Ферромагнетики. Опыты Столетова. Основная кривая намагничивания ферромагнетика. Магнитный гистерезис. Точка Кюри для ферромагнетика. Домены.

Ферромагнетики это вещества, в которых собственное магнитное поле может намного превышать вызвавшее его внешнее магнитное поле

Экспериментальное изучение магнитных свойств железа было начато российским ученым А.Г. Столетовым (1872 г.). Он исследовал зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля. В опытах Столетова кольцо из исследуемого материала использовалось в качестве сердечника трансформатора. Метод исследования заключался в измерении электрического заряда, протекающего по вторичной катушке трансформатора при изменении направления тока в первичной катушке. По измеренному значению q заряда рассчитывалось значение магнитной индукции В в сердечнике по формуле, (1) где R и N2 – электрическое сопротивление и число витков вторичной катушки, а S – площадь поперечного сечения сердечника. При известном значении силы тока в первичной обмотке и, следовательно, напряженности магнитного поля Н, определялись магнитная проницаемость и намагниченность железа. В результате опытов Столетов установил зависимости намагниченности, магнитной индукции и магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля. На рисунке приводятся основные кривые намагничивания. Начиная с некоторого значения напряженности Нн, намагниченность достигает насыщения Jн и дальше не изменяется. Так как, то после достижения насыщения магнитная индукция В увеличивается прямо пропорционально напряженности. Нелинейная зависимость μ от Н объясняется следующим образом. Магнитная проницаемость определяется формулой. (2) При малых значениях напряженности магнитная проницаемость резко возрастает т.к. J>>H. После достижения насыщения (Jн=const) при дальнейшем увеличении напряженности второе слагаемое формулы (2) стремится к нулю, и магнитная проницаемость стремится к единице. Рассмотренные особенности намагничивания ферромагнетика показывают, что использование ферромагнетиков для получения сильных магнитных полей эффективно при значениях намагниченности, далеких от насыщения. Кривая намагничивания ферромагнетика в переменном магнитном поле. Магнитный гистерезис. Точка Кюри Изучая намагничивание ферромагнетика в переменном магнитном поле, Столетов обнаружил важное его свойство сохранять намагниченность после выключения внешнего поля. Существование остаточной намагниченности делает возможным изготовление постоянных магнитов. Если намагниченность довести до насыщения, а затем уменьшать напряженность намагничивающего поля, то намагниченность будет изменяться не по первоначальной кривой 01, а по кривой 12. Т.е. при Н=0 в ферромагнетике наблюдается остаточная намагниченность Jост. Чтобы снять остаточную намагниченность необходимо изменить направление напряженности на противоположное. Остаточная намагниченность снимается при некотором значении напряженности Нс, которое называется коэрцитивной силой. Коэрцитивная сила характеризует способность ферромагнетика сохранять намагниченное состояние. При дальнейшем изменении напряженности намагничивающего поля до –Ннас и далее до +Ннас получится замкнутая кривая, называемая петлей гистерезиса. Аналогичная петля гистерезиса имеет место и для зависимости В от Н. В зависимости от значения коэрцитивной силы ферромагнетики делятся на магнитно-мягкие и магнитно-твердые. К магнитно-мягким относятся материалы с малыми значениями коэрцитивной силы (Нк~0,8–8А/м). Такие ферромагнетики используются в качестве сердечников трансформаторов и т.д. Магнитно-твердые материалы характеризуются высокими значениями коэрцитивной силы (Нк~104–105А/м) и используются для изготовления постоянных магнитов. Значения магнитной восприимчивости χ и проницаемости μ ферромагнетиков уменьшаются с увеличением температуры при любой напряженности намагничивающего поля, гистерезис ослабляется. При достаточно высокой температуре ферромагнитные свойства исчезают вовсе, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Значение температуры Тк, при котором вещество переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называется точкой Кюри. Каждый ферромагнетик имеет свою точку Кюри (например, у кобальта Тк=1403К, у железа Тк=1043К, у никеля Тк=631К). При охлаждении ниже точки Кюри ферромагнитное состояние вещества восстанавливается. Переход вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное состояние не сопровождается поглощением или выделением теплоты. Поэтому такой переход является примером фазового перехода второго рода. Остаточная намагниченность ферромагнетика может быть снята ударом. Поэтому постоянные магниты нужно предохранять от ударов. Доменная структура ферромагнетика, процесс намагничивания Классическая теория ферромагнетизма была разработана фр. ученым П. Вейсом (1907г). Вейс предполагал, что при температурах ниже точки Кюри ферромагнетик «разбивается» на домены – малые области (10-6–10-4м) самопроизвольной намагниченности. В отсутствие намагничивающего поля (Н=0) в пределах каждого домена вещество намагничено до насыщения. Однако векторы J намагниченности отдельных доменов ориентированы так (рис. а), что результирующая намагниченность вещества близка к нулю. Процесс намагничивания ферромагнетика объясняется следующим образом. С увеличением напряженности Н внешнего поля (рис. б) объем доменов типа 1 и 4, векторы J которых составляет меньший угол с вектором Н, увеличивается за счет доменов типа 2 и 3, у которых указанный угол больше. На этой стадии намагничивание является обратимым. При дальнейшем увеличении напряженности поля (рис. с) домены типа 2 и 3 исчезают вовсе. На этой стадии процесс становится необратимым. При последующем росте напряженности происходит вращение векторов намагниченности доменов, они устанавливаются вдоль вектора Н (рис. д) и наступает магнитное насыщение. На участке наиболее крутого увеличения намагниченности наблюдается эффект Г. Баркгаузена (1919), который проявляется в скачкообразном изменении J при монотонном изменении Н. Эффект Баркгаузена объясняется тем, что дефекты строения кристаллов препятствуют плавному смещению границ доменов при увеличении напряженности поля. При выключении внешнего поля после достижения насыщения, единственным фактором, влияющим на намагниченность J, остается тепловое движение атомов. Однако для «поворота» домена (совокупности атомов) требуется значительная энергия. Поэтому процесс размагничивания при обычных температурах затруднен. Размагничивание наступает при достаточно высокой температуре (точке Кюри).