Фейнман - 07. Физика сплошных сред (1055671), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Монокристаллы железа обладают огромной проницаемостью (в магнитном смысле), гораздо большей, чем поликристаллическое железо. Совершенный кристалл намагничивается очень легко. Почему же его кривая все же закругляется? Почему она не идет прямо до насыщения? Точно не известно. Быть может, вам когда-нибудь удастся изучить зто явление. Мы понимаем, почему при больших полях она плоская. Когда весь кубик становится единым доменом, то добавочное магнитное поле не может создать большей намагниченности, она уже равна М„„— значит, спины всех злектронов направлены вверх. Что получится, если мы попытаемся повторить то же самое для направления 010], которое лежит в плоскости ху под углом 45' к оси х? Мы включаем неболыпое поле, и намагниченность за счет роста домена резко увеличивается.
Если затем мы С$ Ф » о а З о а моо и ггоо ". воо ~~ воо о лп воо боо о юо гоо зоо о гово восо оооо оооо Н, га Ф и г. Ог.з. Криаиа налагяикиваиия для лана криаьиаллаа желеаа, никеля и кобальта. продолжаем увеличивать поле, то выясняется, что для достижения насыщения поле должно быть довольно болыким, ибо вектор намагниченности нужно повернуть в сторону от направления легкого ыамагничивания. Если это объяснение правильно, то при экстраполяции кривой [110[ точка пересечения с вертикальной осью должна будет давать значение намагниченности, составляющее 1/[Г2 от намагниченности насыщения.
Оказывается, что так оно на самом деле и происходит. Это отношение очень-очень близко н 1/[/2. Аналогично для направления И11[, которое идет по диагонали куба, мы находим, как и ожидали, что при экгтраполяции кривая пересекает вертикальную ось ыа расстоянии, составляющем 1/[Г'2 от значения, соответствующего насыщению. На фиг. 37.8 показано соответствующее поведение двух других ферромагнетинов: никеля и кобальта. Никель отличается от железа. Оказывается, что направлением легного намагничивания у него будет направление [1ьН[ Кобальт имеет гексагональную кристаллическую структуру; для этого случая система обозначений была изменена. Эдесь в основании жести- угольника располагают три оси и еще одну ось, перпендикулярную к ним, так что здесь используется четыре числа. Направление [0001[ — это направление генсагональной оси, а И010[— направление, перпендикулярное к атой оси.
Вы видите, что кристаллы различных металлов устроены по-разному. Теперь мы рассмотрим такой поликристаллический материал, как обычный кусок железа. Внутри него содержится огромное множество маленьких кристалликов, кристаллические оси которых направлены во все стороны.
Но вто не тоже самое, что довсены. Вспомните, все домены были частью одного кристалла, а в куске железа, как видно из фиг. 37.9, содержится множество различных кристаллов с разной ориентацией. В каждом из этих нристаллов, вообще говоря, содержится несколько доменов. Когда к куску поликристаллического материала мы прилагаем Ф и г. Юе'.О..ни«растру«в«ура ненамагничен«ого поликристаллического ферромагнитного .иатериала. Ьатдий нристаллип имеепе направление легкого намагничивании и рагбив«етсл на долина, стерне обив«о спонтанно налеагничени в етом направлении.
слабое магнитное поле, доменные барьеры в кристалликах начинают смеШаться, и домены, направление намагниченности которых совпадает с направлением легкого намагничивания, растут все больше и больше. До тех пор пока поле остается очень малым, этот рост обратим; если мы выключим поле, намагниченность снова вернется к нулю. Этот участок кривой намагничивания обозначен на фиг. 37.10 буквой а.
Для больших полей в области, обозначенной буквой б, все становится гораздо более сложным. В каждом маленьком кристалле материала встречаются напряжения и дислокации, там есть примеси, грязь и дефекты. И при всех полях, за исключением лишь очень слабых, стенки доменов при своем двшкении наталкиваются на них. Между доменной стенкой и дислокацией (или границей зерна или примесью) возникают взаимодействия.
В результате, когда стенка наталкивается на препятствие, она как бы приклеивается и держится там, пока поле не достигнет определенной величины. Затем, когда поле несколько подрастет, стенка внезапно срывается. Таким образом, двиябение доменной стенки оказывается отнюдь не плавным, как в идеальном кристалле: она движется скачкообразно, то и дело останавливаясь на мгновение.
Если бы мы рассмотрели кривую намагничивания в микроскопическом масштабе, то увидели бы нечто подобное изображенному на вставке фиг. 37 10. Но самое важное заключается в том, что эти прыжки намагничивания могут вызвать потерю энергии. Прежде всего, когда Ф и е.
ае.10. Криеал наиагнин икании кали криета еличеекееа железа. стенка домена проскакивает наконец череэ препятствие, она очень быстро движется к следующему. Быстрое двшкение влечет эа собой и быстрое иэменение магнитного поля, которое в свою очередь соэдает в кристалле вихревые токи. Последние растрачивают энергию на нагревание металла. Другой эффект состоит в том, что, когда домен неожиданно изменяется, часть кристаллов иэ-эа магнитострикции иэменяет свои размеры.
