yavor1 (553178), страница 88
Текст из файла (страница 88)
Напряженность размагничивающего поля Н, называется коэриитиеной силой. Кривая, изображенная на рнс. 42.8, называется гссстерезисной петлей. 3. В зависимости от химического состава, а также от характера тепловой и механической обработки материала (закалка, отжиг, прокат, холодная штамповка и т. и.) встречаются ферромагнетики с различными свойствами. Вещества с малыми значениями коэрцитивной силы называются «мягкими» магнитными материалами, 423 высококоэрцитивные материалы — «жесткимим На рис.
42.9 изображены гнстерезисные петли двух материалов: магнитно-мягкого железа (а» и высококоэрцитивной закаленной стали (б). Форма гистерезисной петли определяет область применения того или иного ферромагнетика. «Мягкие» магнитные материалы применяются для изготовления «« сердечников электромагнитов, где гю важно иметь большое значение бд максимальной индукции поля и малую коэрцитивную силу. Этн же материалы используются в каа«г честве сердечников трансформато- 04 ров и машин переменного тока 4~4 Г~ «2 7 (генераторов, двигателей); благо- -220-7т 4О-гх Р,узда даРЯ малой коэРцитивной силе -Р4 онн легко перемагннчиваются. Та- -48 кие же требования предъявляются к сердечникам магнитов ускори- Ф тезей. -4У Магнитно-жесткие материалы -УУ используются для изготовления постоянных магнитов.
Благодаря Р«с. 42.2. большому значению коэрцитивной силы и относительно большой остаточной индукции эти магниты могут длительное время создавать сильные магнитные поля. Постоянные магниты из высококоэрцитивных сплавов применяются в магнитоэлектрических измерительных приборах, в электро- динамических репродукторах («динамикахз) и микрофонах, в небольших генераторах (например, велосипедных), в микроэлектродвигателях и т. п. $42.8. Доменная структура ферромагнетиков 1. Особенности ферромагнетиков можно объяснить, следуя классической теории ферромагнетизма, предложенной П. Вейссом, Согласно этой теории, при температурах ниже точки Кюри ферро. магнетик состоит из микроскопических областей, называемых доменами, в каждой из которых магнитные моменты атомов расположены строго в одном направлении, соответствующем направлению легкого намагничивания (см. 2 42.6).
Тем самым каждый домен оказывается намагниченным до насыщения независимо от наличия внешнего магнитного поля и от его величины. Размеры доменов достигают 1О ' — 10 ' см, вследствие чего их можно наблюдать в микроскоп. Для того чтобы увидеть домены, на полированную поверхность ферромагнетика наносят каплю масла, в которой взвешены мельчайшие частицы ферромагнитного порошка (метод Акулова — Биттера). Частицы ферромагнитного 424 порошка концентрируются на границах доменов, где магнитное поле наиболее неоднородно (рис. 42.10). При отсутствии внешнего магнитного поля домены в монокристалле располагаются так, что их магнитные поля замыкают друг друга и суммарное внешнее магнитное поле оказывается равным Рис.
42.! !. Рис. 42.!О. нулю. На рис. 42.11 схематически изображены эти домены. Стрелками показаны направления векторов намагниченности внутри доменов. Как показали Л. Л. Ландау и Е. М. Лифшиц, такая система доменов в монокристалле характеризует состояние с минимальной энергией магнитного поля, что с точки зрения законов термодинамики обеспечивает устойчивое равновесие этой системы. Ф Рис. 42.!2. 2. Объясним на основе этих представлений механизм намагничивания поликристаллического образца.
Поликристалл состоит из отдельных зерен, у которых направления легчайшего намагничивания ориентированы беспорядочно. Каждое зерно разбивается на несколько доменов, направленных вдоль линии легчайшего намагничивания (рис. 42.12, а). 425 При включении слабого внешнего магнитного поля всегда найдется множество доменов, у которых направление вектора намагниченности совпадет с направлением внешнего поля. Эти домены будут обладать минимумом энергии и поэтому окажутся в состоянии устойчивого равновесия.
Соседние домены обладают максимумом энергии. Поэтому энергетически выгодно, если магнитные моменты некоторых атомов изменят свое направление и присоединятся к тем доменам, энергия которых минимальна. Этот процесс называется смещением границ доменов (рис. 42.12, 6). По мере роста напряженности внешнего магнитного поля границы доменов сдвигаются все сильнее.
