Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость. Теорема о циркуляции вектора напряженности магнитного поля. Ферромагнетики

. (3.92)

Кроме диа- и парамагнетиков, которые являются слабыми магнетиками, существуют и сильно магнитные вещества, которые могут обладать спонтанной намагниченностью и без внешнего магнитного поля. Зависимость от напряженности внешнего магнитного поля намагниченности J=f(H) и магнитной индукции B=j(H) для ферромагнетиков имеет сложный характер. На рис. 3.18, а и б, показано, какой вид имеет эта зависимость для изначально ненамагниченного ферромагнитного образца (основная или нулевая кривая намагничивания).

При некоторой напряженности внешнего магнитного поля H_m намагниченность достигает насыщения J_m, причем насыщение наступает в слабых магнитных полях. Основная кривая намагничивания в координатах B и H приведена на рис. 3.18, б.

Ферромагнетики не могут характеризоваться такими постоянными величинами, как магнитная восприимчивость c и магнитная восприимчивость m. Это объясняется нелинейной зависимостью J от Н и В от Н для ферромагнетиков, а потому c и m зависят от напряженности внешнего магнитного поля. На рис. 3.18, в приведена типичная для ферромагнетиков зависимость m от Н. При Н=0 магнитная проницаемость больше единицы, это так называемая начальная проницаемость. С увеличением Н функция m(Н) увеличивается и достигает максимума, а затем в сильных магнитных полях, когда достигнуто состояние насыщения, величина снова стремится в единице.

Зависимость В от Н и J от Н, кроме нелинейности, характеризуется также неоднозначностью. Эта неоднозначность носит название магнитного гистерезиса и проявляется в том, что магнитные свойства ферромагнетика зависят от тех магнитных взаимодействий, в которых он участвовал раньше. На рис. 3.19 кривая 0-1 отвечает намагничиванию до насыщения (точка 1 – вершина петли гистерезиса) изначально не намагниченного ферромагнетика.

Если затем уменьшать внешнее магнитное поле Н, то индукция В поля в ферромагнетике будет принимать значения соответственно кривой 1-2. При Н=0 намагниченность не исчезнет, магнитное поле образца характеризуется индукцией В_r, которую называют остаточной индукцией (ей соответствует остаточная намагниченность J_m). Для уничтожения остаточной индукции вещества и полного размагничивания образца необходимо поместить его во внешнее поле обратного знака с напряженностью Н_C, которая называется коэрцитивной силой (точка 3). Если поле обратного знака и далее увеличивать, то намагниченность ферромагнетика снова достигнет насыщения (точка 4). При дальнейшем уменьшении обратного поля, а затем изменении его направления магнитная индукция В будет меняться, и ее значения будут соответствовать другой кривой – 4-5-6-1. Таким образом, при действии на ферромагнетик переменного магнитного поля индукция В в веществе изменяется, следуя замкнутой кривой 1-2-3-4-5-6-1. Эта кривая называется петлей гистерезиса. Начальная и максимальная магнитные проницаемости, а также остаточная индукция В_r и коэрцитивная сила Н_C, являются основными характеристиками вещества ферромагнетика. Эти характеристики зависят от химического состава и внутреннего строения вещества.

Изменение напряженности внешнего поля Н в границах, не обеспечивающих насыщение (Н<Н_m), ведет к возникновению немаксимальной петли гистерезиса. Она будет лежать внутри максимальной петли и носить название частного цикла (рис. 7.4, кривая 1¢-4¢-1¢). При этом вершина петли гистерезиса – точка 1¢ будет всегда на основной (нулевой) кривой намагничивания 0-1.

Магнитные свойства ферромагнетиков определяются наличием между электронами соседних атомов так называемого обменного взаимодействия, имеющего особую квантово-механическую природу. Это взаимодействие возникает при наложении друг на друга электронных оболочек атомов и заставляет магнитные моменты всех атомов ориентироваться в одном направлении. В ферромагнетике большого объема образуются области самопроизвольного (спонтанного) намагничивания – домены, размеры доменов от 1 до 10 мкм. Ферромагнетик в пределах домена намагничен до насыщения J_m, т.е. магнитные моменты всех атомов имеют одно направление. В первоначально не намагниченном состоянии направления намагниченности соседних доменов противоположны, так что суммарный магнитный момент образца равен нулю (рис. 3.20).

Результирующие магнитные моменты соседних доменов сориентированы так, что образуют замкнутое магнитное поле, энергия которого минимальна. При намагничивании и перемагничивании ферромагнетика во внешнем магнитном поле Н происходят два процесса. Сначала растут домены, намагниченности которых J_m составляют небольшой угол с полем Н (домены 2 и 4 на рис. 7.5). Рост происходит за счет тех доменов, у которых этот угол большой (домены 1 и 3). Это явление называется процессом смещения, в слабых магнитных полях он является обратимым. Процесс смещения ведет к уменьшению энергии ферромагнетика во внешнем магнитном поле, поэтому он энергетически выгоден. При дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля происходит ориентация векторов спонтанной намагниченности доменов J_m по направлению внешнего поля. При этом магнитные моменты атомов в пределах домена поворачиваются одновременно, без нарушения параллельности друг другу. Это называется процессом вращения. Процесс вращения доменов необратим и служит причиной возникновения гистерезиса. Необратимость процесса намагничивания связана также с «задержкой» в смещении границ между доменами, которая вызывается различными искажениями кристаллической решетки (включения, неоднородности, внутренние напряжения и т.п.).