Реферат на тему:
Ферромагнетик — упорядочивание магнитных моментов.
Ферромагнетики — вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Иными словами, ферромагнетик — такое вещество, которое при охлаждении ниже определённой температуры приобретает магнитные свойства. Последние исследования в области физики показали, что некоторые ферромагнетики, при создании определенных условий, могут приобретать парамагнетические свойства при температурах, которые существенно выше точки Кюри. Поэтому ферромагнетики, наряду со многими другими магнетическими веществами, остаются, как оказалось, плохо изученными веществами до сих пор. Ферромагнитные вещества — это особый класс веществ, для которых зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля существенно нелинейная, и эквивалентное значение магнитной восприимчивости вещества может составлять десятки и сотни тысяч.
Среди химических элементов ферромагнитными свойствами обладают переходные элементы Fe, Со и Ni (3 d-металлы) и редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Ho, Er. (См. Таблицу 1)
Таблица 1. — Ферромагнитные металлы
|
|
¹ Js0 — величина намагниченности единицы объёма при абсолютном нуле температуры, называемая спонтанной намагниченностью.² Tc — критическая температура, выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком, называемая точкой Кюри.
Для 3d-металлов и Gd характерна коллинеарная ферромагнитная атомная структура, а для остальных редкоземельных ферромагнетиков — неколлинеарная (спиральная и др.; см. Магнитная структура).
Ферромагнитны также многочисленные металлические бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с другими неферромагнитными элементами, сплавы и соединения Cr и Mn с неферромагнитными элементами (так называемые Гейслеровы сплавы), соединения ZrZn2 и ZrxM1-xZn2 (где М — это Ti, Y, Nb или Hf), Au4V, Sc3In и др. (Таблица 2), а также некоторые соединения металлов группы актиноидов (например, Uh4).
| Fe3AI | 743 | TbN | 43 |
| Ni3Mn | 773 | DyN | 26 |
| FePd3 | 705 | EuO | 77 |
| MnPt3 | 350 | MnB | 578 |
| CrPt3 | 580 | ZrZn2 | 35 |
| ZnCMn3 | 353 | Au4V | 42–43 |
| AlCMn3 | 275 | Sc3ln | 5–6 |
Особую группу ферромагнетиков образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов, например Fe или Со в диамагнитной матрице Pd. В этих веществах атомные магнитные моменты распределены неупорядоченно (при наличии ферромагнитного порядка отсутствует атомный порядок). Ферромагнитный порядок обнаружен также в аморфных (метастабильных) металлических сплавах и соединениях, аморфных полупроводниках, в обычных органических и неорганических стёклах, халькогенидах (сульфидах, селенидах, теллуридах) и т. п. Число известных неметаллических ферромагнетиков пока невелико. Это, например, ионные соединения типа La1-x CaxMnO5(0,4 > x > 0,2), EuO, Eu2SiO4, EuS, EuSe, EuI2, CrB3 и т. п. У большинства из них точка Кюри лежит ниже 1 К. Только у соединений Eu, халькогенидов, CrB3 значение Q ~ 100 К.
wreferat.baza-referat.ru
Существует эмпирическая зависимость для вычисления удельных потерь энергии на перемагничивание
где ƞ - коэффициент, зависящий от вещества; Bm - максимальное значение индукции; n - показатель степени, зависящий от Bm и обычно принимаемый
n=1,6 при 0,1Тл < Bm < 1,0 Тл и n=2 при 0 <Bm < 0,1 Тл или 1,0 Тл <Bm< 1,6 Тл.
Явление гистерезиса и связанные с ним потери энергии могут быть объяснены гипотезой элементарных магнитиков. Элементарными магнитиками в веществе являются частицы, обладающие магнитным моментом. Это могут быть магнитные поля вращающихся по орбитам электронов, а также их спиновые магнитные моменты. Причем последние играют в магнитных явлениях наиболее существенную роль.
Гипотеза элементарных магнитов.
При нормальной температуре вещество ферромагнетика состоит из самопроизвольно намагниченных в определенном направлении областей (доменов), в которых элементарные магнитики расположены почти параллельно один другому и удерживаются в таком положении магнитными силами и силами электрического взаимодействия.
