Ферромагнетики в магнитном поле


СОДЕРЖАНИЕ:

Ферромагнетики в магнитном поле

«Наш мир погружен в огромный океан энергии, мы летим в бесконечном пространстве с непостижимой скоростью. Всё вокруг вращается, движется — всё энергия. Перед нами грандиозная задача — найти способы добычи этой энергии. Тогда, извлекая её из этого неисчерпаемого источника, человечество будет продвигаться вперёд гигантскими шагами» Никола Тесла (1891)

среда, 10 февраля 2020 г.

Магнетики = диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики

Магнитные материалы, Магнетики — материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также в других физических явлениях — изменение физических размеров, температуры, проводимости, возникновению электрического потенциала и т. д. В этом смысле к магнетикам относятся практически все вещества (поскольку ни у какого из них магнитная восприимчивость не равна нулю точно), большинство из них относится к классам диамагнетиков (имеющие небольшую отрицательную магнитную восприимчивость — и несколько ослабляющие магнитное поле) или парамагнетиков (имеющие небольшую положительную магнитную восприимчивость — и несколько усиливающие магнитное поле); более редко встречаются ферромагнетики (имеющие большую положительную магнитную восприимчивость — и намного усиливающие магнитное поле), о ещё более редких классах веществ по отношению к действию на них магнитного поля.

Классификация магнитных материалов и требования к ним
Магнитными веществами, или магнетиками, называются вещества, обладающие магнитными свойствами. Под магнитными свойствами понимается способность вещества приобретать магнитный момент, т.е. намагничиваться при воздействии на него магнитного поля. В этом смысле все вещества в природе являются магнетиками, так как при воздействии магнитного поля приобретают определенный магнитный момент. Этот результирующий макроскопический магнитный момент М представляет собой сумму элементарных магнитных моментов mi — атомов данного вещества.

Элементарные магнитные моменты могут быть либо наведены магнитным полем, либо существовать в веществе до наложения магнитного поля; в последнем случае магнитное поле вызывает их преимущественную ориентацию.
Магнитные свойства различных материалов объясняются движением электронов в атомах, а также тем, что электроны и атомы имеют постоянные магнитные моменты.
Вращательное движение электронов вокруг ядер атомов аналогично действию некоторого контура электрического тока и создает магнитное поле, которое на достаточном расстоянии представляется как поле магнитного диполя с магнитным моментом, значение которого определяется произведением тока и площади контура, который ток обтекает. Магнитный момент является векторной величиной и направлен от южного полюса к северному. Такой магнитный момент называется орбитальным.

Сам электрон имеет магнитный момент, который называется спиновым магнитным моментом.
Атом представляет собой сложную магнитную систему, магнитный момент которой является результирующей всех магнитных моментов электронов, протонов и нейтронов. Так как магнитные моменты протонов и нейтронов существенно меньше, чем магнитные моменты электронов, магнитные свойства атомов по существу определяются магнитными моментами электронов. У имеющих техническое значение материалов это прежде всего спиновые магнитные моменты.
Результирующий магнитный момент атома при этом определяется векторной суммой орбитальных и спиновых магнитных моментов отдельных электронов в электронной оболочке атомов. Эти два вида магнитных моментов могут быть частично или полностью взаимно скомпенсированы.

В соответствии с магнитными свойствами материалы делятся на следующие группы:
а) диамагнитные (диамагнетики),
б) парамагнитные (парамагнетики),
в) ферромагнитные (ферромагнетики),
г) антиферромагнитные (антиферромагнетики),
д) ферримагнитные (ферримагнетики),
е) метамагнитные (метамагнетики).

А) Диамагнетики
Диамагнетизм проявляется в намагничивании вещества навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля.
Диамагнетизм свойствен всем веществам. При внесении какого-либо тела в магнитное поле в электронной оболочке каждого его атома, в силу закона электромагнитной индукции, возникают индуцированные круговые то­ки, т. е. добавочное круговое движение электронов вокруг направления магнитного поля. Эти токи создают в каждом атоме индуцированный магнитный момент, направленный, согласно правилу Ленца, навстречу внешнему магнитному полю (независимо от того, имелся ли первоначально у атома собственный магнитный момент или нет и как он был ориентирован). У чисто диамагнитных веществ электронные оболочки атомов (молекул) не обладают постоянным маг­нитным моментом. Магнитные моменты, создаваемые отдельными электронами в таких атомах, в отсутствие внешнего маг­нитного поля взаимно скомпенсированы. В частности, это имеет место в атомах, ионах и молекулах с целиком заполнен­ными электронными оболочками в атомах инертных газов, в молекулах водорода, азота.

Удлинённый образец диамагнетика в однородном магнитном поле ориентиру­ется перпендикулярно силовым линиям поля (вектору напряженности поля). Из неоднородного магнитного поля он вытал­кивается в направлении уменьшения напряжённости поля.

Индуцированный магнитный момент I, приобретаемый 1 молем диамагнитного вещества, пропорционален напряженности внешнего поля H, т.е. I=χН. Коэффициент χ называется молярной диамагнитной восприимчивостью и имеет отрицательный знак (т.к. I и H направлены навстречу друг другу). Обычно абсолютная величина χ мала (

10-6), например для 1 моля гелия χ = -1,9·10-6.

Классическими диамагнетиками являются так называемые инертные газы (He, Ne, Ar, Kr и Xe), атомы которых имеют замкнутые внешние электронные оболочки.

К диамагнетикам также относятся: инертные газы в жидком и кристаллическом состояниях; соединения, содержащие ионы, подобные атомам инертных газов (Li+, Be2+ , Al3+ , O2- и т.д.); галоиды в газообразном, жидком и твердом состояниях; некоторые металлы (Zn, Au, Hg и др.). Диамагнетиками, точнее сверхдиамагнетиками, с χД = — (1/4) ≈ 0,1, являются сверхпроводники; у них диамагнитный эффект (выталкивание внешнего магнитного поля) обусловлен поверхностными макроскопическими токами. К диамагнетикам относится большое число органических веществ, причём у многоатомных соединений, особенно у циклических (ароматических и др.), магнитная восприимчивость анизотропна (таблица 6.1).

Б) Парамагнетики
Парамагнетизм – свойство веществ (парамагнетиков) намагничиваться в направлении внешнего магнитного поля, и, в отличие от ферро-, ферри- и антиферромагнетизма, парамагнетизм не связан с магнитной атомной структурой, а в отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика равна нулю.

Парамагнетизм обусловлен в основном ориентацией под действием внешнего магнитного поля Н собственных магнитных моментов µ частиц парамагнетического вещества (атомов, ионов, молекул). Природа этих моментов может быть связана с орбитальным движением электронов, их спином, а также (в меньшей степени) со спином атомных ядер. При µН « kТ, где Т – абсолютная температура, намагниченность парамагнетика М пропорциональна внешнему полю: М=χН, где χ – магнитная восприимчивость. В отличие от диамагнетизма, для которого χ

1.
Термин «Парамагнетизм» ввёл в 1845 году Майкл Фарадей, который разделил все вещества (кроме ферромагнитных) на диа- и парамагнитные.
Атомы (молекулы или ионы) парамагнетика обладают собственными магнитными моментами, которые под действием внешних полей ориентируются по полю и тем самым создают результирующее поле, превышающее внешнее. Парамагнетики втягиваются в магнитное поле. В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетик не намагничен, так как из-за теплового движения собственные магнитные моменты атомов ориентированы совершенно беспорядочно.
К парамагнетикам относятся алюминий (Al), платина (Pt), многие другие металлы (щелочные и щелочно-земельные металлы, а также сплавы этих металлов), кислород (О2), оксид азота (NO), оксид марганца (MnO), хлорное железо (FeCl3) и другие.
Парамагнетиками становятся ферро- и антиферромагнитные вещества при температурах, превышающих, соответственно, температуру Кюри или Нееля (температуру фазового перехода в парамагнитное состояние).

Ферромагне́тики — вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Иными словами, ферромагнетик — такое вещество, которое (при температуре ниже точки Кюри) способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.

Свойства ферромагнетиков
1. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков положительна и значительно больше единицы.
2. При не слишком высоких температурах ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий.
3. Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса.
4. Ферромагнетики притягиваются магнитом.

Ферромагнетики

Ферромагне́тики — вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Иными словами, ферромагнетик — такое вещество, которое (при температуре ниже точки Кюри) способно обладать намагниченностью в отсутствии внешнего магнитного поля.

Свойства ферромагнетиков

  • Магнитная восприимчивость ферромагнетиков положительна и значительно больше единицы.
  • При не слишком высоких температурах ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий.
  • Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса.
  • Ферромагнетики притягиваются магнитом.

Представители ферромагнетиков

Среди химических элементов

Среди химических элементов ферромагнитными свойствами обладают переходные элементы Fe, Со и Ni (3d-металлы) и редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Ho, Er (см. Таблицу 1).

Таблица 1. — Ферромагнитные металлы

Металлы Tc, К Js0, Гс
Fe 1043 1735,2
Co 1403 1445
Ni 631 508,8
Gd 289 1980
Металлы Tc, К Js0, Гс
Tb 223 2713
Dy 87 1991,8
Ho 20 3054,6
Er 19,6 1872,6

Js0 — величина намагниченности единицы объёма при абсолютном нуле температуры, называемая спонтанной намагниченностью. Tc — точка Кюри (критическая температура, выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком).

Для 3d-металлов и для гадолиния (Gd) характерна коллинеарная ферромагнитная атомная структура, а для остальных редкоземельных ферромагнетиков — неколлинеарная (спиральная и др.; см. Магнитная структура).

Среди соединений

Ферромагнитами также являются многочисленные металлические бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с другими неферромагнитными элементами, сплавы и соединения хрома (Cr) и марганца (Mn) с неферромагнитными элементами (так называемые гейслеровы сплавы), например, сплав Cu2MnAl, соединения ZrZn2 и ZrxM1−xZn2 (где М — это Ti, Y, Nb или Hf), Au4V, Sc3In и др. (Таблица 2), а также некоторые соединения металлов группы актиноидов (например, UH3).

