§ 59. Ферромагнетизм

Особый класс магнетиков образуют вещества, способные обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. По своему наиболее распространенному представителю — железу — они получили название ферромагнетиков. К их числу кроме железа принадлежат никель, кобальт, гадолиний, их сплавы и соединения, а также некоторые сплавы и соединения марганца и хрома с неферромагнитными элементами. Ферромагнетизм присущ всем этим веществам только в кристаллическом состоянии.

Ферромагнетики являются сильномагнитными веществами. Их намагниченность в огромное (до ) число раз превосходит намагниченность и парамагнетиков, принадлежащих к категории слабомагнитных веществ.

Намагниченность слабомагнитных веществ изменяется с напряженностью поля линейно. Намагниченность ферромагнетиков зависит от Я сложным образом. На рис. 59.1 дана кривая намагничения ферромагнетика, магнитный момент которого первоначально был равен нулю (она называется основной или нулевой кривой намагничения). Уже в полях порядка нескольких эрстед намагниченность достигает насыщения. Основная кривая намагничения на диаграмме В — Я приведена на рис. 59.2 (кривая ). Напомним, что Поэтому по достижении насыщения В продолжает расти с Я по линейному закону: , где

Кривая намагничения железа была впервые получена и подробно исследована русским ученым А. Г. Столетовым.

Разработанный им баллистический метод измерения магнитной индукции находит широкое применение до настоящего времени (см. § 62).

Кроме нелинейной зависимости между Н и (или между Н и В), для ферромагнетиков характерно также наличие гистерезиса. Если довести намагничение до насыщения (точка 1 на рис. 59.2) и затем уменьшать напряженность магнитного поля, то индукция В следует не по первоначальной кривой 0—1, а изменяется в соответствии с кривой . В результате, когда напряженность внешнего поля станет равной нулю (точка 2), намагничение не исчезает и характеризуется величиной которая называется остаточной индукцией.

Рис. 59.1.

Рис. 59.2.

Намагниченность имеет при этом значение называемое остаточной намагниченностью.

Индукция В обращается в нуль лишь под действием поля имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничение. Напряженность называется коэрцитивной силой.

Существование остаточной намагниченности делает возможным изготовление постоянных магнитов, т. е. тел, которые без затраты энергии на поддержание макроскопических токов обладают магнитным моментом и создают в окружающем их пространстве магнитное поле. Постоянный магнит тем лучше сохраняет свои свойства, чем больше коэрцитивная сила материала, из которого он изготовлен.

При действии на ферромагнетик переменного магнитного поля индукция изменяется в соответствии, с кривой 1—2—3—4—5—1 (рис. 59.2), которая называется петлей гистерезиса (аналогичная петля получается и на диаграмме ). Если максимальные значения Н таковы, что намагниченность достигает насыщения, получается так называемая максимальная петля гистерезиса (сплошная петля на рис. 59.2).

Если при амплитудных значениях насыщение не достигается, получается петля, называемая частным циклом (пунктирная петля на рисунке). Частных циклов существует бесконечное множество, все они лежат внутри максимальной петли гистерезиса.

Гистерезис приводит к тому, что намагничение ферромагнетика не является однозначной функцией Я; оно в сильной мере зависит от предыстории образца — от того, в каких полях он побывал прежде. Например, в поле напряженности (рис. 59.2) индукция может иметь любое значение в пределах от до

Из всего сказанного о ферромагнетиках следует, что они очень похожи по своим свойствам на сегнетоэлектрики (см. § 23).

В связи с неоднозначностью зависимости В от Н понятие магнитной проницаемости применяется лишь к основной кривой намагничения. Магнитная проницаемость ферромагнетиков (а следовательно, и магнитная восприимчивость ) является функцией напряженности поля. На рис. 59.3,а изображена основная кривая намагничения. Проведем из начала координат прямую линию, проходящую через произвольную точку кривой. Тангенс угла наклона этой прямой пропорционален отношению т. е. магнитной проницаемости для соответствующего значения напряженности поля. При увеличении Я от нуля угол наклона (а значит и ) сначала растет. В точке 2 он достигает максимума (прямая 0—2 является касательной к кривой), а затем убывает. На рис. 59.3,б дан график зависимости от . Из рисунка видно, что максимальное значение проницаемости достигается несколько раньше, чем насыщение. При неограниченном возрастании Я проницаемость асимптотически приближается к единице. Это следует из того, что в выражении не может превысить значения

Величины В, (или ), являются основными характеристиками ферромагнетика. Если коэрцитивная сила велика, ферромагнетик называется жестким. Для него характерна широкая петля гистерезиса. Ферромагнетик с малой (и соответственно узкой петлей гистерезиса) называется мягким. В зависимости от назначения берутся ферромагнетики с той или иной характеристикой. Так, для постоянных магнитов употребляются жесткие ферромагнетики, а для сердечников трансформаторов — мягкие. В табл. 59.1 приведены характеристики нескольких типичных ферромагнетиков.

Рис. 59.3.

Таблица 59.1

Основы теории ферромагнетизма были созданы Я. И. Френкелем и В. Гейзенбергом в 1928 г. Из опытов по изучению магнитомеханических явлений (см. § 56) следует, что ответственными за магнитные свойства ферромагнетиков являются собственные (спиновые) магнитные моменты электронов. При определенных условиях в кристаллах могут возникать силы, которые заставляют магнитные моменты электронов выстраиваться параллельно друг другу. В результате возникают области спонтанного (самопроизвольного) намагничения, которые называют также доменами. В пределах каждого домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом. Направления этих моментов для разных доменов различны (рис. 59.4), так что в отсутствие внешнего поля суммарный момент всего тела равен нулю. Домены имеют размеры порядка 1 —10 мкм.

Действие поля на домены на разных стадиях процесса намагничения оказывается различным. Вначале, при слабых полях, наблюдается смещение границ доменов, в результате чего происходит увеличение тех доменов, моменты которых составляют с Н меньший угол, за счет доменов, у которых угол между векторами и Н больше. Например, домены 1 и 3 (рис. 59.4) увеличиваются за счет доменов 2 и 4. С увеличением напряженности поля этот процесс идет все дальше и дальше, пока домены с меньшими Ф (которые обладают в магнитном поле меньшей энергией) не поглотят целиком энергетически менее выгодные домены. На следующей стадии имеет место поворот магнитных моментов доменов в направлении поля. При этом моменты электронов в пределах домена поворачиваются одновременно, без нарушения их строгой параллельности друг другу. Эти процессы (исключая небольшие смещения границ между доменами в очень

Рис. 59.4.

Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура при которой области спонтанного намагничения распадаются и вещество утрачивает ферромагнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри. Для железа она равна 768°С, для никеля 365°С. При температуре выше точки Кюри ферромагнетик становится обычным парамагнетиком, магнитная восприимчивость которого подчиняется закону Кюри — Вейсса

(ср. с формулой (58.1)). При охлаждении ферромагнетика ниже точки Кюри в нем снова, возникают домены.

В некоторых случаях обменные силы приводят к возникновению так называемых антиферромагнетиков (хром, марганец и др.). Существование антиферромагнетиков было предсказано Л. Д. Ландау в 1933 г. В антиферромагнетиках собственные магнитные моменты электронов самопроизвольно ориентированы антипараллельно друг другу. Такая ориентация охватывает попарно соседние атомы. В результате антиферромагнетики обладают крайне малой магнитной восприимчивостью и ведут себя как очень слабые парамагнетики. Для антиферромагнетиков также существует температура Ты, при которой антипараллельная ориентация спинов исчезает. Эта температура называется антиферро-магнитной точкой Кюри или точкой Нееля. У некоторых антиферромагнетиков (например, у эрбия, диспрозия, сплавов марганца и меди) таких температур две (верхняя и нижняя точки Нееля), причем антиферромагнитные свойства наблюдаются только при промежуточных температурах. Выше верхней точки вещество ведет себя как парамагнетик, а при температурах, меньших нижней точки Нееля, становится ферромагнетиком.