Магнитные поля отдельных областей не обнаруживаются во внешнем пространстве, т.к. все они намагничены в разных направлениях. Интенсивность самопроизвольного намагничивания доменов J зависит от температуры и при абсолютном нуле равна интенсивности полного насыщения. Тепловое движение разрушает упорядоченную структуру и при некоторой температуре q , характерной для данного вещества, упорядоченное расположение полностью разрушается. Эта температура называется точкой Кюри. Выше точки Кюри вещество обладает свойствами парамагнетика.
Для никеля температура Кюри равна 360 °С. Если подвесить образец никеля вблизи пламени горелки так, чтобы он находился в поле сильного постоянного магнита, то не нагретый образец может располагаться горизонтально, сильно притягиваясь к магниту (рис 1). По мере нагрева образца и достижения температуры ферромагнитные свойства у никеля исчезают и образец никеля падает. Остыв до температуры ниже точки Кюри, образец вновь притянется к магниту. Нагревшись, вновь падает и т.д., колебания будут продолжаться все время, пока горит свеча.
Рис. 1 – демонстрация точки Кюри1
1 Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ), Вып. 1, Январь 1999
Под влиянием внешнего поля состояние вещества может изменяться двумя способами. Намагниченность может меняться либо за счет переориентации доменов, либо за счет смещения их границ в направлении области с меньшей составляющей намагниченности, совпадающей по направлению с внешним полем. Смещение границы домена совершается обратимо только до определенного предела, после чего часть или вся область необратимо переориентируется. При быстрой скачкообразной переориентации домена создаются вихревые токи, вызывающие потери энергии при перемагничивании.
Исследования показывают, что второй способ изменения ориентации характерен для крутого участка кривой намагничивания, а первый - для участка области насыщения.
После уменьшения напряженности внешнего магнитного поля до нуля часть доменов сохраняет новое направление преимущественного намагничивания, что проявляется как остаточная намагниченность.
Отличие ферромагнетиков от диа- и парамагнетиков
В отличие от диамагнетизма и парамагнетизма, которые являются свойствами отдельных атомов или молекул вещества, ферромагнитные свойства вещества объясняются особенностями его кристаллической структуры. Атомы железа, если взять их, например, в парообразном состоянии, сами по себе диамагнитны или лишь слабо парамагнитны. Ферромагнетизм есть свойство железа в твердом состоянии, т. е. свойство кристаллов железа.
В этом нас убеждает ряд фактов. Прежде всего на это указывает зависимость магнитных свойств железа и других ферромагнитных материалов от обработки, изменяющей их кристаллическое строение (закалка, отжиг). Далее оказывается, что из парамагнитных и диамагнитных металлов можно изготовить сплавы, обладающие высокими ферромагнитными свойствами. Таков, например, сплав Гойслера, почти не уступающий по своим магнитным свойствам железу, хотя он состоит из таких слабо магнитных металлов, как медь (60%), марганец (25%) и алюминий (15%). С другой стороны, некоторые сплавы из ферромагнитных материалов, например сплав из 75% железа и 25% никеля, почти не магнитны. Наконец, самым веским подтверждением является то, что при достижении определенной температуры (точка Кюри) все ферромагнитные вещества теряют свои ферромагнитные свойства.
Ферромагнитные вещества отличаются от парамагнитных не только весьма большим значением магнитной проницаемости и ее зависимостью от напряженности поля, но и весьма своеобразной связью между намагничиванием и напряженностью намагничивающего поля. Эта особенность находит свое выражение в явлении гистерезиса со всеми его следствиями: наличием остаточного намагничивания и коэрцитивной силы.
Подробное изучение процессов намагничивания и размагничивания железа и других ферромагнитных веществ показало, что ферромагнитные свойства вещества определяются не магнитными свойствами отдельных атомов или молекул, которые сами по себе парамагнитны, а намагничиванием целых областей, называемых доменами,- небольших участков вещества, содержащих очень большое количество атомов.
Взаимодействие магнитных моментов отдельных атомов ферромагнетика приводит к созданию чрезвычайно сильных внутренних магнитных полей, действующих в пределах каждой такой области и выстраивающих, в пределах этой области, все атомные магнитики параллельно друг другу. Таким образом, даже при отсутствии внешнего поля ферромагнитное вещество состоит из ряда отдельных областей, каждая из которых самопроизвольно намагничена до насыщения. Но направление намагничивания для разных областей различно, так что вследствие хаотичности распределения этих областей тело в целом оказывается в отсутствии внешнего поля ненамагниченным.
