдаJ=0при Н=0.Уже при сравнительно небольших значениях Н, намагниченность J, достигает насыщения J_н.

B =µ₀(H + J)также растет с увеличением Н,а после достижения состояния насыщения В продолжает расти с увеличением Н по линейному закону :

B =µ₀H +const,где const =µ₀J_н.На рис. 5.2 приведена основная кривая намагничения на диаграмме В-Н.

Ввиду нелинейной зависимости В от Н для ферромагнетиков нельзя ввести величину µ как постоянную, характеризующую магнитные свойства каждого данного ферромагнетика. Однако по-прежнему считают, что µ = В/µ₀Н, при этом µ является функцией Н (Рис. 5.3). Магнитная проницаемость достигает максимального значенияµ_max при состоянии насыщения В. Так, например,длячистогожелеза –5000.

Понятие µ применяют толькок основной кривой намагничивания, так как зависимость B = f(H)неоднозначна.

Кроме нелинейной зависимости В от Н или J от Н для ферромагнетиков характерно наличие гистерезиса (рис. 5.4). Если довести намагничивание до насыщения 0 → А, а затем уменьшить Н, то кривая намагниченности В=f(Н) пойдет не по первоначальному пути А→0, а по кривой А→С. В результате, когда Н внешнего поля равна 0 намагничивание не исчезает и характеризуется величиной B_r –остаточной индукцией (ей соответствует J_r).C наличием B_rcвязано существование постоянных магнитов. Величина В обращается в нуль (точка «C») лишь под действием поля Н_с,имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Н_с– коэрцитивная сила.

Если максимальные значения Н таковы, что намагниченность достигает насыщения, получается максимальная петля гистерезиса. Если при амплитудных значениях Н насыщение не достигается, получается петля, называемая частным циклом. Частных циклов существует бесконечное множество, они лежат внутри максимальной петли гистерезиса.

Гистерезис приводит к тому, что намагничивание ферромагнетика не является однозначной функцией напряженности Н, оно в сильной мере зависит от предыстории образца – от того, в каких полях он побывал.

Величины: B_r; Н_с; µ_max–основные характеристики ферромагнетика.

Если Н_свелика, ферромагнетик называется жестким. Для него характерна широкая петля гистерезиса. Ферромагнетик с малой Н_сназывается мягким. Опыт показывает, что при перемагничивании ферромагнетик нагревается. Можно показать, что в единице объема ферромагнетика выделяется теплота Q_ед., численно равная «площади» S петли гистерезиса:

.

Температура Кюри. При повышении температуры способность ферромагнетиков намагничиваться уменьшается. При этом падают значения их магнитной восприимчивости χ и магнитной проницаемости µ, ослабляется гистерезис и уменьшается J_н.При некоторой температуре Т_К,называемой температурой или точкой Кюри, ферромагнитные свойства исчезают. При Т > T_K ферромагнетик превращается в парамагнетик.

Физическую природу ферромагнетизма удалось понять только с помощью квантовой механики. При определенных условиях в кристаллах могут возникать обменные силы, которые заставляют магнитные моменты электронов устанавливаться параллельно друг другу. В результате возникают области (размером 1-10 мкм) спонтанного намагничивания – домены (рис. 5.5).

В пределах каждого домена ферромагнетик намагничен до насыщения и имеет определенный магнитный момент. Направления этих моментов для разных доменов различны, поэтому при отсутствии внешнего поля Н = 0суммарный момент образца равен нулю и образец в целом представляется макроскопически не намагниченным. Разбиение ферромагнетика на домены происходит потому, что в этом случае энергия ферромагнетика уменьшается (2 начало термодинамики).

При включении магнитного поля Н ≠ 0при слабых полях наблюдается смещение границ доменов, в результате увеличиваются размеры доменов, моменты которых составляют с вектором Н меньший угол θ.

Например, домены 1 и 3 увеличиваются за счет доменов 2 и 4.Такой рост, в слабых полях, имеет обратимый характер.

При Н ≠ 0энергии отдельных доменов становятся неодинаковыми: энергияменьше для доменов, в которых вектор J образует с вектором Нострый угол, и больше, если угол тупой.

При дальнейшем увеличении Н, домены с меньшими θ, которые обладают в магнитном поле меньшей энергией, не поглотят целиком энергетически менее выгодные домены. На следующей стадии имеет место поворот магнитных моментов в направлении поля. При этом происходит одновременный поворот магнитных моментов электронов в пределах всего домена. Эти процессы являются необратимыми, что и служит причиной гистерезиса и остаточного намагничивания.

Указанные процессы намагничивания происходят с некоторой задержкой, т.е. смещение границ и поворот магнитных моментов отстают от изменения Н, что приводит к появлению гистерезиса.