ФЕРРОМАГНЕТИКИ

В ферромагнитных веществах намагничение обусловлено не ориентацией электронных орбит по а ориентацией собственного магнитного момента («спина») самих электронов . В опытах А. Эйнштейна и Де-Гааза маленький ферромагнитный стержень, подвешенный на кварцевой нити, помещался внутрь соленоида, по которому пропускался переменный ток (рис. II 1.74). При перемагничивании стержень поворачивался то в одну, то в другую сторону. Этот поворот объясняется тем, что ось вращения каждого электрона при перемагничивании изменяется на 180°, поэтому механический момент импульса изменяется от , т. е. на Так как в стержне имеется много таких перевертывающихся электронов, то общее изменение их магнитных моментов будет равно а механических моментов импульса Измерение этих величин показало, что отношение соответствует не электронной орбите (см. формулу (3.28)), а вдвое больше, т. е. соответствует спину электрона.

Известно следующее свойство ферромагнетиков: при температуре, называемой точкой Кюри, они скачком теряют свои ферромагнитные свойства и превращаются в парамагнитное вещество. В опытах А. Ф. Иоффе и П. Л. Капицы намагниченный сердечник

Рис. III.74

быстро нагревался до этой температуры; при размагничивании суммарный механический момент упорядоченно расположенных векторов рмех изменялся от до нуля. Согласно закону сохранения момента импульса весь стержень получал вращение. Измерения подтвердили, что отношение соответствует спину электрона.

Отдельные атомы (например, железа) не имеют ферромагнитных свойств; эти свойства наблюдаются только у кристаллов ферромагнитных веществ при температурах ниже точки Кюри. Измерения показали, что работа, затрачиваемая на намагничение кристалла, различна в различных направлениях; существуют направления, вдоль которых эта работа имеет минимальные значения (анизотропия кристалла ферромагнетика оценивается разностью работ намагничения по различным направлениям); монокристалл кобальта имеет одну, железо — три, никель — четыре оси легчайшего намагничения. Каждый кристалл имеет большое число областей, намагниченных до насыщения в одном из направлений легчайшего намагничения. Эти области «спонтанного» (т. е. самопроизвольного) намагничения называются доменами. Определенная ориентация векторов в пределах каждого домена обусловлена особыми силами. В двух соседних доменах вектора магнитных моментов ориентированы различно (анти-параллельно или под другими углами в зависимости от анизотропии кристалла). Между доменами существуют тонкие прослойки, в которых ориентация векторов плавно меняется от направления намагниченности одного домена до направления намагниченности соседнего домена. Суммарный магнитный момент всех доменов в отсутствии поля равен нулю, что соответствует устойчивому состоянию кристалла (минимуму его энергии).

При наложении внешнего магнитного поля на электроны начинают действовать механические моменты, ориентирующие их по полю. По мере увеличения напряженности внешнего поля сначала происходит сравнительно легкий процесс поворота векторов в прослойках между доменами. Это приводит к росту тех доменов, у которых угол между направлением намагничения и направлением внешнего поля оказался малым, за счет соседних доменов, у которых этот угол велик. Таким образом, постепенно происходит процесс разрушения доменной структуры, по окончании которого кристалл оказывается намагниченным только в одном направлении; это будет то направление легчайшего намагничения, которое составляет в данном случае наименьший угол с направлением поля. При дальнейшем увеличении напряженности внешнего поля происходит поворот суммарного вектора намагничения (т. е. одновременный поворот всех до совпадения с направлением внешнего поля. При обратном процессе, по мере ослабления внешнего поля, сначала происходит поворот вектора до ближайшего направления легчайшего намагничения в кристалле, а затем происходит расслоение всего объема кристалла на домены, т. е. переход его в более устойчивое состояние.

Изучение зависимости намагничения от температуры привело к следующим представлениям. При температуре абсолютного нуля в пределах каждого домена все вектора спинов ориентированы вдоль

той или иной оси легчайшего намагничения (такое состояние называется «абсолютным насыщением»). При повышении температуры некоторые электроны под действием теплового движения переходят в антипараллельное состояние, т. е. их вектор магнитного момента ориентируется против направления намагниченности домена, вследствие чего общая намагниченность каждого домена несколько уменьшается. С повышением температуры число таких электронов растет, особенно резко при приближении к температуре Кюри, при которой число параллельных и антипараллельных спинов становится равным и спонтанная намагниченность домена исчезает. Выше температуры Кюри когда ферромагнитное вещество становится парамагнитным, магнитная восприимчивость зависит от абсолютной температуры по формуле (закон Кюри — Вейса):

где С — постоянная величина (для данного вещества). При температурах эта зависимость имеет сложный вид. Для железа Тк для никеля — 358° С, для кобальта — 1120° С.

