5.7. Ферромагнетики и их свойства

Ферромагнетики относятся к классу магнетиков с упорядоченной магнитной структурой. Они являются сильномагнитными веществами; их намагничивание огромное (превышает в 10¹⁰ раз намагничивание диа- и парамагнетиков). Ферромагнетики способны находиться в намагниченном состоянии в отсутствие внешнего поля (постоянные магниты). К ферромагнетикам относятся: железо, никель, кобальт, их сплавы и соединения, некоторые сплавы и соединения марганца и хрома, редкоземельные элементы.

Рассмотрим некоторые свойства ферромагнетиков.

1.Основная кривая намагничивания.

Характерная особенность ферромагнетиков – сложная нелинейная зависимость намагниченности и магнитной индукцииот напряженности поля.

На рис. 5.7 приведены так называемые основные или нулевые кривые намагничивания. Они соответствуют случаю, когда первоначальная намагниченность образца равна нулю (при ).

При увеличении внешнего поля намагниченность и магнитная индукция в ферромагнетике вначале быстро возрастают, затем их рост замедляется. Далее при некотором значении напряженности поля намагниченность достигает насыщения (j=j_нас); магнитная индукция растет незначительно за счет увеличения внешнего поля.

2.Относительная магнитная проницаемость. Определяется формулой:

.

Так как зависимостьВ(Н) нелинейна, то относительная магнитная проницаемость ферромагнетиков не является постоянной величиной. Зависимость μ(Н) имеет вид кривой с максимумом (рис.5.8).

Максимальные значения магнитной проницаемости очень велики.

Например, для чистого железа = 5000;cплав супермаллой, содержащий 79% Ni, 5% Мо и 16% Fe, имеет максимальное значение магнитной проницаемости = 800000.

Следует отметить, что понятие магнитной проницаемости применимо только к основной кривой намагничивания, так как зависимость В(Н) не является однозначной.

3.Магнитный гистерезис.

Ферромагнетики имеют свойство сохранять состояние намагниченности при устранении намагничивающего поля. Остаточный магнетизм приводит к неоднозначной зависимости В(Н) и является результатом магнитного гистерезиса.

Поясним сущность магнитного гистерезиса, используя рис.5.9.

Возьмем образец, первоначальная намагниченность которого равна нулю, и

будем увеличивать напряженность внешнего поля. Процесс намагничивания изобразится кривой .

Затем уменьшим напряженность поля до нуля. Магнитная индукция будет изменяться уже по кривой .

При Н=0 магнитная индукция не равна нулю, а равна В_r то есть образец сохраняет некоторую остаточную намагниченность. Величина В_r называется остаточной индукцией. Ферромагнетики в этом состоянии являются постоянными магнитами.

Намагниченность обращается в нуль, если к образцу приложить поле противоположного направления напряженностью H_c (точка 3). Величина H_c называется коэрцитивной силой^.

При действии на ферромагнетик переменного магнитного поля магнитная индукция будет изменяться в соответствии с замкнутой кривой . Эта кривая называетсяпетлёй гистерезиса.

Если при изменении H намагниченность достигает насыщения, то получается максимальная (предельная) петли гистерезиса. Если насыщение не достигается, то петля называется частным циклом.

В зависимости от формы петли гистерезиса и значений остаточной индукции В_r и коэрцитивной силы H_c различают магнитомягкие и магнитожёсткие материалы (рис.5.10).

Коэрцитивная сила H_c характеризует свойство ферромагнетика сохранять намагниченность и наряду с магнитной проницаемостьюи магнитной восприимчивостьюопределяет его применимость для тех или иных практических целей. При намагничивании ферромагнетика создается его собственное магнитное поле, обладающее опредёленной энергией. Эту энергию передает ферромагнетику намагничивающее поле, создаваемое электрическим током. Если ток переменный, то процесс намагничивания чередуется с размагничиванием. В процессе перемагничивания часть энергии расходуется на работу по ориентации доменов (потери на гистерезис) и создание вихревых токов. Можно показать, чтопотери энергии на гистерезис за один цикл перемагничивания единицы объёма ферромагнетика численно равны площади петли гистерезиса. Отсюда следует, что магнитомягкие материалы легко перемагничиваются и мало нагреваются и, наоборот,магнитожёсткие материалы с трудом перемагничиваются и значительно нагреваются.

