Ферромагнетики

цими явищами є глибоке принципове розходження. У випадку електростатичного захисту металеві стінки можуть бути як завгодно тонкі. Досить, наприклад, посріблити поверхня скляної судини, поміщеного в електричному полі, щоб усередині судини не виявилося електричного поле, що обривається на поверхні металу. У випадку ж магнітного поле тонкі залізні стінки не є захистом для внутрішнього простору: магнітні поле проходять крізь залізо, і усередині судини виявляється деяке магнітне поле. Лише при досить товстих залізних стінках ослаблення поле усередині порожнини може зробитися настільки сильним, що магнітний захист здобуває практичне значення, хоча й у цьому випадку поле усередині не знищується цілком. І в цьому випадку ослаблення поле не є результат обриву його на поверхні заліза; магнітні силові лінії аж ніяк не обриваються, але як і раніше залишаються замкнутими, проходячи крізь залізо.

Мал.6.Порожня залізна куля внесена

в однорідне магнітне тіло

Зображуючи графічно розподіл силових ліній у товщі заліза й у порожнині, одержимо картину мал.7 яка і показує, що ослаблення поле усередині порожнини є результат зміни напрямку силових ліній, а не їхнього обриву.

Особливості феромагнітних тіл. особливістю феромагнітних тіл є їхня здатність до сильного намагнічування, унаслідок якої магнітна проникність цих тіл має дуже великі значення. У заліза, наприклад, величина досягає значень, що у тисячі разів перевершують значення в парамагнітних і діамагнітних речовин. Намагнічування феромагнітних тіл було вивчено в досвідах А. Г. Столетова й інших учених.

Ці досліди показали, поверх того, що, на відміну від парамагнітних і діамагнітних речовин, магнітна проникність феромагнітних речовин сильно залежить від напруженості магнітного поле, при якій роблять її вимір. Так, наприклад, у слабких полях магнітна проникність , залоза досягає значень 5—6 тисяч, а в сильних полях значення , падають до кількох сотень і нижче.

Намагнічування тіла, поміщеного в магнітне поле, наприклад, усередину соленоїда зі струмом, викликає зміна магнітного потоку. Тому величину намагнічування матеріалу можна характеризувати різницею тим часом магнітним потоком, що дає соленоїд з перетином у 1 див², заповнений даною речовиною, і тим потоком, що дає при тім же струмі цей соленоїд без сердечника в повітрі (чи, точніше, у вакуумі). Якщо порожній соленоїд дає потік Фо, а заповнений — потік Ф, то, відповідно до теорії магнітної проникності, Ф= Фо. Таким чином, величина

J=Ф-Фо= ( - 1)*Фо являє собою той додатковий магнітний потік, що створюється намагніченою речовиною. Цю величину ми і будемо називати намагнічуванням даної речовини. Намагнічування залежить від магнітної проникності речовини і від величини потоку Фо, у якому виробляється намагнічування.

Звертається увага на те, що ми вибираємо соленоїд з визначеною площею перетину (1 див²), тому що величина потоку залежить від площі перетину соленоїда.

У розділі магнітна проникність, коли нас цікавило відношення потоків Ф/Фо, ця обставина не мала значення, тому що величина площі перетину входить і в чисельник і в знаменник цього відношення. Але за міру намагнічування ми вибрали різницю цих потоків; тому перетин соленоїда повинен бути цілком визначене і ми умовимося брати його рівним 1 див².

Вивчення залежності намагнічування заліза й інших феромагнітних матеріалів від напруженості зовнішнього магнітного поле виявляє ряд особливостей цих речовин, що мають важливе практичне значення. Візьмемо шматок ненамагніченого заліза, помістимо його в магнітне поле і будемо вимірювати намагнічування заліза J, поступово збільшуючи напруженість зовнішнього магнітного поле H. Намагнічування J зростає спочатку різко, потім усе повільніше і, нарешті, при значеннях H біля кількох сотень ерстед намагнічування перестає зростати:

всі елементарні струми вже орієнтовані, залізо досягло магнітного насичення. Графічно залежність величини J(H) в описуваному досвіді зображується кривої ОА на мал. 8. Горизонтальна частина цієї кривої поблизу А відповідає магнітному насиченню.

