5. Взаимодействие магнитного поля с веществом:

ФЕРРОМАГНЕТИКИ

В технике ни диамагнетики, ни парамагнетики не применяются из-за их слабого влияния на магнитное поле. Однако существуют вещества, у которых магнитная восприимчивость, вычисленная по формуле (4.4), может принимать значения порядка 10² – 10⁵. Такие вещества называются ферромагнетиками. У ферромагнетиков магнитная восприимчивость, вычисленная по формуле (4.4), сущест-венно и неоднозначно зависит от напряженности магнитного поля. Поэтому наилучшей характеристикой ферромагнетиков является не магнитная восприимчивость, а график зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля при циклическом изменении последней. Этот график имеет характерный вид, называемый петлей гистерезиса.

Петля гистерезиса (при данной температуре) изображена на рис. 5.1. Кривая, выходящая из начала координат, называется основной кривой намагничивания ферромагнетика. Так ведет себя зависимость , когда образец первоначально был полностью размагничен. По мере увеличениянапряженности магнитного поля рост намагниченности замедляется, а затем и вовсе прекращается. Ферромагнетик намагничен до насыщения, его намагниченность равна . Если теперьнапряженность магнитного поля уменьшать, ферромагнетик размагничивается медленнее, чем намагничивался. Это и есть гистерезис – запаздывание. Для технических применений стараются получить ферромагнетики либо с очень широкой петлей гистерезиса (магнитожесткие материалы), либо с очень узкой (магнитомягкие материалы).

Рис. 5.1. Петля гистерезиса:

Когда напряженность магнитного поля обращается в ноль, ферромагнетик остается намагниченным, это остаточная намагниченность . Основные характеристики всех элементных ферромагнетиков приведены в табл. 6.8.

Вещества, которые называют ферромагнетиками, проявляют ферромагнитные свойства лишь при температурах ниже так называемой температуры Кюри . Если температура становится выше , вещество переходит в парамагнитное состояние. В этом состоянии магнитная восприимчивость вещества («бывшего» ферромагнетика, ставшего парамагнетиком) определяется законом Кюри – Вейсса:

. (5.1)

Здесь – относительный средний атомный магнитный момент. Формула (5.1) переходит в формулу (4.10) для парамагнитных газов прии При вычислении намагниченности ферромагнетика при в состоянии насыщения надо учитывать, что она убывает с температурой по закону

(5.2)

от максимального значения приT = 0 до нуля при .

Вопросы и задачи

5.1. Для каких целей используются магнитожесткие материалы?

5.2. Дайте сравнительную характеристику поляризованности и намагниченности.

5.3. Как изменяются магнитные свойства ферромагнетиков при нагревании?

5.4. Как связаны ферромагнитные свойства основных элементных ферромагнетиков с электронной структурой их атомов?

5.5. Какие металлы входят в состав ферромагнитного сплава алнико?

5.6. Почему широкий класс ферромагнитных сплавов называется пермаллоем?

5.7. Чем могут быть обусловлены парамагнитные свойства веществ?

5.8. Вычислите намагниченность тулия в состоянии насыщения при температуре 20 К.

5.9. Определите магнитную восприимчивость 120 мг диспрозия при температуре +5 С.

5.10. Вычислите магнитный момент 14 мг кобальта вблизи точки плавления в поле напряженностью 80 А/м.

5.11. Во сколько раз магнитная восприимчивость у никеля выше, чем у диспрозия, если температура обоих металлов 700 К?

5.12. При какой температуре намагниченность гадолиния в состоянии насыщения будет на 20 % меньше, чем намагниченность гольмия в состоянии насыщения при температуре 8,54 К?

5.13. Железный стержень радиусом 2,1 мм и длиной 214 мм намагничен до одной трети насыщения при температуре +80 С. Он закреплен так, что может вращаться в горизонтальной плоскости вокруг центральной оси, и помещен в магнитное поле 20 мТл. Найдите период малых колебаний стержня.

5.14. Найдите магнитный момент 30 г тербия в состоянии насыщения при температуре 120 К.