Гістерезис феромагнетиків (стр. 2 из 3)
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. Зовнішнє магнітне поле тут зменшується зі збільшенням відстані швидше, ніж у випадку а, і енергія, що міститься в полі, виявляється меншою. У випадку, показаному на рис. 4в, магнітне поле практично існує тільки в безпосередній близькості від поверхні магнетика й енергія поля ще менша. Накінець, на рис. 4г зображений випадок, коли в зовнішньому просторі магнітного поля зовсім немає. Тут існують «замикаючі» домени у формі тригранних призм, бічні поверхні яких складають кут 45° з вектором намагніченості. У наслідок цього магнітний потік проходить винятково всередині феромагнетика, він замикається граничними доменами, чим і обумовлена їхня назва – замикаючі домены. Стан г енергетично більш вигідний, ніж попередні стани, і тому феромагнетик, що знаходиться, наприклад, у стані а, буде прагнути перейти в стан г. Нарешті, на мал. 4д показана ціла сукупність доменів разом із замикаючими їх доменами, де також немає зовнішнього поля. Подібна форма доменів дійсно спостерігається на досліді. Таким чином, розбивка феромагнетика на домени відбувається тому, що при утворенні доменних структур енергія феромагнетика зменшується (Л.Д. Ландау й Е.М. Лифшиц).
Вище ми розглядали феромагнетик у відсутністі зовнішнього магнітного поля і враховували тільки його власну магнітну енергію. Якщо врахувати ще й інші джерела енергії, наприклад, механічні напруги або зовнішнє магнітне поле, то форма доменів визначалася б повною енергією системи. Тому при наявності механічних напруг і зовнішнього поля доменна структура змінюється.
При виникненні самовільного намагнічення (орієнтування електронних спінів) магнетик деформується. Якщо при температурі більш високій, ніж температура Кюрі, вирізати з монокристалла феромагнетика кулю, то при охолодженні нижче температури Кюрі куля перетвориться в еліпсоїд. Форма і розміри доменов змінюються і при перемагнічуванні. Тому феромагнетик, у цілому не намагнічений, а при намагнічуванні деформується.
Явище деформації при намагнічуванні було відкрито в середині минулого сторіччя Джоулем і одержало назву магнітострикції. Деформації, які виникають при цьому досить малі: відносні видовженні зразка Dl/l у полях порядку 105 А/м звичайно мають порядок
10-5 – 10-6. Магнітострикцію використовують, подібно зворотному п'єзоелектричному ефекту для пристроїв потужних випромінювачів ультразвукових хвиль і для інших цілей.
Сили обмінної взаємодії викликають у феромагнетиках паралельну орієнтацію електронних спінів. Однак обмінні сили залежать від структури тіла, і тому характер оріентації спінів може бути різний. Виявляється, що існують речовини, у яких також виникає сильна орієнтація електронних спінів, але, на відміну від феромагнетиків, електронні спіни орієнтовані в них попарно антипаралельно. У найпростішому випадку електронні спіни утворять як би дві просторові підрешітки, вставлені одна в одну і намагнічені в протилежних напрямках (рис. 5).
Речовини, у яких намагніченість обох подрешіток одинакова по модулю, одержали назву антиферомагнетиків. Їхнє існування було передбачено теоретично Л.Д. Ландау в 1933 р. Антиферомагнетиками є деякі з'єднання марганцю (MnO, MnS), хрому (NiCr, Сг2О3), ванадію (VО2) і ін. Подібні речовини при низьких температурах мають мізерно малу магнітну сприйнятливість.
Рис. 5. Характер намагнічування в антиферомагнетиках (а) і феритах (б) (схематично).
При підвищенні температури строго попарна антипаралельність електронних спінів порушується і магнітна сприйнятливість збільшується. При деякій температурі (антиферомагнітна температура Кюри або температура Нееля) області самодовільної оріентації електронних спінів руйнуються й антиферомагнетик перетворюється в парамагнетик. При подальшому підвищенні температури магнітна сприйнятливість, як у всякого парамагнетика, зменшується, а отже, при антиферомагнітній температурі Кюрі магнітна сприятливість має максимум. Якщо намагніченість обох підрешіток неоднакова по модулю, то з'являється незкомпенсований антиферомагнетизм і речовина може мати значний магнітний момент. Такий характер намагнічування має місце у ферритах
3. Процеси намагнічування феромагнетика
Однієї з основних задач теорії феромагнетизму є пояснення технічної кривої намагнічування, тобто залежності намагніченості від напруженості магнітного поля. У результаті численних досліджень була встановлена така загальна картина процесу намагнічування феромагнетиків. При відсутності зовнішнього поля феромагнетик розбивається на домени таким чином, що його результуючий магнітний момент близький до нуля. Це схематично показано на рис. 6а, де зображені чотири домена однакові по об’єму, намагнічені до насичення з магнітним моментом Js/4, рівним чверті повного моменту усього магнетика в стані насичення. При включенні зовнішнього поля енергії окремих доменов стають неодинаковими: енергія менша для тих доменов, у яких вектор намагніченості утворить з напрямком поля гострий кут, і більше в тому випадку, якщо цей кут тупий. Тому виникає процес зсуву границь доменів, при якому об’єм доменів з меншої енергією зростає, а з більшою енергією зменшується (рис. 66). У дуже слабких полях ці зсуви границь оборотні і встигають за зміною поля. Початкова сприйнятливість феромагнетиков і область l кривої намагнічування (рис. 6, е) обумовлені процесами оборотного зсуву границь.
Рис. 6. Різні типи процесів намагнічування феромагнетика (схематично); а – б) зсув границь, г) обертання вектора намагніченості, д) область насичення
При збільшенні поля зсуви границь доменів стають необоротними. При достатній величині намагнічуючого поля, енергетично невигідні домены зникають зовсім (рис. 6в). Цьому відповідає область 2 кривої намагнічування (рис. 6е).
Якщо поле збільшується ще більше, то виникає новий тип процесу намагнічування, при якому змінюється напрямок магнітного моменту усередині домена (обертання вектора намагніченості, рис. 6г; цьому відповідає область 3 на рис. 6е).
Нарешті, у дуже сильному полі магнітні моменти всіх доменів установлюються паралельно полю. У цьому стані феромагнетик має найбільший, можливий при даній температурі магнітний момент, тобто намагнічений до насичення (рис. 6д).
Зазначені процеси намагнічування (за винятком зсуву границь у слабких полях) відбуваються з деякою затримкою, тобто зсув границь і поворот вектора намагніченості відстають від зміни поля, що приводить до появи гістерезиса.
Гістерезис може виникнути і з іншої причини. Ми говорили вище, що при наявності поля внаслідок зсуву границь доменів відбувається збільшення об’єму (тих доменів), що має меншу енергію. Однак може виявитися, що дана фаза при даному стані феромагнетика або даному напрямку поля не існує, і тому повинні виникнути і вирости малі області цієї фази або зародки перемагнічування. Такі зародки виникають не точно при тому значенні поля, при якому існування цієї фази робиться енергетично вигідним, а відбувається затримка росту зародків перемагнічування, що також приводить до появи гістерезиса. Це явище подібне перенасченню пари і переохолодженню рідини, тобто існуванню нестабільних фаз унаслідок затримки росту зародків стійкої фази. Якщо феромагнетик має мілкокристаллическую структуру, так що окремі його кристалики складаються усього з одного домена, то можливе одержання особливо великої коерцитивної сили.
Таким чином природа феромагнетизму цілком ясна. У феромагнітних речовин існують неспарені (відповідальні за феромагнетизм) електрони, спіни яких у порівняно великих областях орієнтуються в одному напрямку. Кожна з таких областей, або, як їх звичайно називають, доменів, намагнічена до насичення. Різні стани намагніченості усього зразка відрізняються взаємною орієнтацією векторів намагніченості окремих доменів: у розмагніченій речовині вони розташовані хаотично, а в. намагніченому спрямовані в одну сторону.
4. Дослідження кривих гістерезису феромагнетика за допомогою осцилографа
Вимірювання магнітної індукції в зразках
Магнітну індукцію зручно визначати за допомогою е.р.с., яка виникає при зміні магнітного потоку Ф в котушці, що охоплює зразок:
Е = – dФ/dt. (2)
Нехай котушка щільно охоплює зразок і індукція В в зразку однорідна. У цьому випадку
Ф = SNB, (3)
де N – число витків у вимірювальній котушці, S – площа витка. Підставляючи (3) у вихідну формулу (2), після інтегрування знайдемо