II. Ферромагнетизм

Сильномагнитные вещества по своему наиболее распространенному представителю – железу – получили название ферромагнетики. Типичные представители ферромагнетиков - железо, кобальт, гадолиний и многие их сплавы. Характерной особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость и .

На рис. 3 дана кривая намагниченности ферромагнетика, для которого при начальной напряжённости намагниченность равна нули, а кривую, в данном случае, называют основной кривой намагничивания.

При сравнительно небольших значениях намагниченность быстро растёт и достигает насыщения J_нас. Магнитная индукция также растёт с увеличением (рис. 4), а после достижения состояния насыщения продолжает расти с увеличением по линейному закону:

B = μ₀H +В_нас. (9)

Ввиду нелинейной зависимости , для ферромагнетиков магнитная проницаемость зависит от напряженности нелинейно. Значение определяется для каждой точки кривой по формуле , при этом является функцией (рис. 5). Вначале увеличивается с ростом , вблизи значения J_нас магнитная проницаемость достигает максимума, а затем начинает уменьшаться, стремясь к 1 в сильных магнитных полях (согласно формулам (8) и (9) поэтому при В = В_нас = const с ростом Н отношение В_нас/Н→0, а μ→1). Максимальная магнитная проницаемость для ферромагнетиков может достигать очень больших значений. Так, например, для чистого железа – 5000, для сплава супермаллой – 800000.

Для ферромагнетиков характерно явление магнитного гистерезиса, т.е. отставание изменений индукции магнитного поля внутри магнетика от изменения напряженности внешнего поля. Связь между и или и оказывается неоднозначной, а определяется предшествующей историей намагничивания ферромагнетика.

При первоначальном намагничивании ферромагнетика, когда намагниченность его равна нулю, постепенно увеличивая от нуля до состояния насыщения, зависимость В(Н) изобразится графически кривой 0-1 на рис. 6. Дальнейшее уменьшение напряжённости магнитного поля вызывает уменьшение намагниченности, но кривая намагничивания пойдёт не по первоначальному пути 01, а выше по пути 1234. Если изменять напряжённость в обратном направлении от до , то кривая намагничивания пройдёт ниже - по пути 4561. Получившаяся замкнутая кривая называется петлёй гистерезиса.

Из рисунка 6 видно, что при снятии внешнего поля ( ) намагниченность не исчезает (точка 2) и характеризуется величиной B_ос, называемой остаточной индукцией. Величина обращается в нуль (точка 3) лишь под действием напряженности , имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Величина называется коэрцитивной силой. Значения В_ос и для разных ферромагнетиков меняется в широких пределах. В связи неоднозначностью и от , приведенные графические зависимости (рис. 4 и 5) относятся лишь к основной кривой намагничивания (кривая 0 -1 на рис. 6).

Магнитное поле обладает энергией как любая другая форма существования материи. Объемная плотность энергии магнитного поля равна ω_m=B_*H/2. При перемагничивании магнетика совершается работа A=∫dω_m=∫HdB=S, где S = площадь петли гистерезиса. При перемагничивании ферромагнетика за каждый цикл в единице объема магнетика выделяется энергия, пропорциональная площади петли гистерезиса. Эта энергия называется теплотой гистерезиса, она идет на увеличение внутренней энергии магнетика и он нагревается.

Величины H_c – коэрцитивная сила,  B_ос – остаточная намагниченность  и  μ_max – максимальная магнитная проницаемость - определяют область применения ферромагнетиков для практических целей. Ферромагнетики с узкой петлей гистерезиса (малое значение H_c <200 А/м   и  B_ос) называют мягкими. Эти материалы применяются в приборах переменного тока, в которых происходит непрерывное перемагничивание. Их используют для изготовления сердечников трансформаторов, генераторов, двигателей. Ферромагнетики с широкой петлей гистерезиса (большое значение H_c >2000 А/м    и B_ос) называют жесткими. Магнито-жесткие материалы используются в основном для изготовления постоянных магнитов.

Физическая природа ферромагнетизма установлена на основе квантовой механики. Магнитные свойства ферромагнетиков определяются спиновыми магнитными моментами электронов . Между атомами с недостроенными внутренними электронными оболочками возникают особые силы взаимодействия, которые называются обменными. Обменные силы ориентируют спиновые магнитные моменты электронов параллельно друг другу, что приводит к возникновению областей спонтанного намагничивания. Области спонтанного намагничивания называются доменами, они намагничены до насыщения. Домены отделяются друг от друга доменными границами (доменными стенками) (рис. 7). Линейные размеры доменов достигают 10^-2- 10^-3 см.

В отсутствии внешнего магнитного поля кристалл не намагничен, так как магнитные моменты соседних доменов друг друга взаимно компенсируют (рис. 7 г, д). Образование доменов – результат конкуренции двух типов взаимодействия: обменного и магнитного. Первое – близкодействующее, стремится установить магнитные моменты соседних атомов параллельно друг другу и ответственно за магнитное насыщение в объеме домена. Второе - дальнодействующее, ориентирует магнитные моменты соседних доменов антипараллельно.

Внутри каждого домена магнитные моменты атомов устанавливаются параллельно так называемого направлению легкого намагничивания (рис. 7 а). При включении магнитного поля энергии доменов становятся различными: энергия меньше у тех доменов, у которых угол между магнитным моментом домена и внешним полем меньше. Возникает процесс плавного смещения границ доменов, при котором объем доменов с меньшей энергией возрастает, а с большей энергией уменьшается (рис. 7 б). При некоторой величине намагничивающего поля энергетически невыгодные домены исчезают полностью (рис. 7 в). Данный процесс можно рассматривать как фазовое превращение, а домены с различным направлением намагничивания – как разные фазы ферромагнетика (рис. 7 е, обл.1)

Дальнейшее увеличение внешнего поля вызывает новый тип процесса намагничивания: начинаются процессы необратимых скачкообразных перемещений границ доменов, а также одновременным вращением магнитных моментов доменов в энергетически более выгодные направления (рис. 7 г). Данный процесс происходит с некоторой задержкой, что приводит к появлению гистерезиса (рис. 7 е, обл. 2).

Следующей причиной гистерезиса являются посторонние примеси и различные дефекты кристаллической решетки. Движущиеся доменные границы задерживаются на этих неоднородностях - для дальнейшего движения необходимо увеличить внешнее поле.

Наконец, в очень сильном магнитном поле магнитные моменты всех доменов устанавливаются параллельно полю (рис. 7 д), и наступает так называемое техническое магнитное насыщение.

Обменные силы могут вызвать не только параллельную, но и антипараллельную ориентацию электронных спинов соседних атомов. В простейшем случае атомы образуют как бы две пространственные подрешетки с противоположно направленными спинами, вставленными одна в другую. Вещества, у которых намагниченность обеих подрешеток одинаковы, называются антиферромагнетиками. Вещества с разными по величине намагниченностями называются ферритами. Ферриты являются полупроводниками. Антиферромагнетики хорошие проводники, поэтому их нельзя использовать в радиотехнике высоких частот вследствие электропроводности и больших потерь на вихревые токи. Ферриты лишены указанного недостатка, а некоторые имеют большую остаточную намагниченность (до 96% максимальной) и малую коэрцитивную силу.