Чем объясняется явление насыщения ферромагнетиков

7.5. Ферромагнетизм

У ферромагнетиков, так же как и у парамагнитных материалов, собственное поле при намагничивании усиливает внешнее поле, то есть c_m > 0 и достигает очень больших значений (для железа, например, c_m = 5 000, но есть сплавы с еще большими значениями c_m = 50 000).

Ферромагнитные вещества обладают рядом отличительных свойств:

Рис. 7.10. Зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н
(основная кривая намагничивания 01, а также частная 1’2’3’4’5’6′ и предельная 123456 петли гистерезиса)

Изучение строения ферромагнетиков показало, что ферромагнетик состоит из множества самопроизвольно (спонтанно) намагниченных областей, с линейными размерами порядка 10 –3 –10 –4 см, которые называются доменами. Причиной их образования является сильное взаимодействие спиновых магнитных моментов, которые, стремясь стать параллельными, ориентируются одинаково в пределах достаточно большой области, которая и становится доменом. Раз в каждом из доменов магнитные моменты всех его молекул или атомов направлены в одну сторону, то их векторная сумма дает отличный от нуля магнитный момент всего домена.

Если ферромагнетик не намагничен (J = 0), то магнитные моменты отдельных доменов распределены по направлениям изотропно, и суммарный момент ферромагнетика равен нулю. При включении внешнего магнитного поля происходит рост доменов, ориентированных вдоль внешнего поля, за счет доменов, магнитные поля которых имеют иное направление. С увеличением внешнего поля происходит рост собственного магнитного поля ферромагнетика. В слабых полях такой рост носит обратимый характер. В более сильных полях одновременно происходит переориентация магнитных моментов в пределах всего домена. Этот процесс является необратимым, чем объясняется гистерезис и остаточная намагниченность. В очень сильном внешнем поле все домены имеют одинаковую ориентацию вдоль внешнего поля. Наступает состояние магнитного насыщения ферромагнетика.

Качественная картина роста доменов, ориентированных параллельно внешнему полю, при увеличении внешнего поля в процессе намагничивания ферромагнетика показана на рис. 7.11.

Рис. 7.11. Намагничивание ферромагнетика во внешнем поле:
1 — Н = 0; 2 — Н = Н₁; 3 — Н = Н₂, Н₂ > Н₁

Видео 7.3. Эффект Бракгаузена: хруст «костей» ферромагнетика при его перемагничивании.

В сильных полях с (напряженность H порядка 200 А/м и более) намагничивание достигает насыщения (рис. 7.12).

Рис. 7.12. Насыщение намагничивания в сильных внешних полях

При достижении насыщения магнитная индукция поля В продолжает расти вместе с внешним полем по линейному закону

В состоянии насыщения практически все домены выстроены вдоль внешнего поля Н. Поэтому индукция В‘ перестает расти и на увеличение B не влияет, но B₀ с ростом H продолжает увеличиваться. Поэтому в состоянии насыщения магнитная индукция внутри ферромагнетика продолжает медленно линейно возрастать.

При изменении напряженности H внешнего поля зависимость В = В(H) имеет вид, изображенный на рисунке 7.10. В начальный момент времени, если ферромагнетик не был намагничен, то H = 0 и В = 0, затем при увеличении H до значения H₁ индукция возрастает по кривой 01 до значения В₁. При плавном уменьшении напряженности внешнего магнитного поля индукция В будет изменяться по кривой 12, а не по первоначальной кривой 01. В результате, когда напряженность внешнего поля станет равной нулю, намагничивание образца не исчезает и характеризуется величиной B_r, которая называется остаточной индукцией. Намагниченность имеет при этом значение J_r, называемое остаточной намагниченностью. В этом проявляется необратимость процесса намагничивания ферромагнетика.

Как уже говорилось, домены — достаточно крупные образования, и тепловое движение не в состоянии разрушить остаточную индукцию. Для этого надо приложить обратное внешнее поле. Магнитная индукция становится равной нулю (точка 3 на рис. 7.10) под действием противоположного по направлению поля величиной H_с. Напряженность размагничивающего поля H_с называется коэрцитивной силой.

При действии на ферромагнетик переменного магнитного поля с напряженностью Н H₁, то получаем предельную петлю гистерезиса 1234561, соответствующую насыщению намагниченности.