Соединение Tc, К Соединение Tc, К
Fe3AI 743 TbN 43
Ni3Mn 773 DyN 26
FePd3 705 EuO 77
MnPt3 350 MnB 578
CrPt3 580 ZrZn2 35
ZnCMn3 353 Au4V 42—43
AlCMn3 275 Sc3ln 5—6

Другие известные

Особую группу ферромагнетиков образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов (например, Fe или Со) в диамагнитной матрице Pd. В этих веществах атомные магнитные моменты распределены неупорядоченно (при наличии ферромагнитного порядка отсутствует атомный порядок). Ферромагнитный порядок обнаружен также в аморфных (метастабильных) металлических сплавах и соединениях, аморфных полупроводниках, в обычных органических и неорганических стёклах, халькогенидах (сульфидах, селенидах, теллуридах) и т. п. Число известных неметаллических ферромагнетиков пока невелико. Это, например, оксид хрома(IV) и ионные соединения типа La1−xCaxMnO3 (0,4 > x > 0,2) , EuO, Eu2SiO4, EuS, EuSe, EuI2, CrB3 и т. п. У большинства из них точка Кюри лежит ниже 1 К . Только у соединений Eu, халькогенидов, CrB3 значение Q составляет порядка 100 К .

Парамагнетики – вещества (Pt, Al), намагничивающиеся во внешнем магнитном поле В0 по направлению В0.

В отсутствие внешнего магнитного поля у парамагнетиков магнитные моменты электронов взаимно не компенсируются, поэтому

Т.к. из-за теплового движения атомов (молекул) магнитные моменты атомов (молекул) ориентированы хаотично. Поэтому в отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетики немагнитны.

Во внешнем магнитном поле у парамагнетика магнитные моменты атомов ориентируются по полю, следовательно, парамагнетик намагничивается, т.е. создает свое дополнительное магнитное поле, которое по направлению совпадает с внешним магнитным полем и усиливает его – это парамагнитный эффект.

Диамагнитный эффект возникает и в парамагнетиках, но он гораздо слабее парамагнитного эффекта.

Магнитная проницаемость μ , но всего лишь на доли процента, например, μ= 1,004

У диамагнетиков магнитный момент микротоков

У парамагнетиков магнитный момент микротоков

Диамагнетики: χ 0, поле микротоков совпадает с внешним полем В.

Тепловое движение препятствует достаточно «хорошему»

Упорядочению магнитных моментов у парамагнетиках – «разбрасывает» p mi по всем направлениям.

Экспериментально это проявляется в зависимости намагниченности

от температуры по закону Кюри:

Наведённый магнетизм (помеханизму намагничивания диамагнетиков, связанный с возникновением Ларморовой прецессии) характерен для всех атомов любых веществ.

Однако при наличии «спинового» магнетизма, преобладает последний – т.е. магнитное поле в парамагнетиках несколько больше, чем в вакууме.

Закон полного тока для магнитного поля в веществе.

Теорема о циркуляции вектора Н

Циркуляция вектора В:

ΣI – алгебраическая сумма макротоков (токов проводимости),

ΣIмикро – алгебраическая сумма молекулярных токов (микротоков).

Теорема о циркуляции вектора Н.

Циркуляция вектора напряженности магнитного поля по некоторому контуру равна алгебраической сумме макроскопических токов, охватываемых этим контуром.

Ферромагнетики

Способность к намагничиванию некоторых веществ больше,

чем у диа- и парамагнетиков в 10 10 раз! Это сильные магнетики –

ферромагнетики. К таким веществам относятся, например, Fe, Ni,

Co, …, ферромагнитные полупроводники – ферриты. Сильномагнитные вещества, обладают спонтанной намагниченностью, т.е. намагниченностью без внешнего магнитного поля. Для них μ >> 1.

Большая величина намагниченности J ферромагнетиков объясняется сильным взаимодействием спиновых магнитных моментов электронов (pms), в результате которого происходит упорядочение ориентации pms атомов в решетке.

В опыте Эйнштейна – де Хааса было установлено, что

гиромагнитное отношение для железа равно

(т.н. g–фактор равен 2). Это свидетельствует, что механизм намагничивания ферромагнетиков связан именно со спиновым магнитным

моментом атомов. Почему же этот магнетизм намного ярче

выражен (μ >> 1), чем у обычных парамагнетиков? Оказывается

это проявление «коллективных» процессов намагничивания – в

ферромагнетиках возникают области спонтанной намагниченности

макроскопических размеров (10 -6 – 10 -5 м) – «домены».

нелинейная с насыщением.

Насыщение возникает, когда

все молекулярные магнитные

моменты сориентируются по

внешнему магнитному полю

Весь ферромагнетик разбивается на области самопроизвольной намагниченности до полного насыщения намагниченности J в них. Эти области называются доменами. Их линейные размеры порядка 10 -2 см.

В отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность доменов J направлена хаотично, поэтому

При внесении ферромагнетика во внешнее магнитное поле происходит:

1) изменение направлений спонтанной намагниченности отдельных доменов и всего магнетика в целом в результате поворота векторов магнитного момента pm внутри доменов по полю,

2) смещение границ доменов, что приводит к росту объема доменов, у которых намагниченность ориентирована наиболее близко к направлению внешнего магнитного поля, за счет соседних доменов.

Объяснение возможности такого механизма намагничивания

дает только квантовая механика. Отметим, что


отличия от случая слабых магнетиков не только количественные.

Оказывается, намагниченность ферромагнетиков зависит помимо

величины поля сторонних токов ещё и от «предыстории»

процесса намагничивания – наблюдается «гистерезис». Магнитное

поле в ферромагнетике нарастает при намагничивании

нелинейно, достигая насыщения. Затем при уменьшении

внешнего поля намагниченность убывает медленнее, чем она

росла и, при «снятии» внешнего поля не обращается в ноль

– это «остаточная намагниченность». Она-то и объясняет существование постоянных магнитов хорошо знакомых нам с детства.

В процессе перемагничивания ферромагнитного вещества в нём происходит перестройка границ доменов. Это макроскопический процесс! Он сопровождается возникновением значительных механических напряжений и, как следствие, порождает звук – «шумы Баркгаузена», используемые, обычно, для яркой демонстрации эффекта.

Ферромагнетики обладают точкой Кюри – при определенной температуре теряют свои магнитные свойства.

Рассмотрим подробнее намагничивание ферромагнетиков во внешнем магнитном поле. Явление гистерезиса.

1. Намагниченность ферромагнетика растет от 0 до насыщения Внас.

2. При уменьшении внешнего магнитного поля Н до нуля ферромагнетик остается намагниченным – Вост. намагниченность.

С наличием Вост. связано существование

3. Для того чтобы размагнитить ферромагнетик, необходимо

поместить его в магнитное поле противоположной

Намагниченность обращается в ноль

4. При дальнейшем увеличении противоположного

поля ферромагнетик перемагничивается

Затем ферромагнетик можно опять размагнитить,

т.о. при действии на ферромагнетик

переменного магнитного поля его намагниченность J и индукция В изменяются в соответствии с замкнутой кривой – петля гистерезиса.

• Площадь петли пропорциональна работе, совершенной при перемагничивании.

• Эта работа определяет потери энергии на гистерезис, так как во внешнем магнитном поле внутри ферромагнетика происходит перестройка его структуры (смещение и поворот границ доменов), следовательно, это приводит к изменению его размеров.

Явление магнитострикции – изменение формы и объёма ферромагнетика при его намагничивании. Обратный эффект – изменение намагниченности при деформации ферромагнетика.

Зависимость магнитной проницаемости μ от величины внешнего магнитного поля Н нелинейная:

В слабых полях μ растет с

ростом Н, достигает максимума,

затем начинает уменьшаться и

в сильных полях стремится к 1.

Дата добавления: 2020-01-28 ; просмотров: 594 | Нарушение авторских прав

Экологичные системы освещения

Nav view search

Навигация

Искать

Явление разрыва доменных стенок в ферромагнетиках под воздействием магнитных полей

Явление разрыва доменных стенок в ферромагнетиках под воздействием магнитных полей

Ученые физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова профессора, доктора физико-математических наук Г. В. Спивак и Р. В. Телеснин, кандидаты физико-математических наук И. С. Колотов, О. С. Колотов и В. И. Петров и младший научный сотрудник Ю. А. Дурасова обнаружили явление образования и роста разрывов доменных стенок в ферромагнетиках под действием импульсных магнитных полей.

«Ферромагнетизм, — рассказывает В. И. Петров, — возникает благодаря особому, обменному взаимодействию электронов соседних атомов, что приводит к самопроизвольной, или спонтанной, намагниченности вещества. В размагниченном состоянии ферромагнетик разбивается на отдельные области — домены, самопроизвольно намагниченные в разных направлениях. Поведение этих доменов определяет многие важные свойства ферромагнетика. Открытие существования доменов и их изучение, выполненное при активном участии советских ученых Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшица, С. В. Вонсовского, Я. С. Шура и других, явилось важной вехой в познании природы ферромагнетизма.

При помещении ферромагнетика в магнитное поле направление намагниченности в нем может изменяться и в кбнце концов способно стать одинаковым для всего ферромагнетика. Изменение направления намагниченности называется перемагничиванием. До самого последнего времени исследовались в основном лишь равновесная или квазиршвновесная доменная структуры ферромагнетика, наблюдаемые в постоянных или медленно меняющихся магнитных полях. При медленных изменениях магнитного поля процесс перемагничивания ферромагнетика происходит путем либо смещения границ между доменами, так называемых доменных стенок, либо поворота намагниченности внутри домена.

Очень часто процесс перемагничивания необходимо убыстрить. Это относится, например, к устройствам памяти электронных вычислительных машин. От скорости перемагничивания зависит быстродействие машины. Развитие радиолокаций, вычислительной техники, автоматики и других технических направлений, в которых ферромагнетики составляют основу широкого круга импульсных устройств, поставило на повестку дня вопрос об исследовании процессов быстрого перемагничивания. Правильный ответ на этот вопрос могло дать лишь непосредственное наблюдение и изучение динамической неравновесной доменной структуры и ее трансформации во времени».

Каждый электрик должен знать:  Синтез регулятора первого контура и его свойства

Изучению этого вопроса помогли магнитные пленки. Они обладают сквозной по толщине доменной структурой, характеризуются малым влиянием вихревых токов, к ним применим ряд эффективных методов исследования. Так, в частности, их динамическую доменную структуру можно исследовать в просвечивающем электронном микроскопе с помощью стробоскопической методики, предложенной в 1965 г. профессором МГУ Г. В. Спиваком и его сотрудниками.

