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 температуре ниже точки Кюри, способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. Последние исследования в области физики показали, что некоторые ферромагнетики, при создании определенных условий, могут приобретать парамагнетическиесвойства при температурах, которые существенно выше точки Кюри. Поэтому ферромагнетики, наряду со многими другими магнетическими веществами, остаются, как оказалось, плохо изученными веществами до сих пор.
Ферромагнетики имеют наибольшее практическое применение, хотя их и не так много в природе. Железный или стальной сердечник в катушке во много раз усиливает создаваемое этой катушкой поле, не увеличивая силу тока в катушке. Это экономит электроэнергию. Сердечники трансформаторов, генераторов, электродвигателей и других устройств изготавливают из ферромагнетиков. При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остаётся намагниченным, то есть создаёт магнитное поле в окружающем его 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, телефонах, в устройствах звукозаписи, магнитных компасах и т.д. Большое распространение получили ферриты - ферромагнитные материалы, не проводящие электрического тока. Они представляют собой химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ. Первый из известных человеку ферромагнитных материалов - магнитный железняк - является феррито
Магнитный гистерезис — явление зависимости вектора намагничивания и вектора напряженности магнитного поля в веществе не только от приложенного внешнего поля, но и от предыстории данного образца. Магнитный гистерезис обычно проявляется вферромагнетиках — Fe, Co, Ni и сплавах на их основе. Именно магнитным гистерезисом объясняется существованиепостоянных магнитов.
Явление магнитного гистерезиса наблюдается не только при изменении поля H по величине и знаку, но также и при его вращении (гистерезис магнитного вращения), что соответствует отставанию (задержке) в изменении направления M с изменением направления H. Гистерезис магнитного вращения возникает также при вращении образца относительно фиксированного направления H.
Домен — макроскопическая область в магнитном кристалле, в которой ориентация вектора спонтанной однороднойнамагниченности[1] или вектора антиферромагнетизма[2] (при температуре ниже точки Кюри или Нееля соответственно) определенным образом повернута или сдвинута относительно направлений соответствующего вектора в соседних доменах. Домены существуют в ферро- и антиферромагнитных, сегнетоэлектрических кристаллах и других веществах, обладающих спонтанным дальним порядком.
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.
Ферромагнетики помимо способности сильно намагничиваться обладают еще и другими свойствами, существенно отличающими их от диа- и парамагнетиков. Если для слабомагнитных веществ зависимость J от Н линейна (см. (133.6) и рис. 192), то для ферромагнетиков эта зависимость, впервые изученная в 1878 г. методом баллистического гальванометра для железа русским физиком А.Г. Столетовым (1839—1896), является довольно сложной. По мере возрастания Ннамагниченность J сначала растет быстро, затем медленнее и, наконец, достигается так называемое магнитное насыщение Jнас, уже не зависящее от напряженности поля. Подобный характер зависимости J от Н можно объяснить тем, что по мере увеличения намагничивающего поля увеличивается степень ориентации молекулярных магнитных моментов по полю, однако этот процесс начнет замедляться, когда остается все меньше и меньше неориентированных моментов, и, наконец, когда все моменты будут ориентированы по полю, дальнейшее увеличение J прекращается и наступает магнитное насыщение.
Магнитная индукция B= 0 (H+J) (см. (133.4)) в слабых полях растет быстро с ростом H вследствие увеличения J, а в сильных полях, поскольку второе слагаемое постоянно (J=Jнас), В растет с увеличением Н по линейному закону (рис. 193).
Существенная особенность ферромагнетиков — не только большие значения (например, для железа — 5000, для сплава супермаллоя — 800 000!), но и зависимость от Н (рис. 194). Вначале растет с увеличением Н, затем, достигая максимума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к 1 ( =B/(0H) = 1 + J/H, поэтому при J = Jнас = const с ростом Н отношение J/H 0, 1).