На рис. 7.13 показан опыт, в котором наблюдается петля гистерезиса. Демонстрируется электронно-лучевая трубка с катушками вертикального и горизонтального отклонения луча. При подаче одинакового переменного напряжения на обе пары катушек на экране видна наклонная прямая линия. Затем в горизонтальные катушки, отклоняющие луч по вертикали, вставляются ферромагнитные стержни, и вертикальное отклонение луча становится пропорциональным индукции магнитного поля в ферромагнетике. При этом на экране осциллографа наблюдается петля гистерезиса для данного ферромагнетика.

Рис. 7.13. Петля гистерезиса

Поскольку магнитная индукция В в ферромагнетике неоднозначно зависит от напряженности поля Н, то указываемая в справочниках магнитная проницаемость ферромагнетиков

,

общепринято определять только для основной кривой намагничивания.

При высоких температурах вещество ферромагнетика превращается в парамагнетик, поскольку доменная структура вещества разрушается под действием теплового движения. Превращение происходит при вполне определенной для каждого ферромагнетика температуре Т_С, называемой точкой Кюри; для железа Т_С = 1 043 К, для кобальта Т_С = 1 393 К и для никеля Т_С = 631 К.

На рис. 7.14 демонстрируется исчезновение притяжения ферромагнитной пластинки к постоянному магниту при нагревании ее выше точки Кюри. Пластинка подвешена на тонкой проволоке в стороне от магнита так, что натянутая за счет притяжения к магниту проволока наклонена относительно вертикали. Под пластинку помещают газовую горелку, и после нагрева выше температуры Кюри пластинка перестает натягивать проволоку к магниту, отходит от него, и подвес принимает вертикальное положение.

Рис. 7.14. Разрушение ферромагнитных свойств ферромагнетика при нагревании выше точки Кюри

Источник

Вопрос. Свойства ферромагнетиков. Объяснение ферромагнетизма.

К ферромагнетикам (ferrum – железо) относятся вещества, магнитная восприимчивость которых положительна и достигает значений . Намагниченность и магнитная индукция ферромагнетиков растут с увеличением напряженности магнитного поля нелинейно, и в полях намагниченность ферромагнетиков достигает предельного значения , а вектор магнитной индукции растет линейно с :

Ферромагнитные свойства материалов проявляются только у веществ в твердом состоянии, атомы которых обладают постоянным спиновым, или орбитальным, магнитным моментом, в частности у атомов с недостроенными внутренними электронными оболочками. Типичными ферромагнетиками являются переходные металлы. В ферромагнетиках происходит резкое усиление внешних магнитных полей. Причем для ферромагнетиков сложным образом зависит от величины магнитного поля. Типичными ферромагнетиками являются Fe, Co, Ni, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm,а также соединения ферромагнитных материалов с неферромагнитными: , , и др.

Существенным отличием ферромагнетиков от диа- и парамагнетиков является наличие у ферромагнетиков самопроизвольной (спонтанной) намагниченности в отсутствие внешнего магнитного поля. Наличие у ферромагнетиков самопроизвольного магнитного момента в отсутствие внешнего магнитного поля означает, что электронные спины и магнитные моменты атомных носителей магнетизма ориентированы в веществе упорядоченным образом.

Ферромагнетики – это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры.

Ферромагнетики, в отличие от слабо магнитных диа- и парамагнетиков, являются сильно магнитными веществами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни раз превосходить внешнее поле.

Основные отличия магнитных свойств ферромагнетиков.

1. Нелинейная зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля Н (рис. 6.5).

Как видно из рис. 6.5, при наблюдается магнитное насыщение.

2. При зависимость магнитной индукции В от Н нелинейная, а при – линейная (рис. 6.6).

3. Зависимость относительной магнитной проницаемости от Н имеет сложный характер (рис. 6.7), причем максимальные значения μ очень велики ( ).

Впервые систематические исследования μ от Н были проведены в 1872 г. А.Г. Столетовым (1839–1896) – выдающимся русским физиком, организатором физической лаборатории в Московском университете. На рис. 6.8. изображена зависимость магнитной проницаемости некоторых ферромагнетиков от напряженности магнитного поля – кривая Столетова.

4. У каждого ферромагнетика имеется такая температура, называемая точкой Кюри( ),выше которой это вещество теряет свои особые магнитные свойства.