Метод стробоскопической электронной микроскопии заключается в том, что магнитная пленка «освещается» электронным пучком периодически в течение короткого интервала времени (стробимпульса). Синхронно и синфазно происходит импульсное перемагничивание пленки. На экране микроскопа или на фотопластинке получается неподвижное изображение магнитной микроструктуры пленки, соответствующее тому мгновенному состоянию динамической доменной структуры, которое создавалось в пленке в момент ее «освещения» электронным пучком. Меняя момент «освещения» относительно перемагничивающего импульса, можно последовательно наблюдать другие фазы процесса перемагничивания и получить общую картину изменения намагниченности во времени.

Авторами открытия под руководством профессоров МГУ Г. В. Спивака и Р. В. Телеснина в 1969-1970 гг. была создана уникальная установка — стробоскопический электронный микроскоп с временным разрешением в две миллиардные доли секунды. Это позволило в 1970-1972 гг. провести детальное исследование процессов импульсного перемагничивания, протекающих за время 10-7-10-8 с.

В начале импульсного перемагничивания в результате быстрого разворота локальных векторов намагниченности происходит образование полосовых доменов. Это сопровождается возникновением сильных магнитных полей рассеяния, которые внутри полосовых доменов направлены против перемагничивающего поля и поэтому тормозят вращение намагниченности в них. Развитие процесса затормаживается, он как бы на время приостанавливается. Образуется так называемая блокированная доменная структура. В этот момент начинает действовать механизм перемагничивания, раньше неизвестный: в доменных стенках появляются разрывы, которые растут со временем и распространяются от стенки к стенке. Доменные стенки разрушаются, практически не сдвигаясь с места. Причиной образования разрывов служат те же поля рассеяния, что блокировали доменные стенки, но внутри Доменных стенок эти поля направлены вдоль перемагничивающего поля и превышают его на один-два порядка.

Образование разрывов приводит к уменьшению полей рассеяния в близлежащих участках доменов, за счет чего эти участки быстро перемагничиваются путем вращения намагниченности. Это, в свою очередь, приводит к образованию новых разрывов и т. д. В конце концов происходит полное разрушение блокированной доменной структуры и соответственно полное перемагничивание объекта. Явление образования и роста разрывов доменных стенок наблюдается в магнитных полях, превышающих некоторое критическое значение.

Открытие широко применяется в современных отраслях техники — вычислительной технике, автоматике, телемеханике и т. д. Обнаруженное явление определяет ряд важнейших параметров магнитных элементов — время перемагничивания, пороговые поля, динамическую проницаемость и т. п. Знание природы импульсного перемагничивания позволяет более целенаправленно и активно управлять эксплуатационными характеристиками ферромагнетика. Результаты, полученные авторами открытия, учитываются при проектировании устройств, использующих тонкослойные магнитные покрытия в качестве систем памяти ЭВМ, гашения жестких цилиндрических доменов, продвижения этих доменов в устройствах микроэлектроники.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 159 с приоритетом от 21 сентября 1970 г. в следующей формулировке:

«Экспериментально установлено неизвестное ранее явление разрыва стенок блокированных доменов в ферромагнетиках и расширение области разрыва под воздействием импульсных магнитных полей при временах перемагничивания 10-7-10-8 с».

Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики

По свои магнитным свойствам все вещества делятся на слабомагнитные и сильномагнитные. Кром того магнетики классифицируют в зависимости от механизма намагничивания.

Диамагнетики

Диамагнетики относят к слабомагнитным веществам. В отсутствии магнитного поля они не намагничены. В таких веществах при их внесении во внешнее магнитное поле в молекулах и атомах изменяется движение электронов так, что образуется ориентированный круговой ток. Ток характеризуют магнитным моментом ($p_m$):

где $S$ — площадь витка с током.

Создаваемая этим круговым током, дополнительная к внешнему полю, магнитная индукция направлена против внешнего поля. Величина дополнительного поля может быть найдена как:

Диамагнетизмом обладает любое вещество.

Магнитная проницаемость диамагнетиков очень незначительно отличается от единицы. Для твердых тел и жидкостей диамагнитная восприимчивость имеет порядок приблизительно $<10>^<-5>,\ $для газов она существенно меньше. Магнитная восприимчивость диамагнетиков не зависит от температуры, что было открыто экспериментально П. Кюри.

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Диамагнетики делятся на «классические», «аномальные» и сверхпроводники. Классические диамагнетики имеют магнитную восприимчивость $\varkappa

В несильных магнитных полях намагниченность диамагнетиках пропорциональна напряженности магнитного поля ($\overrightarrow$):

где $\varkappa $ — магнитная восприимчивость среды (магнетика). На рис.1 представлена зависимость намагниченности «классического» диамагнетика от напряженности магнитного поля в слабых полях.

Парамагнетики

Парамагнетики, также относят к слабомагнитным веществам. Молекулы парамагнетиков имеют постоянный магнитный момент ($\overrightarrow$). Энергия магнитного момента во внешнем магнитном поле вычисляется по формуле:

Минимальное значение энергии достигается тогда, когда направление $\overrightarrow$ совпадает с $\overrightarrow$. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле в соответствии с распределением Больцмана появляется преимущественная ориентация магнитных моментов его молекул в направлении поля. Появляется намагничивание вещества. Индукция дополнительного поля совпадает с внешним полем и соответственно усиливает ее. Угол между направлением $\overrightarrow$ и $\overrightarrow$ не изменяется. Переориентирование магнитных моментов в соответствии с распределением Больцмана происходит за счет столкновений и взаимодействия атомов друг с другом. Парамагнитная восприимчивость ($\varkappa $) зависит от температуры по закону Кюри:

Задай вопрос специалистам и получи
ответ уже через 15 минут!

или закону Кюри — Вейсса:

где C и C’ — постоянные Кюри, $\triangle $ — постоянная, которая бывает больше и меньше нуля.

Магнитная восприимчивость ($\varkappa $) парамагнетика больше нуля, но, как и у диамагнетика весьма мала.

Парамагнетики делят на нормальные парамагнетики, парамагнитные металлы, антиферромагнетики.

У парамагнитных металлов магнитная восприимчивость не зависит от температуры. Эти металлы слабомагнитны $\varkappa \approx <10>^<-6>.$

У парамагнетиков существует такое явление ка парамагнитный резонанс. Допустим, что в парамагнетике, который находится во внешнем магнитном поле, создают дополнительное периодическое магнитное поле, вектор индукции этого поля перпендикулярен вектору индукции постоянного поля. В результате взаимодействия магнитного момента атома с дополнительным полем создается момент сил ($\overrightarrow$), который стремится изменить угол между $\overrightarrow$ и $\overrightarrow.$ Если частота переменного магнитного поля и частота прецессии движения атома совпадают, то созданный переменным магнитным полем момент сил либо все время увеличивает угол между $\overrightarrow$ и $\overrightarrow$, либо уменьшает. Это явление и называют парамагнитным резонансом.

В несильных магнитных полях намагниченность в парамагнетиках пропорциональна напряженности поля, и выражается формулой (3) (рис.2).

Ферромагнетики

Ферромагнетики относят к сильномагнитным веществам. Магнетики, магнитная проницаемость которых достигает больших значений и зависит от внешнего магнитного поля и предшествующей истории называют ферромагнетиками. Ферромагнетики могут иметь остаточную намагниченность.

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков является функцией от напряженности внешнего магнитного поля. Зависимость J(H) представлена на рис. 3. Намагниченность имеет предел насыщения ($J_$).

Существование предела насыщения намагниченности указывает, что намагниченность ферромагнетиков вызвана переориентировкой некоторых элементарных магнитных моментов. У ферромагнетиков наблюдается явление гистерезиса (рис.4).

Ферромагнетики в свою очередь делят на:

  1. Мягкие в магнитном отношении. Вещества с большой магнитной проницаемостью, легко намагничивающиеся и размагничивающиеся. Их используют в электротехнике, там, где работают с переменными полями, например в трансформаторах.
  2. Жесткие в магнитном отношении. Вещества с относительно небольшой магнитной проницаемостью, трудно намагничивающиеся и размагничивающиеся. Эти вещества используют при создании постоянных магнитов.

Задание: Зависимость намагниченности для ферромагнетика показана на рис. 3. J(H). Изобразите кривую зависимости B(H). Существует ли насыщение для магнитной индукции, почему?

Так как вектор магнитной индукции связан с вектором намагниченности соотношением:

то кривая B(H) не достигает насыщения. График зависимости индукции магнитного поля от напряженности внешнего магнитного поля можно представить, как изображено на рис. 5. Такая кривая называется кривой намагничивания.

Ответ: Насыщения для кривой индукции нет.

Задание: Получите формулу парамагнитной восприимчивости $(\varkappa)$, зная, что механизм намагничивания парамагнетика аналогичен механизму электризации полярных диэлектриков. Для среднего значения магнитного момента молекулы в проекции на ось Z можно записать формулу:

\[\left\langle p_\right\rangle =p_mL\left(\beta \right)\left(2.1\right),\]

где $L\left(\beta \right)=cth\left(\beta \right)-\frac<1><\beta >$ — функция Ланжевена при $\beta =\frac.$

При высоких температурах и небольших полях, мы получим, что:

\[p_mB\ll kT,\ \to \beta \ll 1\ \left(2.2\right).\]


Следовательно, при $\beta \ll 1$ $cth\left(\beta \right)=\frac<1><\beta >+\frac<\beta ><3>-\frac<<\beta >^3><45>+\dots $ , ограничение функции линейным членом по $\beta $ получим:

Подставим в (2.1) результат (2.3), получим:

Используя связь между напряженностью магнитного поля и магнитной индукцией ($\overrightarrow=\mu <\mu >_0\overrightarrow$), приняв во внимание, что магнитная проницаемость парамагнетиков мало отличается от единицы, можем записать:

\[\left\langle p_\right\rangle =\frac<^2<\mu >_0H><3kT>\left(2.5\right).\]

Тогда намагниченность будет иметь вид:

\[J=n\left\langle p_\right\rangle =\frac<^2<\mu >_0H><3kT>n\ \left(2.6\right).\]

Зная, что связь модуль намагниченности с модулем вектора напряженности имеет вид:

\[J=\varkappa H\ \left(2.7\right).\]

Имеем для парамагнитной восприимчивости:

Так и не нашли ответ
на свой вопрос?

Просто напиши с чем тебе
нужна помощь

Поведение веществ в магнитных полях. Фарромагнетики и ферриты и их применение в технике и технологиях.

Все вещества, помещённые в магнитное поле, намагничиваются в той или иной мере, то есть сами поддерживают (парамагнетики), ослабляют (диамагнетики) или даже усиливают (ферромагнетики) внешнее магнитное поле. При помещении в магнитное поле вещества в нем происходят процессы ориентации различных структур, обладающих дипольным магнитным моментом.