Каягдый неожиданный сдвиг доменной стенки создает неболыпую звуковую волну, которая тонге уносит энергию. Благодаря таким эффектам эта часть кривой намагничивания еееобратизиш происходит потеря энергии. В этом и эаключается причина гистереэисного эффекта, ибо движение скачками вперед — одно, а движение назад — уже другое ив оба конца эатрачивается энергия. Это похоже на езду по ухабистой дороге. В конечном счете при достаточно сильных полях, когда все доменные стенки сдвинуты и намагниченность каждого кристаллика направлена по ближайшей к полю оси легкого намагничивания, остаются еще некоторые кристаллики, у которых ось легкого намагничивания далека от направления внешнего магнитного поля.
Чтобы повернуть эти магнитные моменты, требуется еще дополнительное поле. Таким образом, в сильных полях именно в области, обозначенной на фиг. 37.10 буквой с, намагниченность воэрастает медленно, но гладко. Намагниченность не сразу достигает своего насыщения, ибо в этой последней части кривой происходит доворачивалие атомных магнитиков в сильном поле. Таким обраэом, мы видим, почему кривая намагничивания поликристаллического материала обычно имеет вид, иэобравеенный на фиг.
37.1йл сначала она немного воэрастает и это возрастание обратимо, эатем возрастает быстро, но уже необратимо, а потом медленно загибается. Разумеется, между этими тремя областями никакого рваного перехода нет— они плавно переходят одна в другую. Нетрудно убедиться в том, что процесс намагничивания в средней части кривой носит скачкообраэвый характер, что доменные стенки при сдвиге прыгают и даже щелкают.
Для этого нам нужна только катушка со многими тысячами витков провода, связанная черев усилитель с громкоговорителем 17В Лостка силикатной Ф и г. 81.11. Скачкоодразние изменения намагниченности листков кремнистой стали сонровозкдаютск и1елчк ми в громкоговорителе. (фнг. 37.1г). Если внутрь катушки поместить несколько листков кремнистой стали (такого же сорта, как и в трансформаторах) и медленно подносить к этой пачке постоянный магнит, то скачкообразные изменения намагниченности будут создавать в катушке импульсы э. д.
с., которые в громкоговорителе будут слышны как отдельные щелчки. По мере приближения магнита к железу на вас обрушится целый град щелчков, напоминающий шум, создаваемый падающими друг на друга песчинками, высыпающимися из наклоненной жестянки. Это прыгают, покачиваются и щелкают доменные стенки по мере увеличения магнитного поля, Это явление называется эффектом Баркэауэека. По мере приближения магнита к железным листикам шум некоторое время будет все возрастать, но когда магнит окажется совсем близко, шум начинает затихать.
Почему? Да потому, что все доменные стенки передвинулись уже насколько возможно и теперь любое увеличение поля просто поворачивает векторы намагниченности в каждом из доменов, а это уже вполне плавный процесс. Если вы теперь будете плавно отодвигать магнит так, чтобы вернуться назад по нижней петле гистереэиса, то все домены будут тоже стремиться вернуться назад в положение низшей энергии и вы снова услышите град щелчков. Обратите внимание, что если вы отодвинете магнит до какого-то определенного положения, а затем начнете немного двигать магнит взад н вперед, звук будет относительно слабым. Это снова напоминает поведение наклоненной жестянки с песком: когда песчинки «осели» на свое место, небольшой наклон жестянки уже не потревожит их. Небольшое изменение магнитного поля в железе неспособно заставить доменную стенку перескочить через «горб».
ф А Ферроме»лньипньсе ма»»»ерн«ьаь» Сейчас было бы хорошо рассказать о различных сортах магнитных материалов, применяемых в технике, и о некоторых проблемах, связанных с созданием магнитных материалов для разных целей. Прежде всего о самом термине «магнитные свойства железа», который часто приходится слышать. Он, строго говоря, не имеет смысла и способен ввести в заблуя«дение: «железо» как строго определенный материал не существует. Свойства железа существенно зависят от количества примесей, а также от способа его приготовления. Вы понимаете, что магнитные свойства будут зависеть от того, насколько легко движутся доменные стенки, именно это свойство будет определяющим, а совсем не то, как ведут себя отдельные атомы. Так что практически ферромагнетизм не является свойством атомов железа: это свойство куска железа е определеппом состоянии.
Железа, например, может находиться в двух различных кристаллических формах. Обычная форма имеет объемноцентрированную кубическую решетку, по может еще иметь и гранецептрироваппую решетку, которая, однако, стабильна только при температурах выше 1100'С.
При этих температурах, разумеется, железо уже прошло точку Кюри. Однако, сплавляя с железом хром и никель (один из возможных составов содержит 18% хрома и 8% никеля), мы можем получить то, что называется нержавеющей сталью; хотя она и состоит главным образом из железа, но сохраняет гранецентрированную решетку даже при низких температурах. Благодаря своей кристаллической структуре этот материал обладает совершенно другими магнитными свойствами. Обычно нержавеющая сталь немагнитна в сколько- нибудь заметной степени, хотя есть сорта с другим составом сплава, которые в какой-то степени магнитны. Хотя такой сплав, как любое вещество, является магнетиком, он не у»ерромагнетик, как обычное железо, несмотря на то, что в основном он все же состоит из железа. Существуют специальные материалы, которые были придуманы для получения особых магнитных свойств. О некоторых из них я хочу рассказать.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
