Ферромагнетики. К ферромагнитным веществам относятся железо, никель, кобальт, гадолиний, их сплавы и соединения

К ферромагнитным веществам относятся железо, никель, кобальт, гадолиний, их сплавы и соединения. Кроме того, к ним относятся некоторые сплавы и соединения марганца и хрома с неферромагнитными соединениями. В последнее время широкое распространение получили вещества на основе редкоземельных соединений, в частности самария. Магнитные свойства таких веществ даже превышают свойства обычных ферромагнетиков.

Из таких веществ обычно приготавливают магнитные порошки, из которых прессуют необходимые магнитные детали.

Существуют также ферромагнитные полупро­водники, которые называются ферритами.

Свойства ферромагнетиков сильно отличаются от магнитных свойств уже рассмотренных диа- и парамагнетиков, что наглядно демонстрирует экспериментальный график зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля (рис. 2.6).

Для ферромагнетиков на начальном этапе намагничивания еще наблюдается прямая пропорциональная зависимость от , затем эта зависимость нарушается, происходит насыщение, и в дальнейшем намагниченность ферромагнетиков остается постоянной и не зависящей от напряженности поля .

Соответственно экспериментальный график зависимости индукции магнитного поля в ферромагнетике от напряженности поля имеет вид, изображенный на рис. 2.7. Характер этой кривой объясняется следующим образом. Можно записать:

.

Отсюда следует, что на начальном этапе индукция поля в ферромагнетике растет и за счет роста и за счет роста . Затем вектор намагниченности, дойдя до насыщения, остается постоянным и рост индукции объясняется только ростом .

Кроме того, оказалось, что если довести намагниченность до насыщения (точка на рис. 2.8) и затем уменьшать напряженность магнитного поля, то индукция следует не по первоначальной кривой , а изменяется в соответствии с кривой . В результате, когда напряженность внешнего поля станет равной нулю, намагниченность не исчезает и характеризуется величиной , которая называется остаточной индукцией.

Чтобы достигнуть состояния, при котором индукция поля в ферромагнетике снова станет равной нулю, необходимо приложить поле напряженностью , противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Напряженность называется коэрцитивной силой.

Таким образом, при действии на ферромагнетик переменного магнитного поля индукция меняется в соответствии с кривой (рис. 2.8), которая называется петлей гистерезиса.

Можно показать, что площадь петли гистерезиса прямо пропорциональна энергии, затрачиваемой на перемагничивание единицы объема ферромагнетика за каждый цикл. Действительно, размерность произведения на равна:

.

По значению коэрцитивной силы различают типы ферромагнетиков. Ферромагнетики с большим значением называются жесткими ферромагнетиками. Они используются для изготовления постоянных магнитов. У таких ферромагнетиков площадь петли гистерезиса достаточно велика, следовательно, велика и энергия перемагничивания.

Ферромагнетики с малым значением называются мягкими ферромагнетиками. Такие ферромагнетики используются для изготовления сердечников трансформаторов. Петля гистерезиса у них имеет малую площадь, а соответственно, мала энергия перемагничивания и, как следствие, малы потери.

График зависимости магнитной проницаемости ферромагнетика от напряженности магнитного поля представлен на рис. 2.9. Как видно, магнитная проницаемость вначале растет, достигает максимума, а затем спадает до единицы. Такой ход зависимости можно объяснить исходя из связи между магнитной проницаемостью и магнитной восприимчивостью .

Тогда запишем:

.

Отсюда вытекает: ,

т.е. сначала растет за счет роста , а затем, когда достигается насыщение и прекращается рост начинает падать, так как отношение стремится к нулю.

Исключительные магнитные свойства ферромагнетиков объясняются их так называемой доменной структурой.

Внешние электроны атомов ферромагнетиков находятся на относительно близких расстояниях при формировании кристаллической решетки. Как мы уже знаем, электрон обладает собственным спиновым магнитным моментом. На таких малых расстояниях происходит интенсивное взаимодействие спиновых магнитных моментов внешних электронов, которое называется обменным или спин-спиновым взаимодействием. В результате этого взаимодействия магнитные моменты электронов оказываются одинаково направленными в значительных по размеру макроскопических областях, которые называются доменами. Домены имеют размеры порядка .

В результате весь объем ферромагнетика разбивается на домены или области спонтанной намагниченности. Но ориентация магнитных моментов этих доменов произвольная, так что суммарный магнитный момент образца ферромагнетика равен нулю.

При наложении внешнего поля напряженностью ферромагнетики намагничиваются (см. рис. 2.7). Это намагничивание состоит в том, что увеличиваются размеры благоприятных доменов и, соответственно, уменьшаются размеры неблагоприятных доменов. При этом под благоприятными доменами понимаются такие, у которых направление магнитного момента близко к направлению внешнего поля и наоборот. Следовательно, когда намагничивание ферромагнетиков достигает некоторых предельных напряжений, происходит скачкообразное изменение физических размеров доменов, перемещение их границ. В результате в образце ферромагнетика возникают акустические волны, которые можно услышать, используя соответствующий усилитель. Эти характерные трески, которые наблюдаются при намагничивании ферромагнетика, называются скачками Баркгаузена. При дальнейшем росте напряженности поля происходит ориентация доменов по внешнему полю.

Когда процесс роста и ориентации благоприятных доменов закончится, происходит так называемое насыщение. При дальнейшем росте поля рост намагниченности ферромагнетиков не происходит.

При повышении температуры и достижении некоторой критической температуры , называемой точкой Кюри, доменная структура ферромагнетиков исчезает, они теряют свои ферромагнитные свойства и становятся обычными парамагнетиками. При охлаждении и понижении температуры ниже точки Кюри, доменная структура ферромагнетиков восстанавливается, восстанавливаются и их исключительные магнитные свойства. Для железа температура Кюри составляет , для никеля .