ФЕРРОМАГНЕТИКИ И ИХ СВОЙСТВА.

⇐ ПредыдущаяСтр 18 из 22Следующая ⇒

Помимо рассмотренных двух классов веществ — диа- и парамагнетиков, называемых слабомагнитными веществами, существуют еще сильномагнитные вещества — ферромагнетики — вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т. е. они намагничены даже при отсутствии внешнего магнитного поля. К ферромагнетикам кроме основного их представителя — железа (от него и идет название «ферромагнетизм») — относятся, например, кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения.

Ферромагнетики помимо способности сильно намагничиваться обладают еще и другими свойствами, существенно отличающими их от диа- и парамагнетиков. Если для слабомагнитных веществ зависимость J от Н линейна, то для ферромагнетиков эта зависимость, впервые изученная в 1878 г. методом баллистического гальванометра для железа русским физиком А.Г. Столетовым (1839—1896), является довольно сложной. По мере возрастания Н намагниченность J сначала растет быстро, затем медленнее и, наконец, достигается так называемое магнитное насыщение J_нас, уже не зависящее от напряженности поля. Подобный характер зависимости J от Н можно объяснить тем, что по мере увеличения намагничивающего поля увеличивается степень ориентации молекулярных магнитных моментов по полю, однако этот процесс начнет замедляться, когда остается все меньше и меньше неориентированных моментов, и, наконец, когда все моменты будут ориентированы по полю, дальнейшее увеличение J прекращается и наступает магнитное насыщение.

Магнитная индукция B= m₀ (H+J) в слабых полях растет быстро с ростом H вследствие увеличения J, а в сильных полях, поскольку второе слагаемое постоянно (J=J_нас), В растет с увеличением Н по линейному закону. Существенная особенность ферромагнетиков — не только большие значения m (например, для железа — 5000, для сплава супермаллоя — 800 000! ), но и зависимость m от Н. Вначале m растет с увеличением Н , затем, достигая максимума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к 1 (m = B/(m₀H) = 1 + J/H, поэтому при J = J_нас= const с ростом Н отношение J/H ® 0, m ® 1).

Рис. 83. Петля гистерезиса ферромагнетика. Стрелками указано направление процессов намагничивания и размагничивания ферромагнитного образца при изменении индукции B₀ внешнего магнитного поля.

Характерная особенность ферромагнетиков состоит также в том, что для них зависимость J от H (а следовательно, и В от Н) определяется предысторией намагничения ферромагнетика. Это явление получило название магнитного гистерезиса. Если намагнитить ферромагнетик до насыщения, а затем начать уменьшать напряженность Н намагничивающего поля, то, как показывает опыт, уменьшение J описывается кривой 1—2, лежащей выше кривой 1—0. При Н = 0 J отличается от нуля, т. е. в ферромагнетике наблюдается остаточное намагничение J_ос. С наличием остаточного намагничения связано существование постоянных магнитов. Намагничение обращается в нуль под действием поля Нс , имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничение. Напряженность Нс называется коэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3—4), и при Н = –H_нас достигается насыщение ( точка 4 ). Затем ферромагнетик можно опять размагнитить ( кривая 4—5—6 ) и вновь перемагнитить до насыщения ( кривая 6—7).

Таким образом, при действии на ферромагнетик переменного магнитного поля намагниченность J изменяется в соответствии с кривой 1—2—3—4—5—6—1, которая называется петлей гистерезиса (от греч. «запаздывание»). Гистерезис приводит к тому, что намагничение ферромагнетика не является однозначной функцией Н , т.е. одному и тому же значению Н соответствует несколько значений J.

Различные ферромагнетики дают разные гистерезисные петли. Ферромагнетики с малой (в пределах от нескольких тысячных до 1—2 А/см) коэрцитивной силой Нс (с узкой петлей гистерезиса) называются мягкими, с большой (от нескольких десятков до нескольких тысяч ампер на сантиметр) коэрцитивной силой (с широкой петлей гистерезиса) — жесткими. Величины Нс, J_ос и m_max определяют применимость ферромагнетиков для тех или иных практических целей. Taк, жесткие ферромагнетики (например, углеродистые и вольфрамовые стали) применяются для изготовления постоянных магнитов, а мягкие (например, мягкое железо, сплав железа с никелем) — для изготовления сердечников трансформаторов.

Ферромагнетики обладают еще одной существенной особенностью: для каждого ферромагнетика имеется определенная температура, называемая точкой Кюри, при которой он теряет свои магнитные свойства. При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. Переход вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное, происходящий в точке Кюри, не сопровождается поглощением или выделением теплоты, т.е. в точке Кюри происходит фазовый переход II рода.

Наконец, процесс намагничения ферромагнетиков сопровождается изменением его линейных размеров и объема. Это явление получило название магнитострикции. Величина и знак эффекта зависят от напряженности Н намагничивающего поля, от природы ферромагнетика и ориентации кристаллографических осей по отношению к полю.