Характерная особенность ферромагнетиков состоит также в том, что для них зависимость J от H (а следовательно, и В от Н) определяется предысторией намагничения ферромагнетика. Это явление получило название магнитного гистерезиса. Если намагнитить ферромагнетик до насыщения (точка 1, рис. 195), а затем начать уменьшать напряженность Н намагничивающего поля, то, как показывает опыт, уменьшение J описывается кривой 1—2, лежащей выше кривой 1—0. При Н = 0 J отличается от нуля, т. е. в ферромагнетике наблюдается остаточное намагничение Jос. С наличием остаточного намагничения связано существование постоянных магнитов. Намагничение обращается в нуль под действием поля Нс, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничение. Напряженность Нс называется коэрцитивной силой.
При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3—4), и при Н = –Hнас достигается насыщение (точка 4). Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (кривая 4—5—6) и вновь перемагнитить до насыщения (кривая 6—7).
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 намагничение ферромагнетика не является однозначной функцией Н, т.е. одному и тому же значению Н соответствует несколько значений J.
Различные ферромагнетики дают разные гистерезисные петли. Ферромагнетики с малой (в пределах от нескольких тысячных до 1—2 А/см) коэрцитивной силойНс (с узкой петлей гистерезиса) называются мягкими, с большой (от нескольких десятков до нескольких тысяч ампер на сантиметр) коэрцитивной силой (с широкой петлей гистерезиса) — жесткими. Величины Нс, Jос и max определяют применимость ферромагнетиков для тех или иных практических целей. Taк, жесткие ферромагнетики (например, углеродистые и вольфрамовые стали) применяются для изготовления постоянных магнитов, а мягкие (например, мягкое железо, сплав железа с никелем) — для изготовления сердечников трансформаторов.
Ферромагнетики обладают еще одной существенной особенностью: для каждого ферромагнетика имеется определенная температура, называемая точкой Кюри, при которой он теряет свои магнитные свойства. При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. Переход вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное, происходящий в точке Кюри, не сопровождается поглощением или выделением теплоты, т.е. в точке Кюри происходит фазовый переход II рода.
Наконец, процесс намагничения ферромагнетиков сопровождается изменением его линейных размеров и объема. Это явление получило названиемагнитострикции. Величина и знак эффекта зависят от напряженности Н намагничивающего поля, от природы ферромагнетика и ориентации кристаллографических осей по отношению к полю.
studfiles.net
• Постоянные магниты находят широкое применение в электроизмерительных приборах, громкоговорителях и телефонах, звукозаписывающих аппаратах, в магнитных компасах, в электронно-вычислительных машинах (ЭВМ), магнитофонах, на магнитных лентах.
• Большое применение получили ферриты - ферромагнитные материалы, не проводящие электрического тока.Они представляют собой химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ. Один из известных ферромагнитных материалов — магнитный железняк является ферритом.
• Магнитная запись информации.
Из ферромагнетиков изготовляют магнитные ленты и тонкие магнитные пленки. Магнитные ленты широко используют для звукозаписи в магнитофонах и для видеозаписи в видеомагнитофонах.
Магнитная лента представляет собой гибкую основу из полихлорвинила или других веществ. На нее наносится рабочий слой в виде магнитного лака, состоящего из очень мелких игольчатых частиц железа или другого ферромагнетика и связующих веществ.
Запись звука производят на ленту с помощью электромагнита, магнитное поле которого изменяется в такт со звуковыми колебаниями.
При движении ленты вблизи магнитной головки различные участки пленки намагничиваются.
1 — сердечник электромагнита; 2 — магнитная лента; 3 — рабочий зазор;
4 — обмотка электромагнита.
При воспроизведении звуканаблюдается обратный процесс: намагниченная лента возбуждает в магнитной головке электрические сигналы, которые после усиления поступают на динамик магнитофона.
Тонкие магнитные пленки, состоящие из слоя ферромагнитного материала толщиной от 0,03 до 10 мкм, предназначенные для записи, хранения и воспроизведения информации, используют в запоминающих устройствах ЭВМ.
Их наносят на тонкий алюминиевый диск или барабан. Информацию записывают и воспроизводят примерно так же, как и в обычном магнитофоне.