Под влиянием внешнего поля происходит перестройка и перегруппировка таких «областей самопроизвольного намагничивания», в результате которой получают преимущество те области, намагничивание которых параллельно внешнему полю, и вещество в целом оказывается намагниченным.
При наложении поля Н часть атомов области В, в которой намагничивание перпендикулярно к полю, на границе ее с областью А, в которой намагничивание параллельно полю, поворачивается, так что направление их магнитного
1 Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ), Вып. 1, Январь 1999
момента становится параллельным полю. В результате область А, намагниченная параллельно внешнему полю, расширяется за счет тех областей, в которых направление намагничивания образует большие углы с направлением поля, и возникает преимущественное намагничивание тела по направлению внешнего поля. В очень сильных внешних полях возможны и повороты направления ориентации всех атомов в пределах целой области.
При снятии (уменьшении) внешнего поля происходит обратный процесс распада и дезориентации этих областей, т. е. размагничивание тела. Ввиду больших по сравнению с атомами размеров «областей самопроизвольного намагничивания» как процесс ориентации их, так и обратный процесс дезориентации происходит с гораздо большими затруднениями, чем установление ориентации или дезориентации отдельных молекул или атомов, имеющее место в парамагнитных и диамагнитных телах. Этим и объясняется отставание намагничивания и размагничивания от изменения внешнего поля, т.е. гистерезис ферромагнитных тел.
Спиновая природа ферромагнетизма
Измерения гиромагнитного отношения для ферромагнетиков на основе эффектов Эйнштейна — де Гааза и Барнетта показали, что ферромагнетизм имеет спиновую природу, т. е. обусловлен спиновыми магнитными моментами электронов атомов ферромагнетика. В атоме электроны распределяются по слоям, в каждом из которых в соответствии с квантовым принципом запрета Паули может находиться не более определенного числа электронов. Все слои атома, кроме первого (ближайшего к ядру атома), подразделяются на оболочки, число которых тем больше, чем больше номер слоя. Электроны распределяются по слоям и по оболочкам в них так, чтобы энергия атома была наименьшей. Результирующие спиновые и орбитальные магнитные моменты всех электронов, находящихся в целиком заполненной ими оболочке или слое атома, равны нулю. Атомы элементов, обладающих ферромагнитными свойствами (Fe, Со, Ni), принадлежат к числу переходных атомов периодической системы Д. И. Менделеева. В этих атомах нарушается последовательность заполнения электронами мест в слоях и оболочках. Прежде чем полностью «застроится» нижний слой, начинается заполнение выше расположенного слоя. Поэтому в переходном атоме имеются не полностью занятые электронами внутренние слои и оболочки. Например, в атоме железа 26 его электронов распределены по четырем слоям. Первый и второй слои целиком заполнены и содержат соответственно 2 и 8 электронов. Третий и четвертый слои не достроены: в третьем слое находится 14 электронов (вместо 18), а в четвертом — 2 (вместо 32). 14 электронов третьего слоя распределены по оболочкам следующим образом: в первой оболочке — 2, а во второй и третьей — по 6 электронов. Спины электронов, принадлежащих к каждой оболочке, могут быть ориентированы в двух противоположных направлениях. В застроенных первых двух слоях атома железа магнитные спиновые моменты электронов взаимно компенсируют друг друга. В третьем слое первые две оболочки также характерны тем, что спиновые магнитные моменты электронов на этих оболочках компенсируют друг друга. Что же касается третьей оболочки, то из шести находящихся на ней электронов пять имеют спины, ориентированные в одном направлении, и лишь один электрон имеет спин, ориентированный противоположно. Итак, в атоме железа спины четырех электронов в третьем слое остаются некомпенсированными. Что касается наружных валентных электронов атома железа, то нх спины, вообще говоря, тоже могут быть некомпенсированы. Однако, как показывает опыт, на магнитные свойства атома железа валентные электроны, слабо связанные с атомом, существенного влияния не оказывают.
