Свойства ферромагнитных материалов и их применение в технике
В электротехнике применяется очень большое количество ферромагнитных материалов, отличающихся разными свойствами. Выбор материала в каждом конкретном случае зависит от требований к конструкции для которой используется данный материал.
Ферромагнитные материалы — это те, которые обладают спонтанной намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля и сохраняют ее после снятия поля. Это свойство называется гистерезисом и зависит от температуры, состава и структуры материала.
Вокруг проводника с электрическим током, даже в вакууме, существует магнитное поле. И если в это поле внести вещество, то магнитное поле изменится, поскольку любое вещество в магнитном поле намагничивается, то есть приобретает больший или меньший магнитный момент, определяемый как сумма элементарных магнитных моментов, связанных с частями, из которых состоит данное вещество.
Суть явления заключается в том, что молекулы многих веществ обладают собственными магнитными моментами, ведь внутри молекул движутся заряды, которые образуют элементарные круговые токи, и значит сопровождаются магнитными полями.
Если внешнего магнитного поля к веществу не приложено, магнитные моменты его молекул ориентированы в пространстве хаотично, и суммарное магнитное поле (как и общий магнитный момент молекул) такого образца будет равно нулю.
Ежели образец внести во внешнее магнитное поле, то ориентация элементарных магнитных моментов его молекул приобретет под действием внешнего поля преимущественное направление.
В результате суммарный магнитный момент вещества уже не будет нулевым, ведь магнитные поля отдельных молекул в новых условиях не компенсируют друг друга. Так у вещества возникает магнитное поле B.
Если же молекулы вещества изначально не имеют магнитных моментов (есть и такие вещества), то при внесении подобного образца в магнитное поле, в нем индуцируются круговые токи, то есть молекулы приобретают магнитные моменты, что опять же в результате приводит к возникновению у образца суммарного магнитного поля B.
Большинство известных веществ слабо намагничиваются в магнитном поле, но встречаются и такие вещества, которые отличаются сильными магнитными свойствами, их то и называют ферромагнетиками. Примеры ферромагнетиков: железо, кобальт, никель, а также их сплавы.
К ферромагнетикам относятся твердые вещества, которые при невысоких температурах обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, сильно изменяющейся под действием внешнего магнитного поля, механической деформации или изменяющейся температуры. Именно так ведут себя сталь и железо, никель и кобальт, а также их сплавы. Их магнитная проницаемость в тысячи раз выше чем у вакуума.
Именно по этой причине в электротехнике для проведения магнитного потока и для преобразования энергии традиционно используют магнитопроводы из ферромагнитных материалов.
У подобных веществ магнитные свойства зависят от магнитных свойств элементарных носителей магнетизма — электронов, движущихся внутри атомов. Конечно, электроны, двигаясь по орбитам в атомах вокруг своих ядер, образуют круговые токи (магнитные диполи). Но при этом электроны вращаются еще и вокруг своих осей, создавая спиновые магнитные моменты, которые как раз и играют главную роль в намагничивании ферромагнетиков.
Свойства ферромагнитных материалов определяются такими параметрами, как:
- коэрцитивная сила — минимальное поле, необходимое для полного размагничивания материала;
- насыщение — максимальная намагниченность, достижимая при увеличении поля;
- кривая гистерезиса — зависимость намагниченности от приложенного поля;
- температура Кюри — температура, при которой материал теряет ферромагнитные свойства и становится парамагнитным.
Ферромагнитные свойства проявляются лишь тогда, когда вещество пребывает в кристаллическом состоянии. Кроме того данные свойства сильно зависят от температуры, ведь тепловое движение препятствует устойчивой ориентации элементарных магнитных моментов. Так, для каждого ферромагнетика определяется конкретная температура (точка Кюри), при которой структура намагничивания разрушается и вещество превращается в парамагнетик. Например, для железа это 900 °C.
Даже в слабых магнитных полях ферромагнетики способны намагнититься до состояния насыщения. Кроме того их магнитная проницаемость зависит от величины приложенного внешнего магнитного поля.