Запись информации в ЭВМ можно производить и на магнитные ленты.
Развитие технологии магнитной записи привело к появлению магнитных микроголовок, которые используются в ЭВМ, позволяющих создавать немыслимую ранее плотность магнитной записи.
На ферромагнитном жестком диске диаметром меньше 8 см хранится до нескольких терабайт информации.
Считывание и запись информации на таком диске осуществляется с помощью микроголовки, расположенной на поворотном рычаге.
Сам диск вращается с огромной скоростью, и головка плавает над ним в потоке воздуха, что предотвращает возможность механического повреждения диска.
Сравнительно-обобщающая таблица
«Электрический ток в различных средах»
| Среда План | Металлы | Растворы электролитов | Полупроводники | Вакуум | Газы |
| 1.Природа свободных носителей заряда | Электроны | (+) и (-) ионы | Электроны и дырки | Электроны | Электроны, (+) и (-) ионы |
| 2.Механизм образования с.н.з. | При образовании кристаллической решётки наиболее удалённые от ядра атома электроны, слабо с ним связанные, отрываются и становятся свободными | Электролитическая диссоциация – распад молекул электролита на ионы | Генерация электронов и дырок - разрыв ковалентных связей при поступлении в атомы избыточной энергии | Термоэлектронная эмиссия - испускание электронов нагретыми до высокой температуры металлами | Ионизация – распад атомов на электроны и (+) ионы |
| 3.Зависимость сопротивления от температуры (график) |  | 
|  | _______ | ______ |
| 4.Вольтамперная характеристика (график) |  |  |  |  |  |
| 5.Особенности протекания тока в среде | Сверхпроводимость-
при температурах близких к абсолютному нулю у металлов исчезает сопротивление  | Электролиз- процесс выделения на электродах из раствора электролита веществ, связанный с окислительно-восстановительными реакциями
 | Запирающий слой р-n перехода, зависимость проводимости от освещённости
  | Односторонняя проводимость вакуумного диода, свойства электронных пучков
 | Газовый разряд сопровождае-тся свечением
 |
| 6.Применение проводящих свойств среды | Подводящие провода в электрических цепях, обмотки реостатов, электромагнитов, электродвигателей генераторов, трансформаторов Мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой, которые создают магнитные поля без затрат энергии, которые используются в ускорителях элементарных частиц, МГД-генераторах | В источниках тока – аккумуляторах, гальванических элементах
Использование электролиза в технике:
- электроэкстракция
- гальваностегия
- гальванопластика
 | Фотоэлемент – устройство, в котором энергия света преобразуется в электрическую (источник тока)
Фоторезистор – резистор, сопротивление которого зависит от освещённости (для измерения световых потоков)
Термистор – резистор, зависимость сопротивления которого от температуры используется для измерения очень высоких (до 1300К) и очень низких (до 4К) температур
Полупроводнико- вый диод для выпрямления переменного тока в постоянный по направлению.
 | Вакуумный диод использовался для выпрямления переменного тока в постоянный по направлению
 
Вакуумный триод использовался в усилителях электрических сигналов
 
Электроннолучевая трубка (осциллограф, кинескоп, дисплей ЭВМ)
| Применение видов самостоятельного разряда – дугового, искрового, тлеющего, коронного. Применение плазмы. |
1. Вакуум – это такое состояние газа, при котором молекулы газа успевают пролететь от одной стенки сосуда до другой, не испытав ни разу соударения друг с другом.
Если два электрода поместить в герметичный сосуд и удалить из сосуда воздух, то электрический ток в вакууме не возникает – нет носителей электрического тока. Американский учёный Т. Эдисон в 1879г. обнаружил, что в вакуумной стеклянной колбе может возникнуть электрический ток, если один из находящихся в ней электродов нагреть до высокой температуры. Наблюдается явление термоэлектронной эмиссии.
2. Термоэлектронная эмиссия - испускание электронов нагретыми до высокой температуры металлами.
3. Вакуумный диод– двухэлектродная электронная вакуумная лампа.
Электроды: катод (испускает электроны) и анод.
