Основы теории ферромагнетизма

В отличие от диамагнетизма и парамагнетизма, которые являются свойствами отдельных атомов или молекул вещества, ферромагнитные свойства вещества объясняются особенностями его кристаллической структуры. Атомы железа, если взять их, например, в парообразном состоянии, сами по себе диамагнитны или лишь слабо парамагнитны. Ферромагнетизм есть свойство железа в твердом состоянии, то есть свойство кристаллов железа.

Ферромагнитные вещества отличаются от парамагнитных не только большим значением магнитной проницаемости и ее зависимостью от напряженности поля, но и весьма своеобразной связью между намагниченностью и напряженностью магнитного поля. Эта особенность находит свое отражение в явлении гистерезиса со всеми его следствиями: наличием остаточной намагниченности и коэрцитивной силы.

В чем причина гистерезиса? Вид кривых на рис 9.5 и рис. 9.6 – различие между ходом нарастания намагничивания ферромагнетика при увеличении Н и ходом ее размагничивания при уменьшении Н – показывает, что при изменении намагниченности ферромагнетика, при увеличении и уменьшении напряженности внешнего поля, ориентация и дезориентация элементарных магнитов не сразу следует за полем, а происходит с некоторым отставанием.

Подробное изучение процессов намагничивания и размагничивания железа показывает, что ферромагнитные свойства вещества определяются не магнитными свойствами отдельных атомов или молекул, которые сами по себе парамагнитны, а намагничиванием целых областей, называемых доменами, - небольших участков вещества, содержащих очень большое число атомов. Взаимодействие магнитных моментов отдельных атомов ферромагнетика приводит к созданию сильных внутренних магнитных полей, действующих в пределах каждой такой области и выстраивающих в пределах этой области все атомные магнетики относительно друг другу, как показано на рисунке 9.8.

Рис. 9.8. Схема ориентации молекулярных магнитов в областях самопроизвольного намагничивания 1 и 2: а) внешнее магнитное поле отсутствует, б) под действие внешнего магнитного поля области 1 и 2 перестраиваются.

Таким образом, даже в отсутствии внешнего магнитного поля ферромагнитное вещество состоит из ряда отдельных областей, каждая из которых самопроизвольно намагничена до насыщения. Но направление для различных областей различно, так что вследствие хаотичности распределения этих областей тело в целом оказывается в отсутствии внешнего поля ненамагниченным.

Под влияние внешнего поля происходит перестройка и перегруппировка таких областей самопроизвольного намагничивания, в результате которой получают преимущество те области, намагниченность которых параллельна внешнему полю, и вещество в целом оказывается намагниченным.

Один из примеров такой перестройки областей самопроизвольного намагничивания показан на рисунке 9.8. Здесь условно изображены две смежные области, направления намагниченности которых перпендикулярны друг другу. При наложении внешнего поля часть атомов области 2, в которой намагниченность перпендикулярна к полю, на границе ее с областью 1, в которой намагниченность параллельна полю, поворачивается, так что направления их магнитного момента становится параллельна полю. В результате область 1, расширяется за счет тех областей, в которых направление намагниченности образует большие углы с направлением поля, и возникает преимущественное намагничивание в направление внешнего магнитного поля. В очень сильных внешних полях возможны и повороты в направлении ориентации всех атомов в пределах целой области.

При снятии внешнего поля происходит обратный процесс распада и дезориентации этих областей, то есть размагничивание тела. Ввиду больших по сравнению с атомами размеров областей самопроизвольного намагничивания как процесс ориентации их, так и обратный процесс дезориентации происходит с гораздо большими затруднениями, чем аналогичные процессы для отдельных молекул или атомов, имеющие место в парамагнитных и диамагнитных телах. Этим и объясняется отставание намагничивания и размагничивания от изменения внешнего поля, то есть гистерезис ферромагнитных тел.

Сила Лоренца

Известно, что магнитное поле электрического тока следует рассматривать как поле, создаваемое движущимися зарядами. Эта важная мысль, высказанная голландским физиком Хендриком Антоном Лоренцем, была подтверждена опытами А.А. Эйхенвальда, В.К. Рентгена и других. Лоренцу же принадлежит и обратный вывод: силы, с которыми магнитное поле действует на проводник с током, являются силами, действующими на движущиеся заряды (электроны или ионы), которые и составляют ток. Эти силы называют силами Лоренца. Но так как движущиеся заряды сталкиваются с атомами вещества, то силы, действующие со стороны магнитного поля на движущиеся заряды, увлекают и проводник, в котором эти заряды движутся. Таким образом, силы взаимодействия между током и полем сводятся к силам Лоренца.

Сила Лоренца, действующая на электрон е, движущийся в магнитном поле, перпендикулярна к скорости электрона υ и к магнитной индукции В.

Рис. 9.10. Электрон в магнитном поле.

Направление этой силы можно определить по правилу левой руки, только надо учесть, что направление движения электронов противоположно направлению электрического тока, ибо электроны несут отрицательный заряд, поэтому пальцы левой руки, указывающие направление тока, должны располагаться навстречу движению электронов.

Модуль силы Лоренца определяется формулой:

, (72)

где е – заряд электрона, α- угол между направлениями векторов υ и В.

Предыдущая формула определяет только магнитную часть силы Лоренца. «Полная» сила Лоренца включает в себя, кроме этой части, электрическую честь, равную еЕ, где Е – напряженность электрического поля.

Полная сила Лоренца записывается так:

. (73)

Частица под действием силы Лоренца двигается по винтовой траектории, где r – радиус орбиты и h- шаг винта рассчитываются следующим образом:

, (74)

. (75)

ЛЕКЦИЯ №10. МАГНИТНАЯ И ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ. СХЕМЫ КОНТРОЛЯ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНТРОЛЯ