4. 1. Природа ферромагнетизма

Магнитные свойства материалов определяются внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи. Круговой ток характеризуется магнитным моментом и может быть заменен эквивалентным магнитным диполем. Магнитные диполи образуются, в основном, спиновым вращением электронов, орбитальное же вращение электронов принимает в этом процессе слабое участие, так же как и ядерное вращение.

У большинства материалов спиновые моменты электронов компенсируют друг друга. Поэтому ферромагнетизм наблюдается далеко не у всех веществ таблицы Менделеева.

Условия, которые необходимы, чтобы материал был ферромагнитным:

1. Существование элементарных круговых токов в атомах.

2. Наличие нескомпенсированных спиновых моментов, электронов.

3. Соотношение между диаметром электронной орбиты (D), имеющей нескомпенсированный спиновый момент, и постоянной кристаллической решетки вещества (а) должно быть

. (4.1)

4. Наличие доменной структуры, т.е. таких кристаллических областей, в которых дипольные магнитные моменты оказываются параллельно ориентированы.

5. Температура материала (вещества) должна быть ниже точки Кюри, так как при более высокой температуре происходит исчезновение доменной структуры, материал переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное.

Вопросы для самоконтроля

1. За счет чего в материалах существуют круговые токи?

2. Что собой представляет доменная структура материала?

3. Перечислите условия, необходимые для проявления в материале ферромагнетизма?

4. 2. Основные характеристики ферромагнетиков

Характерным свойством ферромагнитного состояния вещества является наличие спонтанной намагниченности без приложения внешнего магнитного поля. Однако магнитный поток такого тела будет равен нулю, так как направление магнитных моментов отдельных доменов различно (доменная структура с замкнутой магнитной цепью).

Степень намагничивания вещества характеризуют величиной намагниченности, или интенсивности намагничивания (J), которая определяется как предел отношения результирующего магнитного момента Σm, отнесенного к объему вещества (V), когда, объем стремиться к нулю

. (4.2)

Если поместить вещество во внешнее магнитное поле с напряженностью Н, то соотношение между J и Н будет

J = 4πχH, (4.3)

где χ (каппа) называется магнитной вязкостью.

Относительная магнитная проницаемость μ зависит от χ:

μ = 1 + 4πχ. (4.4)

Интенсивность, намагничивания можно определить, зная μ

μ= 1+. (4.5)

В общем, магнитное поле в ферромагнетике создается как сумма двух составляющих: внешней, создаваемой напряженностью внешнего магнитного поля Н, и внутренней, создаваемой намагниченностью (J).

Суммарное магнитное поле характеризуется магнитной индукцией В:

B = μ₀(H + J), (4.6)

где μ₀ – магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума)

μ₀ = 4π∙10^-7, Г/м. (4.7)

Выражая значение J через χ, а затем и μ, получим:

B = μ₀H(1 + 4πχ) или B = μ₀μH. (4.8)

Абсолютная величина магнитной проницаемости

μ_абс = μ₀∙μ. (4.9)

Окончательная формула для магнитной индукции В

B = μ_абсH. (4.10)

Процесс намагничивания ферромагнитного материала под влиянием внешнего магнитного поля заключается в следующем:

• рост доменов, магнитные моменты которых близки по направлению с внешним полем, и уменьшением других доменов;

• ориентация магнитных моментов всех доменов в направлении внешнего поля.

Процесс намагничивания характеризуется для каждого ферромагнетика своей основной кривой намагничивания В = f(Н).

Магнитная проницаемость μ в процессе намагничивания тоже изменяется.

Это показано на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Кривые намагниченности (В = f(Н)) и

магнитной проницаемости (μ = f(Н))

Магнитная проницаемость μ при напряженности Н, близкой к нулю, называется начальной (участок 1), а при переходе материала к насыщению она будет принимать максимальное значение (2), с дальнейшим увеличением Н магнитная проницаемость μ – уменьшается (участки 3 и 4).

При циклическом намагничивании ферромагнетика кривые намагничивания и размагничивания образуют петлю гистерезиса. Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения материала, называют предельной. По петле гистерезиса, полученной, например, на экране осциллографа можно получить довольно полную информацию об основных магнитных параметрах материала (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Петля гистерезиса

Основными параметрами являются:

1) остаточная индукция, после снятия напряженности поля – Вr;

2) коэрцитивная сила Нс – напряженность, которую нужно приложить к образцу, чтобы снять остаточную индукцию;

3) максимальная индукция B_max, которая достигается при полном насыщении образца;

4) удельные потери на гистерезис за один цикл перемагничивания, которые характеризуются площадью, охватываемой петлей гистерезиса.

Остальные магнитные параметры материала, а также потери на перемагничивание (гистерезис), на вихревые токи, энергию в зазоре (для постоянного магнита) можно рассчитать по формулам, которые были приведены выше и будут приведены в дальнейшем.

Вопросы для самоконтроля

1. Чему равен суммарный магнитный поток у намагниченного ферромагнетика?

2. Как можно определить интенсивность намагничивания ферромагнетика, зная его относительную магнитную проницаемость?

3. Какую информацию о параметрах магнитного материала можно получить, имея его предельную гистерезисную петлю?

4. Как ведет себя магнитная проницаемость материала при изменении внешнего магнитного поля?

5. Что собой представляет основная кривая намагничивания?