saveliev2 (797914), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Намагничеине ферромагнетиков зависит от Н сложным образом. На рис. 101 дана кривая намагничения ферромагнегика, магнитный момент которого первоначально был равен нулю (она называется основной или нулевой кривой нам а г и н ч е н и я). Уже в полях порядка нескольких эрстед (- 100 а/м) намагничение / достигает насыщения. Основная кривая намагничения на диаграмме В в Н приведена на рис. 102 (кривая 0 †/). Напомним, Ю ЛЯг 2Ф ЛЮ 4Я1 Н, аулг Рис. 1ОП Рис.
102. что В = рс (Н + Х). Поэтому по достижении насыщения В продолжает расти с Н по линейному закону: В = = рсН + сопз1, где сопя( = рс/„ас. Кривая намагничения железа была впервые получена н подробно исследована русским ученым А. Г. Столетовым. Разработанный им баллистический метод измерения магнитной индукции находит широкое применение до настоящего времени (см. $57). Кроме нелинейной зависимости между Н н Х (или Н н В) для ферромагнетнков характерно также наличие гистерезиса. Если довести намагничение до насыщения (точка / на рис. 102) и затем уменьшать напряженность магнитного поля, то намагничение следует не первоначальной кривой 0 †/, а изменяется в соответствии с кривой / — 2.
В результате; когда напряженность внешнего поля станет равной нулю (точка 2), намагиичение не исчезает и характеризуется величиной В„, которая называется остаточной и иду кцией. На- магничение имеет при этом значение Х„, называемое остаточным н ам а ги и ч е и нем. Намагничеиие обращается в нуль (точка 3) лишь под действием поля Н имеющего направление, противоноложное полю, вызвавшему намагничение. Напряженность Н, называется коэрцити зной силой.
Существование остаточного намагничения делает возможным изготовление постоянных магнитов, т. е. тел, которые без затраты энергии на поддержание макроскопических токов обладают магнитным моментом и создают в окружающем их пространстве магнитное поле. Очевидно, что постоянный магнит тем лучше сохраняет свои свойства, чем больше коэрцитивная сила мате. риала, из которого он изготовлен. При действии на ферромагнетик переменного магнитного поля индукция изменяется в соответствии с кривой ! †2 †3 †4 †5 †! (рис.
102), которая называется и етл е й г и с т е р е з и с а (аналогичная петля получается и на диаграмме ! — Н). Если максимальные значения Н таковы, что намагничение достигает насыщения, получается так называемая максимальная петля ги стер ез и са (сплошная петля на рис. 102). Если при амплитудных значениях Н насыщение не достигается, получается петля, называемая частным циклом (пунктирная петля на рисунке). Частных циклов может существовать бесконечное множество, все они лежат внутри максимальной петли гнстерезиса. Гистерезис приводит к тому, что намагничение ферромагнетика не является однозначной функцией Н; оно в сильной мере зависит также от предшествующей истории образца — от того, в каких полях он побывал прежде.
Так, например, в поле напряженности Н, (рис. 102) индукция может иметь любое значение в пределах ог В~ до В~. Из всего сказанного о ферромагнетиках видно, что оии очень похожи по своим свойствам на сегнетоэлектрики (см. $19). В связи с неоднозначностью зависимости В от Н понятие магнитной проницаемости применяется лишь к основной кривой намагничения. Относительная магнитная проницаемость ферромагнетиков р (а следовательно и магнитная восприимчивость т) является функцией напряженности поля.
На рис. 103, а изображена !зз н, в а/в в, в ев Состав Вещесввв 0,З 99,9% Ре 79% 141, 5% Мо, 18% Ге. 7Келеэо Сунернал- лоа Алннко 10% А1, 19% 1Ч1, 18% Со, 33% Ре 14% Хс24% Со,8% А1, 3% Сн, 51%'Ре 13% Ы1, 24% Со, 8% А1, 3% Сн,о',7.% Т1, остальное Ре 0,9 Магна ко Колун акс 1,3 Ферромагиетики при нлмагничении деформируются. Это явление называется магнитострнкцией. От- осноннаи кривая намагничения. Проведем нз начала координат прямую линию, проходящую через произвольную точку кривой. Тангенс угла ваклоиа втой прямой пропорционален отношеияю В/Н,т.е.отиоснтельноймагнитной проницаемости 11 для соответствую1цего значения напряженности поля.
При увеличении Н от нуля угол наклона (а значит и 1в) сначала растет. В точке 2 ан достигает максимума (примая 0 — 2 является касательной к криной), а затем убывает. На рис. 103,6 дян график зависимости р от Н. Из рисунка видно, что максимальное значение проницаемости достигается несколько раньше, чем насыщение.