Вначале процесса намагничивания магнитная индукция B в ферромагнетике растет сильнее, а значит магнитная проницаемость его велика. Но когда наступает насыщение, дальнейшее увеличение магнитной индукции внешнего поля не приводит больше к нарастанию магнитного поля ферромагнетика, и значит магнитная проницаемость образца уменьшилась, теперь она стремится к 1.
Важное свойство ферромагнетиков — остаточная намагниченность. Допустим, в катушку поместили ферромагнитный стержень, и, повышая ток в катушке, довели его до насыщения. После этого отключили ток в катушке, то есть убрали магнитное поле катушки.
Можно будет заметить, что стержень размагнитился не до того состояния, в котором он пребывал вначале, его магнитное поле окажется больше, то есть будет иметь место остаточная индукция. Стержень превратился таким образом в постоянный магнит.
Чтобы обратно размагнитить такой стержень, необходимо будет приложить к нему внешнее магнитное поле противоположного направления, и с индукцией равной остаточной индукции. Значение модуля магнитной индукции поля, которое необходимо приложить к намагниченному ферромагнетику (постоянному магниту) чтобы размагнитить его, называется коэрцитивной силой.
Явление, когда при намагничивании ферромагнетика индукция в нем отстает от индукции приложенного магнитного поля, называется магнитным гистерезисом (смотрите — Что такое гистерезис).
Кривые намагничивания (петли гистерезиса) у разных ферромагнитных материалов отличаются друг от друга.
У некоторых материалов петли гистерезиса широкие — это материалы с высокой остаточной намагниченностью, их относят к магнитно-твердым материалам. Магнитно-твердые материалы применяют в изготовлении постоянных магнитов.
Магнитно-мягкие материалы наоборот — имеют узкую петлю гистерезиса, малую остаточную намагниченность, они легко перемагничиваются в слабых полях. Именно магнитно-мягкие материалы применяют в качестве магнитопроводов трансформаторов, статоров двигателей и т. п.
Среди ферромагнитных материалов можно выделить следующие виды:
- Чистые металлы, такие как железо, кобальт, никель и некоторые редкоземельные элементы (гадолиний, тербий, диспрозий и др.). Они имеют высокую спонтанную намагниченность, но низкую температуру Кюри и подвержены окислению.
- Сплавы металлов, такие как стали, пермаллои, альнико и др. Они имеют различную степень легирования и обработки, что позволяет изменять их магнитные свойства в широких пределах.
- Оксидные соединения, такие как ферриты (MFe2O4, где M — металл), гарнеты (R3Fe5O12, где R — редкоземельный элемент) и др. Они имеют низкую проводимость, высокую химическую стабильность и работоспособность при высоких частотах.
- Другие неорганические соединения, такие как халькогениды (сульфиды, селениды, теллуриды), бориды, карбиды, нитриды и др. Они имеют разнообразные структуры и свойства, в том числе сверхпроводимость и полупроводимость.
Сегодня ферромагнетики играют очень важную роль в технике. Магнитно-мягкие материалы (ферриты, электротехнические стали) используются в электродвигателях и генераторах, в трансформаторах и дросселях, а также в радиотехнике. Из ферритов изготавливают сердечники катушек индуктивности.
Магнитно-твердые материалы (ферриты бария, кобальта, стронция, неодим-железо-бор) применяют для изготовления постоянных магнитов. Постоянные магниты находят широкое применение в электроизмерительных и акустических приборах, в двигателях и генераторах, в магнитных компасах и т. д.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Ферромагнетики как ведут себя в магнитном поле
Рассмотрим ферромагнетик в рамках простой модели взаимодействия – модели Изинга. Эта модель была создана в 1924 году Ленцем для описания переходов ферромагнетик – парамагнетик, а затем применена при исследованиях других фазовых превращений в твёрдых телах. Модель Изинга представляет собой модель недеформируемой кристаллической решётки, на узлах которой размещены несколько (в первоначальном варианте 2) сортов атомов. Для магнетика это 2 возможных направления магнитных моментов (условно говоря, магнитный момент вверх и магнитный момент вниз). Обычно учитывается взаимодействие только ближайших соседей, хотя существуют обобщения и для более сложных случаев.