Наличие температуры Кюри связано с разрушением при упорядоченного состояния в магнитной подсистеме кристалла – параллельной ориентации магнитных моментов. Для никеля температура Кюри равна 360 °С. Если подвесить образец никеля вблизи пламени горелки так, чтобы он находился в поле сильного постоянного магнита, то не нагретый образец может располагаться горизонтально, сильно притягиваясь к магниту (рис. 6.9). По мере нагрева образца и достижения температуры ферромагнитные свойства у никеля исчезают и образец никеля падает. Остыв до температуры ниже точки Кюри, образец вновь притянется к магниту. Нагревшись, вновь падает и т.д., колебания будут продолжаться все время, пока горит свеча.

5. Существование магнитного гистерезиса.

На рисунке 6.10 показана петля гистерезиса – график зависимости намагниченности вещества от напряженности магнитного поля Н.

Намагниченность при называется намагниченностью насыщения.

Намагниченность при называется остаточной намагниченностью (что необходимо для создания постоянных магнитов).

Напряженность магнитного поля, полностью размагниченного ферромагнетика, называется коэрцитивной силой. Она характеризует способность ферромагнетика сохранять намагниченное состояние.

Большой коэрцитивной силой (широкой петлей гистерезиса) обладают магнитотвердые материалы. Малую коэрцитивную силу имеют магнитомягкие материалы.

Измерение гиромагнитного отношения для ферромагнетиков показали, что элементарными носителями магнетизма в них являются спиновые магнитные моменты электронов.

Самопроизвольно, при , намагничиваются лишь очень маленькие монокристаллы ферромагнитных материалов, например никеля или железа. Для того чтобы постоянным магнитом стал большой кусок железа, необходимо его намагнитить, т.е. поместить в сильное магнитное поле, а затем это поле убрать. Оказывается, что при большой исходный кусок железа разбит на множество очень маленьких ( ), полностью намагниченных областей – доменов. Векторы намагниченности доменов в отсутствие внешнего магнитного поля ориентированы таким образом, что полный магнитный момент ферромагнитного материала равен нулю. Если бы в отсутствие поля кристалл железа был бы единым доменом, то это привело бы к возникновению значительного внешнего магнитного поля, содержащего значительную энергию (рис. 6.11, a). Разбиваясь на домены, ферромагнитный кристалл уменьшает энергию магнитного поля. При этом, разбиваясь на косоугольные области (рис. 6.11, г), можно легко получить состояние ферромагнитного кристалла, из которого магнитное поле вообще не выходит. В целом в монокристалле реализуется такое разбиение на доменные структуры, которое соответствует минимуму свободной энергии ферромагнетика. Если поместить ферромагнетик, разбитый на домены, во внешнее магнитное поле, то в нем начинается движение доменных стенок. Они перемещаются таким образом, чтобы областей с ориентацией вектора намагниченности по полю стало больше, чем областей с противоположной ориентацией (рис. 6.11, б, в, г). Такое движение доменных стенок понижает энергию ферромагнетика во внешнем магнитном поле. По мере нарастания магнитного поля весь кристалл превращается в один большой домен с магнитным моментом, ориентированным по полю (рис. 6.11, а).

Ферромагнитные материалы играют огромную роль в самых различных областях современной техники. Магнитомягкие материалы используются в электротехнике при изготовлении трансформаторов, электромоторов, генераторов, в слаботочной технике связи и радиотехнике; магнитожесткие материалы применяют при изготовлении постоянных магнитов.

Широкое распространение в радиотехнике, особенно в высокочастотной радиотехнике, получили ферриты ( ) сочетающие ферромагнитные и полупроводниковые свойства.

Магнитные материалы широко используются в традиционной технологии записи информации в винчестере (рис. 6.12).

На рисунке 6.14 изображены первые магнитные диски созданные в 1955 г, имевшие название IBM 350 Disk File, с обьемом 5 Мб и размером 24 дюймов.

В 1971 г. было произведено первое применение IBM3330 магнитного диска, созданного в 1957 г. с использованием магнитной головки и слота (рис. 6.15).

Природа ферромагнетизма

Атомы или ионы приобретают магнитный момент, как правило, если они имеют нескомпенсированные спины электронов. Например в атомах железа на внутренней 3d-оболочке имеется четыре нескомпенсированных спина. Так как самопроизвольная намагниченность относится к внутриатомным явлениям, то ее природа может быть установлена только на основе квантово-механических понятий.