В изолированном атоме железа орбитальные движения электронов дают некоторый орбитальный магнитный момент. Однако при образовании кристалла железа происходит своеобразное «замораживание» электронных орбит, приводящее к тому, что орбитальные магнитные моменты электронов практически не участвуют в создании магнитных моментов атомов. Причины такого «замораживания» еще не вполне выяснены. Вместе с тем измерения гиромагнитного отношения ясно показывают, что магнитные свойства ферромагнитных веществ связаны с некомпенсированными спиновыми магнитными моментами небольшого числа электронов атома. Таким образом, ферромагнитными свойствами могут обладать только такие вещества, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки. Однако это условие является необходимым, но не достаточным. Например, ряд атомов элементов переходной группы (Сг, Mn, Pt и др.) и редкоземельных элементов имеют недостроенные внутренние оболочки, но эти вещества являются парамагнетиками. Для объяснения самопроизвольной намагниченности ферромагнетиков необходимо предположить, что в них между носителями магнетизма — спинами электронов — существует взаимодействие, способное при температурах более низких, чем точка Кюри, обеспечить спонтанную намагниченность доменов. Естественно предположить, что между спиновыми магнитными моментами существует обыкновенное магнитное взаимодействие, подобное взаимодействию двух проводников с током или двух соленоидов. Однако расчеты показывают, что энергия этого взаимодействия оказывается весьма малой величиной порядка 10-23 Дж, так что даже при температуре жидкого воздуха средняя энергия теплового движения атомов превосходит энергию их магнитного взаимодействия. Поэтому за счет магнитного взаимодействия невозможно образование самопроизвольной намагниченности.
Я. И. Френкель и В. Гейзенберг (1928) показали, что самопроизвольная намагниченность может быть следствием электрического взаимодействия электронов. Возникновение самопроизвольной намагниченности за счет электрических сил нельзя объяснить с точки зрения классической физики. Само существование спина у электрона является «неклассическим», т. е. чуждым классической физике явлением. Не удивительно поэтому, что и электрическое взаимодействие электронов, приводящее к состоянию самопроизвольной намагниченности ферромагнетиков, также является особым квантовым взаимодействием, называемым обменным взаимодействием.
Применение ферромагнетиков
Ферромагнитные материалы играют огромную роль в самых различных областях современной техники. Магнитомягкие материалы используются в электротехнике при изготовлении трансформаторов, электромоторов, генераторов, в слаботочной технике связи и радиотехнике; магнитожесткие материалы применяют при изготовлении постоянных магнитов.
При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остается намагниченным, т.е. создает магнитное поле в окружающем пространстве.
Упорядоченная ориентация элементарных токов не исчезает при выключении внешнего магнитного поля. Благодаря этому существуют постоянные магниты. Постоянные магниты находят широкое применение в электроизмерительных приборах, громкоговорителях и телефонах, звукозаписывающих аппаратах, магнитных компасах и т.д.
Широкое распространение в радиотехнике, особенно в высокочастотной радиотехнике, получили ферриты, сочетающие ферромагнитные и полупроводниковые свойства. Из ферритов изготавливают сердечники катушек индуктивности, магнитные ленты, пленки и диски.
Магнитные материалы широко используются в традиционной технологии записи информации в винчестере.
Применение ферромагнетиков в технике: роторы генераторов и электродвигателей; сердечники трансформаторов, электромагнитных реле; в электронно-вычислительных машинах (ЭВМ), телефонах, магнитофонах, на магнитных лентах. На практике их применяют для катушек индуктивности, трансформаторов высокой частоты. Феррит обладает очень хорошей электромагнитной проводимостью, лучше, чем трансформаторная сталь. На подобных катушках с ферритом можно построить генераторы, и возбудители электромагнитных волн.
Заключение
Исходя из информации в данном реферате, можно сделать следующие выводы.
Ферромагнетики – твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, изменения температуры.
Кроме высокой магнитной проницаемости ферромагнетики обладают сильно выраженной нелинейной зависимостью индукции B от напряженности магнитного поля H, а при перемагничивании связь между B и H становится неоднозначной. При перемагничивании ферромагнетика в нем происходят необратимые преобразования энергии в тепло.
При высокой температуре ферромагнитные свойства всех ферромагнитных веществ исчезают.
yaneuch.ru
Количество просмотров публикации Природа ферромагнетизма - 399
Рассматривая магнитные свойства ферромагнетиков, мы не вскрыли физическую природу этого явления. Описательная теория ферромагнетизма была разработана французским физиком П.Вейсом. Последовательная количественная теория на базе квантовой механики развита советским физиком Я.И.Френкелем и немецким физиком В.Гейзенбергом. Согласно представлениям Вейсса, ферромагнетики при температурах ниже точки Кюри обладают спонтанной намагниченностью, независимо от наличия внешнего намагничивающего поля. Вейсс ввел гипотезу, согласно которой ферромагнетик ниже точки Кюри разбивается на число малых макроскопических областей - доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения.