Главной особенностью ферромагнетиков является спонтанная намагниченность: ферромагнетик уже намагничен в отсутствие внешнего магнитного поля. Это связано с тем, что энергия взаимодействия соседних атомов ферромагнетика зависит от взаимной ориентации их магнитных моментов: если они направлены одинаково, то эта энергия меньше, а если противоположно, то больше. На языке сил можно сказать, что между магнитными моментами действуют короткодействующие силы, которые стараются заставить соседний атом иметь такое же направление магнитного момента, как и у самого данного атома. В большинстве ферромагнетиков это обменные силы, являющиеся следствием квантовомеханического принципа тождественности, но в модели Изинга их природа безразлична.
Спонтанная намагниченность ферромагнетика постепенно уменьшается с ростом температуры и при некоторой критической температуре – точке Кюри – становится равной нулю, при более высоких температурах ферромагнетик ведёт себя в магнитном поле подобно парамагнетику. Таким образом, в точке Кюри происходит переход из ферромагнитного в парамагнитное состояние, который является фазовым переходом второго рода и возникает без скачка спонтанной намагниченности и с отсутствием скрытой теплоты перехода.
Рассмотрим магнетик в двумерной решётке Изинга, на узлах которой могут размещаться магнитные моменты. Пусть узлы образуют квадратную решётку. Магнитные моменты, направленные вверх, обозначим А, а вниз – B. Число магнитных моментов, направленных вверх, равно NA, а вниз – NB, полное число моментов равно N. Ясно, что
| NА + NВ = N. | (1) |
Число независимых способов, которыми можно разместить NA моментов сорта А и NB моментов сорта В по N узлам, равно
Эта величина является статистическим весом макросостояния с данной намагниченностью.
Здесь сделано приближение (Брэгга – Вильямса), согласно которому значение магнитного момента на узле решётки не зависит от того, какие магнитные моменты находятся на соседних узлах, т.е. это приближение не учитывает корреляции в расположении моментов. Это приближение родственно модели неидеального газа Ван-дер-Ваальса: реальное взаимодействие частиц друг с другом здесь заменяется некоторым усреднённым силовым полем, которое создают сами взаимодействующие частицы.
Если применить формулу Стирлинга ln N! ≈ N (ln N –1), справедливую для больших N, и ввести вероятность появления магнитного момента “вверх” и “вниз”: p A = N A N и p B = N B N , то выражение для энтропии запишется: S = – k N (pA ln pA + pB ln pB).
Если ввести параметр дальнего порядка η = (рА – рВ), то получим:
Выясним физический смысл параметра дальнего порядка η. Намагниченность магнетика М определяется в нашей модели избытком атомов с одной из двух возможных ориентаций, и она равна
где μ – магнитный момент атома. Тогда η = М / Мmax, где Мmax = N μ – максимальная намагниченность, достигаемая при параллельной ориентации всех моментов. То есть η – относительная намагниченность, и она может изменяться в пределах от –1 до +1. При этом отрицательные значения η говорят о направлении преимущественной ориентации магнитных моментов, а при отсутствии внешнего поля значения +η и –η эквивалентны.
Атомы взаимодействуют друг с другом лишь на достаточно малых расстояниях. Предположим, что взаимодействуют только соседние атомы, причём каждый атом имеет z ближайших соседей. Пусть энергия взаимодействия двух атомов с одинаково направленными магнитными моментами равна –V, а с противоположно направленными +V. Внешнее поле Н = 0.
Если не учитывать корреляции в расположении атомов, то энергия взаимодействия магнитного момента “вверх” со своим ближайшим окружением (т.е. с z pA моментами “вверх” и с z pB моментами “вниз”) в нашей модели равна –V z (pA – pB). Аналогичная величина для атома с моментом “вниз” равна V z (pA – pB). Тогда энергия магнетика равна
где множитель 1 2 появился для того, чтобы взаимодействие соседних атомов друг с другом не учитывать дважды. Выражая NA и NB через вероятности, получим:
U = − 1 2 N V z ( p A − p B ) 2 = − 1 2 N V z η 2 .
