.7. Феромагнетизм.Феромагнетики. @
Так само, як і для діамагнетиків, залежність магнітної сприйнятливості парамагнетиків від зовнішнього поля лінійна (рис.5.8).
Переважна орієнтація магнітних моментів по полю залежить від температури. Зі зростанням температури посилюється тепловий рух атомів, отже, орієнтація в одному напрямку стає утрудненою і намагніченість зменшується. Французький фізик П.Кюрі встановив таку закономірність: де З це постійна Кюрі, яка залежить від роду речовини. Класична теорія парамагнетизму була розвинена 1905 р. П. Ланжевеном.
2.10 Феромагнетизм. Феромагнетики. Доменна структура феромагнетиків.
.7. Феромагнетизм. Феромагнетики. @
Феромагнетики – тверді кристалічні речовини, що мають мимовільну (спонтанну) намагніченість без зовнішнього магнітного поля.Атоми (молекули) таких речовин мають відмінний від нуля магнітний момент. У відсутність зовнішнього поля магнітні моменти в межах великих областей орієнтовані однаково (докладніше про це буде сказано далі). На відміну від слабомагнітних діа-і парамагнетиків феромагнетики - це сильномагнітні речовини. Їхнє внутрішнє магнітне поле може в сотні і тисячі разів перевищувати зовнішнє. Для феромагнетиків χ і μ позитивні і можуть досягати дуже великих значень, порядка
103. Тільки феромагнетики можуть бути постійними магнітами.
Чому ж феромагнітні тіла виявляють таку сильну намагніченість? Чому в них тепловий рух не заважає встановленню порядку розташування магнітних моментів? Щоб відповісти на це питання, розглянемо деякі важливі властивості феромагнетиків.
Для феромагнетиків залежить від нелінійно (рис. 2.9).Припустимо, що з Н=0 початковий магнітний момент феромагнетика також дорівнював нулю. Разом із зростанням напруженості поля починається різке нелінійне наростання намагніченості, і вже в полях порядку декількох ерстед (1 ерстед=10 3 /4π А/м)J досягає насичення і не змінюється з подальшим збільшенням. Дана крива називаєтьсяосновноюабонульовою кривою намагнічування, так як спочатку намагніченість була нульовою. Таку залежність вперше було отримано та досліджено українським ученим А.Г.Столетовим (1872 р.) у його докторській дисертації.
Якщо ми зобразимо основну криву намагнічування в координатах (В, Н) (рис.2.10, крива 0-1), то отримаємо дещо іншу картину: оскільки , то при досягненні значення Jнас, магнітна індукція продовжує зростати разом із ростом лінійно:
= μ0 + const, const = μ0 J нас.
Для феромагнетиків характерне явищегістерезису(від грец.hysteresis - відставання, запізнення).
Доведемо намагніченість тіла до насичення, підвищуючи напруженість зовнішнього поля (рис. 2.10, точка 1), а потім зменшуватимемо Н. При цьому залежність В(Н) слід не початковою кривою 0-1, а новою кривою 1-2. При зменшенні напруженості до нуля намагніченість речовини та магнітна індукція зникнуть. При Н=0 магнітна індукція має ненульове значення Схід, яке називаєтьсязалишковою індукцією. НамагніченістьJост, відповідна Схід, називаєтьсязалишковою намагніченістю, а феромагнетик набуває властивостей постійного магніту. Схід іJост звертаються в нуль лише під дією поля, протилежного до початкового напрямку. Значення напруженості поля Нс, при якому залишкові намагніченість та індукція обертаються в нуль, називається коерцитивною силою (від лат. coercitio- утримання).Продовжуючи діяти на феромагнетик змінним магнітним полем, отримаємо криву 1-2-3-4-1, звану петлею гістерезису. В даному випадку реакція тіла (В або J) як би відстає від причин, що її викликають (Н).
Існування залишкової намагніченості робить можливим виготовлення постійних магнітів, тому що феромагнетики з Вост≠ 0 мають постійний магнітний момент і створюють в навколишньому просторі постійне магнітне поле. Такий магніт тим краще зберігає свої властивості, чим більша коерцитивна сила матеріалу, з якого він виготовлений. Магнітні матеріали прийнято ділити за величиною Нсна магнітно-м'які (тобто з малої Нс порядку 10 -2 А/м і відповідно з вузькою петлею гістерезису) імагнітно-жорсткі(Нс
10 5 А/м та широка петля гістерезису). Магнітно-м'які матеріали потрібні для виготовлення трансформаторів, сердечники яких постійно перемагнічують змінним струмом. Якщо сердечник трансформатора володітиме великою гістерезисом, він нагріватиметься при перемагнічуванні, на що марно витрачатися енергія. Тому для трансформаторів потрібні по можливості безгістерезисні матеріали. До феромагнетиків з вузькою петлею гістерези відносяться сплави заліза з нікелем або заліза з нікелем і молібденом (пермалою і супермалою).
Магнітно-жорсткі матеріали (до них відносяться вуглецеві, вольфрамові, хромові та алюмінієво-нікелеві сталі) служать для виготовлення постійних магнітів.
Істотною особливістю феромагнетиків є величезні величини магнітної проникності та магнітної сприйнятливості. Наприклад, для заліза μмах ≈ 5000, для пермалою – 100000, для супермалою – 900000. Для феромагнетиків величини магнітної сприйнятливості та магнітної проникності є функціями напруженостімагнітного поля Н (рис.2.11). Зі зростанням напруженості поля значення μ спочатку швидко зростає до μмах, а потім зменшується, наближаючись до значення μ=1 у дуже сильних полях. Тому, хоча формула В = μ0Н залишається справедливою і для феромагнітних речовин, лінійна залежність між В і Н порушується.
У середині XIX ст. було відкрито два магнітомеханічні ефекти, властиві феромагнетикам. Перший - цемагнітострикція- зміна форми і розмірів тіла при його намагнічуванні. Магнітострикція була виявлена Джоулем у 1842 році. Явище магнітострикції використовується в такій специфічній галузі техніки, як підводна сигналізація та визначення глибин морів при конструкції приладів, які називаються ехолотами.
Другий магнітомеханічний ефект - це ефект Вілларі - зміна і навіть зникнення залишкової намагніченості тіла при його струсі або деформації (відкритий Е. Вілларі в 1865 р.). Саме через це постійні магніти слід оберігати від ударів.
Аналогічно деформації на феромагнетиці діє нагрівання. З підвищенням температури залишкова намагніченість починає зменшуватися спочатку слабо, а потім, при досягненні деякої досить високої температури, характерної для кожного феромагнетика, відбувається різкий спад намагніченості до нуля. Тіло стає парамагнетиком. Температура, за якої відбувається така зміна властивостей, називаєтьсяточкою Кюрі, на честь П.Кюрі, який її відкрив. Для заліза точка Кюрі дорівнює 770 ºС, для кобальту - 1130 ºС, для нікелю - 358 ºС, для гадолінію - 16 ºС. Цей перехід не супроводжується виділенням чи поглинанням тепла і є фазовим переходом ІІроду. Всі ці явища знаходять пояснення при розгляді структури феромагнетиків.