При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотически и компенсируют друг друга, в связи с этим результирующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю, и ферромагнетик не намагничен. Внешнее магнитное поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов, как это имеет место в случае парамагнетиков, а целых областей спонтанной намагниченности. По этой причине с ростом Н намагниченность J и магнитная индукция В уже в довольно слабых полях растут очень быстро. Этим объясняется также увеличение д ферромагнетиков до максимального значения в слабых полях. Эксперименты показали, что зависимость В от Н не является такой плавной, как показано на рис. 60, а имеет ступенчатый вид. Это свидетельствует о том, что внутри ферромагнетика домены поворачиваются по полю скачком.
При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ферромагнетики сохраняют остаточное намагничивание, т. к, тепловое движение не в состоянии быстро дезориентировать магнитные моменты столь крупных образований, какими являются домены. По этой причине и наблюдается явление магнитного гистерезиса. Для того чтобы ферромагнетик размагнитить, крайне важно приложить коэрцитивную силу; размагничиванию способствует также встряхивание и нагревание ферромагнетика. Точка Кюри оказывается той температурой, выше которой происходит разрушение доменной структуры.
Существование доменов в ферромагнетиках доказано экспериментально. Прямым экспериментальным методом является метод порошковых фигур. Размещено на реф.рфНа тщательно отполированную поверхность ферромагнетика наносится водяная суспензия мелкого ферромагнитного порошка (к примеру, магнетика). Частицы оседают преимущественно в местах максимальной неоднородности магнитного поля, ᴛ.ᴇ. на границах между доменами. По этой причине осевший порошок очерчивает границы доменов, и подобную картину можно сфотографировать под микроскопом. Линейные размеры доменов оказались равными 10-4 и 10-2 см.
Дальнейшее развитие теории ферромагнетизма Френкелем и Гейзенбергом, а также ряд экспериментальных фактов позволили узнать природу элементарных носителей ферромагнетизма. Сегодня установлено, что магнитные свойства ферромагнетиков определяются спиновыми магнитными моментами электронов. Установлено также, что ферромагнитными свойствами могут обладать только кристаллические вещества, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки с нескомпенсированными спинами. В подобных кристаллах могут возникать силы, которые вынуждают спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно друг другу, что и приводит к возникновению областей спонтанного намагничивания. Эти силы, называемые обменными силами, имеют квантовую природу - они обусловлены волновыми свойствами электронов.
Существуют вещества, в которых обменные силы вызывают антипараллельную ориентацию спиновых магнитных моментов электронов. Такие вещества называются антиферромагнетиками. Их существование теоретически было предсказано Л.Д.Ландау. Антиферромагнетиками являются некоторые соединения марганца (MnO, MnF2), железа (FeO, FeCl2) и многих других элементов. Стоит сказать, что для них также существует антиферромагнитная точка Кюри, при которой магнитное упорядочение спиновых магнитных моментов нарушается и антиферромагнетик превращается в ферромагнетик.
В последнее время большое значение приобрели полупроводниковые ферромагнетики - ферриты, химические соединения типа MeOFe2O3, где Me - ион двухвалентного металла (Mn, Co, Ni, Cu, Fe). Οʜᴎ отличаются заметными ферромагнитными свойствами и большим удельным электрическим сопротивлением (в миллиарды раз больше, чем у металлов). Ферриты применяются для изготовления постоянных магнитов, ферритовых антенн, сердечников радиочастотных контуров, элементов оперативной памяти в вычислительной технике, для покрытия пленок в магнитофонах и видеомагнитофонах и т.д.
referatwork.ru
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
ИНЖЕНЕРНАЯ ШКОЛА
РЕФЕРАТ
по дисциплине «Физика»
на тему «Ферромагнетизм»
|
Выполнил студент гр. Б3205а
Проверил доцент кафедры общей физики Дымченко Н.П. /________/ |
г. Владивосток
2013
Содержание
Цели и задачи……………………………………………………………………3
Введение……………………………………………………………………….…4
Свойства ферромагнетиков………………………………………..…………...5
Процесс перемагничивания ферромагнетика……………………..…………..9
Гипотеза элементарных магнитов……….………………………….………...13
Отличие ферромагнетиков от диа- и парамагнетиков……………….……..15
Спиновая природа ферромагнетизма………………………………………..18
Применение ферромагнетиков……………………………….………….……21
Заключение……………………………………………………………………....22
Список литературы……………………………………………………………..23
Цели и задачи
Цель данного реферата заключается в том, чтобы углубленно изучить ферромагнетики, их основные свойства и область применения.
Для выполнения поставленной цели были выдвинуты следующие задачи:
Введение
Ферромагнетики – твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, изменения температуры. К ним относятся: сталь, железо, никель, кобальт, их сплавы и др. Они имеют магнитную проницаемость, превышающую проницаемость вакуума в несколько тысяч раз. Поэтому все электротехнические устройства, использующие магнитные поля для преобразования энергии, обязательно имеют конструктивные элементы, изготовленные из ферромагнитного материала и предназначенные для проведения магнитного потока. Такие элементы называются магнитопроводы.
Свойства ферромагнетиков
Магнитные свойства веществ зависят от магнитных свойств элементарных носителей магнетизма - движущихся внутри атомов электронов, а также от совместного действия их групп. Электроны в атомах, двигаясь по орбитам вокруг ядра атома, образуют элементарные токи или магнитные диполи, которые характеризуются магнитным моментом m. Величина его равна произведению элементарного тока i и элементарной площадки s, ограниченной элементарным контуром
m = is.
Вектор m направлен перпендикулярно к площадке s по правилу буравчика. Магнитный момент тела представляет собой геометрическую сумму магнитных моментов всех диполей. Кроме орбитальных моментов, электроны, вращаясь вокруг своих осей, создают еще спиновые моменты, которые играют важнейшую роль в намагничивании ферромагнетиков.
Рис. 1. Ферромагнетик — упорядочивание магнитных моментов. 1
1 Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ), Вып. 1, Январь 1999
В ферромагнетиках образуются отдельные самопроизвольные намагниченные области (от 10-2 до 10-6 см3), спиновые моменты которых ориентируются параллельно. Если ферромагнетик не находится во внешнем поле, то магнитные моменты отдельных областей разнонаправлены и суммарный магнитный момент тела равен нулю - ферромагнетик не намагничен. Внесение ферромагнетика во внешнее магнитное поле вызывает поворот магнитных моментов части областей в направлении внешнего поля и рост размеров тех областей, направления магнитных моментов которых близки к направлению внешнего поля. В результате ферромагнетик намагничивается. Зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля В = f(Н) нелинейна и изображается кривой начального намагничивания. Эту зависимость впервые открыл русский ученый А. Г. Столетов. Предложенный им экспериментальный метод заключался в измерении магнитного потока Фm в ферромагнитных кольцах при помощи баллистического гальванометра.
Тороид, первичная обмотка которого состояла из N1 витков, имел сердечник из исследуемого материала (например, отожженного железа). Вторичная обмотка из N2 витков была замкнута на баллистический гальванометр G (рис. 1). Обмотка N1 включалась в цепь аккумуляторной батареи Б. Напряжение, приложенное к этой обмотке, а, следовательно, и силу тока I1 в ней можно было изменять с помощью потенциометра R1. Направление тока изменялось посредством коммутатора .
1 Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ), Вып. 1, Январь 1999
При изменении направления тока в обмотке N1 на противоположное, в цепи обмотке N2 возникал кратковременный индукционный ток и через баллистический гальванометр проходил электрический заряд q, который равен отношению взятого с обратным знаком изменения потокосцепления вторичной обмотки к электрическому сопротивлению R в цепи гальванометра. Если сердечник тонкий, а площадь поперечного сечения равна S, то магнитная индукция поля в сердечнике равна:
Напряженность магнитного поля в сердечнике вычисляется по следующей формуле:
где Lср – длина средней линии сердечника. Зная B и H можно найти намагниченность J:
Ферромагнетики сильно втягиваются в область более сильного магнитного поля. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков положительна и значительно больше единицы. При не слишком высоких температурах ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий.
Кроме высокой магнитной проницаемости ферромагнетики обладают сильно выраженной нелинейной зависимостью индукции B от напряженности магнитного поля H, а при перемагничивании связь между B и H становится неоднозначной.
Как видно из рис.1, при наблюдается магнитное насыщение.
При зависимость магнитной индукции В от Н нелинейная, а при – линейная (рис.2).