При этом стенки доменов начинают встречать на своем пути дефекты кристалла — дислока. ции, внедрения и т. п. (см. $ 32.4). Эти дефекты препятствуют изменению направления магнитного момента у атомов, расположенных вблизи дефекта (препятствуют перемещению стенок домена). По мере роста поля потенциальная энергия атомов (магнитных диполей) вблизи дефекта возрастет настолько, что превысит энергию активации (см. 5 34.3). В этом случае магнитные моменты атомов вблизи дефекта скачком изменят свое направление на противоположное — иными словами, стенка домена скачком срывается с места н движется до следующего дефекта. Таким образом, процесс намагничивания поликристаллического вещества идет не плавно, а скачками.
Это явление называется эффектом Баркгаузена. Оно может быть обнаружено экспериментально. К пучку из никелевой проволоки подносят магнит; происходит скачкообразное намагничивание никеля, что приводит к скачкообразному изменению магнитного поля. Благодаря явлению электромагнитной индук. ции (гл. 43) в обмотке, навитой иа никелевый пучок, возникают импульсы тока, которые хорошо слышны в телефоне. Скачкообразный характер процесса намагничивания поликристаллического ферромагнетика приводит к необратимым потерям энергии (перемещение дислокаций н других дефектов; возникновение упругих волн, энергия которых переходит во внутреннюю, и т.
ц.). Следовательно, н процесс намагничивания в сильных полях происходит необратимо. При уменьшении магнитного паля структура вещества не будет восстанавливаться: домены при размагничивании будут иметь другую форму и ориентировку по сравнению с процессом намагничивания. Это и является причиной гистерезисного эффекта. 3. В достаточно сильных полях все стенки доменов сдвинутся к границам кристаллических зерен, и каждой зерно окажется намагниченным вдоль того направления легчайшего намагничивания, которое составляет наименьший угол с направлением внешнего поля (рис. 42.12, а).
Если еще больше усилить напряженность намагничивающего поля, то магнитные моменты зерен начнут поворачиваться, выстраиваясь вдоль поля. Этот процесс требует сильных полей, в результате чего в этой области намагниченность меняется мало и рост кривой намагничивания замедляется. 42б Наконец, когда магнитные моменты всех зерен выстроятся вдоль поля, наступает магнитное насыщение — с ростом внешнего поля намагниченность вещества перестает возрастать.
4. Как видно, используя представления о доменной структуре ферромагнетиков, можно объяснить все особенности процесса их намагничивания. Точка Кюри оказывается той температурой, выше которой происходит разрушение доменной структуры. Остается ответить на два вопроса. Прежде всего нужно объяснить, какие силы приводят к тому, что внутри домена магнитные моменты всех атомов самопроизвольно выстраиваются вдоль направления легкого намагничивания? А затем нужно найти причины того, почему одни вещества обладают ферромагнитными свойствами, а другие нет? Ответ на эти вопросы смогла дать только квантовая теория магнитных явлений.
й 42.9. Опыт Эйнштейна и де-Гааза 1. В предыду1цих параграфах использовалось представление о том, что атомы парамагнитных н ферромагнитных веществ имеют магнитный момент и во внешнем магнитном поле эти моменты ориентируются вдоль поля. В $42.2 мы выяенили, что отношение орбитального магнитного момента к орбитальному моменту импульса равно половине удельного заряда электрона. представляется весьма важным эксперимен. тально проверить эти представления.
Идея такого эксперимента была предложена в 1915 г. Эйнштейном, опыт в том же году он поставил вместе с де-Гаазом. Суть опыта такова. Подвесим стержень из ферромагнитного материала на тонкой нити н поместим сто в катушку так, чтобы ось стержня и поднес точно совпадали с направле- нием вектора индукции намагничивающего яоля. Пропуская ток через обмотку катушки, намагнитим стерженек до насыщения, а затем, в, изменив направление тока в катушке, намаг нитям стержень до насыщения в противопо Рис.
42лз. ложном направлении (рис. 42.13). Процесс перемагннчивания заключается в том, что направления магнитных моментов атомов меняются на противоположные. Но вместе с изменением направления магнитного момента меняется и направление момента импульса электронов. Система электронов и положительных ионов, образующих кристаллическую решетку стерженька, является замкнутой, так как никакие механические моменты на нее не действуют. Но тогда сог.
ласно известному закону сохранения 1см. $ 22.7) суммарный момент импульса электронов и ионной решетки не должен измениться. А так как при перемагннчивании стерженька момент импульса элект- Р "~е (42.17) Можно предложить следующее объяснение полученного результата. Предположим, что у электрона имеется не только орбитальный магнитный момент, для которого справедливо соотношение (42.1), но и еще один магнитный момент — сииновый, для которого выполняется соотношение (42.!7). Если еще учесть, что орбитальные магнитные моменты могут быть скомпенсированы, то результаты опытов Эйнштейна — де-Гааза ц Барнетга объясняются просто.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
