Ферромагнетизм. Ферромагнетики.  

Вещества, образующие третью группу и называемые ферромагнетиками, представляют наибольший интерес для науки и техники. Явление ферромагнетизма известно человечеству уже более трех тысячелетий, а первые упоминания о ферромагнитных материалах встречаются в древних китайских рукописях, относящихся к 1110 г. до нашей эры. Там говорится о том, что при дворе китайского императора мастера умели строить магнитные дорожные колесницы. На колеснице находилась деревянная фигурка, вытянутая рука которой всегда указывала на юг, не давая путешественнику сбиться с пути. По сути дела, колесница представляла собой магнитный компас оригинальной конструкции. Известно, что в Древней Греции и Древнем Риме опыты с магнитом показывались фокусниками на базарах и празднествах. Огромное впечатление производил на зрителей такой опыт: медную чашу наполняли железными опилками, затем внизу водили куском магнита – опилки приходили в движение, вздымались и двигались. Этот опыт превосходно описан великим римским ученым Лукрецием Каром в его поэме «О природе вещей»:

Видеть случалося мне, как прыгают в медных сосудах

Самофракийские кольца с железа опилками вместе,

Бурно бушуя, когда под сосудом камень магнитный,

Словно скорей убежать они жаждут от этого камня.

Ферромагнетики – твердые кристаллические вещества, обладающие самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. Атомы (молекулы) таких веществ обладают отличным от нуля магнитным моментом. В отсутствие внешнего поля магнитные моменты в пределах больших областей ориентированы одинаково (подробнее об этом будет сказано далее). В отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков ферромагнетики - это сильномагнитные  вещества. Их внутреннее магнитное поле может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее. Для ферромагнетиков χ и μ положительны и могут достигать очень больших значений, порядка ~103. Только ферромагнетики могут быть постоянными магнитами.

Почему же ферромагнитные тела обнаруживают столь сильную намагниченность? Почему в них тепловое движение не мешает установлению порядка в расположении магнитных моментов? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим некоторые важные свойства ферромагнетиков.    

• Для ферромагнетиков  зависит от  нелинейно (рис. 2.9). Предположим, что при Н=0 начальный магнитный момент ферромагнетика также был равен нулю. Вместе с ростом напряженности поля начинается резкое нелинейное нарастание намагниченности , и уже в полях порядка нескольких эрстед (1 эрстед=103/4π А/м) J достигает насыщения и не изменяется с дальнейшим увеличением . Данная кривая называется основной или нулевой кривой намагничивания, так как первоначально намагниченность была нулевой. Такая зависимость впервые была получена и исследована русским ученым А.Г.Столетовым (1872 г.) в его докторской диссертации.

Если мы изобразим основную кривую намагничивания в координатах (В,Н) (рис.2.10, кривая 0-1), то получим несколько другую картину: так как , то при достижении значения  Jнас, магнитная индукция  продолжает расти вместе с ростом  линейно:

 = μ0 + const,   const = μ0 Jнас.

•  Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса (от греч.hysteresis – отставание, запаздывание).

Доведем намагниченность тела до насыщения, повышая напряженность внешнего поля (рис. 2.10, точка 1), а затем будем уменьшать Н. При этом зависимость В(Н) следует не первоначальной кривой 0-1, а новой кривой 1-2. При уменьшении напряженности до нуля намагниченность вещества и магнитная  индукция исчезнут. При Н=0 магнитная индукция имеет ненулевое значение Вост, которое называется остаточной индукцией. Намагниченность Jост, соответствующая Вост, называется остаточной намагниченностью, а ферромагнетик приобретает свойства постоянного магнита. Вост и Jост обращаются в нуль лишь под действием поля, противоположного по направлению первоначальному. Значение напряженности поля Нс, при котором остаточные намагниченность и индукция обращаются в нуль, называется коэрцитивной силой (от лат. coercitio - удержание). Продолжая действовать на ферромагнетик переменным магнитным полем, получим кривую 1-2-3-4-1, называемую петлей гистерезиса. В данном случае реакция тела (В или J) как бы отстает от вызывающих ее причин (Н).

Существование остаточной намагниченности делает возможным изготовление постоянных магнитов, потому что ферромагнетики с Вост ≠ 0 обладают постоянным магнитным моментом и создают в окружающем их пространстве постоянное магнитное поле. Такой магнит тем лучше сохраняет свои свойства, чем больше коэрцитивная сила материала, из которого он изготовлен. Магнитные материалы принято делить по величине Нс на магнитно-мягкие (т.е. с малой Нс  порядка 10-2 А/м и соответственно с узкой петлей гистерезиса) и магнитно-жесткие (Нс~105 А/м и широкая петля гистерезиса). Магнитно-мягкие материалы требуются для изготовления трансформаторов, сердечники которых постоянно перемагничиваются переменным током. Если сердечник трансформатора будет обладать большим гистерезисом, он будет нагреваться при перемагничивании, на что будет напрасно расходоваться энергия. Поэтому для трансформаторов требуются по возможности безгистерезисные материалы. К ферромагнетикам с узкой петлей гистерезиса относятся сплавы железа с никелем или железа с никелем и молибденом (пермаллой и супермаллой).

Магнитно-жесткие материалы (к ним относятся углеродистые, вольфрамовые, хромовые и алюминиево-никелевые стали) служат для изготовления постоянных магнитов.

Остаточная постоянная намагниченность будет существовать бесконечно долго, если не подвергать ферромагнетик действию сильных магнитных полей,  высоких температур и деформации. Вся информация, записанная на магнитных лентах – от музыкальных до видеопрограмм, – сохраняется благодаря этому физическому явлению.

• Существенной особенностью ферромагнетиков являются огромные величины магнитной проницаемости и магнитной восприимчивости. Например, для железа μмах ≈ 5000, для пермаллоя – 100000, для супермаллоя – 900000. Для ферромагнетиков величины магнитной восприимчивости и магнитной проницаемости являются функциями напряженности магнитного поля Н (рис.2.11). С ростом напряженности поля значение μ сначала быстро возрастает до μмах, а затем уменьшается, приближаясь к значению μ=1 в очень сильных полях. Поэтому, хотя формула В = μμ0Н остается справедливой и для ферромагнитных веществ, линейная зависимость между В и Н нарушается.
• В середине XIX в. было открыто два магнитомеханических эффекта, свойственных ферромагнетикам. Первый из них – это магнитострикция – изменение формы и размеров тела при его намагничивании. Магнитострикция была обнаружена Джоулем в 1842 году. Явление магнитострикции используется в такой специфической области техники, как подводная сигнализация и определение глубин морей при конструкции приборов, называемых эхолотами.

Второй магнитомеханический эффект – это эффект Виллари – изменение и даже исчезновение остаточной намагниченности тела при его сотрясении или деформации (открыт Э.Виллари в 1865 г.). Именно из-за этого постоянные магниты следует предохранять от ударов.

• Аналогично деформации на ферромагнетики действует нагревание. С повышением температуры остаточная намагниченность начинает уменьшаться, вначале слабо, а затем, при достижении некоторой достаточно высокой температуры, характерной для каждого ферромагнетика, происходит резкий спад намагниченности до нуля. Тело при этом становится парамагнетиком. Температура, при которой происходит такое изменение свойств, называется точкой Кюри, в честь открывшего ее П.Кюри. Для железа точка Кюри равняется 770ºС, для кобальта - 1130ºС, для никеля - 358ºС, для гадолиния - 16ºС. Этот переход не сопровождается выделением или поглощением тепла и является фазовым переходом II рода. Все эти явления находят свое объяснение при рассмотрении структуры ферромагнетиков.