Отношение магнитной индукции В поля в данной среде к магнитной индукции В0 в вакууме, характеризует магнитные свойства данной среды и называется магнитной проницаемостью вещества µ.

Магнитиками называются все среды, способные намагничиваться в магнитном поле, т. е. сознавать собственное магнитное поле. По магнитным свойствам( по проницаемости) магнетики разделяются на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Намагничивание материалов происходит за счет токов, циркулирующих внутри атомов – вращения электронов и движения их в атоме, Поэтому намагничивание вещества следует описывать при помощи реальных атомных токов, называемых «амперовскими» токами.

Для характеристики намагничивания вещества— вводится вектор интенсивности намагничения, пропорциональный векторной сумме магнитных моментов молекул, находящихся в единице объема:

где , cm — магнитная восприимчивость вещества, H — напряженность магнитного поля. У диамагнетиков cm 0. Внесение диамагнетиков в магнитное поле ослабляет его, внесение парамагнетиков усиливает магнитное поле. К диамагнетикам относятся инертные газы, некоторые металлы (цинк, золото, ртуть), кремний, фосфор и многие органические соединения. К парамагнетикам — газы (кислород, окись азота), платина, палладий, соли железа, кобальта и никеля и сами эти металлы.

Но есть вещества, обладающие сильными магнитными свойствами. Такие вещества называются ферромагнетиками. Эти вещества способны сохранять магнитные свойства и в отсутствие внешнего магнитного поля, представляя собой постоянные магниты. Ферромагнетизм заключается в способности вещества реже усиливать магнитное поле, добавляя к внешнему полю поле своих молекул за счет их ориентации по внешнему полю. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и некоторые сплавы. Типичными ферромагнетиками являются Fe, Co, Ni, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, а также соединения ферромагнитных материалов с неферромагнитными.

В отличие от обычных парамагнетиков, незначительно усиливающих внешнее магнитное поле, ферромагнетики изменяют его в сотни и тысячи раз, что объясняется наличием у них молекулярных токов, которые, ориентируясь по нолю, усиливают его многократно.

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

Основные отличия магнитных свойств ферромагнетиков.

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

2) При зависимость магнитной индукции В от Н нелинейная, а при – линейна

3) 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.

4) Существование магнитного гистерезиса.

Ферромагнетики широко используются в катушках индуктивности для увеличения значения индуктивности при малых габаритах, поскольку индуктивность

где S сечение сердечника, l — длина магнитной силовой линии.

Наибольшее практическое значение имеют ферромагнетики:

  • сердечники трансформаторов, электродвигателей, генераторов;
  • постоянные магниты (компасы, электроизмерительные приборы, телефоны, звукозаписывающие устройства);
  • магнитная запись информации

Ферриты — это порошкообразные ферромагнетики, спрессованные совместно с диэлектрическим наполнителем в твердое состояние. Широкое распространение в радиотехнике, особенно в высокочастотной радиотехнике получили ферриты – ферромагнитные неметаллические материалы – соединения окиси железа с окислами других металлов.

Ферриты сочетают ферромагнитные и полупроводниковые свойства, именно с этим связано их применение как магнитных материалов в радиоэлектронике и вычислительной технике.

Ферриты обладают высоким значениями намагниченности и температурами Кюри. Благодаря уникальному сочетанию высоких магнитных свойств и низкой электропроводности ферриты не имеют конкурентов среди других магнитных материалов в технике высоких частот (более 100 кГц). Ферриты используют в качестве магнитных материалов в радиотехнике, электронике, автоматике, вычислительной технике (ферритовые поглотители электромагнитных волн, антенны, сердечники, элементы памяти, постоянные магниты и т. д.). Магнитные материалы широко используются в традиционной технологии записи информации в винчестере.

Ферромагнетики в магнитном поле

Из сильномагнитных веществ мы рассмотрим только ферромагнетики, основным свойством которых является способность намагничиваться почти до насыщения даже в относительно слабых магнитных полях порядка Ферромагнетики широко распространены в природе, хотя из чистых химических элементов

только шесть обладают ферромагнитными свойствами. К ним относятся железо, никель, кобальт, гадолиний и при очень низкой температуре — эрбий и диспрозий. Ферромагнитными являются многие сплавы, в том числе и сплавы из неферромагнитных элементов, получившие название гейслеровых.

Перечислим главные свойства ферромагнетиков, обнаруженные на опыте.

1. Ферромагнетики обладают чрезвычайно большой магнитной восприимчивостью и Уже в слабых полях приходят в состояние насыщения (рис. 60.1, где намагниченность и напряженность насыщения). Экспериментально зависимость (рис. 60.2) впервые была измерена А. Г. Столетовым, который во избежание размагничивающего влияния полюсов использовал тороидальные образцы.

2. Для ферромагнетиков характерны гистерезисные явления, обнаруживающиеся при перемагничиваний образцов. Это означает, что зависимость оказывается функциональной, т. е. зависит от всей предыдущей истории изменения В частности, при выключении внешнего магнитного поля наблюдается остаточная намагниченность для уничтожения которой необходимо приложить противоположно направленное поле называемое задерживающим полем (или коэрцитивной силой) (рис. 60.3). может быть порядка для магнитно-мягких материалов (железо, пермаллой) и порядка для магнитно-жестких материалов (хромистая сталь, кобальтовая сталь).

3. В монокристаллических ферромагнитных образцах были обнаружены области самопроизвольного (спонтанного) намагничения, получившие название доменов. Обычно это области правильной формы, намагничение в которых достигает насыщения

даже при отсутствии внешних магнитных полей. Однако образец в целом, содержащий много по-разному намагниченных доменов, практически не обладает намагниченностью, поскольку магнитный поток каждого домена замыкается на ближайших к нему соседях (рис. 60.4). Реальность существования доменов была подтверждена многими опытами и, в частности, методом порошковых фигур (метод Акулова — Биттера). С помощью этих фигур можно проследить распределение намагниченности на поверхности ферромагнитных кристаллов. Кроме того, детальный анализ хода кривой намагничивания на ее крутом участке показал, что намагниченность меняется скачкообразно при плавном нарастании Я (скачки Баркгаузена, 1919). Возникают эти скачки при перемагничивании отдельных доменов (рис. 60.5).

4. Магнитные свойства ферромагнитных кристаллов оказываются сильно анизотропными. В частности, в монокристаллах существует направление легкого намагничивания, обычно совпадающее с кристаллографической осью. При намагничивании кристалла в этом направлении кривая намагничивания идет наиболее круто. Например, в монокристалле кобальта направление легкого намагничивания совпадает с гексагональной осью (рис. 60.6; ось Ход кривых намагничивания при намагничивании кристалла кобальта вдоль этой оси и перпендикулярно изображен на рис. 60.7 (кривые 1 и 2 соответственно).

5. Ферромагнитные свойства образцов (в частности, спонтанное намагничение) наблюдаются лишь в кристаллическом состоянии при температуре, не превышающей предельной температуры называемой ферромагнитной точкой Кюри. При нагревании выше этой температуры спонтанное намагничение исчезает (рис. 60.8) и ферромагнетик становится парамагнетиком, восприимчивость которого меняется по закону Кюри — Вейсса

где парамагнитная точка Кюри, -постоянная Кюри [см. (59.18)]. Опыт показывает, что и разность составляет 15—40 К. Значения для некоторых материалов приведены в следующей таблице:

В области низкой температуры спонтанная намагниченность изменяется по закону «трех вторых» Блоха:

где постоянная намагниченность абсолютного насыщения, устанавливающегося в образце при помещении его в чрезвычайно сильное внешнее магнитное поле.

6. В опыте Эйнштейна — де Гааза (1915) было установлено, что при перемагничивании ферромагнитного образца он приобретает дополнительный момент импульса

вокруг направления перемагничивания, где — изменение магнитного момента образца. Таким образом, отношение оказалось равным отношению собственных механического и магнитного моментов электрона. Все это указывало на спиновую природу ферромагнетизма. Позднее, в работах Я. И. Френкеля и В. Гейзенберга (1928), было установлено, что это действительно так. Ими было показано, что учет квантовых обменных сил приводит к следующей энергии взаимодействия двух атомов со спиновыми моментами

где обменный интеграл, который оказывается положительным, если в атомах имеются внутренние незаполненные электронные оболочки, радиус которых меньше радиуса атомов более чем в 1,5 раза. В таком случае, согласно распределению Больцмана, наиболее вероятным состоянием будет то, когда спины

атомов (а значит, и их магнитные моменты) направлены в одну сторону. Таким образом, оказывается выгодным образование областей, в которых магнитные моменты атомов одинаково ориентированы (домены). Очевидно, что беспредельный рост доменов также невыгоден, так как при этом возрастает энергия магнитного поля, порождаемая магнитными моментами атомов. Поэтому в конце концов устанавливаются некоторые промежуточные размеры доменов, в общем случае зависящие от размеров образца.

Итак, мы убедились, что ферромагнетизм является коллективным эффектом: если бы в парамагнетике существовало взаимодействие, заставляющее магнитные моменты атомов ориентироваться в одном направлении, то получился бы ферромагнетик. Последовательное описание такого взаимодействия (обменного) возможно только в рамках квантовой теории, однако неплохие качественные результаты получаются и в классической полуфеноменологической теории, с самого начала принимающей гипотезу о существовании этого взаимодействия и определенной его структуре. Описанием ферромагнетизма в рамках такой теории мы и ограничимся.

Впервые представление об особом молекулярном поле, выстраивающем магнитные моменты атомов в ферромагнетике, было введено в 1892 г. русским физиком Б. Л. Розингом. Позднее, в 1907 г., французский физик П. Вейсс построил теорию, основанную на предположении о том, что индукция действующего магнитного поля в ферромагнетике, названного им внутренним, имеет вид

где у — некоторая постоянная порядка 104. Здесь следует отметить, что если бы молекулярное поле Вейсса имело магнитное происхождение, то [см. (59.19)] было бы

Каждый электрик должен знать:  Почему трещит и искрит микроволновка

Оценить индукцию В внутреннего поля можно из следующих соображений. Очевидно, что тепловое движение атомов противодействует ориентирующему влиянию поля В и при температуре эти эффекты должны быть равными. Допуская, что а магнитный момент атома имеет порядок магнетона Бора приравниваем тепловую энергию энергии магнитного взаимодействия:

В том, что на самом деле в ферромагнетике таких магнитных полей быть не может, убеждает простой расчет. Так как среднее расстояние между атомами см, то индукция магнитного поля примерно равна

В опытах советского физика Дорфмана (1927) по рассеянию электронов в намагниченном до насыщения ферромагнетике было прямым путем показано, что молекулярное поле Вейсса имеет немагнитную природу (по квантовой теории оно представляет собой часть кулоновского взаимодействия электронов, зависящую от ориентации их спинов).

