Теория метода. Ферромагнетики - кристаллические вещества с большой величиной относительной магнитной проницаемости

Ферромагнетики - кристаллические вещества с большой величиной относительной магнитной проницаемости . Ферромагнитными свойствами обладают: железо, никель, ко­бальт, многие их сплавы, а также некоторые сплавы на основе марганца, платины. Высокие магнитные свойства ферромагнети­ков обусловлены тем, что они состоят из произвольно намагни­ченных доменов, размеры которых ~ 0,01 мм, они содержат до 10²² атомов. Каждый домен намагничен вдоль одного из кристалло­графических направлений легкого намагничивания.

В не намагниченном кристалле домены ориентированы так, что их магнитные моменты взаимно компенсируют друг друга (рис. 1а) и результирующий магнитный момент равен нулю. Внешнее магнитное поле вызывает перемещение границ доменов. Домены с ориентацией совпадающей с направлением поля расши­ряются, за счет доменов, имеющих другую ориентацию (рис. 1б, в). В сильном внешнем магнитном поле все магнитные моменты ориентированы вдоль поля (рис. 1г) и ферромагнетик намагничен до насыщения.

Границы доменов и их перестройку наблюдают в микро­скоп, нанося на отполированный ферромагнетик суспензию магнитного порошка, частицы которого собираются по границам до­менов, очерчивая их.

Теория, объясняющая природу ферромагнетизма, базирует­ся на том, что ферромагнетизм присущ кристаллам тех элемен­тов, у которых: а) в атомах имеются внутренние незаполненные электронные слои; б) отношение диаметра атома в решетке к диаметру незаполненного слоя больше 1,5. Ферромагнетизм имеет спиновую природу. Например, в атоме железа, в незапол­ненном З -слое находятся 6 электронов. Причем 5 из них имеют параллельно направленные спины, а у шестого - спин анти параллельный. В результате атом железа имеет большой магнитный мо­мент за счет четырех не скомпенсированных спинов. То же самое имеется и в других атомах с незаполненными внутренними слоя­ми (Ni, Со, Мn — З слой, Pt - 5 — слой).

В каждом домене магнитные моменты всех атомов распо­лагаются параллельно друг другу. Такая ориентация энергетиче­ски более выгодна, чем анти параллельная, но только при усло­вии, что > 1,5. В железе = 1,63, а марганец и платина не обладают ферромагнитными свойствами из-за неблагоприятного соотношения < 1,5. Но в некоторых сплавах марганца или платины под воздействием других атомов соотношение, ста­новится больше 1,5 и тогда сплав становится ферромагнитным.

Действующие в ферромагнетике квантово механические «обменные» силы сохраняют домены, противостоят разупорядочивающему тепловому колебанию атомов при обычных темпера­турах. Если же температура достигнет такого значения, что теп­ловое движение разрушит домены, то ферромагнитные свойства исчезнут. Такая температура называется точкой Кюри (например, у железа - 770^о С, инварного сплава (Fe + 78 % Ni) - 200 °С. При переходе через точку Кюри наблюдается резкий скачок магнитной проницаемости от значений (ферромагнетик) до (парамагнетик). При охлаждении ниже точки Кюри доменная структура образует­ся снова.

Переход "ферромагнетик парамагнетик" является фазо­вым переходом второго рода: поглощения или выделения тепло­ты не происходит. Однако при фазовом переходе второго рода скачкообразно меняются такие параметры вещества, как тепло­емкость магнитная восприимчивость. Этим объясняется, почему в данной лабораторной работе с ростом температуры, увеличивается ЭДС индукции во вторичной обмотке, что фиксируют показания амперметра по изменению величины силы тока в цепи. А после прохождения точки Кюри магнитная восприимчивость не обращается в нуль скачкообразно, а плавно снижается с большим коэффициентом наклона.