Рис. 111.75

Перечислим важнейшие свойства ферромагнетиков:

1) ферромагнетики (в отличие от парамагнетиков) намагничиваются до насыщения уже в слабых полях;

2) магнитные проницаемости и восприимчивости зависят от напряженности внешнего намагничивающего поля. На рис. III.75 показаны зависимости от напряженности внешнего поля

3) ферромагнитные тела сохраняют состояние намагничения после удаления их из пределов намагничивающего поля (остаточный магнетизм, постоянные магниты);

4) при намагничивании и размагничивании ферромагнитные тела изменяют свои размеры; это явление называется магнитострикцией. Относительное изменение длины тела в направлении внешнего доля пропорционально квадрату намагниченности

Магнитострикция (как и электрострикция) используется для получения и измерения ультразвука;

5) при перемагничивании обнаруживается «магнитный гистерезис», т. е. намагничивание происходит при одной зависимости В от (кривые 1—2 и 4—5 на рис. III.76, а), а размагничивание — при другой зависимости (кривые Пунктирная линия показывает намагничивание тела от начального состояния когда тело полностью размагничено еще до введения его в магнитное поле. Увеличивая напряженность внешнего поля от до некоторого значения, можно довести намагниченность тела до величины, соответствующей точке 2. При уменьшении (для размагничивания) индукция В уменьшается по кривой 2—3 и при сохраняется остаточный магнетизм, измеряемый отрезком Для того чтобы размагнитить тело, необходимо приложить внешнее поле обратного направления с напряженностью соответствующей отрезку эта напряженность называется коэрцитивной (задерживающей) силой и характеризует магнитные свойства вещества.

Рис. III.76

При дальнейшем увеличении напряженности (обратного направления) происходит намагничивание по кривой 4—5. Участок 5—6—1 снова соответствует размагничиванию. Таким образом, повторное намагничивание в перво-» начальном (положительном) направлении осуществляется уже не по кривой а по кривой 1—2. В дальнейшем процесс перемагничивания происходит по замкнутой кривой, показанной на рис. 111.76, а сплошной линией.

Площадь петли гистерезиса в масштабе чертежа означает работу, которую затрачивает внешнее поле для одного перемагничивания тела, преодолевая силы, препятствующие переориентировкам «областей намагничивания»; эта работа выделяется в виде тепла. Очевидно, для уменьшения потерь на это перемагничивание, например в сердечнике трансформатора, необходимо использовать «мягкие» ферромагнетики (рис. 111.76, б), для которых работа перемагничивания мала. Наоборот, для изготовления постоянных магнитов подходят «жесткие» ферромагнетики с большим значением коэрцитивной силы.

Кроме ферромагнитного состояния, наблюдаются также антиферромагнитные и ферритные (или ферримагнитные) состояния. Схематическое расположение спиновых моментов в элементарных магнитных ячейках этих веществ при очень низких температурах ()

указаны на рис. III.77. Для всех этих состояний характерна правильная ориентация спиновых магнитных моментов атомов, молекул или ионов данного вещества в ячейках его кристаллической решетки. У ферромагнитов спиновые моменты атомов в каждой элементарной ячейке кристалла направлены в одну сторону и создают некоторую намагниченность этой ячейки. У антиферромагнетиков такая намагниченность отсутствует, так как спиновые моменты соседних атомов равны по величине и направлены в противоположные стороны. У ферритов ориентация спиновых моментов соответствует антиферромагнитному, но магнитные моменты соседних атомов, направленные в противоположные стороны, не компенсируются.

Рис. III.77

К антиферромагнетикам относятся их магнитная восприимчивость с повышением температуры сначала увеличивается, достигает максимума при некоторой температуре (точка Кюри) и затем уменьшается. Ферриты имеют общую формулу где ион двухвалентного металла (медный, никелевый, марганцевый и другие ферриты). Они обладают высокой магнитной восприимчивостью и проницаемостью доходит до 6000), малой коэрцитивной силой, малыми потерями на перемагничивание и очень большим удельным электросопротивлением благодаря чему они получили широкое применение в радиотехнике (потери на токи Фуко в ферритах, находящихся в высокочастотных электромагнитных полях, очень малы). Ферритовые сердечники применяются в электронно-счетных машинах, радиолокационных, телефонных, электроакустических и прочих аппаратурах. Точка Кюри у различных применяющихся ферритов лежит в пределах 300—600° С.