В равновесной системе при постоянных объёме и температуре достигает экстремального (минимального) значения свободная энергия Гельмгольца:
F = U − T S = − z N V η 2 2 − N k T 2
Исследуем функцию (3) на экстремум, взяв производную по η и приравняв её к нулю. Условие равновесия примет вид:
ln 1 + η 1 − η = 2 η τ ,
где τ = k T z V – безразмерная величина, имеющая размерность температуры.
Уравнение (4) можно решить графически. Для этого построим графики функций F1 и F2, стоящих в левой и правой частях уравнения (рис. 1). Функция F1 не зависит от параметра τ, её график представляет собой кривую с двумя вертикальными асимптотами при значениях η = ±1. Функция является монотонно возрастающей, нечётной, её производная в начале координат F1‘(0) = 2.
График функции F2 – это прямая, проходящая через начало координат, тангенс угла наклона равен 2 / τ .
Если τ > 1, то 2 /τ < F1‘(0); тогда кривые пересекаются только в начале координат, и уравнение имеет единственное решение η = 0. При τ < 1 уравнение имеет 3 решения, одно из них по-прежнему нулевое, а два других отличаются знаком.
При низких температурах магнетик существует в ферромагнитном состоянии, при высоких – в парамагнитном. Этот переход является фазовым переходом второго рода, параметр порядка η постепенно уменьшается с увеличением температуры и в критической точке становится равным нулю (рис. 2).
При учёте взаимодействия с магнитным полем в выражение для свободной энергии (3) добавится слагаемое – η μ NН (считаем, что поле направлено “вверх”). Общий случай ферромагнетика в магнитном поле аналитически рассмотреть довольно трудно, мы ограничимся парамагнетиком (энергия взаимодействия V = 0) и ферромагнетиком выше точки Кюри.
В первом случае свободная энергия (3) запишется
где m – магнитный момент атома, а уравнение равновесия примет вид
k T ln 1 + η 1 − η = μ H .
Ограничимся случаем слабого намагничивания, которое наблюдается при высоких температурах и слабых магнитных полях. Если η kT η = μ Н, и намагниченность М = N μ η = Nm 2 /(2kT)> H, т.е. парамагнитная восприимчивость
Таким образом, восприимчивость парамагнетика в полном соответствии с законом Кюри обратно пропорциональна абсолютной температуре.
Для ферромагнетика во внешнем поле уравнение равновесия примет вид:
k T ln 1 + η 1 − η = μ H + 2 η k T C .
χ = N μ 2 2 k ( T − T C ) ,
т.е. выполняется закон Кюри – Вейсса.
В рамках данной модели можно предложить несколько простых компьютерных экспериментов: модель парамагнетика в магнитном поле, модель ферромагнетика в отсутствие поля и наконец самую общую задачу о ферромагнетике в магнитном поле.
В первой задаче необходимо решить уравнение (5). Это уравнение легко решается при помощи потенцирования:
η = e μ H k T − 1 e μ H k T + 1 .
Для малых полей и высоких температур (т.е. для μ Н kT) путём разложения этого выражения по малому параметру легко получается формула для магнитной восприимчивости (6).
Для наглядной визуализации данной задачи следует изобразить структуру парамагнетика как совокупность кружков 2 разных окрасок, одна из которых соответствует направлению магнитного момента вверх, а другая – вниз. По значению η , определённому из (8), следует найти число атомов, магнитные моменты которых направлены вверх (N↑) и вниз, затем случайным образом окрасить в соответствующие цвета эти кружки. Температуру и напряжённость поля перед выполнением эксперимента следует задавать как параметры через соответствующие окна, при этом единицы измерения этих величин могут быть произвольными, поскольку результат зависит от отношения μ H k T . В ходе выполнения данного эксперимента можно пронаблюдать:
1) зависимость относительной намагниченности η от напряжённости магнитного поля при низких температурах (кривая имеет насыщение);
2) зависимость относительной намагниченности η от напряжённости магнитного поля при достаточно высоких температурах (она должна быть линейной);
3) зависимость магнитной восприимчивости при высоких температурах от обратной температуры (она должна быть линейной – закон Кюри).
