Ферромагнетики и их свойства

Помимо рассмотренных двух классов веществ - диа- и парамагнетиков, на­зываемых слабомагнитными веществами, существуют еще сильномагнитные вещества - ферромагнетики - вещества, обладающие спонтанной намагничен­ностью, т.е. они намагничены даже при отсутствии внешнего магнитного поля. К ферромагнетикам, кроме основного их представителя - железа (от него и идет название "ферромагнетизм"),- относятся, например, кобальт, никель, гадоли­ний, их сплавы и соединения.

Ферромагнетики, помимо способности сильно намагничиваться, обладают еще и другими свойствами, существенно отличающими их от диа- и парамагне­тиков. Если для слабомагнитных веществ зависимость от линейна (рис. 59), то для ферромагнетиков эта зависимость, впервые изученная в 1878г. методом баллистического гальванометра для железа русским физиком А.Г.Столетовым, является довольно сложной.

Рис. 59

По мере возрастания Н намагниченность J сначала растет быстрее, затем медленнее и, наконец, достигается так называемое магнитное насыщение _Jнac, уже не зависящее от напряженности поля. Подобный характер зависимости J от Н можно объяснить тем, что по мере увеличения намагничивающего поля уве­личивается степень ориентации молекулярных магнитных моментов по полю, однако этот процесс начнет замедляться, когда останется все меньше и меньше неориентированных моментов. И наконец, когда все моменты будут ориенти­рованы по полю, дальнейшее увеличение J прекращается и наступает магнит­ное насыщение.

Существенная особенность ферромагнетиков - не только большие значе­ния μ (например, для железа - 5000, для сплава супермалоя - 800000), но и зави­симость μ от Н. Вначале μ растет с увеличением Н, затем, достигая максимума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к 1.

Характерная особенность ферромагнетиков состоит также в том, что для них зависимость J от Н (а следовательно, и В от Н) определяется предысторией намагничивания ферромагнетика. Это явление получило название магнит­ного гистерезиса. Если намагнитить ферромагнетик до насыщения (точка 1, рис. 60), а затем начать уменьшать напряженность Н намагничиваю­щего поля, то, как показывает опыт, уменьшение J описывается кривой 1-2, ле­жащей выше кривой 1-0. При Н=0 J отличается от нуля, т.е. в ферромагнетике наблюдается остаточное намагничивание J_ос.

С наличием остаточного намагничива­ния связано существование постоянных маг­нитов. Намагничивание обращается в нуль под действием поля Н_с, имеющего направле­ние, противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Напряженность Н_с называется коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик пе-ремагничивается (кривая 3-4), и при Н = -Н_нас достигает насыщения (точка 4). Затем ферромагнетик можно опять размагнитить до насыщения (кривая 6-1).

Рис. 60

Таким образом, при действии на ферромагнетик переменного магнитного поля намагниченность J изменяется в соответствии с кривой 1-2-3-4-5-6-1, которая называется петлей гистерезиса (от греч. "запаздывание"). Гистерезис при­водит к тому, что намагничивание ферромагнетика не является однозначной функцией Н, т.е. одному и тому же значению Н соответствует несколько значе­ний J.

Различные ферромагнетики дают разные гистерезисные петли. Ферромаг­нетики с малой (в пределах от нескольких тысячных до 1-2 А/см) коэрцитив­ной силой Н₀ (с узкой петлей гистерезиса) называются мягкими, с большой (от нескольких десятков до нескольких тысяч ампер на сантиметр) коэрцитивной силой (с широкой петлей гистерезиса) - жесткими. Величина Н_о, J_ос и μ_max опре­деляют применимость ферромагнетиков для тех или иных практических целей. Так, жесткие ферромагнетики (например, углекислые и вольфрамовые стали) применяются для постоянных магнитов, а мягкие (например, мягкое железо, сплав железа с никелем) - для изготовления сердечников трансформаторов.

Ферромагнетики обладают еще одной существенной способностью: для каждого ферромагнетика имеется определенная температура, называемая точ­кой Кюри, при которой он теряет свои свойства. При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик.

Наконец, процесс намагничивания ферромагнетиков сопровождается из­менением его линейных размеров и объема. Это явление получило название магнитострикции. Величина и знак эффекта зависят от напряженности Н намагничивающего поля, от природы и ориентации кристаллографических осей по отношению к полю.