Теоретическое введение

Любое вещество под действием внешнего магнитного поля намагничивается, то есть создает свое собственное поле, обусловленное существованием молекулярных токов обладающих магнитными моментами .

Для количественной характеристики степени намагничивания вещества вводится вектор намагниченности , определяемый выражением

,                        (4.1)

где DV – физически бесконечно малый объем,  - магнитный момент отдельной молекулы. Суммирование проводится по всем молекулам в объеме DV.

Намагниченность равна магнитному моменту единицы объема магнетика, поэтому может быть представлена в виде

,                         (4.2)

где n – концентрация молекул,  - усредненный магнитный момент одной молекулы.

В результате намагничивания вещества в нем появляется собственное магнитное поле , связанное с вектором  соотношением

                              ,                                     (4.3)

где m₀ = 4p×10^-7 Гн/м – магнитная постоянная.

Наложение внешнего поля  и собственного поля вещества  образует результирующее поле

                   ,                (4.4)

где m - магнитная проницаемость вещества.

Суммарное магнитное поле в магнетике определяется как макротоками проводимости, так и микротоками, то есть молекулярными токами, обусловленными движением электронов в атомах и молекулах. Магнитное поле токов проводимости определяет вектор напряженности магнитного поля . Связь между магнитной индукцией  и напряженностью  имеет вид

                          .                                   (4.5)

В зависимости от величины магнитной проницаемости все магнетики подразделяются на диамагнетики (m< 1), парамагнетики (m³ 1) и ферромагнетики (m>>1).

К ферромагнетикам относят вещества, которые обладают спонтанной (самопроизвольной) намагниченностью. Типичные представители ферромагнетиков – это железо, кобальт, никель и их сплавы.

 Рис. 4.1             Рис. 4.2                Рис. 4.3

Кривые намагничивания ферромагнетиков представлены на рис. 4.1-4.3. Уже при небольших значениях H намагниченность достигает насыщения J_нас (рис. 4.1), тогда как зависимость B(H) продолжает расти с увеличением Н по линейному закону (рис. 4.2) как у парамагнетиков согласно уравнению   

Магнитная проницаемость ферромагнетика является функцией H (рис. 4.3).

При циклическом изменении Н в диапазоне │±Н│>Н магнитная индукция В изменяется до насыщения и зависимость В(Н) имеет вид основной петли гистерезиса, на которой выделяют точки характеристик ферромагнетиков: В - индукция насыщения, В - остаточная индукция и Н_к – коэрцитивная сила - напряженность размагничивающего поля, при которой остаточная индукция обращается в ноль (рис. 4.4). Площадь петли гистерезиса пропорциональна работе перемагничивания или количеству теплоты, выделяющейся в единице объема ферромагнетика за цикл перемагничивания.

В зависимости от значения коэрцитивной силы различают магнитомягкие и магнитожесткие материалы. Первые отличаются малым значением H_к и малыми потерями энергии при перемагничивании. Эти материалы используются для изготовления сердечников трансформаторов. Магнитожесткие материалы, характеризующиеся широкой петлей гистерезиса (H_к - велико), используются для изготовления постоянных магнитов.

Магнитные свойства ферромагнетиков обусловлены наличием областей спонтанного намагничивания, называемых доменами. В пределах каждого домена ферромагнетик намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом. Направления этих моментов различны, поэтому суммарный момент ферромагнетика равен нулю. При внесении ферромагнетика во внешнее магнитное поле происходит рост благоприятно ориентированных доменов. На начальной стадии этот процесс носит плавный и обратимый характер. В дальнейшем из-за наличия в образцах различных дефектов, мешающих плавному смещению доменных границ, наблюдаются скачкообразные изменения J(H). Наконец, в области близкой к насыщению происходят повороты магнитных моментов доменов в направлении поля. Эти процессы необратимы и являются причиной гистерезиса.

Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура Т_с, при которой области спонтанного намагничивания распадаются и вещество утрачивает ферромагнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри. При охлаждении ферромагнетика ниже точки Кюри его магнитные свойства восстанавливаются.