Вещества, способные сильно намагничиваться в магнитном поле, называются ферромагнетиками. Ферромагнетизм обнаружен только в кристаллическом состоянии перечисленных веществ. Ферромагнетики во внешнем магнитном поле сильно намагничиваются. Магнитная проницаемость ферромагнетиков по порядку величины лежит в пределах 10²–10⁵. Например, у стали μ ≈ 8000, у сплава железа с никелем магнитная проницаемость достигает значений 250000. К группе ферромагнетиков относятся четыре химических элемента: железо, никель, кобальт, гадолиний. Из них наибольшей магнитной проницаемостью обладает железо. Поэтому вся эта группа получила название ферромагнетиков.

Ферромагнетиками могут быть различные сплавы, содержащие ферромагнитные элементы. Широкое применение в технике получили керамические ферромагнитные материалы – ферриты.

Магнитная проницаемость μ ферромагнетиков не является постоянной величиной; она сильно зависит от индукции В₀ внешнего поля.

Непостоянство магнитной проницаемости приводит к сложной нелинейной зависимости индукции B магнитного поля в ферромагнетике от индукции В₀ внешнего магнитного поля. Характерной особенностью процесса намагничивания ферромагнетиков является так называемый гистерезис, то есть зависимость намагничивания от предыстории образца

Кривая намагничивания ферромагнитного образца представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлей гистерезиса.

Ферромагнитные материалы делятся на две большие группы – на магнито – мягкие и магнито-жесткие материалы. У магнито-мягких материалов значения коэрцитивной силы B_0c невелико – петля гистерезиса таких материалов достаточно «узкая». Магнито-мягкие ферромагнитные материалы почти полностью размагничиваются, когда внешнее магнитное поле становится равным нулю. К магнито-мягким материалам относится, чистое железо, электротехническая сталь и некоторые сплавы.

Материалы с большим значением коэрцитивной силы, то есть имеющие «широкую» петлю гистерезиса, относятся к магнито-жестким. Магнито-жесткие материалы сохраняют в значительной мере свою намагниченность и после удаления их из магнитного поля. При уменьшении магнитной индукции B₀ внешнего поля до нулевого значения, ферромагнетик сохранит остаточную намагниченность – поле внутри образца будет равно B_r. Остаточная намагниченность образцов позволяет создавать постоянные магниты. Для того, чтобы полностью размагнитить образец, необходимо, изменив знак внешнего поля, довести магнитную индукцию B₀ до значения – B_0c, которое принято называть коэрцитивной силой. Для каждого ферромагнетика существует определенная температура (так называемая температура или точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком. У железа, например, температура Кюри равна 770 °C, у кобальта 1130 °C, у никеля 360 °C.

При намагничивании ферромагнетиков наблюдается магнитострикция (изменения линейных размеров и объема). Величины и знаки эффекта определяются напряженностью внешнего поля, природой ферромагнетика и ориентацией его кристаллографических осей относительно поля. Существует и обратный процесс — при деформации ферромагнетика в нем возникает магнитное поле.

ПРИРОДА ФЕРРОМАГНЕТИЗМА.

Главным представителем ферромагнетиков является железо. В атоме железа первые две электронные оболочки заполнены полностью, в третьей оболочке полностью заполнены два слоя – 3s и - 3p, а третий слой - 3d содержит вместо десяти только шесть электронов. Помимо этого, у атома железа есть еще два электрона – в первом слое четвертой оболочки - 4s. Аналогичным строением обладают атомы других ферромагнетиков - кобальта, никеля и некоторых редкоземельных элементов. Ферромагнетизм железа и других ферромагнетиков обусловлен именно электронами незаполненной третьей оболочки.

В кристаллической решетке электронные оболочки соседних атомов перекрываются, то есть атомы обмениваются электронами. В результате возникает сильное взаимодействие между атомами. Оно имеет чисто квантовомеханическую природу и называется обменным взаимодействием, т.е. возникают условия, при которых, вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов, энергетически выгодной становится их параллельная ориентация. В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области. Энергия взаимодействия соседних атомов в решетке кристалла минимальна при параллельных направлениях спинов электронов и связанных с ними магнитных моментов. Обменное взаимодействие приводит к созданию областей спонтанного, то есть самопроизвольного намагничивания, которые называются доменами. Размеры доменов составляют величину порядка 1-10 мкм. Если домен представить в виде кубика и учесть, что расстояние между атомами в твердом теле ~ 10^{-10 м,} то сторона кубика будет включать ~ 10⁴ атомов, а весь домен будет содержать ~ 10¹² атомов.

Рис. 84. Перестройка доменов под действием внешнего магнитного поля.

При помещении образца во внешнее магнитное поле В₀ происходят следующие процессы.

