Э. Парселл - Электричество и магнетизм (1115535), страница 89
Текст из файла (страница 89)
888 имеет восемь ближайших соседей. Сама симметрия окружения оказывает влияние на физическое состояние атома, включая связи между спинами. В железе осями наиболее легкой намагниченности являются оси куба. Это значит, что спины стремятся расположиться в одном и том же направлении, но при этом предпочитают одно из шести, ~х,~у,~г (рис. 10.28). Из этого предпочтения следует, что ориентированным спинам нелегко изменить данное направление на еелеебу)еесе О О О «ГреУае» О)7 Об О Ол О ® О~ «~Ж еееЕд аауе О О О Рис.
10.27. Лтом Л и его ближайшие соседи Рис. 10.20. Энергетически амгодное напр«ни кристаллической решетке. (В дейстзитель. ление намагниченности е железе созе»дает ности решетка является трехмерной.) с кубической осью кристалла. одно из эквивалентных ему направлений, которые расположены под прямым углом к данному. Для этого спинам пришлось бы пройти через ряд менее предпочтительных направлений. Это как раз то препятствие, благодаря которому возможно существование постоянных магнитов.
О т в е т 3. Кажущийся ненамагниченным кусок железа составлен в действительности из большого числа областей («дол)енов»), в каждой из которых все спины ориентированы одинаково, но направление их Л', ~ ', 1 емч ОрИЕНтацИИ ОтЛИЧаЕтСя От НаПраВЛЕНИй спннов в соседних областях. В среднем в куске «ненамагниченногб» железа одинаково представлены все направле/ l иия, поэтому макроскопического магнитного поля не получается. Даже в Рис. 10.29. Возможное расположение магнитимх доменов н од- одиночном кристалле имеются магнитные домены. Домены являются микроскопическими образованиями, в повседневном значении этого слова. Действительно, их можно увидеть даже через микроскоп со слабым увеличением. В атомном масштабе это огромные области, и магнитный домен обычно содержит биллионы элементарных магнитных моментов.
На рис. 10.29 изображено разделение вещества на домены. Такое разделение происходит потому, что оно требует меньше энергии, чем расположение со спинами, ориентированными в одном направлении. Последнее соответствует постоянному магниту, создающему сильное поле в окружающем пространстве. Энергия, запасенная в этом внешнем поле, больше энергии, необходимой для того, чтобы нарушить параллельную ориентацию магнитных доменов воздействием на малую часть спинов кристалла, расположенную вблизи поверхностей соприкасающихся доменов. Таким образом, доменная структура удовлетворяет условию минимума энергии.
Если намотать проволоку на железный стержень, мы поместим вещество стержня в магнитное поле, пропустив по проволоке ток. В этом поле магнитные моменты, параллельпыс полю, будут иметь меньшую энергию, чем моменты, антипараллельные полю илп направленные как-нибудь иначе. Это дает преимущество некоторым доменам; те из них, которые обладают «благоприятно» ориентированными магнитными моментами "), стремятся увеличиться за счет других; если это возможно. Домен «растет как клуб», т. е. увеличивая число своих членов. Это происходит на границах.
Спины, принадлежащие к неблагоприятно ориентированному домену, но расположенные у границы с благоприятно ориентированным доменом, подчиняются последнему, принимая благоприятное направление. Это сдвигает доменную границу, которая представляет собой не что иное, как разделяющую поверхность между двумя ориентациями спиноз. В одиночных кристаллах сдвиги границ происходят довольно слабо. Таким образом, слабое приложенное поле может вызвать благодаря движению границы очень сильный рост доменов и, следовательно, большое общее изменение намагниченности. Зернистая структура вещества может затруднить движение доменных границ. Если направление приложенного поля не совпадает с одним из «легких» направлений 1в случае кубического кристалла, например), то переориентация неблагоприятно расположенных доменов все же не позволяет моментам расположиться точно параллельно полю.
