Процессы при намагничивании ферромагнетиков

В ферромагнетике при действии на него внешним магнитным полем протекают процессы, приводящие к возрастанию намагниченности ферромагнетика в направлении поля. В состоянии полного размагничивания ферромагнитный образец состоит из небольших областей (доменов) объёмом 10^-9÷10^-6 см³, иногда до 10^-3 см³, каждая из которых намагничена до насыщения J_S, но при этом векторы самопроизвольной намагниченности доменов J_sрасполагаются так, что суммарная намагниченность образца J= 0.

Переориентация векторов намагниченности доменов в направлении приложенного поля включает процессы смещения, вращения и парапроцесс.

Процесс смещения в многодоменном ферромагнетике заключается в перемещении границ между доменами; объём доменов, векторы J_sкоторых составляют наименьший угол с направлением напряжённости магнитного поля Н, при этом увеличивается за счёт соседних доменов с энергетически менее выгодной ориентацией J_s относительно поля.

Процесс вращения состоит в повороте векторов J_sв направлении поля Н. Причиной возможной задержки или ускорения процесса вращения является магнитная анизотропия ферромагнетика (первоначально векторы J_sдоменов направлены вдоль осей лёгкого намагничивания, в общем случае не совпадающих с направлением Н). При полном совпадении J_sс направлением Ндостигается так называемое техническое магнитное насыщение, равное величине J_s ферромагнетика при данной температуре.

Магнитная анизотропия связана с анизотропным характером магнитного взаимодействия между атомными носителями магнитного момента в веществах. В поликристаллических твёрдых телах магнитная анизотропия в макромасштабе обычно не проявляется. Напротив, в монокристаллах магнитная анизотропия приводит к большим наблюдаемым эффектам, например, к различию величины магнитной восприимчивости ферромагнетиков вдоль различных направлений в кристалле (рис. 14.2.).

Рис. 14.2Магнитная анизотропия кубических монокристаллов железа. Приведены кривые намагничивания для трёх главных кристаллографических осей [100], [110] и [111] ячейки кристалла железа.

Особенно велика магнитная анизотропия в монокристаллах ферромагнетиков, где она проявляется в наличии осей лёгкого намагничивания, вдоль которых направлены векторы самопроизвольной намагниченности J_s ферромагнитных доменов. Мерой магнитной анизотропии для данного направления в кристалле является работа намагничивания внешнего магнитного поля, необходимая для поворота вектора J_s из положения вдоль оси наиболее лёгкого намагничивания в новое положение – вдоль внешнего поля.

Парапроцесс заключается в выстраивании вдоль поля элементарных магнитных моментов, которые из-за дезориентирующего действия теплового движения были отклонены от направления J_s в доменах. При этом величина намагниченности J ферромагнетика стремится к её значению при абсолютном нуле. Парапроцесс в большинстве случаев даёт очень малый прирост намагниченности, поэтому намагниченность ферромагнетиков определяется в основном процессами смещения и вращения.

Если намагничивание ферромагнетика осуществлять при монотонном и медленном возрастании поля из состояния полного размагничивания (J=0, Н = 0), то полученную зависимость J(H) называют кривой первого намагничивания. Эту кривую обычно подразделяют на 5 участков (рис. 14.3).

Рис. 14.3Кривая первого намагничивания и схематическое изображение процессов намагничивания в многодоменном ферромагнетике: I – область обратимого намагничивания, II – область Рэлея, III – область наибольших проницаемостей, IV – область приближения к насыщению, V – область парапроцесса

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков положительна (æ > 0) и может достигать значений æ = 10⁴÷10⁵. Намагниченность J растет с величиной внешнего магнитного поля нелинейно и в полях Н = 0,01÷1,25 А/м может достигать магнитного насыщения. Величина J зависит также от «магнитной предыстории» образца, что обусловливает неоднозначность функции J(Н) или магнитный гистерезис.

На рис. 14.4 приведена типичная кривая магнитного гистерезиса в ферромагнетике. Из точки 0 (Н = 0, J = 0) с увеличением Н значение J растет по кривой 1 – основной кривой намагничивания − и в сильном поле Н ≥ Н_m становится практически постоянным и равным намагниченности насыщения J_S (ей соответствует значение индукции насыщения . При уменьшении Н обратный ход зависимости J(Н) не соответствует кривой 1, а при Н = 0 намагниченность не возвращается к значению J = 0. Это изменение соответствует кривой размагничивания 2, при Н = 0 намагниченность принимает значение J_R – остаточная намагниченность (ей соответствует остаточная индукция B_r). Для полного размагничивания образца (J = 0) необходимо приложить обратное поле -H_C, названное коэрцитивной силой. Когда обратное поле достигает значения -H_m, образец намагничивается до насыщения -J_S в обратном направлении. При дальнейшем изменении Н от -Н_m до +Н_m намагниченность соответствуют кривой 3. Ветви 2 и 3, получающиеся при циклическом изменении Н, вместе образуют замкнутую кривую, называемую предельной петлей гистерезиса. При циклическом намагничивании в полях -Н_m ≤ Н ≤ +Н_m зависимость J(Н) будет соответствовать замкнутой кривой, расположенной внутри предельной петли гистерезиса. Такие петли гистерезиса характерны для достаточно медленных процессов перемагничивания. Отставание J от Н при намагничивании и размагничивании означает, что часть энергии, приобретаемой ферромагнетиком при намагничивании, теряется при размагничивании, превращаясь в теплоту. Магнитные (гистерезисные) потери затрачиваются на нагревание образца.

Форма петли гистерезиса и ее параметры (магнитные потери, H_С, J_R и др.) зависят от состава ферромагнетика, его структуры и температуры, распределения дефектов в образце, т.е. от технологии его изготовления и последующих физических обработок (тепловой, механической, магнитной и др.).

Рис. 14.4 Кривые первичного намагничивания (1) и перемагничивания (2, 3) ферромагнетика.

J_R – остаточная намагниченность, H_C – коэрцитивная сила, J_S – намагниченность насыщения

Магнитная проницаемость m в ферромагнетике зависит от напряженности H магнитного поля (рис. 14.5). Из соотношений (1) и (2) можно получить: . Вначале m растет с увеличением H, так как растет J (кривая 1 на рис. 14.4). Достигнув максимума, m начинает уменьшаться. При с ростом H отношение , следовательно, m ® 1. В таблицах приводят обычно максимальные значения магнитной проницаемости, соответствующие определенным значениям напряженности магнитного поля (см. табл. 14.3).

Рис. 14.5 Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика

от напряженности внешнего магнитного поля

Таблица 14.3 Магнитная проницаемость m некоторых веществ