<<
>>

2.8. Сильномагнитные вещества. Кривая намагничивания, гистерезис

Помимо пара- и диамагнетиков, магнитные свойства кото­рых могут наблюдаться лишь в специально поставленных экс­периментах, существуют ещё вещества, у которых магнитная проницаемость m >> 1, и значит магнитное поле в таких веществах существенно больше — внешнего магнитного поля.

Сильномагнитные вещества, также, как парамаг­нетики, втягиваются в магнитное поле. Только сила этого втягивания значительно больше. Если для алюминия, напри­мер, сила составляет 17·10–5 Н, то для железа она будет больше почти на 5 порядков и составит 4 Н (цифры указаны для образцов массой в 1 г при действии одного и того же поля). Такими веществами являются железо, никель, кобальт и некоторые редкоземельные элементы. Соединения и сплавы указанных выше элементов также обладают уникальными магнитными свойствами.

Эти свойства проявляются не при любых температурах: для каждого элемента есть темпера­тура, ниже которой вещество становится сильномагнитным, а выше этой температуры оно — обыкновенный парамагнетик. Эта темпера­тура носит название точки Кюри (по имени Пьера Кюри, который перед тем, как заняться изучением радиоактивности, ис­следовал магнитные свойства вещества). Точка Кюри для железа со­ставляет 768 °С, а у никеля она вдвое ниже — 365 градусов. Процесс перехода сильномагнитного вещества в парамагнетик обра­тим: при охлаждении ниже точки Кюри парамагнетик вновь становится сильномагнитным.

Помимо большого значения магнитной проницаемости сильномагнитные вещества обладают свойством сохранять намагни­ченность при удалении из намагничивающего поля. И, наконец, третье, отличающее их свойство: магнитная проницаемость m, следовательно, и восприимчивость c для них не являются однозначными величинами. Эти магнитные характеристики могут при совершенно одинаковых условиях принимать не одно, а два–три значения в зависимости от того, в каком намагничивающем поле побывало сильномагнитное вещество до изменения условий, т.

е. имеет место "эффект памяти" — гистерезис.

Эти свойства сильномагнитных веществ объясняются наличием в них самопроизвольно намагниченных малых областей, называемых домeнами. Причина их существования кроется в особенностях строения электронных оболочек их атомов. При отсутствии магнитного поля каждая область имеет своё направление вектора намагничения, и в сумме они компенсируют друг друга. При наложении внешнего поля домeны ориентируются по его направлению, создавая суммарное добавочное поле, более сильное, чем поле, которое может создать ориентация отдельных атомов.

Сохранение намагниченности с точки зрения домeнной структуры объясняется наличием сил внутреннего трения между областями. Эти силы препятствуют изменению ориентации доменов и называются коэрцитивными. Для их преодоления образец следует поместить в магнитное поле, обратное по направлению к намагничивающему полю. Удары и встряхивание намагниченного вещества также приводят к дезориентации доменов, т.е. к размагничиванию.

Размеры доменов достаточно велики, и их можно наблюдать в микроскоп, если на шлифованную поверхность ферромагнетика нанести железные опилки, которые расположатся по границам доменов.

Ориентация магнитных моментов атомов в пределах одного домена для разных сплавов и соединений бывает различной. Например: моменты всех атомов одинаковы и ориентированы в одну сторону; или наоборот — моменты разнородных атомов не равны друг другу и ориентированы противоположно. Возможны и другие варианты. В зависимости от характера ориентации моментов отдельных атомов сильномагнитные вещества делят на классы: ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики и антиферримагнетики. Самый распространённый из них — первый. И по его названию чаще всего именуют сильномагнитные вещества.

Зависимость магнитной индукции В от внешнего намагничивающего поля H для сильномагнитных веществ носит сложный характер, так как их магнитная проницаемость, в отличие от пара- и диамагнетиков, не постоянна, а зависит от напряжённости магнитного поля.

Поэтому в таблицах приводят приблизительную область значений магнитной проницаемости, а точное значение m следует определять по кривой намагничивания (рис. 2.23), снятой персонально для каждой марки стали или любого другого ферромагнетика.

На приведённой кривой легко можно видеть три области, в каждой из которых быстрота возрастания внутреннего поля различна. На первом, самом коротком участке кривой происходит смещение границ доменов, ориентированных благоприятно по отношению к внешнему намагничивающему полю, и их рост (рис. 2.24) за счёт соседних доменов.

Второй участок кривой, участок наиболее интенсивного роста, связан с разворотом доменов по внешнему намагничивающему полю. И, наконец, на последнем участке идёт увеличение ориентации магнитных моментов атомов внутри доменов, так называемый парапроцесс.

Важной особенностью ферромагнетиков (и всех остальных сильномагнитных веществ) является наличие гистерезиса — зависимости магнитной индукции не только от величины намагничивающего поля, но и от того, в каком поле он был ранее.

