Гістерезис феромагнетиків
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
проникності феромагнетиків. Магнітною проникністю m називають або відношення В/m0Н, або відношення ?В/m0?Н; у першому випадку говорять про статичну, а в другому - про динамічну магнітну проникність речовини
mс = (1/m0) (В/Н), mд = (1/m0) (dB/dH)
m0 - магнітна постійна, рівна в системі СІ 4? 10-7 Гн/м. У системі СГС m0=1.
Як уже відзначалося, магнітна проникність феромагнетиків залежить від поля. Початковою магнітною проникністю називається величина m, вимірювана при невеликих значеннях Н.
2. Сучасна теорія феромагнетиків. Домени
Сучасна теорія феромагнетиків спирається на такі основні дослідні факти. По-перше, в деяких феромагнетиках можна змінювати намагніченість від початкового нульового значення до величезного значення насичення під дією незначного намагнічуючого поля. Ця обставина характерна для феромагнетиків і різко відрізняє їх від парамагнетиків. Укажемо для порівняння, що нормальна парамагнітна сіль, наприклад FeSO4, при кімнатній температурі під дією поля в 10 А/м збільшує свою намагніченість у сотні мільйонів разів менше, ніж деякі магнітно-мякі феромагнітні сплави.
Друга особливість стосується магнітного моменту атомів феромагнітних речовин. Прямі досліди показують (досліди Штерна і Герлаха), що магнітні моменти атомів феромагнітних речовин мають той же порядок величини, що й атоми парамагнетиків, і вимірюються декількоми магнетонами Бора mв. Звідси випливає, що феромагнетизм не можна пояснити за допомогою теорії, подібної теорії парамагнетизму, і що феромагнітні властивості не обумовлені наявністю магнітного моменту атома в цілому.
Третій важливий дослідний факт звязаний з величиною гіромагнітного відношення Г. В феромагнетиках вона виявляється приблизно у два рази більшою, ніж очікуване теоретично значення для електронних орбіт, і відповідає відношенню власних магнітного і механічного моментів електрона. Ця обставина вказує на те, що намагнічування феромагнетиків обумовлюється дуже сильною оріентацією власних магнітних моментів електронів (електронних спінів), а не магнітними моментами атомів у цілому.
Відповідно до сучасних представлень, надійно обґрунтованих на досліді, сутність феромагнетизму полягає в тому, що сильне орієнтування елементарних магнітних моментів виникає у феромагнетиках незалежно від зовнішнього магнітного поля, так що феромагнетик намагнічений до насичення, що відповідає даній температурі, вже без усякого поля (рис. 2а). Наявність такого самовільного, або спонтанного, намагнічування є найбільш характерною властивістю феромагнетиків.
Рис. 2. Схематичні зображення розташування електронних спінів при самовільному намагнічуванні (низька температура) (а) і напрямку намагніченості в окремих доменах (б)
Зазначені уявлення були висловлені в роботах Б.Л. Розинга ще в 1892 р. Однак вони не одержали в той час належного розвитку і були висунуті знову в 1907 р. Вейссом. Так як дослід показує, що феромагнетики при відсутності зовнішнього поля можуть бути і не намагнічені, то для пояснення цього удаваного протиріччя Вейсс висунув другу основну гіпотезу, відповідно до якої феромагнетик розбивається на велике число малих (але макроскопічних) областей, або доменів. Кожна з цих областей при температурах нижче температури Кюрі намагнічена досить сильно, але напрямки намагнічування в окремих доменах різні, а саме такі, що повний магнітний момент феромагнетика дорівнює нулю (рис. 2б).
Питання про фізичну причину самовільного намагнічування був принципово пояснений у 1928 р. Я. І. Френкелем і потім Гейзенбергом, які показали, що сильне орієнтування електронних спінів викликається силами обмінної взаємодії. Наявність цього нового класу сил, непоясненого в класичній фізиці, було зясовано лише з розвитком квантової фізики атома.
Існування доменів у феромагнетиках у даний час доведено різними дослідами. Найбільш прямий метод полягає в одержанні так званих порошкових фігур. Якщо на добре відполіровану поверхню феромагнетика помістити шар рідини, у якій змулені дрібні крупинки феромагнітного порошку (наприклад, Fe2O3), то ці крупинки будуть осідати переважно на ті місця, поблизу яких магнітне поле неоднорідне. Але саме поблизу границь доменів і виникають неоднорідності поля, і тому крупинки порошка обрисують границі областей самодовільного намагнічування. На рис. 3 приведені фотографії порошкових фігур, видимих у мікроскоп при невеликому. збільшенні. Особливо слід зазначити, що домени дійсно спостерігаються і під час відсутності зовнішнього магнітного поля. Порошкові фігури були використані в численних дослідженнях феромагнетиків і дозволили визначити розміри, форму і розташування доменів, а також зміни доменів у зовнішньому магнітному полі.
Рис. 3. Домени в деформованій кремнистій сталі (збільшення 80): а) безполя; б) магнітне поле перпендикулярне до площини рисунка; в) магнітне поле тієї ж напруженості, але протилежного напрямку.
Розглянемо докладніше, чому у феромагнетиках виникають численні домени. Будемо вважати для простоти, що феромагнетик досить анізотропний і що його вісь легкого намагнічування перпендикулярна до поверхні зразка.
Рис. 4. До пояснення виникнення доменів
На рис. 4а зображений феромагнетик, що складається з одного домена. У цьому випадку в зовнішньому просторі виникає магнітне поле, що містить в собі певну енергію. На рис. 4б зображені два домени з протилежним напрямком намагніченості.