Ферромагнетизм. Магнитный гистерезис.
Ферромагнетизм - магнитоупорядоченное состояние вещества, в котором большинство атомных магнитных моментов параллельны друг другу, так что вещество обладает самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью.
В более широком смысле ферромагнетизмом называется совокупность физических свойств вещества в указанном выше состоянии.
Вещества, в которых возникает ферромагнитное упорядочение магнитных моментов, называются ферромагнетиками. К их числу относятся кристаллы переходных металлов (железо, кобальт, никель), некоторых редкоземельных элементов и ряда сплавов, ферриты, а также некоторые металлические стекла.
Для ферромагнитных кристаллов характерно наличие внутренних незаполненных электронных слоев. Например, для железа, никеля и кобальта незаполненными являются 3d-подслой, для гадолиния подслой - 4f.
Появление в ферромагнетиках атомного магнитного порядка обусловлено обменным взаимодействием, стремящимся установить спины соседних атомов или ионов параллельно друг другу.
Обменное взаимодействие характеризуется так называемым интегралом обмена, который сильно зависит от расстояния между атомами в кристаллической решетке.
При положительном значении интеграла обмена взаимодействие приводит к параллельной ориентации спинов, которая устанавливается при температурах ниже температуры Кюри Тс в отсутствие внешнего магнитного поля. Выше температуры Кюри ферромагнитные свойства ферромагнетика исчезают, вещество становится парамагнетиком.
В отсутствие внешнего магнитного поля ферромагнитный образец разбит в магнитном отношении на домены - области однородной спонтанной намагниченности. В пределах каждого домена ферромагнетик намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом. Направления этих моментов для разных доменов различны, так что в отсутствие внешнего поля суммарный момент всего тела равен нулю (см. рис.1).
Схематическое изображение доменной структуры
Рис. 1
Для ферромагнетиков во внешнем магнитном поле характерны: нелинейность кривой намагничивания и магнитный гистерезис при перемагничивании; сильная зависимость магнитной восприимчивости от направления магнитного поля.
При намагничивании ферромагнетиков изменяются их размеры и форма (магнитострикция). В ферромагнитных кристаллах наблюдается магнитная анизотропия различие магнитных свойств по разным кристаллографическим направлениям.
Магнитные и другие физические свойства ферромагнетиков обладают ярко выраженной зависимостью от температуры, особенно вблизи температуры Кюри (см. рис. 2).
График зависимости спонтанной намагниченности от температуры
Рис. 2
Jso - значение спонтанной намагниченности при температуре 0о К.
Временные характеристики
Время инициации (log to от -6 до -3);
Время существования (log tc от 15 до 15);
Время деградации (log td от -6 до -3);
Время оптимального проявления (log tk от -5 до -2).
Диаграмма:
Технические реализации эффекта
Техническая реализация эффекта
Для наблюдения ферромагнитного состояния вещества достаточно поместить кусок стали, нагретый примерно до 8000C, в поле постоянного магнита и медленно его охладить. После устранения внешнего магнитного поля сталь сама окажется постоянным магнитом в результате ферромагнитного упорядочения доменов.
Применение эффекта
Теория ферромагнетизма (кривых намагничивания, петель гистерезиса) имеет важное значение для разработки новых и улучшения существующих магнитных материалов. Ферромагнетики используются в электротехнической и радиотехнической промышленности, для магнитной дефектоскопии и структурного анализа, при конструировании элементов памяти ЭВМ, ускорительных секций и т.п. Часто они используются в качестве промежуточных запоминающих устройств в ядерной электронике. Примером может являться т. н. «годоскоп импульсного канала», используемый на подземном сцинтилляционном телескопе Баксанской нейтринной обсерватории РАН.
Магнитный гистерезис наблюдается в магнитоупорядоченных веществах (в определенном интервале температур), например в ферромагнетиках, обычно разбитых на домены области спонтанной (самопроизвольной) намагниченности, у которых величина намагниченности (магнитный момент единицы объема) одинакова, но направления различны.
Под действием внешнего магнитного поля число и размеры доменов, намагниченных по полю, увеличиваются за счет других доменов. Векторы намагниченности отдельных доменов могут поворачиваться по полю. В достаточно сильном магнитном поле ферромагнетик намагничивается до насыщения, при этом он состоит из одного домена с намагниченностью насыщения JS, направленной вдоль внешнего поля H.