Рис. 1 - зависимость намагниченности J от Н 1 Рис. 2 - зависимость магнитной индукции В от Н 2
Функции B(H) имеют особое значение, т.к. только с их помощью можно исследовать электромагнитные процессы в цепях, содержащих элементы, в которых магнитный поток проходит в ферромагнитной среде. Эти функции бывают двух видов: кривые намагничивания и петли гистерезиса.
1 Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ), Вып. 1, Январь 1999
2 Там же
Процесс перемагничивания ферромагнетика
Пусть первоначально ферромагнетик был полностью размагничен. Сначала индукция быстро возрастает за счет того, что магнитные диполи ориентируются по силовым линиям поля, добавляя свой магнитный поток к внешнему. Затем ее рост замедляется по мере того, как количество неориентированных диполей уменьшается и, наконец, когда практически все они ориентируются по внешнему полю рост индукции прекращается и наступает режим насыщения.
Если в процессе намагничивания довести напряженность поля до некоторого значения, а затем начать уменьшать, то уменьшение индукции будет происходить медленнее, чем при намагничивании и новая кривая будет отличаться от первоначальной. Кривая рис.1 – кривая намагничивания1 изменения индукции при увеличении
напряженности поля для предварительно полностью размагниченного вещества называется начальной кривой намагничивания. На рис. 1 она показана утолщенной линией.
После нескольких (около 10) циклов изменения напряженности от положительного до отрицательного максимальных значений зависимость B=f(H) начнет повторяться и приобретет характерный вид симметричной замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса. Гистерезисом называют отставание изменения индукции от напряженности магнитного поля. Явление гистерезиса характерно вообще для всех процессов, в которых наблюдается зависимость какой-либо величины от значения другой не только
1 Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ), Вып. 1, Январь 1999
в текущем, но и в предыдущем состоянии, т.е. B2=f(h3, h2) - где h3 и h2 - соответственно текущее и предыдущее значения напряженности.
Петли гистерезиса можно получить при различных значениях максимальной напряженности внешнего поля Hm (рис. 1). Геометрическое место точек вершин симметричных циклов гистерезиса называется основной кривой намагничивания. Основная кривая намагничивания практически совпадает с начальной кривой.
Симметричная петля гистерезиса, полученная при максимальной напряженности поля Hm (рис.1), соответствующей насыщению ферромагнетика, называется предельным циклом.
Для предельного цикла устанавливают также значения индукции Br при H = 0, которое называется остаточной индукцией, и значение Hc при B = 0, называемое коэрцитивной силой. Коэрцитивная (удерживающая) сила показывает, какую напряженность внешнего поля следует приложить к веществу, чтобы уменьшить остаточную индукцию до нуля.
Форма и характерные точки предельного цикла определяют свойства ферромагнетика. Вещества с большой остаточной индукцией, коэрцитивной силой и площадью петли гистерезиса (кривая 1 рис. 2) называются магнитнотвердыми. Они используются для изготовления постоянных магнитов. Вещества с малой остаточной индукцией и площадью петли гистерезиса (кривая 2 рис. 2) называются магнитномягкими и используются
1 Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ), Вып. 1, Январь 1999
2 Там же
для изготовления магнитопроводов электротехнических устройств, в особенности работающих при периодически изменяющемся магнитном потоке.
При перемагничивании ферромагнетика в нем происходят необратимые преобразования энергии в тепло. Пусть магнитное поле создается обмоткой, по которой протекает ток i. Тогда работа источника питания обмотки, затрачиваемая на элементарное изменение рис.6магнитного потока равна
Если отнести эту работу на единицу объема вещества, получим
Графически эта работа представляет собой площадь элементарной полоски петли гистерезиса (рис. 1 а)).
Рис. 1 – петли гистеризиса1
Полная работа по перемагничиванию единицы объема вещества определится в виде интеграла по контуру петли гистерезиса
1 Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ), Вып. 1, Январь 1999
Контур интегрирования можно разделить на два участка, соответствующих изменению индукции от -Bm до Bm и изменению от Bm до -Вm. Интегралы на этих участках соответствуют заштрихованным площадям рис. 1 а) и б). На каждом участке часть площади соответствует отрицательной работе и после вычитания ее из положительной части мы на обоих участках получим площадь, ограниченную кривой петли гистерезиса (рис. 1 в)).
Обозначая энергию, отнесенную к единице объема вещества, затрачиваемую на перемагничивание за один полный симметричный цикл, через W'h=A' получим:
yaneuch.ru