Итак, примем гипотезу Вейсса (60.3) и используем ее для описания отдельной области спонтанного намагничения, или области Вейсса (домена). Если собственный магнитный момент атома, концентрация атомов, то намагниченность абсолютного насыщения равна Дальнейшие рассуждения такие же, как в теории парамагнетизма Ланжевена. В частности, для намагниченности (в предположении, что параллельны) получаем

Соотношение (60.4) можно рассматривать как трансцендентное уравнение относительно Для анализа этого уравнения его удобно представить в параметрической форме, введя новые переменные:

Графическое решение уравнения (60.5) сводится к нахождению точки пересечения кривой Ланжевена и прямой (рис. 60.9). Замечая, что

рассмотрим две области значений параметра

В этом случае существует единственная точка пересечения, отвечающая парамагнитной восприимчивости, т. е. отсутствию спонтанного намагничения (если то Поэтому температура, определяемая условием должна играть роль точки Кюри:

В частности, для высоких температур когда можно положить что соответствует В результате получается намагниченность

изменяющаяся с температурой по закону Кюри — Вейсса (60.1), в котором ферромагнитная и парамагнитная точки Кюри совпадают (последнее говорит о грубости теории Вейсса).

В этом случае при малых магнитных полях возможны три точки пересечения (рис. 60.10), но из них только одна термодинамически устойчива. Так, при устойчива точка, отвечающая Это и есть область спонтанного намагничения. В частности, если т.е. то получается уравнение

откуда а, что соответствует линейной зависимости спонтанной намагниченности от температуры:

Таким образом, в теории Вейсса не получается закон «трех вторых» Блоха.

Если изменить направление приложенного внешнего поля, т. е. взять то термодинамически устойчивой становится точка, отвечающая минимальному значению Иначе говоря, область Вейсса будет перемагничиваться. Далее, поскольку при достаточно больших решение с пропадает, зависимость будет разрывной (рис. 60.11), чем и объясняются скачки Баркгаузена.

Таким образом, уже для элементарных областей Вейсса возникает явление гистерезиса. Если же предположить, что

реальный макроскопический образец состоит из многих областей Вейсса (доменов), то нетрудно видеть, что при его перемагничивании также наблюдается явление гистерезиса, хотя оно и осложнено эффектами анизотропии, наличием дефектов кристаллической решетки и т. д. Гладкая кривая (петля гистерезиса) получается при этом усреднением по многим областям Вейсса (см. рис. 60.5).

Диамагнетики

Диамагнетики — вещества, которые во внешнем магнитном поле создают собственное магнитное поле, слегка

ослабляющее внешнее магнитное поле. К диамагнетикам относятся, например, висмут, серебро, золото, медь, большинство органических соединений, углерод, смолы. Самый сильный диамагнетик — висмут (Bi) ослабляет магнитное поле по сравнению со своим значением в вакууме в 1,000176 раза.

Атомы диамагнитных веществ устроены так, что в случае отсутствия внешнего поля собственные магнитные поля всех электронов скомпенсированы и диамагнетик в целом немагнитен. При помещении диамагнитного вещества во внешнее магнитное поле в каждом атоме индуцируются молекулярные токи, причем создаваемое ими собственное магнитное поле оказывается противоположным намагничивающему внешнему полю. Таким образом, при помещении диамагнитного вещества во внешнее магнитное поле создается результирующее собственное магнитное поле индуцированных молекулярных токов, вектор магнитной индукции которого противонаправлен вектору магнитной индукции внешнего поля, т. е. вещество намагничивается, ослабляя внешнее магнитное поле.

На капроновой нити между полюсами мощного электромагнита подвешен стержень из диамагнетика — висмута — так, что он располагается вдоль линий магнитной индукции (его первоначальное положение показано на рис. 286 пунктиром). При включении электромагнита стержень из висмута намагничивается в направлении, противоположном направлению внешнего магнитного поля. Поэтому диамагнетик в неоднородном магнитном поле выталкивается в область более слабого поля и устанавливается перпендикулярно линиям магнитной индукции.

Ферромагнетики

Помимо рассмотренных двух классов веществ — диа- и парамагнетиков, называемых слабомагнитными веществами, существуют еще сильномагнитные вещества — ферромагнетики, в которых собственное магнитное поле может в сотни и тысячи раз превышать вызвавшее его магнитное поле.

К ферромагнетикам, кроме основного их представителя — железа (от него и идет название «ферромагнетизм»), относятся, например, кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения. Для ферромагнетиков р»1 (например, для стали р — 8000).

Свойства ферромагнетиков обнаруживаются лишь при температурах, меньших определенной температуры для каждого из них, называемой точкой Кюри. При температуре, большей точки Кюри, ферромагнетик становится парамагнетиком. Например, точка Кюри для железа -760 °С, для никеля — 360 °С, для кобальта — 1000 С. Существуют ферромагнитные сплавы, точка Кюри для которых меньше 100 °С (например, пермаллой — 70 °С).

При температурах, меньших точки Кюри, ферромагнитные вещества состоят из намагниченных областей с линейными размерами порядка 1(Г 2 —1(Г 4 см — доменов. В разных доменах магнитное поле ориентировано по-разному, поэтому ферромагнетик не намагничен. При наложении внешнего магнитного поля происходит упорядочение ориентации полей доменов, в результате чего образец оказывается намагниченным вдоль внешнего поля, причем тем сильнее, чем больше магнитная индукция внешнего поля (возрастает степень упорядоченности ориентации отдельных доменов).

Ферромагнетики и их свойства

Министерство образования республики Беларусь

Белорусский национальный технический

Ферромагнетики и их свойства

Методические указания к лабораторной работе по физике

для студентов инженерно-технических специальностей

В работе рассматриваются основные закономерности поведения ферромагнетиков во внешнем магнитном поле. Представлены сведения о магнитном моменте атома, видах магнетиков, описаны основные свойства ферромагнетиков. Представлена методика получения петли гистерезиса для ферромагнетиков на экране осциллографа.

Цель работы: изучить свойства ферромагнетиков, ознакомиться с методикой получения петли гистерезиса на экране осциллографа, определить значения коэрцитивной силы и остаточной индукции исследуемого материала, построить зависимости магнитной проницаемости и индукции магнитного поля от величины напряженности внешнего магнитного поля.


Оборудование и материалы: лабораторная установка, ферромагнитный образец, осциллограф.

1. Магнитный момент атома

Атом состоит из ядра и электронов. Поэтому магнетизм атома обусловлен:

· орбитальным магнитным моментом электронов ;

· спиновым магнитным моментом электронов ;

· магнитным моментом атомного ядра .

Согласно классической теории орбитальный магнитный момент электрона обусловлен движением электрона по замкнутой орбите вокруг ядра (рис. 1). Движущийся по орбите электрон образует круговой ток, направленный противоположно направлению движения электрона. При этом сила тока

где – заряд электрона;

Т – период обращения электрона по орбите.

Модуль орбитального магнитного момента электрона определяется как

где S = πr2 – площадь орбиты.

Так как линейная скорость электрона , то

Вектор орбитального магнитного момента электрона перпендикулярен плоскости его орбиты и его направление определяется по правилу правого буравчика.

Орбитальным механическим моментом электрона называется момент импульса , которым обладает электрон в результате своего движения по орбите. Модуль орбитального механического момента электрона будет

где – радиус орбиты;

m – масса электрона.

Вектор орбитального механического момента электрона образует правовинтовую систему с направлением скорости электрона, поэтому противоположен по направлению вектору .

Из (1) и (2) получаем связь между орбитальным магнитным и орбитальным механическим моментами электрона

или в векторном виде: . (3)

Знак минус в формуле (3) указывает на то, что направления и противоположны (см. рис. 1).

Гиромагнитным отношением электрона называется отношение магнитного момента pm к механическому моменту L:

Согласно квантовой теории модуль орбитального механического момента квантуется

где l = 0, 1, 2, 3 …(n − 1) – орбитальное квантовое число;

n – главное квантовое число; n = 1, 2, 3 …

− постоянная Планка h деленная на 2π.

Проекция орбитального механического момента на выделенное направление Z квантуется по закону

Тогда с учетом (4) модуль орбитального магнитного момента будет

а его проекция на выделенное направление Z составит

Магнетоном Бора называется величина .

Из (5), (6) видно, что орбитальный магнитный момент электрона может быть выражен в магнетонах Бора.

Кроме орбитального механического момента импульса электрон обладает собственным моментом импульса, который называется спиновым механическим моментом или спином. Модуль спина электрона

Проекция спина электрона на заданное направление Z может принимать только одно из двух значений

Спину электрона соответствует спиновый магнитный момент электрона , который пропорционален спину и направлен в сторону противоположную направлению спина

Тогда с учетом для модуля спинового магнитного момента с учетом (7) имеем

Таким образом, величина спинового магнитного момента электрона равна одному магнетону Бора.

Проекция спинового магнитного момента на заданное направление Z с учетом (8) будет

Из (9) следует, что относительно произвольного направления Z спиновый магнитный момент электрона может быть ориентирован только двумя способами, при этом его проекции на это направление равны .

Полный магнитный момент электрона равен векторной сумме векторов орбитального магнитного момента и спинового магнитного момента электрона:

Полный орбитальный магнитный момент атома равен векторной сумме орбитальных магнитных моментов всех электронов атома

где n – число электронов в атоме.

Полный спиновый магнитный момент атома равен векторной сумме спиновых магнитных моментов всех электронов атома

Магнитное поле, обусловленное магнитным моментом ядра, намного меньше магнитного поля, порождаемого орбитальным движением электрона и его спином. Поэтому в полном магнитном моменте атома магнитный момент ядра, как правило, не учитывается.

Полный магнитный момент атома равен векторной сумме полного орбитального магнитного момента всех электронов атома и полного спинового магнитного момента всех электронов атома.

В общем случае полный магнитный момент атома определяется способом сложения векторов орбитальных магнитных моментов электронов и их спиновых магнитных моментов с учетом пространственного квантования.

