Намагнічування і перемагнічування феромагнетиків

Закономірності намагнічування феромагнетиків були досліджені російським фізиком О. Столєтовим (1872). Процес намагнічування і перемагнічування якісно можна представити наступним чином.

Хоча кожен домен намагнічений майже до повного насичення, не намагнічений зразок загалом не має магнітного моменту, оскільки магнітні моменти доменів компенсують один одного. При внесенні феромагнетика в зовнішнє магнітне поле ті домени, напрямок орієнтації магнітного моменту яких близький до напрямку зовнішнього магнітного поля (гострий кут), починають збільшуватись за рахунок доменів, орієнтація магнітних моментів яких енергетично менш вигідна (тупий кут) (див. рис. 2.13,б). Такий процес називають процесом зміщення. При такому зміщенні домени можуть змінювати розміри, форму, власну енергію. Перешкоджають процесу зміщення дефекти гратки, мікротріщини, межі між монокристалами у полікристалічному зразку.

Рис.2.13

У слабких магнітних полях процес зміщення є оборотним. Він зумовлений пружним зміщенням меж доменів.

Якщо напруженість зовнішнього магнітного поля збільшувати, то виникає новий тип намагнічування, за якого змінюється напрямок магнітного моменту всередині домену (рис. 2.13,в). Цей процес називають процесом обертання. Його наявність підтверджується експериментально так званим ефектом Баркгауза – стрибкоподібною зміною намагніченості речовини зі збільшенням напруженості поля (рис. 2.14, б). Кожна сходинка відповідає повороту магнітних моментів групи доменів, які мають приблизно однакові значення потенціальної енергії. Перешкоджає процесу обертання анізотропія магнітних властивостей речовини. Процеси зміщення та обертання можуть частково перекриватися.

Рис. 2.14

Залежність: а—індукції В поля в об’ємі феромагнетика, б—намагніченості J речовини, в—магнітної сприйнятливості від величини напруженості Н зовнішнього поля. Області: І—процес зміщення, ІІ—процес обертання, ІІІ—парамагнітний процес, ІV—магнітне насичення.

При досягненні так званого технічного насичення (значення та —рис.2.14, а, б) зростання індукції та намагніченості з підвищенням напруженості поля суттєво зменшується, але не припиняється. Це зумовлено частковою тепловою розорієнтацією спінів у об’ємі домену (рис. 2.13, а). Сильне магнітне поле послаблює теплову дію і сприяє збільшенню магнітного моменту домену. Це звичайний парамагнітний процес, після завершення якого наступає повне магнітне насичення , і намагніченість тіла з ростом напруженості поля уже не змінюється, а індукція зростає практично за лінійним законом згідно з рівнянням (див. рис.2.14).

При циклічній зміні напруженості магнітного поля від до , а потім від до крива індукції (і намагніченості) описує замкнену криву, яку називають граничною петлею гістерезису (рис.2.15). Якщо напруженість поля Н змінюється в межах, що не забезпечують магнітне насичення, то петлю гістерезису називають неграничною. Основні магнітні параметри феромагнітного зразка: залишкова індукція, коерцитивна сила,початкова та максимальна магнітна проникність визначаються за граничною петлею гістерезису. На рис. 2.15 представлені гранична (а) і негранична (б) петлі гістерезису. Якщо не намагнічений зразок внести в зовнішнє магнітне поле, то індукція поля в об’ємі зразка, як функція напруженості поля, змінюватиметься за основною кривою намагнічування 1 (кривою Столєтова). За величини напруженості поля досягається повне

магнітне насичення. При зменшенні напруженості поля крива індукції відстає від основної кривої намагнічування і при Н=0 зразок залишається частково намагніченим. Індукцію називають залишковою, відповідну їй намагніченість — залишковою намагніченістю. Їхня наявність зумовлена залишковим магнітним порядком у об’ємі речовини. Зразок у цьому стані є постійним магнітом. Для того, щоб розмагнітити зразок, необхідно

Рис.2.15 накласти на нього поле зворотнього напрямку величиною напруженості Н_С. Величину цієї напруженості називають коерцитивною силою зразка.

За початкову магнітну проникність приймається магнітна проникність речовини в дуже слабких магнітних полях. Згідно з співвідношенням можна прийняти, що магнітна проникність має залежність від напруженості поля, якісно подібну до залежності магнітної сприйнятливості від напруженості поля. Експериментально початкову магнітну проникність можна визначити за формулою (див. рис.2.15). Максимальна магнітна проникність відповідає найшвидшому зростанню індукції зі зміною напруженості поля. Відрізняють повну магнітну проникність , що визначається за формулою , і диференціальну магнітну проникність , що визначається за формулою .

У залежності від того, в якому полі визначається магнітна проникність— статичному, чи змінному, її називають відповідно статичною чи динамічною. Їхні значення не співпадають ( і суттєво зменшується з зростанням частоти), оскільки на намагнічування феромагнетика в змінних полях діють вихрові струми, резонансні явища і магнітна в’язкість – відставання в часі зміни магнітних характеристик речовини від зміни напруженості магнітного поля.

Магнітна проникність здебільшого залежить від хімічної природи речовини, залишкова індукція і коерцитивна сила – як від природи речовини, так і від стану зразка.

Матеріали з високою коерцитивною силою дають широку петлю гістерезису. Їх називають магнітнотвердими матеріалами. Такими є, наприклад, вуглецеві, вольфрамові і хромові, алюмінієво-нікелеві та інші сталі, сплави кобальту з рідкоземельними елементами. З них виготовляють постійні магніти.

Матеріали з малою коерцитивною силою дають вузьку петлю гістерезису. Їх називають магнітном’якими матеріалами. До них належать: м’яке залізо, сплави заліза з нікелем, заліза з нікелем і молібденом – пермалой та супремалой. Ці матеріали використовують для виготовлення осередь трансформаторів, електромагнітів.

При намагнічуванні феромагнетика відбувається зміна його форми і об’єму. Це явище називають магнітострикцією. Величина і знак магнітострикції залежать від напруженості Н намагнічуючого поля і природи феромагнетика.

У феромагнетиках спостерігається також і зворотне явище – зміна намагніченості при деформації.

Сплави із значною магнітострикцією застосовують у приладах, які використовують для вимірювання тисків і деформацій; механічні коливання, які виникають у феромагнетиках при їх намагнічуванні у періодично змінному магнітному полі, використовують в ультразвукових магнітострикційних вібраторах.