1. Домены, ориентированные в направлении внешнего поля, увеличиваются за счет доменов, ориентированных против поля. Этот механизм преобладает в слабых полях

2. Магнитные моменты поворачиваются, ориентируясь вдоль линий поля. Этот механизм преобладает в сильных полях.

3. В еще более сильных полях возможен процесс, заключающийся в восстановлении ориентации спиновых магнитных моментов атомов, кото нарушена их тепловым движением. Этот процесс дает незначительную с практической точки зрения добавку в намагниченность вещества. В сильных полях намагниченность становится постоянной, то есть не зависящей от внешнего поля. Это явление называется насыщением.

Исчезновение внешнего поля не приводит к исчезновению намагниченности, поскольку для дезориентации доменов необходима определенная энергия, а энергии теплового движения для этого недостаточно, то и наблюдается явление гистерезиса. Размагничивание ферромагнетиков происходит:

1) при приложении противоположного по направлению внешнего магнитного поля определенной величины (коэрцитивной силы);

2) нагреванию до точки Кюри;

3) встряхивание или постукивание.

В этих случаях происходит нарушение порядка ориентации доменов, но структура отдельных доменов сохраняется. Поэтому при внесении размагниченного ферромагнетика снова во внешнее магнитное поле он снова намагничивается.

Существование доменов в ферромагнетиках доказано экспериментально. Прямым экспериментальным методом их наблюдения является метод порошковых фигур. На тщательно отполированную поверхность ферромагнетика наносится водная суспензия мелкого ферромагнитного порошка (например, магнетита). Частицы оседают преимущественно в местах максимальной неоднородности магнитного поля, т. е. на границах между доменами. Поэтому осевший порошок очерчивает границы доменов и подобную картину можно сфотографировать под микроскопом. Линейные размеры доменов оказались равными 10^–4— 10^–2 см.

Дальнейшее развитие теории ферромагнетизма Френкелем и Гейзенбергом, а также ряд экспериментальных фактов позволили выяснить природу элементарных носителей ферромагнетизма. В настоящее время установлено, что магнитные свойства ферромагнетиков определяются спиновыми магнитными моментами электронов. Установлено также, что ферромагнитными свойствами могут обладать только кристаллические вещества, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки с нескомпенсированными спинами. В подобных кристаллах могут возникать силы, которые вынуждают спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно друг другу , что и приводит к возникновению областей спонтанного намагничения. Эти силы, называемые обменными силами, имеют квантовую природу — они обусловлены волновыми свойствами электронов.

Так как ферромагнетизм наблюдается только в кристаллах, а они обладают анизотропией, то в монокристаллах ферромагнетиков должна иметь место анизотропия магнитных свойств (их зависимость от направления в кристалле). Действительно, опыт показывает, что в одних направлениях в кристалле его намагниченность при данном значении напряженности магнитного поля наибольшая (направление легчайшего намагничения), в других — наименьшая (направление трудного намагничения). Из рассмотрения магнитных свойств ферромагнетиков следует, что они похожи на сегнетоэлектрики.

Существуют вещества, в которых обменные силы вызывают антипараллельную ориентацию спиновых магнитных моментов электронов. Такие тела называются антиферромагнетиками. Антиферромагнетиками являются некоторые соединения марганца (MnO, MnF₂), железа (FeO, FeCl₂) и многих других элементов. Для них также существует антиферромагнитная точка Кюри (точка Нееля*), при которой магнитное упорядочение спиновых магнитных моментов нарушается и антиферромагнетик превращается в парамагнетик, претерпевая фазовый переход II рода.

ЛЕКЦИЯ № 16.

КОЛЕБАНИЯ.

Колебаниями называются движения или процессы, которые характеризуются определенной повторяемостью во времени. Физическая природа колебаний может быть разной, поэтому различают колебания механические, электромагнитные и другие. Колебательные процессы описываются одинаковыми уравнениями и единым подходом к изучению различных колебаний.

Колебания называются свободными, если они совершаются за счет первоначально совершенной энергии при отсутствии внешних воздействий на колебательную систему (систему, совершающую колебания). Простейшим типом колебаний являются гармонические колебания - колебания, при которых колеблющаяся величина изменятся со временем по закону синуса. Рассмотрение гармонических колебаний важно по двум причинам:

1. Колебания, встречающиеся в природе и технике, часто имеют характер, близкий к гармоническому;

2. Различные периодические процессы (процессы, повторяющиеся через равные промежутки времени) можно представить как наложение гармонических колебаний.

Гармонические колебания величины x описываются уравнением типа

x = Acos(ω ₀t + φ ), (16.1.)

где А - максимальное значение колеблющейся величины или амплитуда колебания, ω ₀t - круговая (циклическая) частота, φ - начальная фаза в момент времени t = 0, (ω ₀t + φ ) - фаза колебания в момент времени t.

⇐ Предыдущая 13 14 15 16 171819 20 21 22 Следующая ⇒