Процеси намагнічування та перемагнічування у феромагнетиках

 

У зовнішньому магнітному полі феромагнетик почне намагнічуватись, тобто виникне і буде зростати його результуючий магнітний момент. Криві намагнічування та петлі гістерезису (процеси перемагнічування) визначаються, в першу чергу, зміною доменної структури у зовнішньому магнітному полі . Це відбувається шляхом зміни об'єму доменів з різною орієнтацією векторів у них за рахунок зсуву границь доменів. Окрім того, відбувається обертання векторів у напрямку зовнішнього поля.

При розмагнічуванні феромагнетика з стану магнітного насичення відбувається відновлення доменної структури шляхом винекнення зародків перемагнічування – областей з зворотною (по відношенню до початкової) намагніченістю.

Схематично процес намагнічування феромагнетика зображено на рис.3.

а б в г д

 

Рис. 3. Динаміка змін у доменній структурі феромагнетика

у зовнішному магнітному полі

 

На рис.3а зображено невелику ділянку феромагнетика за відсутності зовнішного магнітного поля. Введення зовнішного магнітного поля призводить до того, що об'єм доменів, орієнтація векторів у яких найбільш близька до орієнтації поля , буде зростати за рахунок сусідніх доменів з іншою орієнтацією (рис.3б). Це зростання відбувається шляхом зсуву доменних стінок. При деякому значенні поля феромагнетик буде складатися лише з одного домена з моментом (рис.3в). При подальшому збільшенні поля момент почне повертатися ближче до орієнтації до повного співпадіння (рис.3г). При цьому має місце так зване технічне насичення. Величина технічного насичення дорівнює величині спонтанної намагніченості , оскільки моменти практично усих існуючих диполей орієнтовані по полю. Поле , що відповідає цьому випадку називається полем насичення. При подальшому збільшенні поля момент не змінює свого напрямку, однак, буде незначно змінюватися його величина за рахунок так званого парапроцесу (рис.3д). Парапроцес – збільшення на завершальному етапі намагнічування феромагнетиків (після "зсуву" і "обертання"), що зумовлене орієнтацією у полі елементарних носіїв магнетизму (спінових і орбітальних магнітних моментів атомів чи іонів), що залишилися невпорядкованими внаслідок теплового руху. На етапі парапроцесу намагніченність під дією поля намагається наблизитися до величини абсолютного насичення, тобто до намагніченності, яку мав би феромагнетик при К. Парапроцес, як правило, дає малий приріст намагніченості, тому практично процес намагнічування вважають закінченим при досягненні технічного насичення.

Процеси, що описані вище, графічно зображено у вигляді залежності , яка має назву кривої намагнічування (рис.4).

 

Рис. 4. Крива намагнічування феромагнетика

 

Слід зазначити, що розглянутий випадок є ідеальним. У реальних матеріалах ці три процеси ("зсув", "обертання" та парапроцес) можуть накладатися один на одного.

Перемагнічування феромагнетика полягає у зміні його намагніченості на протилежну. Це досягаеться зміною величини і напрямку магнітного поля, у якому знаходиться феромагнетик. Цей процес зображено на рис.5.

Якщо перемагнічування здійснювати у слабких полях, на початковій ділянці кривої намагнічування (зі стану 1 у 1', рис.5), то воно є зворотним процесом (відбувається шляхом зворотного зсуву доменних стінок). При перемагнічуванні феромагнетика у більших полях (зі стану 2 у 2', чи з 3 у 3', рис. 5),процес престає бути зворотним. Виникає явище магнітного гістерезису, що характеризується відповідною кривою. Таким чином, магнітний гістерезис – неоднозначна (незворотна) залежність при циклічній зміні (збільшенні та зменшенні) зовнішнього поля . Гістерезис характеризує затримку зміни зі зміною .

Форма петлі гістерезису та важливі характеристики магнітного гістерезиса (втрати, , ) суттєво залежить від хімічного складу речовини, її структурного стану та температури, від кількості та характеру розподілу дефектів у зразку.

 

Рис. 5. Перемагнічування феромагнетика

 

Теорія явища магнітного гістерезиса враховує конкретну доменну структуру зразка та її зміни у ході перемагнічування. Ці зміни зумовлені зсувом доменних границь та зростанням одних доменів за рахунок інших, а також обертанням вектору у доменах під дією зовнішнього поля . Усе, що затримує ці процеси може бути причиною магнітного гістерезиса. Зокрема, це – магнітна анізотропія різного походження (кристала, форми частинок, пружних напружень і ін.). Завдяки анізотропії вектор начебто утримується деяким внутрішнім полем (ефективним полем магнітної анізотропії) вздовж осі (осей) "легкого" намагнічування, що відповідає мінімуму енергії. Гістерезис виникає через те, що два напрямки (за та проти) цієї осі у магнітоодновісному зразку чи декілька еквівалентних (по енергії) напрямків у магнітобагатовісному зразку, відповідають станам, що відділені один від одного потенційним бар'єром (пропорційним полю анізотропії). При перемагнічуванні відбувається стрибкоподібне обертання вектора .

У багатодоменних зразках, де перемагнічування зумовлено передусім зсувом доменних границь, однією з головних причин гістерезису є затримка зсуву границь на дефектах зразка і їх (границь) наступні незворотні стрибки.

Також, гістерезіс може бути наслідком затримкою утворення та збільшення зародків перемагнічування, з яких розвивається доменна структура. Зародки виникають через неоднорідне обертання вектору (наприклад, на ділянках з локально пониженою за рахунок дефектів анізотропією), чи є залишками доменної структури, що локалізовані на дефектах зразка та не були знищені у процесі його намагнічування.

Затримка зміни зі зміною при перемагнічуванні призводить до того, що енергія, яку набуває феромагнетик при намагнічуванні, не повністю віддається при розмагнічуванні, а частково втрачається на подолання "перешкод" та перетворюється у теплоту, що іде на нагрівання зразка – незворотні втрати енергії або втрати на гістерезис.

Петля гістерезису, що включає точки, які відповідають технічному насиченню, називається граничною. При подальшому збільшенні форма петлі практично не змінюється.

Поле при якому намагніченість дорівнює нулю, (на граничній петлі гістерезиса, називається коерцитивною силою феромагнетика.

Намагніченість, що залишається у феромагнетика, якщо попередньо його намагнітити до насичення та вимкнути магнітне поле, називається залишковою намагніченістю .

Гістерезис має місце і у залежності магнітної індукції феромагнетика від поля (рис.6).

 

 

Рис.6. Залежность магнітної індукції феромагнетика від зовнішного поля

 

Для більшості феромагнетиків петлі гістерезису та мають практично однакові значення .

Робота намагнічування феромагнетика

.

Зауваження: самостійно показати, що втрати енергії на гістерезис пропорційні площі петлі

, (5)

де – площа петлі.

Слід зауважити, що феромагнетики бувають з широкою петлею гістерезісу, відповідно, з великим значенням залишкового намагнічування і коерцитивної сили, їх називають жорсткими (або твердими) у магнітному відношенні. Такі магнетики використовуються для виготовлення постійних магнітів, для магнітного запису інформації, тощо. М’які у магнітному відношенні феромагнетики мають вузьку петлю гістерезісу, вони знаходять застосування в електротехніці, у пристроях, які працюють в змінних магнітних полях, зокрема у трансформаторах.