ВУЗы по физике Готовые работы по физике Как писать работы по физике Примеры решения задач по физике Решить задачу по физике онлайн

Особенности намагничивания ферромагнетиков


В кристаллах магнетиков с сильным магнитным взаимодействием магнитные моменты «чувствуют» друг друга и при температурах ниже критического значения «выстраиваются» относительно друг друга так, что их направления регулярно повторяются в пространстве, то есть образуется магнитная структура. При температурах выше критической тепловые возбуждения «разбивают» эту структуру, и магнитный порядок теряется.

Опыт показывает, что поведение макроскопических характеристик «сильных» магнетиков значительно сложнее, чем линейных. Их магнитные восприимчивость и проницаемость зависят от внешнего поля :

Поэтому эти магнетики называются нелинейными.

Во всех нелинейных магнетиках при температурах ниже критической возникает магнитное упорядочение в отсутствие магнитного поля. Но квантовомеханическое взаимодействие в разных магнетиках приводит к разным результатам. В одних упорядоченные атомные магнитные моменты направлены в противоположные стороны. Поэтому намагниченность равна 0. В других атомные моменты направлены в одну сторону. В результате, в отсутствие внешнего поля возникает спонтанная намагниченность очень большой величины. Такие вещества называются ферромагнетиками. Температура, при которой в ферромагнетике устанавливается ферромагнитное упорядочение и связанная с ним спонтанная намагниченность, называется температурой Кюри (ТК).

Ярким примером ферромагнетика является Fe, ТК которого равна 770оС. Многие предметы вокруг нас сделаны из этого материала, в том числе и постоянные магниты, демонстрирующие спонтанную намагниченность. Но гораздо больше мы видим ненамагниченных железных тел при температурах значительно более низких, чем ТК. В чем же дело?

Металлические тела большого размера представляют собой поликристаллы, то есть состоят из большого количества монокристаллов маленького размера (10-3¸10-2 см), называемых кристаллитами. Можно было бы думать, что спонтанная намагниченность ферромагнетика в определенном направлении устанавливается в пределах одного кристаллита, и взаимная разупорядоченность направлений между кристаллитами приводит к отсутствию намагниченности всего поликристалла. На самом деле, монокристалл железа тоже будет демонстрировать отсутствие намагниченности.

Дело в том, что вместе с квантовомеханическим взаимодействием между атомными моментами имеет место и классическое взаимодействие, аналогичное отталкиванию одинаковых полюсов магнитов. Выстроенные в ряд одинаковые магниты постараются через один перевернуться так, чтобы между двумя красными оказался синий полюс. Таким образом, внутри ферромагнетика возникает «противоборство» между квантовым и классическим межатомным взаимодействием, которое разрешается путем разбиения объема кристалла на множество мелких объемов, называемых доменами, размер которых составляет 10-5¸10-4 см. Спонтанная ферромагнитная намагниченность устанавливается только в пределах одного домена (рис.21.7), и отсутствие намагниченности в масштабах всего ферромагнетика объясняется разупорядоченностью не кристаллитов, а доменов, которые имеют существенно меньший размер.

Рис.21.7

При рассмотрении воздействия внешнего поля на ферромагнетик нужно принять во внимание, что спонтанная намагниченность , возникающая в пределах домена, во много раз больше внешнего поля . Тем не менее, существование этого внешнего фактора делает домены, ориентированные в направлении внешнего поля, немного более выигрышными, чем остальные. Фактически, воздействие внешнего поля начинает «бороться» против классического магнитного взаимодействия. Сначала с увеличением величины Н увеличивается объем «правильно» ориентированных доменов путем передвижения междоменных границ. А затем внешнее поле заставляет переориентироваться «неправильно» ориентированные домены. Таким образом, внешнее поле Н оказывает управляющее воздействие на внутренние, гораздо большие по величине, поля М, подобно тому, как полководец руководит массами людей, значительно превосходящими его по суммарной физической силе. В результате, при возникновении заметной намагниченности в масштабах всего ферромагнетика

.

Поэтому , то есть ферромагнетик «работает» как мощный усилитель поля.

§21.9. Особенности намагничивания ферромагнетиков

Если ферромагнетик намагничивается из состояния М=0, то зависимость М(Н) называется кривой начального намагничивания и имеет вид, представленный на рисунке. Нелинейный характер зависимости является следствием смены ведущих механизмов в процессе намагничивания. В результате можно выделить четыре области значений Н, соответствующих различным механизмам.

Рис.21.8

I. Малая величина внешнего поля. Плавное (обратимое) перемещение границ доменов. При снятии внешнего поля домены принимают свой прежний вид.

II. Необратимое движение границ доменов. Дефекты кристаллической структуры препятствуют обратимому движению доменов. Сопротивление преодолевается внешним полем большего значения. При его снятии дефекты препятствуют возврату стенок в прежнее состояние.

III. Необратимый переворот ориентации доменов

IV. Состояние насыщения, которое достигается при значении внешнего поля, равного полю насыщения HS (от английского слова saturation — насыщение). Все атомные магнитные моменты ориентированы по внешнему полю, М перестаёт зависеть от Н и приобретает своё максимальное значение МS.

Термин «необратимое», «необратимый», несколько раз употреблявшийся только что, означает, что у ферромагнетиков не существует однозначной зависимости М(Н).

Если за пределами обратимой области I внешнего поля начать уменьшать Н, то М не будет повторять прежние значения в обратном порядке, а пойдет по новой ветви, «отстающей» от ветви обратимого размагничивания. Т. е. реакция системы на внешнее воздействие не будет определяться только внешним воздействием, но также и состоянием, в котором она испытывает это внешнее воздействие. Отсюда следует, что будущее системы зависит от ее прошлых состояний и, следовательно, от того, какие воздействия испытывала система в прошлом. Значит, система обладает памятью. Экспериментально измеренное поведение ферромагнетика при циклическом перемагничивании за пределами обратимости демонстрирует петлю гистерезиса (петлю отставания) отклика системы на внешнее поле. Каждая из петель, приведенных на рисунке 21.9, соответствует своему максимальному значению внешнего поля Hmax, и получена в результате его постепенного увеличения. Вершины петель, соответствующих различным амплитудным значениям внешнего поля, образуют кривую, называемую основной кривой намагничивания. Она практически точно воспроизводит кривую начального намагничивания.

Уменьшение Hmax приведет к петле, которая не воспроизведет в точности никакую петлю из семейства, представленного на предыдущем рисунке, но в целом окажется ближе к началу координат. Постепенное уменьшение амплитуды внешнего поля приведет к «стягиванию» петли к началу координат и к размагничиванию ферромагнетика до 0 (рис.21.10). Таким образом, из намагниченного в полностью размагниченное состояние вернуться можно только по спирали.

Увеличение Hmax до значения поля насыщения HS приведет к предельной петле гистерезиса (рис.21.11). Быстрое уменьшение внешнего поля до 0 из состояния с Н=HS приведет не к нулевому значению намагниченности, а к ее конечному значению Mr, которое называется остаточной намагниченностью (residual — остаточный). Соответствующее значение магнитной индукции Br=m0×Mr называется остаточной индукцией. Именно остаточные намагниченность и индукция являются основной чертой постоянных магнитов и представляют собой память системы о прошлых воздействиях в их отсутствие (например, в магнитофонной записи).

Для того, чтобы намагниченность и магнитная индукция в предельной петле стали равными 0 необходимо изменить направление внешнего поля и увеличить его до величины НС, которая называется коэрцитивной силой. Она определяет ширину предельной петли гистерезиса, а следовательно, вместе с остаточной намагниченностью, и ее площадь. Элементарная работа окружения по однородному намагничиванию единицы объёма магнетика имеет выражение:

.

Наташа

Автор

Наташа — контент-маркетолог и блогер, но все это не мешает ей оставаться адекватным человеком. Верит во все цвета радуги и не верит в теорию всемирного заговора. Увлекается «нефрохиромантией» и тайно мечтает воссоздать дома Александрийскую библиотеку.

Другие статьи


Распродажа дипломных

Скидка 30% по промокоду Diplom2020

А ты боишься COVID-19?

Пройди опрос и получи промокод