Ферромагнетизм

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. В результате исследования магнитных сплавов и химических соединений было обнаружено, что некоторые сплавы из неферромагнитных элементов при определенном соотношении между компонентами обладают сильным ферромагнетизмом. Таковы сплавы марганец-висмут, марганец-сурьма, хром-теллур и др. Магнитная проницаемость большинства ферромагнетиков при обычных температурах измеряется многими сотнями и тысячами единиц, а у некоторых специально приготовленных и обработанных ферромагнетиков она достигает миллиона.

Для слабомагнитных веществ зависимость () линейна (см. (34.8) и рисунок 49).

Ферромагнетики помимо высокой магнитной проницаемости обладают еще и другими свойствами, существенно отличающими их от диа- и парамагнетиков. Характерной особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость () или ().

На рисунке 49 дана кривая намагничивания ферромагнетика, из исходно размагниченного состояния. 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. Кривая намагничивания впервые была установлена в 1878 г. русским физиком А.Г.Столетовым для железа.

Магнитная индукция В = m₀(Н + J) также растет с увеличением Н, а после достижения состояния магнитного насыщения В продолжает расти с увеличением Н по линейному закону: В = m₀Н + const, где const = m₀J_нас. На рисунке 50 приведена кривая намагничивания на диаграмме В(Н).

Ввиду нелинейной зависимости В(Н) для ферромагнетиков нельзя ввести магнитную проницаемость m как определенную постоянную величину, характеризующую магнитные свойства данного ферромагнетика. Однако, по-прежнему считают, что m = В/m₀Н, при этом m является функцией Н (см. рисунок 51). Кривая зависимости m от Н возрастает с увеличением напряженности поля от начального значения до некоторой максимальной величины m_макс, но затем, после прохождения через максимум, m уменьшается и асимптотически стремится к значению, очень близкому к единице. Заметим, что понятие магнитной проницаемости применяют только к кривой намагничивания, так как зависимость В(Н) неоднозначна.

Указанные особенности намагничивания ферромагнетиков показывают, что использование ферромагнетиков для получения сильных магнитных полей весьма эффективно в области намагничивания, далеких от насыщения. В случае очень сильных полей наступает магнитное насыщение, и применение ферромагнетиков делается практически бесполезным.

Характерная особенность ферромагнетиков состоит также в том, что для них зависимость J от Н (а, следовательно, и В от Н) определяется предшествующей историей намагничивания ферромагнетика. Это явление получило название магнитного гистерезиса. Если намагнитить ферромагнетик до насыщения (точка 1, рисунок 52), а затем начать уменьшать напряженность Н намагничивающего поля, то, как показывает опыт, уменьшение J описывается кривой 1-2, лежащей выше кривой 0-1. При Н = 0 значение J отличается от нуля, т. е. в ферромагнетике наблюдается остаточная намагниченность J_ост.

Наличие остаточной намагниченности позволяет изготовлять из ферромагнетиков постоянные магниты. Намагниченность обращается в нуль под действием магнитного поля величиной Н_с, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Напряженность Н_с называется коэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3-4), и в точке 4 достигается насыщение. Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (кривая 4-5-6) и вновь намагнитить до насыщения (кривая 6-1). В точках 1 и 4 векторы имеют противоположные направления.

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 намагниченность ферромагнетика не является однозначной функцией Н, т. е. одному и тому же значению Н соответствует несколько значений J.

Различные ферромагнетики характеризуются разными гистерезисными кривыми. Ферромагнетики с малой (в пределах от нескольких тысячных до 1 - 2 А/см) коэрцитивной силой Н_с (с узкой петлей гистерезиса) называются магнитомягкими, а с большой (от нескольких десятков до нескольких тысяч ампер на сантиметр) коэрцитивной силой (с широкой петлей гистерезиса) - магнитожесткими. Величины Н_с, J_ост и m_макс определяют применимость ферромагнетиков для тех или иных практических целей. Так, магнитожесткие ферромагнетики (например, сплавы на основе соединений SmCo₅, Nd₂Fe₁₄B, углеродистые и вольфрамовые стали) применяются для изготовления постоянных магнитов, а магнитомягкие (например, аморфное железо, сплавы железа с никелем) - для изготовления сердечников трансформаторов.

Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура, называемая температурой или точкой Кюри, при которой он теряет свои ферромагнитные свойства. При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. Переход вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное состояние, происходящий в точке Кюри, не сопровождается поглощением или выделением теплоты. Температуры Кюри для некоторых веществ имеют следующие значения: кобальт – 1 150 ⁰С, железо – 770 ⁰С, 78 % -ный пермаллой (сплав 22 % Fe, 78 % Ni) – 550 ⁰С, никель – 360 ⁰С, гадолиний – 17 ⁰С.

Процесс намагничивания ферромагнетиков сопровождается изменением его линейных размеров и объема, т.е. его деформацией. Возникающие при этом деформации весьма малы: относительные удлинения образца ферромагнетика в полях порядка 10³ А/см обычно имеет порядок 10^-5-10^-6. Это явление было открыто в середине 19 века Джоулем и получило название магнитострикции. Магнитострикцию используют подобно обратному пьезоэлектрическому эффекту для устройства мощных излучателей ультразвуковых волн и для других целей. Величина и знак эффекта зависят от напряженности Н намагничивающего поля, от природы ферромагнетика и ориентации его кристаллографических осей по отношению к полю.