При неограниченном возрастании Н проницаемость асимптотически приближается к единице. Это следует из того, что У в выражении р = 1+ У/Н не может превысить значение 1н, . Величины В, (или 1„), Н, и р „являются основными характеристиками ферромагнетика. Если козрцитивная сила Н, велика, ферромагнетик называется ж естким Для него характерна широкая петля гистерезиса. Ферромагнетик с малой Н, (и соответственно узкой петлей гнстерезиса) называется м я г к и и.
В зависимости ат назначения берутся ферромагнетнки с той илн иной характеристикой. Так, для постоянных магнитов употребляются жесткие ферромагиетики, а для сердечников трансформаторов — мягкие. В таблиие приведены характеристики некоторых типичных ферромагнетиков. носительное изменение линейных размеров образца пря магнитострикции невелико — в полях порядка 10а и!и ( 1О' э) оно составляет 1О-' — 1О-'. Знак эффекта зависит от природы ферромагнетика, ориентации кристаллографических осей по отношению к направлению магнит- и ного поля и от напряженности поля.
У некоторых ферромаг/ ! / ! нетнков яри переходе от слабых полей к сильным знак магнитострикции изменяется на обратный. Теория ферромагнетиэма была создана Я. И. Френкелем ат и В. Гейзенбергом в 1928 г. Из опытов по изучению магнитомеханнческих явлений (см. $ 51) следует, что ответственными за магнитные свой- Рис. !03. ства ферромагнетиков являются собственные (спиновые) магнитные моменты электронов.
При определенных условиях в кристаллах могут. возникать силы '), которые заставляют магнитные моменты электронов выстраиваться па. Н1, раллельно друг другу. В результате возникают области спонтанного (самопроизвольного) на м а г и ич ения, которые называются также д о и е н а м н. В пределах каждого домена ферромаг нетнк спонтанно намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом. Направления этих моментов для разных доменов различны (рис. 104), так что в отсутствие внешнего поля суммарный момент всего тела раРис.!04.
вен нулю. Домены имеют размеры по- рядка 1О ' — '10-з см. Действие поля на домены на разных стадиях процесса намагничения оказывается различным. Вначале, при ') Эти силы называются обменными. Их обьиснеиие настен только квавтовой механикой. слабых полях, наблюдается смещение границ доменов, в результате чего происходит увеличение тех доменов, моменты которых составляют с Н меньший угол, за счет доменов, у которых угол 6 между векторами р и Н больше. Например, домены 1 и 3 (рис. 104) увеличиваются за счет доменов 2 и 4. С увеличением напряженности поли этот процесс идет все дальше и дальше, пока домены с меныними б (которые обладают в магнитном поле меньшей энергией) не поглотят целиком энергетически менее выгодные домены.
На следующей стадии имеет место поворот магнитных моментов доменов в направлении поля. При этом моменты электронов в преде. лах домена поворачиваются одновременно, без нарушения их строгой параллельности друг другу. Эти процессы (исключая небольшие смещения границ между доменами в очень слабых полях) являются необратимыми, что и служит причиной гистерезиса. Для каждого ферромагнетнка имеется определенная температура Т„ при которой области спонтанного намагничення распадаются и вещество утрачивает ферромагнитные свойства. Эта температура называется точкойй Кюр и. Для железа она равна 768'С, для никеля 365'С.
При температуре выше точки Кюри ферромагнетик становится обычным парамагнетико~4, магнитная восприимчивость которого подчиняется закону К)ар и— Вейсса С У Бч ~ г (54.1) [ср. с формулой (53.1)). При охлаждении ферромагнетика ниже точки Кюри в нем снова возникают домены. В точке Кюри присходит фазовый переход второго рода (см. т. 1, $147). Прц температуре, равной Т„ наблюдается аномалия в поведении ряда физических свойств, в частности теплоемкости, ферромагнетика. В некоторых случаях обменные силы приводят к возникновению так называемых антиферромагнетиков (хром, марганец и др.).
Существование антиферромагнетиков было предсказано Л. Д. Ландау в 1933 г. В антиферромагнетиках собственные магнитные момен. ты электронов самопроизвольно ориентированы антипараллельно друг другу. Такая ориентация охватывает по- парно соседние атомы. В результате антиферромагнетики обладают крайне малой магнитной восприимчивостью и ведут себя как очень слабые парамагнетики. Для антиферромагнетиков также существует температура Ти, при которой антипараллельиая ориентация спинов исчезает. Эта температура называется антиферромагнитной точкой Кюри или точкой Н еел я.
У некоторых антиферромагнетиков (например, у зрбия, диспрозия, сплавов марганца и меди) таких температур две (верхняя и нижняя точки Нееля), причем антиферромагнитные свойства наблюдаются только при промежуточных температурах. Выше верхней точки вещество ведет себя как парамагнетик, а при температурах, меньших нижней точки Нееля, становится ферро. магнетиком. ГЛАВА Х элнктвой1дгнитнля индукция ф 56.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