4. Электрический ток в вакууме – направленное движение электронов.
5. Основное свойство вакуумного диода – односторонняя проводимость: ток одного направления через лампу проходит (на катоде «-», на аноде «+»), а противоположного направления ток не проходит ( на катоде «+», на аноде «-»).
6. Вакуумный триод –трехэлектродная электронная вакуумная лампа, содержащая, кроме катода и анода, еще третий электрод — управляющую сетку.
Схема включения триода в цепь для усиления анодного тока.
А — анод лампы; К— ее катод; С — сетка; Ба — анодная батарея; Бс — сеточная батарея, создающая напряжение между сеткой и катодом; R — потребитель тока.
7. Электронный пучок –поток электронов в вакууме, летящих от «-» катода к «+» аноду и прошедших через отверстие в аноде.
8. Свойства электронных пучков:
· Попадая на тела, вызывают их нагревание (использование – плавка сверхчистых металлов в вакууме).
· При резком торможении пучка электронов, находящихся в сильном электрическом поле, на веществе возникает рентгеновское излучение.
· Под действием электронных пучков некоторые вещества, называемые люминофорами, светятся. Холодное (нетепловое) свечение называется люминесценцией.
· Электронные пучкиотклоняются электрическим и магнитным полем.
9. Возможность управления электронным пучком с помощью магнитного и электрического полей, а также свечение под ударами электронов покрытого люминофором экрана положено в основу действия электроннолучевой трубки.
poznayka.org
Содержание
Цели и задачи…………………………………………………………………3
Введение………………………………………………………………………4
Глава 1. Свойства ферромагнетиков………………………………………...5
Глава 2. Процесс перемагничивания ферромагнетика……………………..8
Глава 3. Гипотеза элементарных магнитиков……………………………...12
Глава 4. Отличие ферромагнетиков от диа- и парамагнетиков…………..14
Глава 5. Спиновая природа ферромагнетизма……………………………..17
Глава 6. Применение ферромагнетиков……………………………………20
Заключение…………………………………………………………………...21
Список литературы…………………………………………………………..22
Цели и задачи
Цель данного доклада 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.
Глава 1. 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.
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. А). 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 К.
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 В = Фm/S=qR/(2N2S)
Напряженность магнитного поля в сердечнике вычисляется по следующей формуле ,
где Lср – длина средней линии сердечника. Зная B и H можно найти намагниченность .
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. 2, при наблюдается магнитное насыщение.
При зависимость магнитной индукции В от Н нелинейная, а при – линейная (рис.3).
Рис. 2 Рис. 3
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.
Глава 2. 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.
Рис. 4
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 изменения индукции при увеличении напряженности поля для предварительно полностью размагниченного вещества называется начальной кривой намагничивания. На рис. 4 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 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. 5). Геометрическое место точек вершин симметричных циклов гистерезиса называется основной кривой намагничивания. Основная кривая намагничивания практически совпадает с начальной кривой.
Рис. 5
Симметричная петля гистерезиса, полученная при максимальной напряженности поля Hm (рис.5), 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. 6) называются магнитнотвердыми. Они используются для изготовления постоянных магнитов. Вещества с малой остаточной индукцией и площадью петли гистерезиса (кривая 2 рис. 6) называются магнитномягкими и используются для изготовления магнитопроводов электротехнических устройств, в особенности работающих при периодически изменяющемся магнитном потоке.
Рис. 6
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 магнитного потока равна
(1)
Если отнести эту работу на единицу объема вещества, получим
(2)
Графически эта работа представляет собой площадь элементарной полоски петли гистерезиса (рис. 7 а)).
Рис. 7
Полная работа по перемагничиванию единицы объема вещества определится в виде интеграла по контуру петли гистерезиса
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. 7 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. 7 в)).
Обозначая энергию, отнесенную к единице объема вещества, затрачиваемую на перемагничивание за один полный симметричный цикл, через W'h=A' получим
Существует эмпирическая зависимость для вычисления удельных потерь энергии на перемагничивание
где h - 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.
freepapers.ru