Для ориентирования моментов в одном направлении с нолем и для получения максимально возможной намагниченности необходимо значительно более сильное поле. Рассмотрим макросконические последствия несовпадения направления приложенного поля с одним нз «благоприятных» направлений в кристалле. Нас интересует, как это отразится на магнитном поведении куска железа при различных приложенных полях. Для соответствующего эксперимента удобно воспользоваться железным тором, на который намотаны две катушки (рпс. 10.30).
В этом случае в железе создается практически однородное поле без краевых эффектов, осложняющих положение, Измеряя напряжение, индуцированное в одной из катушек, мы можем определить изме- *) Мы употребляем в данном случае понятие спина н магнитного момента почти в одинаковом смысле. Магнитный момент является внутренним свойством спина, и если один нэ ник ориентирован, то, следовательно, ориентирован и другой. Для большей точности мы должны напомнить читателям, что векторы магнитного момента и углового момента количества движения в электроне направлены в противоположные стороны (см.
рис. 10.И). 391 пение потока Ф и, следовательно, поля В внутри железа. Если просуммировать изменения поля В, начиная с В=О, мы всегда будем знать, чему оно равно. Ток, протекающий в другой катушке, опре. деляет величину Н, которую мы примем за независимую переменную. Если нам известны В и Н, мы всегда можем вычислить М.
На графиках предпочитают изображать В как функцию Н, а не М. Типичная кривая намагничивания В 1Н) для железа изображена на рис. 10.31, Обратите внимание на то, что масштабы по обеим осям Л' гиьадлржглгду -тз у 1 л",у г' л' у Рис !О ОО Устроясгао для исследо. аания соотношения между В ям, или В и Н, а зрерроззагннтззом еещестас. зля! с (длина оиружностн р Рис. !О 31.
Крииая намагиичииання для дааольно чистого железа. Штризоаая ирниая получена при уменьшении аеличннм Н от ее маиспмального положительного значения. 392 совершенно различны. Если бы в катушке не было железа, то один эрстед соответствовал бы точно одному гауссу. В действительности при поле Н всего лишь в несколько эрстед В возрастает до величины в тысячи гаусс. Конечно, н В, н Н в данном случае берутся в среднем по всему железному кольцу; тонкая доменная структура как таковая никогда не проявляется. В «ненамагниченном» железе В=-0 и Н=О; увеличение Н вызывает заметно нелинейное возрастание В, вначале медленное, затем более быстрое, затем очень медленное. В пределе постоянной оказывается намашшченность М, а не В.
Однако на этой кривой, поскольку М=( — Н)г4л и Н«МВ, разница между В и М незаметна. ))пжняя часть кривой В 1Н) зависит от движения доменных границ, т. е. от роста доменов, направленных ггблагоприятно», за счет доменов, направленных «неблагоприятно». В верхней части кривой произошло поворачиванне магнитных моментов «грубой силой» в направлении, параллельном полю Железо в даушом случае представляет собой обычный полнкристалл, так что только у небольшой части микрокрнсталлов «легкое» направление намагничивания совпадет с направлением поля. Если мы теперь будем медленно уменьшать ток в катушке, уменьшая тем самым и Н, то кривая не пойдет обратно по тому же пути. Вместо этого мы обнаружим поведение, указанное на рис. 10.31 штриховой кривой.
Эта необратимость называется гистерезисом и объясняется в основном движением доменных границ, которое частично необратимо. Причины этого явления не следуют из вышесказанного, но хорошо понятны физикам, работающим в области ферромагнетизма. Необратимость является причиной потери энергии при многих технических применениях ферромагнитных материалов, например в трансформаторах переменного тока. Но она необходима для создания постоянной намагниченности и для этой цели ее стараются увеличить. На рис. !0.32 показана соответствующая часть кривой В (Н) для постоянного Юга магнита из хорошего сплава, Заметьте, что поле Н должнодостигнуть величины, равной 600 э в обратном направлении, прежде чем В уменьшится до нуля. При ,длгскс )г выключении и удалении катушки оста- тйуу ется поле В, близкое к 13000 гс и называемое остаточным.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