Досягши насичення, почнемо послабляти зовнішнє магнітне поле. При цьому намагнічування заліза зменшується, але убування це йде повільніше, ніж раніш йшло його зростання. Залежність між величинами J(H) у цьому випадку зображується галуззю кривий АС на мал. 8. Ми бачимо, таким чином, що тому самому значенню H можуть відповідати різні значення намагнічування (точки х, х и х" на мал. 8) у залежності від того, чи підходимо ми до цього значення з боку малих чи з боку великих значень H. Намагнічування заліза залежить, стало бути, не тільки від того, у якім полі даний шматок знаходиться, але і від попередньої історії цього шматка. Це явище одержало назву магнітного гистерезиса.

Коли зовнішнє магнітне поле стає рівним нулю, залізо продовжує зберігати деяке залишкове намагнічування, величина якого характеризується відрізком ОС нашого графіка. У цьому і полягає причина того, що з чи заліза сталі можна виготовляти постійні магніти.

Для подальшого розмагнічування заліза потрібно прикласти зовнішнє магнітне поле, спрямоване в протилежну сторону. Хід зміни намагнічування J при зростанні напруженості цього протилежно спрямованого поле зображується галуззю CDE кривої. Лише коли напруженість цього поле досягне визначеного значення (у нашому досвіді значення, зображуваного відрізком OD), залізо буде цілком розмагнічена (точка D). Таким чином, величина напруженості що розмагнічує поле (відрізок OD) є мірою того, наскільки міцно утримується стан намагнічування заліза. Її називають коэрцитивной силою. При зменшенні напруженості поле зворотного напрямку і потім при зростанні напруженості поле первісного напрямку хід зміни намагнічування заліза зображується галуззю кривої EC'A. При новому повторенні всього циклу розмагнічування, перемагнічування і повторного намагнічування заліза в первісному напрямку форма цієї кривої повторюється.

Мал. 8. Крива намагнічування залоза: залежність намагнічування I від

напруженості зовнішнього магнітного поле H .

Стрілки вказують напрямок процесу

{Галузь ОА зображує хід намагнічування вихідного ненамагніченого матеріалу і не повторюється при повторних циклах. Для того щоб знову відтворити галузь ОА, необхідно привести матеріал у первісний ненамагнічений стан. Для цього досить, наприклад, сильно нагріти його.}

З мал. 8 видно, що ця крива, що зображує хід залежності намагнічування заліза J від напруженості зовнішнього поле H, має вид петлі. Її називають петлею гистерезиса для даного сорту чи заліза сталі. Форма петлі гистерезиса є найважливішою характемалтикою магнітних властивостей того чи іншого феромагнітного матеріалу.

Зокрема, знаючи її, ми можемо визначити такі важливі характемалтики цього матеріалу, як його магнітне насичення, залишкове намагнічування і коэрцитивную силу.

.

Мал. 9. Криві намагнічування для різних сортів заліза і сталі:

/ — м'яке залізо; 2 — загартована сталь; 3 — незагартована сталь.

На мал. 9 показана форма петлі гистерезиса для різних сортів заліза і сталі. За формою цієї петлі можна вибрати матеріал, що щонайкраще підходить для тієї чи іншої практичної задачі. Так, для виготовлення постійних магнітів необхідний матеріал з великий коэрцитивной силою (сталь і особливо спеціальні сорти кобальтової сталі); для електричних машин і особливо для трансформаторів вигідні матеріали з дуже малою площею петлі гистерезиса, тому що вони, як виявляється, найменше нагріваються при перемагнічуванні; для деяких спеціальних приладів важливі матеріали, магнітне насичення яких досягається при малих полях і т.д.