2. Магнитное поле в веществе

При рассмотрении магнитного поля в веществе необходимо различать два типа токов – макротоки и микротоки. Макротоками называются токи проводимости, текущие в проводниках. Микротоками или молекулярными токами называются токи, обусловленные движением электронов в атомах.

Магнитное поле в веществе является суперпозицией внешнего магнитного поля , создаваемого макротоками, и внутреннего или собственного магнитного поля, создаваемого микротоками . Вектор магнитной индукции характеризует результирующее магнитное поле в веществе

Намагничиванием называется способность вещества под действием внешнего магнитного поля приобретать отличный от нуля магнитный момент. Количественной характеристикой намагниченного состояния вещества является намагниченность .

Намагниченность физическая величина равная отношению векторной суммы полных магнитных моментов всех атомов в бесконечно малом объеме вещества к величине этого объема

где n – число атомов в объеме DV вещества.

Индукция внутреннего поля микротоков пропорциональна намагниченности вещества:

где µ0 = 4π·10-7 Гн/м – магнитная постоянная.

В тоже время намагниченность пропорциональна напряженности внешнего магнитного поля макротоков:

, (13) где χ – магнитная восприимчивость вещества.

Индукция внешнего магнитного поля связана с напряженностью внешнего магнитного поля соотношением

С учетом (10) − (14) получим:

Магнитной проницаемостью µ вещества называется величина, определяемая соотношением

Тогда индукция результирующего поля в веществе определяется как

Принимая во внимание соотношение (24), из (27) можно получить

Из (16) следует, что магнитная проницаемость µ будет

Отсюда следует, что магнитная проницаемость µ вещества показывает, во сколько раз усиливается или ослабляется внешнее магнитное поле макротоков за счет внутреннего магнитного поля микротоков вещества.

3. Классификация магнетиков

В природе все вещества являются магнетиками, так как обладают способностью намагничиваться во внешнем магнитном поле. В зависимости от знака магнитной восприимчивости χ магнетики делятся на три группы:

Диамагнетиками называются вещества с магнитной восприимчивостью χ 0, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле в направлении, совпадающем с направлением вектора напряженности внешнего поля: .

К парамагнетикам относятся вещества, обладающие незаполненными внешними оболочками атомов, а также содержащие нечетное число электронов в валентной оболочке. Поэтому полный магнитный момент атома парамагнетика в отсутствие внешнего магнитного поля отличен от нуля. Парамагнетиками являются переходные и редкоземельные элементы, атом кислорода, у которого имеется четное число электронов, но спиновые магнитные моменты двух из них не скомпенсированы. Магнитная проницаемость парамагнетиков µ > 1.

В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетики намагниченностью не обладают, так как вследствие теплового движения магнитные моменты атомов парамагнетика ориентированы беспорядочно и при их векторном сложении результирующий магнитный момент вещества равен нулю.

При внесении парамагнетиков во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов вдоль направления поля. Парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем . Поэтому внутри объема парамагнетика магнитное поле усиливается. Намагниченность парамагнетиков линейно зависит от величины напряженности внешнего поля (рис. 2).

При уменьшении внешнего магнитного поля до нуля вследствие теплового движения преимущественная ориентация магнитных моментов нарушается и парамагнетик размагничивается.

Диамагнетики и парамагнетики являются слабомагнитными веществами, так как значение их магнитной восприимчивости χ относительно невелико.

Ферромагнетиками называются вещества, обладающие, в отсутствие внешнего магнитного поля, спонтанной намагниченностью в определенном интервале температур.

Ферромагнетизм обнаруживают кристаллы только девяти химических элементов: три 3d-металла (Fe, Co, Ni) и шесть 4f-металла (Gd, Dy, Tb, Ho, Er, Tm). Однако имеется также большое число сплавов и химических соединений, обладающих ферромагнитными свойствами.

Общим признаком для всех ферромагнетиков является наличие атомов с недостроенными d— или f-оболочками. Такие атомы имеют нескомпенсированный магнитный момент. Наличие спонтанной намагниченности свидетельствует о том, что магнитные моменты атомов в определенных областях ферромагнетика ориентированы не случайным образом, как в парамагнетике, а упорядоченно-параллельно друг другу.

Опытами Эйнштейна – де Газа и Барнетта было доказано, что ферромагнетизм связан с упорядочением спиновых магнитных моментов атомов. В ферромагнетике межатомное взаимодействие приводит к появлению сил, выстраивающих спиновые магнитные моменты электронов параллельно друг другу. В результате этого в ферромагнетике образуются области спонтанной намагничеснности, называемые доменами.

Домен – микроскопическая область ферромагнетика размером 10-3 – 10-2 см, которая спонтанно намагничена до насыщения и обладает определенным магнитным моментом.

Направления магнитных моментов у различных доменов различны. Поэтому в отсутствие внешнего магнитного поля суммарный магнитный момент всего объема ферромагнетика равен нулю. Представление о доменах позволяет объяснить закономерности намагничивания ферромагнетиков.

4. Физические свойства ферромагнетиков

Ферромагнетики обладают свойствами отличными от свойств диамагнетиков и парамагнетиков.

1. Ферромагнетики являются сильномагнитными веществами. Намагниченность ферромагнетиков в 1010 раз превосходит намагниченность слабомагнитных веществ.

2. Намагниченность J ферромагнетика является нелинейной функцией напряженности H внешнего магнитного поля (рис. 3, а).

3. Для намагниченности J характерно явление насыщения, заключающееся в том, что, начиная с некоторого значения напряженности Hm, величина намагниченности J не изменяется (рис. 3, а).

4. При напряженностях Н Hm магнитная восприимчивость χ ® 0 (рис. 4, а).

6. Магнитная проницаемость µ ферромагнетика является нелинейной функцией напряженности H внешнего магнитного поля. Максимальное значение проницаемости µ достигается несколько раньше, чем намагниченность насыщения. При увеличении величины напряженности магнитного поля Н > Hm магнитная проницаемость µ ®1 (рис. 4б). Ферромагнетик характеризуется начальным µн и максимальным µmax значениями магнитной проницаемости.

7. Специфические свойства ферромагнетиков проявляются лишь в определенном интервале температур. В процессе нагревания выше некоторой температуры Тк происходит разрушение доменной структуры ферромагнетика.

Температура Тк, при которой разрушается доменная структура ферромагнетика, называется температурой Кюри. Точка Кюри Тк – это температура фазового перехода вещества из ферромагнитного в парамагнитное состояние. При Т > Тк ферромагнетик ведет себя как обычный парамагнетик, магнитная восприимчивость χ которого подчиняется закону Кюри − Вейсса:

где С – константа.

8. В точке Кюри спонтанная намагниченность исчезает, а магнитная проницаемость µ достигает своего максимального значения (рис. 5).

9. При охлаждении ферромагнетика ниже точки Кюри в нем снова возникает доменная структура. Фазовый переход ферромагнетик-парамагнетик является обратимым фазовым переходом.

10. При намагничивании ферромагнетиков наблюдается явление магнитострикции. Магнитострикцией называется изменение линейных размеров ферромагнетиков при намагничивании во внешнем магнитном поле.

11. Для ферромагнетиков характерно явление магнитного гистерезиса. Магнитным гистерезисом (запаздыванием) называется явление отставания изменения индукции магнитного поля в ферромагнетике от изменения напряженности H внешнего поля. Причиной магнитного гистерезиса является необратимость процессов смещения доменных границ.


12. При циклических изменениях напряженности внешнего магнитного поля зависимость магнитной индукции В от поля Н определяется предшествующим состоянием намагниченности ферромагнетика. Петлей гистерезиса (рис. 6) называется кривая изменения индукции магнитного поля В в ферромагнетике в зависимости от изменения напряженности внешнего магнитного поля Н.

Физическое объяснение петли гистерезиса может быть дано на основе доменной структуры ферромагнетика. При первоначальном увеличении поля нарастание индукции В описывается кривой 1 (см. рис. 6). При этом происходит смещение границ доменов, у которых магнитные моменты имеют менее выгодную ориентацию по отношению к полю (рис. 7, б). В результате индукция магнитного поля в ферромагнетике начинает возрастать. В области высоких полей индукция магнитного поля возрастает за счет поворота магнитных моментов доменов в направлении поля (рис. 7, в). При некотором значении напряженности поля большинство магнитных моментов доменов будет ориентировано в направлении поля (рис. 7, г). В этом состоянии намагниченность ферромагнетика достигает насыщения, и индукция магнитного поля В при дальнейшем увеличении внешнего поля Н растет незначительно (см. рис. 6).

При уменьшении напряженности внешнего поля происходит постепенная разориентация магнитных моментов доменов. Из-за необратимости процесса образования границ доменов уменьшение

индукции магнитного поля В происходит по ветви 2. При значении поля Н = 0 магнитные моменты некоторых доменов ферромагнетика остаются ориентированными в направлении поля, вызвавшего намагниченность. В данном случае говорят, что ферромагнетик при Н = 0 обладает остаточной индукцией магнитного поля Вr.

Коэрцитивной силой называется напряженность Нс внешнего магнитного поля, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание ферромагнетика, при которой обращается в ноль остаточная индукция магнитного поля.

При дальнейшем изменении величины напряженности поля Н индукция магнитного поля В изменяется по ветвям 3 − 4 петли гистерезиса (см. рис. 6).

В процессе намагничивания ферромагнетика часть энергии переходит в тепло и ферромагнетик нагревается.

5. Ферромагнитные материалы

Ферромагнитные материалы делятся на две группы: магнитно-мягкие и магнитно-твердые.

Магнитно-мягкие материалы применяются в качестве сердечников в устройствах и приборах, где магнитный поток постоянный (полюсные башмаки и сердечники измерительного механизма) или переменный (сердечник трансформатора). Они обладают низким значением коэрцитивной силы Нс (ниже 400 А/м), высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями энергии от гистерезиса. К этой группе материалов относятся: техническое железо и низкоуглеродистые стали, листовые электротехнические стали, железоникелевые сплавы, оксидные ферромагнетики – ферриты.

Техническое железо с содержанием углерода до 0,04 %, низкоуглеродистые стали и чугун широко применяются для сердечников, работающих в условиях постоянных магнитных полей. Техническое железо обладает высокой индукцией насыщения (до 2,2 Тл), высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой.