По Я.И.Френкелю и В.Гейзенбергу главную роль в возникновении ферромагнитного состояния играют силы обменного взаимодействия между атомами, имеющие квантовый характер и по происхождению являющиеся электростатическими.

В отдельных доменах магнитные поля имеют различные направления и в большом кристалле взаимно компенсируют друг друга. При внесении ферромагнитного образца во внешнее магнитное поле происходит упорядочение ориентации магнитных полей отдельных доменов.
С увеличением магнитной индукции внешнего поля возрастает степень упорядоченности ориентации отдельных доменов — магнитная индукция возрастает. При некотором значении индукции внешнего поля наступает полное упорядочение ориентации доменов (рис. 191, б), возрастание магнитной индукции прекращается. Это явление называется магнитным насыщением.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Явление ферромагнетизма связано с образованием внутри некоторых материалов ниже определенной температуры ( т о ч-к и Кюри) таких кристаллических структур, при которых в пределах макроскопических областей, называемых магнитными доменами, электронные спины оказываются ориентированными взаимно параллельно. [2]

Явление ферромагнетизма связано с образованием внутри некоторых материалов ниже определенной температуры ( точки Кюри) таких кристаллических структур, при которых в пределах макроскопических областей, называемых магнитными доменами, электронные спины оказываются ориентированными взаимно параллельно. [4]

Явление ферромагнетизма обусловлено тем, что внутри ферромагнетиков ниже температуры, называемой точкой Кюри, имеются небольшие кристаллические области, называемые доменами ( § 3), в них спины неспаренных электронов оказываются ориентированными взаимно параллельно. Это значит, что в пределах домена существует спонтанная ( самопроизвольная) намагниченность. Обычно направленность магнитных полей доменов самая разнообразная. Поэтому, чтобы намагнитить все тело, необходимо воздействовать на него внешним магнитным полем. Действие этого поля сводится к повороту магнитных моментов доменов в направлении внешнего поля ( ориентация доменов) и к увеличению тех доменов, магнитные моменты которых составляют неименьшии угол с направлением магнитного поля, и к уменьшению других доменов. Магнитное насыщение будет достигнуто тогда, когда магнитные моменты всех доменов окажутся ориентированными в направлении поля. [6]

Явление ферромагнетизма обусловлено тем, что внутри ферромагнетиков ниже температуры, называемой точкой Кюри, имеются небольшие кристаллические области, называемые доменами, в них спины неспаренных электронов оказываются ориентированными взаимно параллельно. Это значит, что в пределах домена существует спонтанная ( самопроизвольная) намагниченность. Обычно направленность магнитных полей доменов самая разнообразная. Поэтому, чтобы намагнитить все тело, необходимо воздействовать на него внешним магнитным полем. Действие этого поля сводится к повороту магнитных моментов доменов в направлении внешнего поля ( ориентация доменов) и к увеличению тех доменов, магнитные моменты которых составляют наименьший угол с направлением магнитного поля, и к уменьшению других доменов. Магнитное насыщение будет достигнуто тогда, когда магнитные моменты всех доменов окажутся ориентированными в направлении поля. Выше точки Кюри ферромагнитные свойства тела исчезают. Явление гистерезиса тесно связано с характером доменного строения ферромагнетиков. [7]

Если явление ферромагнетизма приводит к повышению восприимчивости по сравнению с парамагнетиками, то, очевидно, в антиферромагнитном состоянии восприимчивость должна быть меньше, чем в парамагнитном. [9]

Для объяснения явления ферромагнетизма вначале были выдвинуты гипотезы Ампера, а затем Ве-бсра, согласно которым в ферромагнитном веществе имеются элементарные соленоиды ( элементарные магниты), обтекаемые током. [12]

Для объяснения явления ферромагнетизма вначале были выдвинуты гипотезы Ампера, а затем Вебера, согласно которым в ферромагнитном веществе имеются элементарные, соленоиды ( элемент цные магниты), обтекаемые током. [13]

Различия в явлениях ферромагнетизма и сегнетоэлектричества происходят из-за того, что микроскопические механизмы возникновения этих явлений существенно отличаются. [15]

Источник