На відміну від тіл парамагнітних і діамагнітних для ферромагнетиків величина М = Ф/Фо не залишається постійної, а залежить від напруженості зовнішнього що намагнічує поле Н. Ця залежність для магнітного сплаву (пермаллоя) і для м'якого заліза показана на мал.10. Як ми бачимо, дана величина має малі початкові значення в слабких полях, потім наростає до максимального значення і при подальшому збільшенні поле в котушці знову зменшується.

Важливо відзначити, що при досягненні визначеної температури магнітна проникність феромагнітних тіл різко падає до значення, близького до 1. Ця температура, характерна для кожної феромагнітної речовини, зветься точки Кюрі. {Мова йде не про тім нагріванні під дією вихрових струмів Фуко, що випробують усі метали, поміщені в перемінне магнітне поле, але про нагрівання феромагнітних тіл, обумовленому їх перемагнічуванням і зв'язаному зі своєрідним внутрішнім тертям у перемагничиваемом речовині.}

При температурах вище точки Кюрі усі феромагнітні тіла стають парамагнітними. У заліза точка Кюрі дорівнює 767°С, у нікелю 360°С, у кобальту близько 1130°С. У деяких феромагнітних сплавів точка Кюрі лежить поблизу 100°С.

Мал. 10. Залежність від Н у магнітного сплаву пермаллоя (1) і в м'якого заліза (2).

Періодичне перемагнічування феромагнітного зразка зв'язано з витратою енергії на його нагрівання. Площа петлі гистерезиса пропорційна кількості теплоти, що виділяється в одиниця об'єму ферромагнетика за один цикл перемагнічування.

При температурах нижче точки Кюрі феромагнітний зразок розбитий на малі області мимовільної (спонтанної) однорідної намагніченості, називані доменами. Лінійні розміри доменів порядку (10^-5 — 10^-4 м). Усередині кожного домена речовина намагнічена до насичення .

Під час відсутності зовнішнього магнітного поле магнітні моменти доменів орієнтовані в просторі так, що результуючий магнітний момент розмагніченого зразка дорівнює нулю.

Намагнічування феромагнітного зразка в зовнішнім магнітному полі складається, по-перше, у зсуві границь доменів і росту розмірів тих доменів, вектори магнітних моментів яких близькі в напрямку до магнітної індукції В поле, і, по-друге, у повороті магнітних моментів цілих доменів по напрямку поле В. У досить сильному магнітному полі досягається стан магнітного насичення, коли весь зразок намагнічений по полю і його намагніченість J не змінюється при подальшому збільшенні В.

Виміру гіромагнітного відношення для ферромагнетиків показали, що елементарними носіями магнетизму в них є спінові магнітні моменти електронів . У сучасній квантово-механічній теорії феромагнетизму пояснена природа мимовільної намагніченості ферромагнетиків і природа виникнення сильного внутрішнього поле .

Феромагнітними властивостями можуть володіти кмалтали речовин, атоми яких мають не заповнені електронами внутрішні оболонки , так що проекція результуючого спінового магнітного моменту на напрямок магнітного поле відмінна від нуля. За певних умов завдяки обмінній взаємодії між електронами сусідніх атомів, що має особливу квантово-механічну природу, виявляється стійким такий стан ферромагнетика, коли спини електронів всіх атомів у межах одного домена орієнтовані однаково. У такий спосіб виникає спонтанне намагнічування доменів до насичення. При нагріванні ферромагнетика до точки Кюрі тепловий рух руйнує області спонтанної намагніченості і речовина утрачає свої особливі магнітні властивості.

При відсутності зовнішнього магнітного поле магнітні моменти окремих доменів орієнтовані хаотично і компенсують один одного, тому результуючий магнітний момент ферромагнетика дорівнює нулю і ферромагнетик не намагнічений. Зовнішнє магнітне поле орієнтує по полю магнітні моменти не окремих атомів, як це має місце у випадку парамагнетиків, а цілих областей спонтанної намагніченості. Тому з ростом Н намагніченість J і магнітна індукції У вже в досить слабких полях ростуть дуже швидко. Цим порозумівається також збільшення м ферромагнетиків до максимального значення в слабких полях. Експерименти показали, що залежність У від Н не є такий плавний, а має східчастий вид. Це свідчить про те, що усередині ферромагнетика домени повертаються по полю стрибком.

При ослабленні зовнішнього магнітного поле до нуля ферромагнетики зберігають залишкове намагничение, тому що тепловий рух не в змозі швидко дезорієнтувати магнітні моменти настільки великих утворень, якими є домени. Тому і спостерігається явище магнітного гистерезиса. Для того щоб .ферромагнетик розмагнітити, необхідно прикласти коэрцитивную силу; розмагнічуванню сприяють також струшування і нагрівання ферромагнетика. Точка Кюрі виявляється тією температурою, вище якої відбувається руйнування доменної структури.

Існування доменів у ферромагнетиків доведено експериментально. Прямим експериментальним методом їхнього спостереження є метод порошкових фігур. На ретельно відполіровану поверхню ферромагнетика наноситься водяна суспензія дрібного феромагнітного порошку (наприклад, магнетиту). Частки осідають переважно в місцях максимальної неоднорідності магнітного поле, тобто на границях між доменами. Тому осілий порошок окреслює границі доменів і подібну картину можна сфотографувати під мікроскопом. Лінійні розміри доменів виявилися рівними lO^-4—lO^-2 див.

Подальший розвиток теорії феромагнетизму Френкелем і Гейзенбергом, а також ряд експериментальних фактів дозволили з'ясувати природу елементарних носіїв феромагнетизму. В даний час установлено, що магнітні властивості ферромагнетиків визначаються спіновими магнітними моментами електронів. Установлено також, що феромагнітними властивостями можуть володіти тільки кмалталічні речовини, в атомах яких маються недобудовані внутрішні електронні оболонки з нескомпенсованими спинами. У подібних кмалталах можуть виникати сили, що змушують спінові магнітні моменти електронів орієнтуватися паралельно один одному, що і приводить до виникнення областей спонтанного намагнічення. Ці сили, називані обмінними силами, мають квантову природу — вони обумовлені хвильовими властивостями електронів.

Тому що феромагнетизм спостерігається тільки в кмалталах, а вони мають анізотропію, то в монокмалталлах ферромагнетиків повинна мати місце анізотропія магнітних властивостей (їхня залежність від напрямку в кмалталі). Дійсно, досвід показує, що в одних напрямках у кмалталі його намагніченість при даному значенні напруженості магнітного поле найбільша (напрямок легчайшего намагнічення), в інші — найменша (напрямок важкого намагнічення). З розгляду магнітних властивостей ферромагнетиків випливає, що вони схожі на сегнетоэлектрики .

Існують речовини, у яких обмінні сили викликають антипаралельну орієнтацію спінових магнітних моментів електронів. Такі тіла називаються антиферромагнетиками. Їхнє існування теоретично було передвіщено Л. Д. Ландау. Антиферромагнетиками є деякі з'єднання марганцю (Mn, Mn₂),заліза (Fe, Fe₂) і багатьох інших елементів. Для них також існує антиферомагнітна точка Кюрі (точка Нееля*), при якій магнітне упорядкування спінових магнітних моментів порушується й антиферромагнетик перетворюється в парамагнетик.

Останнім часом велике значення придбали напівпровідникові ферромагнетики-феррити, хімічні сполуки типу Me*Fe₂O₃, де Me—ион двовалентного металу (Мn, З, Ni, Сu, Mg, Zл, Cd, Fe). Вони відрізняються помітними феромагнітними властивостями і великим питомим електричним опором (у мільярди раз більшим, ніж у металів). Феррити застосовуються для виготовлення постійних магнітів, ферритових антен, сердечників радіочастотних контурів, елементів оперативної пам'яті в обчислювальній техніці, для покриття плівок у магнітофонах і відеомагнітофонах і т.д.

Властивості ферромагнетиків і якісні основи природи феромагнетизму

Особливий клас магнетиків утворюють речовини, у яких магнітна проникність у сотні і тисячі разів перевищує магнітну проникність звичайних матеріалів. Ці речовини одержали назва ферромагнетиків. До них відносяться залізо, нікель, кобальт і їхні з'єднання і сплави. Іншою відмінною рисою ферромагнетиков є те, що їхня намагніченість J залежить від Н нелінійно, причому при великих полях настає стан магнітного насичення (мал.2). Оскільки залежність J від Н нелинійна, то і магнітна сприйнятливість m залежить від напруженості (мал.2). Крім нелінійної залежності між J і Н (або між В и Н) для ферромагнетиків характерно також наявність явища гистерезиса (мал.3). Це явище полягає в тім , що процес намагничения ферромагнетика необоротний у більшій своїй частині, тому крива намагничения не збігається з кривій размагничения. Якщо спочатку розмагнічений зразок намагнітити в поступово зростаючому магнітному полі по кривій 0-1 (крива первісного намагничения), а потім зменшити напруженість магнітного поля, то індукція У випливає не по первісній кривій 0-1, а змінюється відповідно до кривій 1-2.

Коли напруженість полючи стане рівної нулеві (крапка 2), намагничення не зникає і характеризується величиною Вr (відрізок 0-2 на мал.3), що називається залишковою індукцією. Намагніченість має при цьому значення Jr, називане залишковою намагніченістю. Намагніченість звертається в нуль лише під дією полючи Нc (відрізок 0-3 на мал. 3) зворотні напрямки . Величина напруженості полючи Нс називається коерцитивной силою ферромагнетика. Існування залишкової намагніченості уможливлює виготовлення постійних магнітів. Постійний магніт тим краще зберігає свої властивості, чим більше величина коерцитивної сили матеріалу, з якої він виготовлений.

Дослідами Эйнштейна і ДЕ Гааза було доведено, що відповідальним за магнітні властивості ферромагнетиків є власні (спінові ) магнітні моменти електронів (а не орбітальні , як у диа- і парамагнетиков). Атоми елементів, що володіють феромагнітними властивостями (Fe, Co, Nі), мають деяку особливість. У них порушується послідовність заповнення місць в оболонках і шарах: перш ніж цілком "забудується" нижня оболонка, починається заповнення вище розташованої оболонки. У результаті електронні спіни деяких внутрішніх оболонок виявляються нескомпенсиро- ванними. Таким чином, феромагнітними властивостями можуть володіти тільки такі речовини, в атомах яких маються недобудовані внутрішні електронні оболонки. Крім того, дослідження феромагнітних кристалів дозволили виявити в них області з мимовільної (спонтанної ) намагніченістю - так називані домени, лінійні розміри яких 1-10 мкм (мал.).

Мал. Доменна структура ферромагнетика:

а) під час відсутності зовнішнього поля,

б) при наявності зовнішнього поля

У межах кожного домена нескомпенсовані спини орієнтовані в одному напрямку , тобто речовина в домені знаходиться в стані магнітного насиченні і володіє визначеним магнітним моментом. Напрямку цих моментів для різних доменов різні, так що під час відсутності зовнішнього поля сумарний момент завжди дорівнює нулю.