Каждый электрик должен знать:  Инструкция по сборке трехфазного электрощита самостоятельно

Электротехнические стали – это сплавы железа с кремнием (1 − 4 %). Путем изменения содержания кремния и применяя различные технологические приемы можно получать стали с широким диапазоном магнитных свойств. Кремний улучшает свойства технического железа: увеличивается значение магнитной проницаемости, уменьшаются коэрцитивная сила и потери энергии от гистерезиса, увеличивается удельное электрическое сопротивление.

Стали, с низким содержанием кремния, имеют низкую магнитную проницаемость, большую индукцию насыщения и большие удельные потери. Они применяются в установках и приборах цепей постоянного тока или переменного тока низкой частоты. Стали, с высоким содержанием кремния, применяются в случаях, когда необходимо обеспечить высокие значения магнитной проницаемости в слабых и средних магнитных полях и малые потери энергии от гистерезиса и вихревых токов.

Ферритами называют ферромагнитные материалы, получаемые из смеси окислов железа, цинка, кобальта и оксидов других элементов. Для изготовления ферритных магнитопроводов смесь оксидов размалывают, прессуют и отжигают при температуре около 1200 °С. В процессе прессования можно получать магнитопровод любой формы.

Ферриты обладают очень большим удельным сопротивлением, вследствие чего потери у них из-за вихревых токов чрезвычайно малы. Ферриты имеют значительную начальную магнитную проницаемость при малой индукции насыщения (0,18 – 0,32 Тл) и малой коэрцитивной силе (8 – 80 А/м).

Магнитодиэлектрики – это материалы, получаемые из смеси мелкозернистого ферромагнитного порошка с диэлектриком (поливинилхлорид, полиэтилен). Исходные вещества смешивают, прессуют и отжигают. В результате мельчайшие частицы ферромагнетика оказываются разделенными электроизолирующей пленкой из немагнитного материала.

Ферриты и магнитодиэлектрики широко применяются в качестве сердечников в аппаратуре проводной и радиосвязи, в магнитных усилителя, вычислительных машинах и в других областях техники.

В настоящее время ведутся разработки новых видов магнито-мягких материалов для изготовления ленточного магнитопровода с нанокристаллической структурой.

Магнитопроводы изготавливаются из ленты толщиной 25 мкм, которую получают из сплава на основе железа методом быстрой закалки. Магнитопроводы после термической обработки в продольном магнитном поле имеют высокую прямоугольность петли магнитного гистерезиса и низкие удельные магнитные потери. Применяются в качестве магнитных ключей, дросселей насыщения и импульсных трансформаторов.

Магнитно-твердые материалы предназначены для изготовления постоянных магнитов самого различного назначения. Эти материалы характеризуются большой коэрцитивной силой и большой остаточной индукцией.

К магнитно-твердым материалам относятся: углеродистые, вольфрамовые, хромистые и кобальтовые стали. Их коэрцитивная сила 5000 − 8000 А/м, остаточная индукция 0,8 – 1 Тл. Магнитно-твердые материалы обладают ковкостью, поддаются прокатке, механической обработке и выпускаются промышленностью в виде полос или листов.

6. Методика и порядок выполнения

лабораторной работы

Принципиальная схема установки приведена на рис. 8.

Петлю магнитного гистерезиса получают на экране осциллографа, помещая ферромагнетик в переменное магнитное поле. При этом, на горизонтально отклоняющие пластины электроннолучевой трубки осциллографа подаётся напряжение Ux , пропорциональное H, а на вертикально отклоняющие – Uy , пропорциональное B.

В качестве исследуемого образца в работе используется железный сердечник тороида T, выполненный из кольцевых пластин. Тороид имеет две обмотки. Первичная обмотка питается переменным током i1, который создаёт в тороиде переменное магнитное поле напряжённостью H.

где n1 − число витков на единицу длины средней линии тороида.

Напряжение Ux на горизонтально отклоняющие пластины подаётся с сопротивления R1.

т. е. отклонение электронного луча в горизонтальном направлении пропорционально напряжённости магнитного поля H.

На вертикально отклоняющие пластины электроннолучевой трубки подаётся напряжение с конденсатора C:

где i2 ток в цепи вторичной обмотки тороида.

Во вторичной обмотке тороида, имеющей N2 витков, возникает электродвижущая сила индукции:

где s площадь поперечного сечения тороида.

Закон Кирхгофа для цепи вторичной обмотки запишется в виде:

где − ЭДС самоиндукции, возникающая во вторичной обмотке;

i2 R2 падение напряжения на сопротивлении R2.

Падение напряжений на конденсаторе Uc и индуктивности находятся в противофазе.

Сопротивление R2 подбирается так, что , поэтому , т. е. ток в цепи вторичной обмотки определяется, в основном, сопротивлением R2 .

Подставляя в (18) выражение тока i2 из (19), получим:

т. е. отклонение электронного луча в вертикальном направлении пропорционально магнитной индукции B.

Так как на обе пары пластин напряжение подаётся одновременно, то электронный луч описывает линию, изображающую зависимость B = f (H) , т. е. петлю гистерезиса, размеры которой зависят от величины тока i1 в первичной обмотке тороида.

Порядок выполнения работы

1. Включить осциллограф и получить на экране петлю гистерезиса, представляющую собой зависимость В = f(Н).

2. Определить координаты точек пересечения петли гистерезиса с горизонтальной и вертикальной осями.

3. Используя формулы (17) и (19), определить коэрцитивную силу и остаточную индукцию

4. Определить координаты вершин (х, у) петель гистерезиса различных размеров.

5. Вычислить значения напряженности поля Н и индукции В, соответствующие координатам вершин

6. Используя формулу , вычислить магнитную проницаемость среды для всех значений Н и В.

7. Построить графики зависимостей В = f(Н) и f(Н).

8. Сделать выводы.

7. Контрольные вопросы

1. Как определяется магнитный момент электрона?

2. Какова связь между орбитальным магнитным и орбитальным механическим моментами электрона?

3. Сформулируйте условие квантования модуля орбитального механического момента электрона.

4. Дайте определение спина.

5. В чем состоит смысл магнетона Бора?

6. Как выражается спиновый магнитный момент электрона через магнетон Бора?

7. Дайте определение полного магнитного момента атома.

8. Дайте определение намагниченности вещества?

9. Физический смысл магнитной проницаемости среды.

10. На какие группы делятся магнетики? Какими свойствами обладают диамагнетики и парамагнетики?

11. Назовите физические свойства ферромагнетиков. Дайте определение температуры Кюри.

12. Что называется магнитострикцией?

13. Дайте определение магнитного гистерезиса.

14. Что описывает петля гистерезиса? В чем отличие пели гистерезиса для намагниченности от петли гистерезиса для индукции магнитного поля.

15. Что такое коэрцитивная сила и остаточная магнитная индукция?

16. На какие группы делятся ферромагнитные материалы?

17. Описать методику получения петли гистерезиса для ферромагнетиков на экране осциллографа.

Литература

1. Детлаф, А. А./ , . Курс физики: – М., 1979.

2. Павлов, П. В./ , . Физика твердого тела: – М., 2000.

3. Савельев, общей физики. Электричество и магнетизм/ . – М., 2003.

4. Трофимова, физики/ . – М., 1985.

Ферромагнетики и их свойства

Методические указания к лабораторной работе по физике

для студентов инженерно-технических специальностей

Подписано в печать.

Формат 60´84 1/16. Бумага типографская № 2.

Печать офсетная. Гарнитура Таймс.

Усл. печ. л. . Уч.-изд. л. . Тираж 100. Заказ.

Издатель и полиграфическое исполнение:

Белорусский национальный технический университет.

ФЕРРОМАГНЕТИКИ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ

    Сергей Загоровский 1 лет назад Просмотров:

1 ФЕРРОМАГНЕТИКИ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ Киселёв А.А., Френкель Е.Э. Военный институт материального обеспечения. Вольск, Саратовская обл., Россия FERROMAGNETS, PROPERTIES AND APPLICATIONS Kiselev A.A., Frenkel E.E. Volsk Military Logistic Institute. Volsk, Saratov region, Russia ВВЕДЕНИЕ Если в магнитное поле, образованное токами в проводах ввести то или иное вещество, поле изменится. Это объясняется тем, что всякое вещество является магнетиком, то есть способно под воздействием магнитного поля намагничиваться приобретать магнитный момент М. Этот магнитный момент складывается из элементарных магнитных моментов m 0, связанных с отдельными частицами тела М = m 0. В настоящее время установлено, что молекулы многих веществ обладают собственным магнитным моментом, обусловленным внутренним движением зарядов. Каждому магнитному моменту соответствует элементарный круговой ток, создающий в окружающем пространстве магнитное поле. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты молекул ориентированы беспорядочно, поэтому обусловленное ими результирующее магнитное поле равно нулю. Равен нулю и суммарный магнитный момент вещества. Последнее относится и к тем веществам, молекулы которых при отсутствии внешнего поля не имеют магнитных моментов. Если же вещество поместить во внешнее магнитное поле, то под действием этого поля магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, и вещество намагничивается его суммарный магнитный момент становится отличным от нуля. При этом магнитные поля отдельных молекул уже не компенсируют друг друга, в результате возникает поле B. Иначе происходит намагничивание

2 веществ, молекулы которых при отсутствии внешнего поля не имеют магнитного момента. Внесение таких веществ во внешнее поле индуцирует элементарные круговые токи в молекулах, и молекулы, а вместе с ними и все вещество приобретают магнитный момент, что также приводит к возникновению поля В 1. Большинство веществ при внесении в магнитное поле намагничиваются слабо. Сильными магнитными свойствами обладают только ферромагнитные вещества: железо, никель, кобальт, многие их сплавы. ФЕРРОМАГНЕТИКИ ЕГО СВОЙСТВА Ферромагнетики твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий магнитного поля, деформации, изменения температуры. К ним относятся: сталь, железо, никель, кобальт, их сплавы. Они имеют магнитную проницаемость, превышающую проницаемость вакуума в несколько тысяч раз. Поэтому все электротехнические устройства, использующие магнитные поля для преобразования энергии, обязательно имеют конструктивные элементы, изготовленные из ферромагнитного материала и предназначенные для проведения магнитного потока. Такие элементы называются магнитопроводы. Магнитные свойства веществ зависят от магнитных свойств элементарных носителей магнетизма движущихся внутри атомов электронов, а также от совместного действия их групп. Электроны в атомах, двигаясь по орбитам вокруг ядра атома, образуют элементарные токи или магнитные диполи, которые характеризуются магнитным моментом m. Величина его равна произведению элементарного тока i и элементарной площадки s, ограниченной элементарным контуром m = is. Вектор m направлен перпендикулярно к площадке s по правилу буравчика. Магнитный момент тела представляет собой геометрическую сумму магнитных моментов всех диполей. Кроме орбитальных моментов, электроны, вращаясь вокруг своих осей, создают еще спиновые

3 моменты, которые играют важнейшую роль в намагничивании ферромагнетиков. Ферромагниты имеют следующие свойства. 1) ферромагнитные свойства вещества проявляются только тогда, когда соответствующее вещество находится в кристаллическом состоянии; 2) магнитные свойства ферромагнетиков сильно зависят от температуры, так как ориентации магнитных полей доменов препятствует тепловое движение. Для каждого ферромагнетика существует определенная температура, при котором доменная структура полностью разрушается, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Это значение температуры называется точкой Кюри. Так для чистого железа значение температуры Кюри приблизительно равно 900 C; 3) ферромагнетики намагничиваются до насыщения в слабых магнитных полях. На рис. 1 показано, как изменяется модуль индукции магнитного поля B в стали с изменением внешнего поля B0; рис.1 4) магнитная проницаемость ферромагнетика зависит от внешнего магнитного поля (рис. 2).