Для изучения спонтанной намагниченности ферромагнетика в отсутствие магнитного поля необходимо решить уравнение (4) для произвольной приведённой температуры τ < 1 и таким образом изучить зависимость η ( τ ). Температуру τ и относительную намагниченность η следует выводить в окнах, а для визуализации задачи необходимо, как в предыдущем случае, определить числа N1 и N2 и распределить случайным образом по узлам квадратной решётки соответствующее число кружков разного цвета.
Для решения третьей задачи необходимо вместо уравнения (4) решить несколько более сложное уравнение (7). Эти уравнения решаются численно, для их решения вполне подходит метод деления отрезка пополам (см., например: [4, с. 86–91]). Отметим, что для уравнения (4) всегда есть тривиальное решение η = 0, которое при температурах τ < 1 не описывает устойчивого состояния вещества, поэтому искать физически обоснованное решение следует на отрезке от какого-то малого значения e до единицы.
Для изучения поведения магнетика в магнитном поле рекомендуется выполнить следующие упражнения:
1. Изучение спонтанной (т.е. при Н = 0) намагниченности ферромагнетика ниже точки Кюри.
2. Изучение намагниченности парамагнетика во внешнем магнитном поле.
3. Изучение намагниченности ферромагнетика при температурах выше точки Кюри.
4. Изучение намагниченности ферромагнетика во внешнем магнитном поле.
5. Рассмотреть все аналогичные задачи в теории Ланжевена для парамагнетиков и теории Вейсса для ферромагнетиков. Эти теории изложены во многих книгах по общей физике, например, в [5, с. 314–319, 324–332]. Эти теории приводят примерно к таким же уравнениям и, соответственно, к таким же результатам, что и изложенные выше в этом параграфе.
На рис. 3 приведён кадр из компьютерного эксперимента по изучению зависимости спонтанной намагниченности ферромагнетика от температуры. Атомы с разными направлениями магнитных моментов изображены кружками разных цветов, приведённая температура вводится в одно из текстовых окон. Компьютерная программа этого эксперимента на языке Visual Basic приведена в приложении.
X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2018
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 m0, связанных с отдельными частицами тела М = m0. 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 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 В1. 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 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;
4) магнитная проницаемость ферромагнетика зависит от внешнего магнитного поля (рис. 2).
Это объясняется тем, что вначале с увеличением B0 магнитная индукция B растет сильнее, а, следовательно, μ будет увеличиваться. Затем при значении магнитной индукции B0 наступает насыщение (μ в этот момент максимальна) и при дальнейшем увеличении B0 магнитная индукция B1 в веществе перестает изменяться, а магнитная проницаемость уменьшается (стремится к 1):
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 B0, то можно заметить, что индукция поля в стержне в процессе его размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания. Когда B0 = 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).
Модуль Boc индукции магнитного поля, размагничивающего намагниченный ферромагнетик, называют коэрцитивной силой.
При дальнейшем увеличении B0 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 B0 станет равной Boc. Продолжая увеличивать B0, снова намагничивают стержень до насыщения (точка А).
Таким образом, при намагничивании и размагничивании ферромагнетика индукция B отстает от B0. 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 (1846–1931). 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 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 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 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.
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.
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.
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 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, 2000. – 352 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, 1995. – 480с.
3. Ферромагнетики // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B5%D1%80%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8.
4. Точка Кюри // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%BE%D1%87%D0%BA%D0%B0_%D0%9A%D1%8E%D1%80%D0%B8.
5. Трофимова Т.И. Курс физики: Пособие для вузов. – 7-е изд. – М.: Высш. шк., 2002. – 542 с.
6. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. – 3-е изд., испр. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. – 624 с.
Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики
Все вещества в зависимости от выраженности магнитных свойств делятся на сильномагнитные и слабомагнитные. Магнетики можно разделить по видам механизма, вызывающего намагничивание.
Что такое диамагнетики
Диамагнетики являются слабомагнитными веществами: они не магнитятся, если на них не действует магнитное поле.
Иными словами, вещество намагничивается: дополнительное поле усиливается за счет совпадения с внешним. При этом угол между векторами остается неизменным.
Смена ориентации магнитных моментов по распределению Больцмана связана со столкновениями и взаимодействием атомов между собой. В отличие от диамагнетиков, магнитная восприимчивость парамагнетиков меняется в зависимости от температуры в соответствии с законом Кюри или законом Кюри-Вейсса.
В формуле дельтой обозначена постоянная, которая может быть и больше 0 , и меньше.
Величина магнитной восприимчивости парамагнетика больше 0 , но незначительно. Выделяют следующие виды парамагнетиков:
- нормальные;
- парамагнитные металлы;
- антиферромагнетики.
Второй тип парамагнетиков не обнаруживает связи магнитной восприимчивости с температурой. Такие металлы являются слабомагнитными при χ ≈ 10 — 6 .
Парамагнетические вещества характеризуются наличием парамагнитного резонанса. Возьмем внешнее магнитное поле с помещенным в него парамагнетиком. Как мы уже писали выше, в нем создается дополнительное магнитное поле с вектором индукции, направленным перпендикулярно вектору постоянного поля. При взаимодействии дополнительного поля с магнитным моментом атома создается так называемый момент сил M → .
Данный момент стремится к смене угла между p m → и B → .
Данные вещества могут иметь так называемую остаточную намагниченность. Выразить зависимость восприимчивости ферромагнетиков от напряженности внешнего магнитного поля можно с помощью функции. Она представлена на схеме ниже:
Намагниченность ферромагнетика имеет пределы насыщения. Это указывает нам на природу возникновения намагниченности в таких веществах: она образуется путем смены ориентации магнитных моментов вещества. Для ферромагнетиков также характерно такое явление, как гистерезис.
В магнитном отношении все ферромагнетики делят на мягкие и жесткие. Первые из них имеют высокую магнитную проницаемость и способны легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют широкое применение в электротехнических приборах, основанных на работе переменных полей (например, трансформаторов). Жесткие ферромагнетики имеют сравнительно небольшую проницаемость и намагничиваются трудно. Их используют при производстве постоянных магнитов.
Пример 2
Условие: выведите формулу восприимчивости парамагнетика при условии, что механизм его намагничивания точно такой же, как механизм электризации полярных диэлектриков. Среднее значение магнитного момента молекул в проекции на ось Z обозначается формулой ρ m z = ρ m L ( β ) .
Здесь L ( β ) = c t h ( β ) — 1 β означает функцию Ланжевена при β = ρ m B k T .
Решение
Взяв высокие температуры и небольшие поля, получим следующее:
ρ m B ≪ k T , → β ≪ 1 .
Значит, если β ≪ 1 c t h β = 1 β + β 3 — β 3 45 + . . . , можно ограничить функцию линейным членом и получить, что:
ρ m B ≪ k T , → β ≪ 1 .
Возьмем нужную формулу и подставим в нее полученное значение:
ρ m z = ρ m ρ m B 3 k T = ρ m 2 B 3 k T .
Зная, как связаны между собой напряженность магнитного поля и его индукция, а также приравняв магнитную проницаемость парамагнетика к 1 , получим следующее:
ρ m z = ρ m 2 μ 0 H 3 k T .
В итоге формула намагниченности будет выглядеть так:
J = n ρ m z = ρ m 2 μ 0 H 3 k T n .
Поскольку модуль намагниченности связан с модулем вектора ( J = χ H ), мы можем записать результат:
χ = ρ m 2 м 0 n 3 k T .
Ответ: χ = ρ m 2 м 0 n 3 k T .