Сили, що змушують магнітні моменти електронів вибудовуватися паралельно один одному, називаються обмінними. Їхнє пояснення в рамках класичної фізики неможливо (дається тільки квантовою механікою). Якщо помістити ферромагнетики в зовнішнє магнітне поле, то спочатку, при слабких полях, спостерігається зсув границь доменів (область 0-а кривій намагничения на мал.3). У результаті цього відбувається збільшення розмірів тих доменов, магнітні моменти яких складають з напрямок полючи Н менший кут за рахунок доменов, у яких кут між Pm і H більше . При збільшенні Н має місце поворот магнітних моментів доменів у напрямку полюя (область А-1 кривій намагничения на мал.3). При цьому моменти електронів у межах домена повертаються одночасно, без порушення паралельності один одному. Ці процеси є необоротними, що і служить причиною гистерезиса.

Для кожного ферромагнетика мається визначена температура Тс, при якій області спонтанного намагничения розпадаються і речовина утрачає феромагнітні властивості (стає звичайним парамагнетиком). Ця температура називається крапкою Кюрі.

Точки Кюрі деяких речовин:

Сегнетоэлектрики Речовина Точка Кюрі,C Метатитанат барію +100 Сегнетова сіль Верхняя +22,5 нижняя 15 Ферромагнетики Залізо +770 Железо кремнієве (4,3% Si) +690 Кобальт +1130 Нікель +358 Пермаллой (22% Fe, 78% Ni) +550 Гадолиний +16 Магнетит Fe3O4 +572 Сплав Гейслера (61% Cu, 26% Mn, 13% Al) +330

Розглянуто залежність магнітної проникності від напруженості магнітного поля для ферромагнетиків.

Приведені значення температури Кюрі для ряду магнетиків.

Вивчення гистерезиса феромагнітних матеріалів

Дозволяє одержувати петлю гистерезиса феромагнітних матеріалів; визначати коерцетивну силу і роботу перемагнічування за один цикл.

Основи теорії феромагнетизму.

На відміну від діамагнетизму і парамагнетизму, що є властивостями окремих чи атомів молекул речовини, феромагнітні властивості речовини порозуміваються особливостями його кмалталічної структури. Атоми заліза, якщо взяти їх, наприклад, у пароподібному стані, самі по собі диамагнитны чи лише слабко парамагнитні. Феромагнетизм є властивість заліза у твердому стані, тобто властивість кмалталів заліза.

У цьому нас переконує ряд фактів. Насамперед на це вказує залежність магнітних властивостей заліза й інших феромагнітних матеріалів від обробки, що змінює їхня кмалталічна будівля (загартування, отжиг). Далі виявляється, що з парамагнітних і діамагнітних металів можна виготовити сплави, що володіють високими феромагнітними властивостями. Такий, наприклад, сплав Гойслера, що майже не уступає по своїх магнітних властивостях залозу, хоча він складається з таких слабко магнітних металів, як мідь (60%), марганець (25%) і алюміній (15%). З іншого боку, деякі сплави з феромагнітних матеріалів, наприклад сплав з 75% заліза і 25% нікелю, майже не магнитны. Нарешті, самим вагомим підтвердженням є те, що при досягненні визначеної температури (точка Кюрі) усі феромагнітні речовини утрачають свої феромагнітні властивості.

Феромагнітні речовини відрізняються від парамагнітних не тільки дуже великим значенням магнітної проникності і її залежністю від напруженості поле, але і дуже своєрідним зв'язком між намагнічуванням і напруженістю що намагнічує поле. Ця особливість знаходить своє вираження в явищі гистерезиса з усіма його наслідками: наявністю залишкового намагнічування і коэрцитивной сили.

У чому причина гистерезиса? Вид кривих мал. 8 і 9, - розходження між ходом наростання намагнічування ферромагнетика при збільшенні поле Н и ходом його розмагнічування при зменшенні Н,- показує, що при зміні намагнічування ферромагнетика, тобто при чи збільшенні зменшенні напруженості зовнішнього поле, орієнтація і дезорієнтація елементарних магнітів не відразу випливає за полем, а відбувається з відомим відставанням. Докладне вивчення процесів намагнічування і розмагнічування заліза й інших феромагнітних речовин показало, що феромагнітні властивості речовини визначаються не магнітними властивостями окремих чи атомів молекул, що самі по собі парамагнитны, а намагнічуванням цілих областей, називаних доменами,- невеликих ділянок речовини, що містять дуже велика кількість атомів.

Взаємодія магнітних моментів окремих атомів ферромагнетика приводить до створення надзвичайно сильних внутрішніх магнітних полів, що діють у межах кожної такої області і що вибудовують, у межах цієї області, всі атомні магнітики паралельно один одному, як показано на мал. 11. Таким чином, навіть при відсутності зовнішнього поле феромагнітна речовина складається з ряду окремих областей, кожна з який мимовільно намагнічена до насичення. Але напрямок намагнічування для різних областей по-різному, так що внаслідок хаотичності розподілу цих областей тіло в цілому виявляється у відсутності зовнішнього поле ненамагииченным.

Під впливом зовнішнього поле відбувається перебудова і перегрупування таких «областей мимовільного намагнічування», у результаті якої одержують перевагу ті області, намагнічування яких паралельно зовнішньому полю, і речовина в цілому виявляється намагніченим.

Один із прикладів такої перебудови областей мимовільного намагнічування показаний на мал. 11. Тут схематично зображені дві суміжні області, напрямки намагнічування яких перпендикулярне друг до друга.

При накладенні поле Н частина атомів області В, у який намагнічування перпендикулярне до поля, на границі її з областю А, у якій намагнічування рівнобіжне полю, повертається, так що напрямок їхнього магнітного моменту стає рівнобіжним полю. У результаті область А, намагнічена паралельно зовнішньому полю, розширюється за рахунок тих областей, у яких напрямок намагнічування утворить великі кути з напрямком поле, і виникає переважне намагнічування тіла по напрямку зовнішнього поле. У дуже сильних зовнішніх полях можливі і повороти напрямку орієнтації всіх атомів у межах цілої області.

При знятті (зменшенні) зовнішнього поле відбувається зворотний процес розпаду і дезорієнтації цих областей, тобто розмагнічування тіла. Через великі в порівнянні з атомами розмірів «областей мимовільного намагнічування» як процес орієнтації їх, так і зворотний процес дезорієнтації відбувається з набагато великими утрудненнями, чим установлення чи орієнтації дезорієнтації окремих чи молекул атомів, що має місце в парамагнітних і діамагнітних тілах. Цим і порозумівається відставання намагнічування і розмагнічування від зміни зовнішнього поле,

т. е. гистерезис феромагнітних тел.

Мал. 11. Схема, що ілюструє орієнтацію молекулярних магнітів у

«областях мимовільного намагнічування» А и В.

а) Зовнішнє магнітне поле відсутнє;

б) під дією зовнішнього магнітного поле Н області А и В

перебудовуються.

Ефект Баркгаузена

Баркгаузена ефект - стрибкоподібна зміна намагніченості ферромагнетиків при безперервній зміні зовнішніх умов, наприклад магнітного поля. При повільному намагнічуванні феромагнітного зразка у вимірювальній котушці, надягнутої на зразок, у ланцюзі котушки з'являються імпульси струму , обумовлені стрибкоподібною зміною намагніченості М зразка. Особливо яскраво Баркгаузена ефект виявляється в магніто-м'яких матеріалах на крутих ділянках кривої намагнічування і петлі гистерезиса, де доменна структура змінюється в результаті процесів зсуву границь феромагнітних доменів. Наявні у ферромагнетику різного роду неоднорідності (сторонні включення , дислокації, залишкові механічні напруги і т.д.) перешкоджають перебудові доменної структури. Коли границя домена, зміщаючи при збільшенні магнітного поля Н, зустрічає перешкоду (наприклад, стороннє включення ), вона зупиняється і залишається нерухомої при подальшому збільшенні полючи. При деякому зрослому значенні поля границя переборює перешкоду і стрибком переміщається далі, до чергової перешкоди, вже без збільшення поля. Через подібні затримки крива намагнічування ферромагнетика має східчастий характер (мал.).

Залежність намагніченості від магнітного поля

мал.

Стрибкоподібна зміна намагніченості може бути викликана не тільки полем, але іншими зовнішніми впливами (наприклад, плавною зміною напруг або температури), при яких відбувається зміна доменної структури зразка.

Ефект Баркгаузена - один з безпосередніх доказів доменної структури ферромагнетиків, він дозволяє визначити обсяг окремого домена. Для більшості ферромагнетиків цих обсягів дорівнює 10-6-10-9 див 3. Вивчення Баркгаузена ефекту дозволило краще зрозуміти динамікові доменної структури і встановити зв'язок між числом стрибків і основних характеристик петлі гистерезиса (коэрцитивной силою і т.д.).

За аналогією з ефектами Баркгаузена у ферромагнетиках стрибки переполяризації в сегнетоэлектриках також називаються стрибками Баркгаузена.

Технічна реалізація ефекту Баркгаузена

Схема технічної реалізації представлена на мал.

Схема спостереження ефекту Баркгаузена

 Позначення:

1 - котушка з феромагнітним стрижнем;

2 - амперметр;

3 - ємність ;

4 - реостат з опором R(t);

U(t) - імпульсна напруга ;

L(t) - індуктивність котушки 1.

При зміні R(t) стрибкоподібно змінюється намагніченість феромагнітного стрижня, що стрибкоподібно змінює частоту коливань стрілки амперметра (суперпозиція частот коливань).

Застосування ефекту

Використовується при визначенні обсягів доменов у ферромагнетиків.

Феромагнітні матеріали

Феромагнітні матеріали поділяються на двох груп: магнітно-м'які і магнітно-тверді.

а) Магнітно-м'які матеріали (таблиця №1) застосовуються в якості магнитопроводів (сердечників) у пристроях і приладах , де магнітний потік постійний (полюсні башмаки і сердечники вимірювального механізму) або перемінний (наприклад, магнитопровід трансформатора). Вони мають низьке значення коерцитивной сили Hc (нижче 400А/м), високою магнітною проникністю і малими утратами від гистерезиса. До цієї групи матеріалів відносяться : технічне залізо і низкоуглеродистые стали, листові електротехнічні сталі, железоникелевые сплави з високою проникністю (пермаллои) і оксидні ферромагнетики - феррити й оксифери.

Технічне залізо зі змістом вуглецю до 0,04%, вуглеродні сталі і чавун широко застосовуються для магнитопроводів, що працюють в умовах постійних магнітних полів . Технічне залізо має високу індукцію насичення (до 2,2 Тл), високою магнітною проникністю і низкою коерцитивной силою.

Електротехнічні сталі - це сплави заліза з кремнієм (1-4%). Шляхом зміни змісту кремнію і застосуванням різних технологічних прийомів виходять сталі із широким діапазоном магнітних властивостей. Кремній поліпшує властивості технічного заліза: збільшуються початкової і максимальна магнітні проникності, зменшується коерцитивная сила, зменшуються втрати енергії від гистерезиса, збільшується питомий електричний опір, що важливо для зменшення так званих вихрових струмів , що виникають при циклічно змінюється магнітному полі і що нагрівають магнитопровод.

Сталі, з низьким змістом кремнію, мають низьку магнітну проникність, велику індукцію насичення і великих питомих втрат, вони застосовуються в установках і приладах ланцюгів постійного струму або перемінного струму низької частоти. Сталі з високим змістом кремнію застосовуються в тих випадках, коли потрібно мати високу магнітну проникність у слабких