Большим значением H_c обладают углеродистые, вольфрамовые, хромоникелевые стали. Они имеют широкую петлю гистерезиса и относятся к магнитожёстким материалам. Из них изготавливают постоянные магниты, трудно поддающиеся размагничиванию. Магнитожёсткие материалы используют также при изготовлении элементов памяти электронных схем.

Магнитомягкие материалы идут на изготовление сердечников трансформаторов. У таких материалов значение коэрцитивной силы H_c сравнительно невелико, что обуславливает лёгкое перемагничивание.

4.Температура Кюри.

Для каждого ферромагнетика существует такая температура, выше которой он теряет свои ферромагнитные свойства и превращается в парамагнетик. Эта температура называется точкой Кюри. Значения этих температур для некоторых ферромагнетиков приводятся в таблице.

Вещество	Ферромагнитная точка Кюри, оС	Вещество	Ферромагнитная точка Кюри, оС
Железо	770	Тулий	-222
Кобальт	1127	Эрбий	-220
Никель	357	Сплав Гейслера	200
Гадолиний	16	Тербий	-43
Диспрозий	-168	Сплав марганец- висмут (50%)	340

5.Магнитострикция.

Явление магнитострикции состоит в изменении формы и размеров ферромагнетиков при намагничивании, пропорциональное энергии магнитного поля.

Продольная магнитострикция (изменение размеров образцов по направлению поля) может быть как положительной, так и отрицательной^. Как правило, положительной продольной магнитострикции соответствует отрицательная поперечная магнитострикция (и наоборот).

Явление магнитострикции используется при конструировании ультразвуковых генераторов волн. Если ферромагнитный сердечник (стержень) поместить внутрь катушки, через которую пропускается переменный ток ультразвуковой частоты, то, вследствие магнитострикции, стержень будет пульсировать с удвоенной частотой.

Наибольшая амплитуда магнитострикционных колебаний стержня достигается при выполнении условий магнитострикционного резонанса (частота вынужденных колебаний ферромагнитного стержня должна совпадать с частотой его собственных колебаний, зависящей от его размеров и материала). Такой прибор является генератором ультразвуковых колебаний.

Эффект магнитострикции обратим: механическая деформация тела из магнитострикционного материала вызывает изменение состояния намагниченности этого тела. Это явление называют магнитоупругим эффектом.

Магнитоупругий эффект – это изменение намагниченности ферромагнитного тела при деформации. Он является термодинамически обратным магнитострикции, и его иногда называют обратным магнитострикционным эффектом. При воздействии на кристаллы ферромагнетика механических усилий на кристаллографическую анизотропию накладывается магнитоупругая анизотропия, вызванная дополнительным магнитным взаимодействием атомов вследствие искажения атомной решётки кристалла.

Энергия магнитоупругой анизотропии зависит от вектора намагниченности насыщения в кристалле и создаёт дополнительные выгодные в энергетическом отношении направления областей в решётке. Упругие напряжения, действующие на ферромагнетик, приводят к изменению ориентации магнитных моментов доменов (без изменения абсолютного значения вектора намагниченности насыщения). Это приводит к изменению намагниченности ферромагнетика. Магнитоупругая энергия непосредственно связана магнитострикцией.

Прямой и обратный магнитострикционный эффекты нашли широкое применение в приборостроении. Сконструированы разные типы магнитострикционных приборов: реле, вибраторы, резонаторы, преобразователи, стабилизаторы, манометры, тензометры. Эти приборы обладают высокой чувствительностью и находят применение в схемах автоматического контроля и регулирования процессов.