4 рис.2 Это объясняется тем, что вначале с увеличением B 0 магнитная индукция B растет сильнее, а, следовательно, μ будет увеличиваться. Затем при значении магнитной индукции B 0 наступает насыщение (μ в этот момент максимальна) и при дальнейшем увеличении B 0 магнитная индукция B 1 в веществе перестает изменяться, а магнитная проницаемость уменьшается (стремится к 1): = В В0 В1 = ВО + В0 = 1 + В1 В0 5) у ферромагнетиков наблюдается остаточная намагниченность. Если, например, ферромагнитный стержень поместить в соленоид, по которому проходит ток, и намагнитить до насыщения (точка А) (рис. 3), а затем уменьшать ток в соленоиде, а вместе с ним и B 0, то можно заметить, что индукция поля в стержне в процессе его размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания. Когда B 0 = 0 (ток в соленоиде выключен), индукция будет равна Br (остаточная индукция). Стержень можно вынуть из соленоида и использовать как постоянный магнит. Чтобы окончательно размагнитить стержень, нужно пропустить по соленоиду ток противоположного направления, то есть приложить внешнее магнитное поле с противоположным направлением вектора индукции. Увеличивая теперь по модулю индукцию этого поля до Boc, размагничивают стержень (B = 0).

5 рис.3 Модуль Boc индукции магнитного поля, размагничивающего намагниченный ферромагнетик, называют коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении B 0 можно намагнитить стержень до насыщения (точка А).Уменьшая теперь B0 до нуля, получают опять постоянный магнит, но с индукцией Br (противоположного направления). Чтобы вновь размагнитить стержень, нужно снова включить в соленоид ток первоначального направления, и стержень размагнитится, когда индукция B 0 станет равной Boc. Продолжая увеличивать B 0, снова намагничивают стержень до насыщения (точка А). Таким образом, при намагничивании и размагничивании ферромагнетика индукция B отстает от B 0. Это отставание называется явлением гистерезиса. Изображенная на рисунке 3кривая называется петлей гистерезиса. Гистерезис свойство систем, которые не сразу следуют за приложенными силам. Гистерезис был открыт в 1880 г. Варбургом ( ). Вид кривой намагничивания (петли гистерезиса) существенно различается для различных ферромагнитных материалов, которые нашли очень широкое применение в научных и технических приложениях. Некоторые магнитные материалы имеют широкую петлю с высокими значениями остаточной намагниченности силы, они называются магнитно-жесткими и используются

6 для изготовления постоянных магнитов. Для других ферромагнитных сплавов характерны малые значения силы, такие материалы легко намагничиваются и перемагничиваются даже в слабых полях. Такие материалы называются магнитно-мягкими и используются в различных электротехнических приборах трансформаторах, магнитопроводах. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ФЕРРОМАГНЕТИЗМА В отличие от диамагнетизма и парамагнетизма, которые являются свойствами отдельных атомов или молекул вещества, ферромагнитные свойства вещества объясняются особенностями его кристаллической структуры. Атомы железа, если взять их, например, в парообразном состоянии, сами по себе диамагнитны или лишь слабо парамагнитны. Ферромагнетизм есть свойство железа в твердом состоянии, то есть свойство кристаллов железа. Прежде всего на это указывает зависимость магнитных свойств железа и других ферромагнитных материалов от обработки, изменяющей их кристаллическое строение. Далее оказывается, что из парамагнитных и диамагнитных металлов можно изготовить сплавы, обладающие высокими ферромагнитными свойствами. Таков, например, сплав Гойслера, почти не уступающий по своим магнитным свойствам железу, хотя он состоит из таких слабомагнитных металлов, как медь (60 %), марганец (25 %) и алюминий (15 %). С другой стороны, некоторые сплавы из ферромагнитных материалов, например сплав из 75 % железа и 25 % никеля почти не магнитны. Наконец, самым веским подтверждением является то, что при достижении определенной температуры (точка Кюри) все ферромагнитные вещества теряют свои ферромагнитные свойства. Ферромагнитные вещества отличаются от парамагнитных не только весьма большим значением магнитной проницаемости и ее зависимостью от напряженности поля, но и весьма своеобразной связью между намагничиванием и напряженностью намагничивающего поля. Эта особенность

7 находит свое выражение в явлении гистерезиса со всеми его следствиями: наличием остаточного намагничивания и коэрцитивной силы. Взаимодействие магнитных моментов отдельных атомов ферромагнетика приводит к созданию чрезвычайно сильных внутренних магнитных полей, действующих в пределах каждой такой области и выстраивающих, в пределах этой области, все атомные магнитики параллельно друг другу, как показано на рис. 4. Таким образом, даже при отсутствии внешнего поля ферромагнитное вещество состоит из ряда отдельных областей, каждая из которых самопроизвольно намагничена до насыщения. Но направление намагничивания для разных областей различно, так что вследствие хаотичности распределения этих областей тело в целом оказывается в отсутствии внешнего поля не намагниченным. рис.4 Схема, иллюстрирующая ориентацию молекулярных магнитов в «областях самопроизвольного намагничивания» А и В. а) Внешнее магнитное поле отсутствует; б) под действием внешнего магнитного поля Н области А и В перестраиваются. Под влиянием внешнего поля происходит перестройка и перегруппировка таких «областей самопроизвольного намагничивания», в результате которой получают преимущество те области, намагничивание которых параллельно внешнему полю, и вещество в целом оказывается намагниченным. Один из примеров такой перестройки областей самопроизвольного намагничивания показан на рис.4. Здесь схематически изображены две смежные области, направления намагничивания которых перпендикулярны

8 друг к другу. При наложении поля Н часть атомов области В, в которой намагничивание перпендикулярно к полю, на границе её с областью А, в которой намагничивание параллельно полю, поворачивается, так что направление их магнитного момента становится параллельным полю. В результате область А, намагниченная параллельно внешнему полю, расширяется за счет тех областей, в которых направление намагничивания образует большие углы с направлением поля, и возникает преимущественное намагничивание тела по направлению внешнего поля. В очень сильных внешних полях возможны и повороты направления ориентации всех атомов в пределах целой области. При снятии (уменьшении) внешнего поля происходит обратный процесс распада и дезориентации этих областей, то есть размагничивание тела. Ввиду больших по сравнению с атомами размеров «областей самопроизвольного намагничивания» как процесс ориентации их, так и обратный процесс дезориентации происходит с гораздо большими затруднениями, чем установление ориентации или дезориентации отдельных молекул или атомов, имеющее место в парамагнитных и диамагнитных телах. Этим и объясняется отставание намагничивания и размагничивания от изменения внешнего поля, то есть гистерезис ферромагнитных тел. ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ Ферромагнитные материалы играют огромную роль в самых различных областях современной техники. Магнито-мягкие материалы используются в электротехнике при изготовлении трансформаторов, электромоторов, генераторов, в слаботочной технике связи и радиотехнике; магнито-жёсткие материалы применяют при изготовлении постоянных магнитов. При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остается намагниченным, то есть создает магнитное поле в окружающем пространстве.

9 Упорядоченная ориентация элементарных токов не исчезает привыключении внешнего магнитного поля. Благодаря этому существуют постоянные магниты. Постоянные магниты находят широкое применение в электроизмерительных приборах, громкоговорителях и телефонах, звукозаписывающих аппаратах, магнитных компасах. Широкое распространение в радиотехнике, особенно в высокочастотной радиотехнике, получили ферриты, сочетающие ферромагнитные и полупроводниковые свойства. Из ферритов изготавливают сердечники катушек индуктивности, магнитные ленты, пленки и диски. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Ферромагнетики твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий магнитного поля, деформации, изменения температуры. Кроме высокой магнитной проницаемости ферромагнетики обладают сильно выраженной нелинейной зависимостью индукции B от напряженности магнитного поля H, а при перемагничивании связь между B и H становится неоднозначной. При перемагничивании ферромагнетика в нем происходят необратимые преобразования энергии в тепло. При высокой температуре ферромагнитные свойства всех ферромагнитных веществ исчезают. В отличие от диамагнетизма и парамагнетизма, которые являются свойствами отдельных атомов или молекул вещества, ферромагнитные свойства вещества объясняются особенностями его кристаллической структуры. Атомы железа, если взять их, например, в парообразном состоянии, сами по себе диамагнитны или лишь слабо парамагнитны. Ферромагнетизм есть свойство железа в твердом состоянии, т. е. свойство кристаллов железа. Ферромагнитные материалы играют огромную роль в самых различных

10 областях современной техники. Магнито-мягкие материалы используются в электротехнике при изготовлении трансформаторов, электромоторов, генераторов, в слаботочной технике связи и радиотехнике; магнито-жёсткие материалы применяют при изготовлении постоянных магнитов. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. 3-е изд. М, Спб.: Лаборатория базовых знаний, с. 2. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3-х томах. / Под редакцией Г.С. Ландсберга: Т.П. Электричество и магнетизм. 11-е изд. М.: Наука, Физматлит, с. 3. Ферромагнетики // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: %BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B Точка Кюри // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: 0%9A%D1%8E%D1%80%D0%B8. 5. Трофимова Т.И. Курс физики: Пособие для вузов. 7-е изд. М.: Высш. шк., с. 6. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. 3-е изд., испр. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., с.

Добавить комментарий