Ферромагнетики и их свойства

Кроме диамагнетиков и парамагнетиков, являющихся слабомагнитными веществами,существуют еще сильномагнитные вещества – ферромагнетики. Ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью, т. е. они намагничены даже при отсутствии внешнего магнитного поля.

Если для слабомагнитных веществ зависимость от линейная функция, то для ферромагнетиков эта зависимость, впервые изученная в 1878 г. русским физиком А. Г. Столетовым (1839—1896), является существенно нелинейной функцией. По мере возрастания намагниченность сначала растет быстро, затем медленнее и, наконец, достигается так называемое магнитное насыщение , не зависящее от напряженности поля (рис. 14.6(а)).

Рис. 14.6

Зависимость магнитной индукции приведена на рис. 14.6(б). В отличие от кривой , зависимость не имеет насыщения и при > растет линейно.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков по порядку величин лежит в пределах 10²–10⁵. Например, у стали 8000, у сплава железа с никелем магнитная проницаемость достигает значений 250000.

К рассматриваемой группе ферромагнетиков относятся четыре химических элемента: железо, никель, кобальт, гадолиний, их сплавы и соединения.

Из них наибольшей магнитной проницаемостью обладает железо (ferrum – Fe). Поэтому вся эта группа получила название ферромагнетиков.

Ферромагнетиками могут быть различные сплавы, содержащие ферромагнитные элементы. Широкое применение в технике получили керамические ферромагнитные материалы – ферриты.

Для каждого ферромагнетика существует определенная температура (так называемая температура или точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком. У железа, например, температура Кюри равна 770 ° C, у кобальта 1130 ° C, у никеля 360 ° C.

Переход вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное, происходящий в точке Кюри, не сопровождается поглощением или выделением теплоты, т. е. в точке Кюри происходит фазовый переход II рода.

Ферромагнитные материалы делятся на две большие группы – магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Магнитомягкие ферромагнитные материалы почти полностью размагничиваются, когда внешнее магнитное поле становится равным нулю. К магнитомягким материалам относится, например, чистое железо, электротехническая сталь и некоторые сплавы. Эти материалы применяются в приборах переменного тока, в которых происходит непрерывное перемагничивание, то есть изменение направления магнитного поля (трансформаторы, электродвигатели и т. п.).

Магнитотвердые материалы в значительной мере сохраняют свою намагниченность и после удаления их из магнитного поля. Примерами магнитотвердых материалов могут служить углеродистая сталь и ряд специальных сплавов. Магнитотвердые материалы используются в основном для изготовления постоянных магнитов.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков не является постоянной величиной; она сильно зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Типичная зависимость приведена на рис. 14.7. В справочниках обычно приводятся значения максимальной магнитной проницаемости.

Непостоянство магнитной проницаемости приводит к сложной нелинейной зависимости индукции магнитного поля в ферромагнетике от напряженности внешнего магнитного поля.

Рис. 14.7

Характерной особенностью процесса намагничивания ферромагнетиков является наличие гистерезиса, то есть зависимость намагничивания от предыстории материала. Кривая намагничивания ферромагнитного материала с учетом гистерезиса приведена на рис. 14.8. Она представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлей гистерезиса.

Рис. 14.8

При увеличении от нуля до магнитная индукция возрастает от нуля до . Если затем уменьшать напряженность и довести ее вновь до нулевого значения, то ферромагнетик сохранит остаточную намагниченность – поле внутри образца будет равно . Остаточная намагниченность образцов позволяет создавать постоянные магниты. Для того, чтобы полностью размагнитить образец, необходимо, изменив знак внешнего поля, довести его напряженность до значения , которое принято называть коэрцитивной силой. Далее процесс перемагничивания может быть продолжен, как это указано стрелками на рис. 14.8.

У магнитомягких материалов значения коэрцитивной силы невелико – петля гистерезиса таких материалов достаточно узкая. Материалы с большим значением коэрцитивной силы, то есть имеющие широкую петлю гистерезиса, относятся к магнитотвердым материалам.

Природа ферромагнетизма может быть до конца понята только на основе квантовых представлений. Качественно ферромагнетизм объясняется наличием собственных (спиновых) магнитных полей у электронов. В кристаллах ферромагнитных материалов возникают условия, при которых, вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов, энергетически выгодной становится их параллельная ориентация. В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области размером порядка 10^–2–10^–4 см. Эти области называются доменами. Каждый домен представляет собой небольшой постоянный магнит.

В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов индукции магнитных полей доменов ориентированы в большом кристалле хаотически. Такой кристалл в среднем оказывается ненамагниченным. При наложении внешнего магнитного поля происходит смещение границ доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается. С увеличением индукции внешнего поля возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. В очень сильном внешнем поле домены, в которых собственное магнитное поле совпадает по направлению с внешним полем, поглощают все остальные домены, и наступает магнитное насыщение.