Типичная зависимость намагниченности от магнитного поля в случае гистерезиса
Рис. 1
В результате многочисленных исследований установлена следующая общая картина процесса намагничивания ферромагнетиков.
В отсутствии внешнего магнитного поля ферромагнетик разбивается на домены таким образом, что его результирующий магнитный момент близок к нулю. При включении внешнего магнитного поля энергии отдельных доменов делаются неодинаковыми: энергия меньше для тех доменов, в которых вектор намагниченности образует с направлением поля острый угол, и больше в том случае, если этот угол тупой. Поэтому возникает процесс смещения границ доменов, при котором объем доменов с меньшей энергией возрастает, а с большей энергией уменьшается. В случае слабых полей эти смещения границ обратимы и точно следуют за изменением внешнего поля. При увеличении поля смещение границ доменов делаются необратимыми. При достаточной величине поля энергетически невыгодные домены исчезают вовсе. Если поле увеличивать еще больше, то возникает новый тип процесса намагничивания, при котором изменяется направление магнитного момента домена. В очень сильном магнитном поле HS магнитные моменты всех доменов устанавливаются параллельно полю. В этом состоянии ферромагнетик имеет наибольший магнитный момент, то есть намагничен до насыщения, следовательно, при дальнейшем увеличении внешнего поля величина намагниченности JS не меняется.
При уменьшении напряженности внешнего магнитного поля до HS значение намагниченности JS не будет меняться, при дальнейшем уменьшении напряженности внешнего магнитного поля значение намагниченности будет уменьшаться сначала за счет изменения направления магнитного момента домена, а затем преимущественно за счет возникновения и роста доменов с магнитным моментом, направленным против поля. Рост доменов обусловлен движением доменных стенок. Это движение происходит скачками из-за наличия в образце дефектов (неоднородностей, примесей и т. п.), на которых доменные стенки задерживаются. Поэтому при уменьшении поля до нуля у образца сохраняется так называемая остаточная намагниченность JR. Образец полностью размагничивается лишь в достаточно сильном поле противоположного направления HK, называемом коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении магнитного поля обратного направления образец вновь намагничивается вдоль поля до насыщения. При циклическом изменении поля графическая зависимость, характеризующая изменение намагниченности образца, образует замкнутую кривую петлю магнитного гистерезиса.
Вектор магнитной индукции связан с векторами намагниченности и напряженности внешнего магнитного поля:
B = 0(J+H).
Следовательно, можно построить график зависимости магнитной индукции от напряжения внешнего магнитного поля. Очевидно, что вид кривой будет аналогичен кривой намагниченности, то есть при циклическом изменении поля будет иметь вид замкнутой кривой, которая так же носит название петли гистерезиса. Однако в области полей больших HS магнитная индукция не достигает насыщения, а растет линейно (что видно из уравнения).
Непредельные петли гистерезиса
Рис. 2
Если величину магнитного поля циклически изменять в таких пределах, что насыщение не достигается, то получается непредельная петля гистерезиса.
Площадь петли магнитного гистерезиса пропорциональна энергии, теряемой в образце за один цикл изменения поля. Эта энергия идет, в конечном счете, на нагревания образца. Такие потери называют гистерезисными.
Временные характеристики
Время инициации (log to от -2 до 1);
Время существования (log tc от 15 до 15);
Время деградации (log td от 1 до 4);
Время оптимального проявления (log tk от -2 до 0).
Диаграмма:
Технические реализации эффекта
Реализация наблюдения магнитного гистерезиса
Наблюдение гистерезиса проще всего осуществить по остаточной намагниченности. Именно, образец магнитно-жесткого ферромагнитика помещается на десять-сто секунд в постоянное магнитное поле. Затем источник магнитного поля устраняется, и наблюдается остаточная намагниченность образца. При многократном повторении опыта направление остаточной намагниченности меняется в соответствии с изменением направления внешнего поля, осуществлявшего намагничивание образца в последнем цикле.
Применение эффекта
Мягие ферромагнетики (мягкое железо, сплав пермолой), обладающие малым значением коэрцитивной силы HK (малыми потерями энергии), используют для изготовления сердечников трансформаторов, статоров и роторов генераторов.
Жесткие ферромагнетики (углеродистые стали, специальные сплавы), обладающие большим значением коэрцитивной силы HK, используют для изготовления постоянных магнитов.