На рис. 2.25 вы без труда найдёте кривую намагничивания из рис. 2.23 — это кривая 0а. Она соответствует изменению поля В в ферромагнетике в случае, когда образец впервые попал в магнитное поле Н. Если начать уменьшать поле H после того, как достигнуто насыщение поля В, то магнитная индукция будет спадать по другой кривой, по ab до значения магнитной индукции, равной 0b. Это — остаточная намагниченность, сохраняющаяся в образце и при отсутствии внешнего намагничивающего поля. В процессе размагничивания (уменьшения поля) тем же значениям Н соответствуют бoльшие значения индукции В.

Чтобы снять остаточную намагниченность, нужно наложить на образец поле, противоположное по отношению к первоначальному направлению. При напряжённости этого поля, равной 0с, магнитная индукция становится равной нулю. Напряжённость 0с называется коэрцитивной силой.

При дальнейшем возрастании внешнего поля процесс намагничивания повторяется в обратном направлении.

В точке a' вновь наступает насыщение, при котором ориентация самих доменов и атомов внутри них уже увеличиваться не может. При уменьшении Н процесс изменения магнитной индукции повторяется (кривая a'b'c'a), петля гистерезиса замыкается. В результате явления гистерезиса одному и тому же значению напряжённости Н будет соответствовать два значения магнитной индукции В (см. рис. 2.25). Для каждого вещества характерна своя петля гистерезиса. Принято различать мягкие (а) и жёсткие (б) магнитные материалы, гистерезисы которых показаны на рис. 2.26. У мягких магнитных материалов коэрцитивная сила невелика, поэтому из них делают сердечники трансформаторов, электромоторов, т.е. используют там, где необходимо быстрое перемагничивание. Жёсткие материалы размагничиваются трудно и поэтому используются для изготовления постоянных магнитов.

В настоящее время в качестве магнитных материалов наряду с кристаллическими веществами применяются аморфные магнетики.. Иначе их еще называют металлическими стеклами. Это сплавы и металлы, не имеющие кристаллической структуры, аморфные. Их химический состав эквивалентен обычным, хорошо известным сплавам.

Кристаллическая структура в аморфных металлах отсутствует из–за особенностей их перехода в твёрдое состояние из расплава: при очень быстром охлаждении (~ 1000 К/с) кристаллическая решётка не успевает образоваться. Такие скорости охлаждения достижимы только в очень тонком слое, поэтому аморфные металлы получают исключительно в виде ленты толщиной до 0,05 мм.

Особенности магнитных свойств аморфных сплавов хорошо заметны на петлях гистерезиса, представленных на рис. 2.27: а) для сплава Fe-P-C, б) для Co-P. Первый сплав может быть использован в качестве ячейки памяти: у него большая остаточная намагниченность и совсем нет коэрцитивной силы, что позволяет без затраты энергии стереть прежнюю информацию и записать новую. Сплав Co-P лишен и остаточной намагниченности и коэрцитивной силы. Усиление же магнитного поля в его присутствии существенно. Этот сплав, использованный в качестве сердечника трансформатора, исключает потери энергии на перемагничивание.

Здесь уместно коснуться еще одного вопроса, вернувшись к параграфу 2.5, рис. 2.15 и уравнениям (2.31). Ясно, что механический момент импульса и магнитный момент возникают одновременно при вращении заряженного тела. Эта их органическая связь лежит в основе магнитомеханических явлений. Примерами могут служить описанный выше опыт Эйнштейна — де-Гааза, когда ориентация магнитных моментов атомов во внешнем поле приводит к повороту ферромагнитного стержня, и эффект Барнетта — намагничивание ферромагнетиков при их вращении в отсутствии магнитного поля.

Глубокая внутренняя связь магнитных и механических явлений особенно ярко проявляется в ферромагнетиках. Связь эта, пока чисто эмпирическая, получила применение на практике. Созданы магнитные дефектоскопы, которые по изменению магнитной проницаемости дают возможность судить о механических дефектах материала. Эта связь проявилась и в аморфных металлах. Их уникальные магнитные свойства сопровождаются и уникальными механическими свойствами — прочность металлических стекол в десятки тысяч раз больше прочности этих же марок сталей, но имеющих кристаллическую структуру, т.е. получаемая в опытах прочность близка к теоретической.

<< | >>
Источник: Н.М. Соколова, В.И. Биглер. ФИЗИКА. Курс лекций. Часть 3. Челябинск. Издательство ЮурГУ. 2002

Еще по теме 2.8. Сильномагнитные вещества. Кривая намагничивания, гистерезис:

  1. Характеристики порошка аморфного бора
  2. Заключение
  3. Синтаксический рисунок художественного и научного текста
  4. Расчет пластинок в виде частей круга методом масштабирования
  5. Зависимость пропускания, поглощения и рассеяния света от объемных дефектов структуры и оптической однородности кристаллов.
  6. 3. Органы и должностные лица, применяющие меры административного принуждения
  7. Тема 16. Производство по делам об административных правонарушениях
  8. 3.1. Формирование стратегии развития системы персональных финансов
  9. ГЛОССАРИЙ
  10. Анализ содержания учебного материала школьных учебников с позиции их ориентации на достижение личностных результатов обучения