§ 42. ПОНЯТИЕ О ФЕРРОМАГНЕТИЗМЕ

Ферромагнетиками являются, например, железо (сталь), никель, кобальт, некоторые редкоземельные элементы и их сплавы. Вследствие специфических квантовых эффектов электростатическое взаимодействие электронов соседних атомов зависит от направления спинов электронов таким образом, что для некоторых веществ (ферромагнетиков) оно ориентирует все спины параллельно друг другу. В результате возникает спонтанное (самопроизвольное, т. е. без внешнего магнитного поля) намагничение вещества. Правда, в отсутствие внешнего поля размер области, в которой намагничение имеет определенное направление, довольно мал мм). Области эти называются доменами. Соседние домены намагничены, как правило, в противоположных направлениях. Это связано с тем, что магнитные силовые линии одного домена замыкаются через соседние. Таким образом, в отсутствие внешнего поля макроскопический образец ферромагнетика, содержащий большое число доменов, практически не намагничен.

Во внешнем поле домены перемагничиваются в направлении поля, так что в конце концов весь образец намагничивается в одном направлении. Оказывается, что для этого нужны, как правило, сравнительно небольшие внешние поля ( табл. 2) Так как при этом полное поле внутри ферромагнетика , то эффективное . В действительности, последняя величина является весьма условной, так как зависимость не только сильно нелинейна, но и неоднозначна (зависит от предыстории процесса намагничения). Явление это носит название гистерезиса. Он характеризуется так называемой петлей гистерезиса (рис. V.10). Если в начальный момент намагничение полностью отсутствует точка 1), то при увеличении внешнего поля процесс намагничения будет характеризоваться некоторой кривой (1—2), правый край которой выходит практически на плато, называемое насыщением, когда вектор намагничения принимает максимально возможное значение:

Здесь — спиновый магнитный момент электрона, плотность электронов, участвующих в создании спонтанной намагниченности. Полное магнитное поле

Небольшим ростом В за счет Н в области насыщения можно обычно пренебречь и считать, что

Если теперь уменьшать внешнее поле, то процесс размагничения будет описываться уже другой кривой идущей выше

Таблица 2. Характеристики ферромагнетиков

кривой намагничения. В частности, при полном выключении внешнего поля в ферромагнетике сохраняется некоторая остаточная индукция (точка 3). Это остаточное намагничение причиняет немало хлопот конструкторам электромагнитов, особенно когда речь идет о точных приборах. По этой же причине попавшие в магнитное поле часы начинают сильно «врать» вследствие остаточного намагничения стальных деталей.

Чтобы полностью размагнитить ферромагнетик, нужно наложить некоторое обратное поле (точка 4). Величина его называется коэрцитивной силой Если теперь выключить внешнее поле, то ферромагнетик снова намагнитится почти до (точка 5), так что испорченные в магнитном поле часы не так-то просто размагнитить (см. ниже). Если же увеличивать обратное поле дальше точки 4, то мы снова попадем в область насыщения другого знака. Обратная кривая (6—7—2) расположена симметрично кривой (2-4-6).

Неполное размагничение при уменьшении внешнего поля связано со своего рода «трением» соседних доменов. Поэтому при обходе петли гистерезиса энергия магнитного поля частично переходит в тепло. Тепловые потери оказываются пропорциональными площади петли гистерезиса (см. § 46). Так как остаточное намагничение связано с трением, его можно убрать резким ударом — прием, который не очень-то подходит для часов, ускорителей и других точных приборов. Вместо этого размагничение производится обычно в переменном поле, амплитуда которого медленно уменьшается до нуля. Петля гистерезиса при этом стягивается в точку 1.

В табл. 2 приведены основные характеристики ферромагнитных материалов. Величина в таблице определяется как для ветви намагничения (1—2). На рис. V.10 видно, что это проходит через максимум, величина которого и представлена

Рис. V.10. Петля гистерезиса для ферромагнетика.

в таблице. Максимум обычно достигается в сравнительно слабых полях

«Жесткие» ферромагнетики используются для изготовления постоянных магнитов (см. § 43), в то время как «мягкие» материалы применяются в тех случаях, когда нужно избежать остаточных полей, но использовать большое значение

При нагревании ферромагнетика спонтанное намагничение В, ослабляется и выше некоторой температуры исчезает совсем — ферромагнетик превращается в парамагнетик. Температура этого перехода (фазовый переход второго рода) называется точкой Кюри в честь французского физика Пьера Кюри, который впоследствии прославился своими работами по радиоактивности. Любопытно отметить, что «эффект Кюри» открыл еще 300 лет назад Вильямс Гильберт, лейб-медик английской королевы Елизаветы, известный своими исследованиями по магнетизму. Разрушение ферромагнетизма при нагревании объясняется тем, что энергия теплового движения (температура) сравнивается с энергией электростатического взаимодействия «ферромагнитных» электронов.

Отметим, что специфическое взаимодействие электронов, приводящее к спонтанному намагничению вещества, имеет ту же природу, что и так называемые «химические силы» (ковалентные). Основное отличие связано с тем, что для большинства веществ последнее взаимодействие ориентирует спины соседних электронов противоположно друг другу; это приводит к определенной структуре молекул. В ферромагнетиках же спины ориентируются параллельно, вызывая спонтанное намагничение макроскопических областей. Поскольку тип ориентации спинов (например, параллельно или антипараллельно) чувствителен к структуре вещества [5], одни сплавы, содержащие железо или никель, обладают очень сильным ферромагнетизмом, тогда как другие остаются парамагнитными вплоть до самых низких температур. К последним относятся, например, некоторые виды нержавеющих сталей. Интересно отметить, что в деформированном состоянии (при растяжении) эта сталь может стать ферромагнетиком.

Ферромагнитными свойствами могут обладать не только металлы, но и изоляторы, например, некоторые окислы железа, никеля и марганца. Эти вещества называются ферритами. Их удельное сопротивление меняется в широком диапазоне , тогда как, например, для стали оно около Ферриты играют важную роль в радиотехнике из-за отсутствия в них скин-эффекта (см. § 87). Индукция насыщения ферритов заметно меньше, чем для стали типичное

Явление, аналогичное по своей природе ферромагнетизму, имеет место и в диэлектриках, оно так и называется — ферроэлектричество или сегнетоэлектричество. Последний термин связан с тем, что явление было обнаружено впервые для сегнетовой соли. Сегнетоэлектрики также характеризуются большим и нелинейной зависимостью типа петли гистерезиса. Спонтанная поляризация сегнетоэлектриков объясняется тем, что дипольный момент их молекул направлен вдоль электронного спина.