Электричество и магнетизм изучение свойств ферромагнетиков (стр. 10 из 14)

Внешнее магнитное поле можно характеризовать не только вектором индукции

, но также и вектором напряженности магнитного поля , т.к напряженность магнитного поля, созданного в некотором контуре, Определяется только силой тока в контуре, его формой и размерами.

Вектор индукции намагничивающего поля связан с вектором напряженности соотношением:

, (5.3)

где

- магнитная постоянная (В системе CИ =l.26 10 Гн/М)

- магнитная проницаемость среды.

Векторы

и пропорциональны друг другу:

, (5.4)

где

коэффициент пропорциональности, называемый магнитной восприимчивостью вещества. Это безразмерная величина, характерная для каждого данного магнетика.

Магнетики, подчиняющиеся зависимости (5.4), подразделяют на парамагнетики

и диамагнетики . У парамагнетиков , у диамагнетиков .

По определению векторы

и связаны соотношением

, (5.5)

где

.

Подставляя (5.4) в (5.5), получим

, откуда , (5.6) и следовательно,

У парамагнетиков

, у диамагнетиков , причем как у тех так и у других магнитная проницаемость отличается от единицы весьма мало, т.е. магнитные свойства этих магнетиков выражены очень слабо.

Ферромагнетики. Ферромагнетными называют вещества, которые могут обладать спонтанной намагниченностью, т.е. намагничены уже при отсутствии внешнего магнитного поля.

Характерной особенностью ферромагнетиков является нелинейная зависимость

или (рис.5.1) и (рис.5.2).

На рис.5.1 приведена кривая намагничения ферромагнетика, намагниченность которого при

=0 также равна нулю, ее называют основной кривой намагничения. Уже при сравнительно небольших значениях намагниченность достигает насыщения , магнитная индукция также растет с увеличением . После достижения состояния насыщения продолжает расти с увеличением по линейному закону , где . На рис.5.2

Рис.5.1 Рис.5.2

приведена основная кривая намагничения на диаграмме

- , Ввиду нелиненой зависимости для ферромагнетиков нельзя ввести магнитную проницаемость как определенную постоянную величину, характеризующую магнитное свойства каждого данного ферромагнетика. Однако по-прежнему считают, что при этом является функцией . Магнитная проницаемость для ферромагнетиков может достигать очень больших значений. Так, например, для чистого железа равна 5OOO, для сплава супермаллой - 800000. Заметим, что понятие магнитное проницаемости применяется только к основной кривой намагничения,. т.к зависимость неоднозначна. Рассмотрим эту зависимость. Кроме нелинейной зависимости или для ферромагнетиков характерно также явление магнитного гистерезиса. Связь между и или и оказывается неоднозначной и определяется предшествующей историей намагничивания ферромагнетика. Если первоначально ненамагниченный ферромагнетик намагничивать, увеличивая от нуля до значения, при котором наступает насыщение (точка 1 на рис.5. З), а затем уменьшать от до - , то кривая намагничения пойдет не по первоначальному пути 10, а выше - но пути 1234. Если дальше изменять в обратном направлении от до , то кривая намагничения пройдет ниже - по пути 4561. Получившуюся замкнутую кривую называют петлей гистерезиса. В том случае, когда в точках 1 и 4 достигается насщенние, получается максимальная петля гистерезиса. Когда же в крайних точках 1 и 4 насыщения нет, получатся аналогичные петли гистерезиса, но меньшего размера, как бы вписанные в максимальную петлю.

Рис.5.3

Из рис.5.3 видно, что при

=0 намагничивание не исчезает и характеризуется величиной называемой остаточной индукцией. Ей соответствует остаточная намагниченность , при наличием такого остаточного намагничивания связано существование постоянных магнитов. Величина обращается в нуль (точка 3) лишь под действием поля , имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Величина называется коэрцитивной силой.

Значения для разных ферромагнетиков меняются в широких пределах.

При повышении температуры способность ферромагнетиков намагничиваться уменьшается, в частности, уменьшается намагниченность насыщения. При некоторой температуре, называемой температурой или точкой Кюри ферромагнитные свойства исчезают. При температурах, более высоких, чем температура Кюри, ферромагнетик превращается в парамагнетик. Физическую природу ферромагнетизма удалось понять только с помощью квантовой механики. При определенных условиях в кристаллах могут возникать так называемые обменные силы, которые заставляют магнитные моменты электронов устанавливаться параллельно друг другу. В результате возникают области размером (1 - 10) мкм спонтанного, т.е. самопроизвольного намагничивания. Эти области называются доменами.3 пределах каждого домена ферромагнетик намагничен до насыщения и имеет определенный магнитный момент. Направления этих моментов для различных доменов различны, поэтому при отсутствии внешнего поля суммарный момент образца равен нулю и образец в целом представляется макроскопически не намагниченным. При включении внешнего магнитного поля домены, ориентированные по полю, растут за счет доменов, ориентированных против поля. Такой рост в слабых полях имеет обратимый характер. В более сильных полях происходит одновременная переориентация магнитных доменов в пределах всего объема вещества. Этот процесс является необратимым, что служит причиной гистерезиса и остаточного намагничивания. Сказанное выше может быть пояснено с помощью следующей схемы: