Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Применение ферромагнетиков

Ферромагнетики

Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Применение ферромагнетиков

      К ферромагнетикам (ferrum – железо) относятся вещества, магнитная восприимчивость которых положительна и достигает значений .

Намагниченность  и магнитная индукция  ферромагнетиков растут с увеличением напряженности магнитного поля  нелинейно, и в полях  намагниченность ферромагнетиков достигает предельного значения , а вектор магнитной индукции растет линейно с :

      Ферромагнитные свойства материалов проявляются только у веществ в твердом состоянии, атомы которых обладают постоянным спиновым, или орбитальным, магнитным моментом, в частности у атомов с недостроенными внутренними электронными оболочками.

Типичными ферромагнетиками являются переходные металлы. В ферромагнетиках происходит резкое усиление внешних магнитных полей. Причем для ферромагнетиков  сложным образом зависит от величины магнитного поля.

Типичными ферромагнетиками являются Fe, Co, Ni, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm,а также соединения ферромагнитных материалов с неферромагнитными: , , и др.

      Существенным отличием ферромагнетиков от диа- и парамагнетиков является наличие у ферромагнетиков самопроизвольной (спонтанной) намагниченности в отсутствие внешнего магнитного поля.

Наличие у ферромагнетиков самопроизвольного магнитного момента  в отсутствие внешнего магнитного поля означает, что электронные спины и магнитные моменты атомных носителей магнетизма ориентированы в веществе упорядоченным образом.

      Ферромагнетики –  это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры.

      Ферромагнетики, в отличие от слабо магнитных диа- и парамагнетиков, являются сильно магнитными веществами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни раз превосходить внешнее поле.

      Основные отличия магнитных свойств ферромагнетиков.

       1.                         Нелинейная зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля Н (рис. 6.5).

      Как видно из рис. 6.5, при  наблюдается магнитное насыщение.

      2. При   зависимость магнитной индукции В от Н нелинейная, а при  – линейная (рис. 6.6).

Рис. 6.5                               Рис. 6.6

      3. Зависимость относительной магнитной проницаемости от Н имеет сложный характер (рис. 6.7), причем максимальные значения μ очень велики ( ).

Рис. 6.7                                 Рис. 6.8

      Впервые систематические исследования μ от Н были проведены в 1872 г. А.Г. Столетовым (1839–1896) – выдающимся русским физиком, организатором физической лаборатории в Московском университете. На рис. 6.8. изображена зависимость магнитной проницаемости некоторых ферромагнетиков от напряженности магнитного поля – кривая Столетова.

      4. У каждого ферромагнетика имеется такая температура, называемая точкой Кюри( ),выше которой это вещество теряет свои особые магнитные свойства.

Наличие температуры Кюри связано с разрушением при  упорядоченного состояния в магнитной подсистеме кристалла – параллельной ориентации магнитных моментов. Для никеля температура Кюри равна 360 °С.

Если подвесить образец никеля вблизи пламени горелки так, чтобы он находился в поле сильного постоянного магнита, то не нагретый образец может располагаться горизонтально, сильно притягиваясь к магниту (рис. 6.9). По мере нагрева образца и достижения температуры  ферромагнитные свойства у никеля исчезают и образец никеля падает.

Остыв до температуры ниже точки Кюри, образец вновь притянется к магниту. Нагревшись, вновь падает и т.д., колебания будут продолжаться все время, пока горит свеча.

Рис. 6.9

      5. Существование магнитного гистерезиса.

      На рисунке 6.10 показана петля гистерезиса – график зависимости намагниченности вещества от напряженности магнитного поля Н.

Рис. 6.10

      Намагниченность  при  называется намагниченностью насыщения.

      Намагниченность  при  называется остаточной намагниченностью (что необходимо для создания постоянных магнитов).

      Напряженность  магнитного поля, полностью размагниченного ферромагнетика, называетсякоэрцитивной силой. Она характеризует способность ферромагнетика сохранять намагниченное состояние.

      Большой коэрцитивной силой (широкой петлей гистерезиса) обладают магнитотвердыематериалы. Малую коэрцитивную силу имеют магнитомягкие материалы.

      Измерение гиромагнитного отношения для ферромагнетиков показали, что элементарными носителями магнетизма в них являются спиновые магнитные моменты электронов.

      Самопроизвольно, при , намагничиваются лишь очень маленькие монокристаллы ферромагнитных материалов, например никеля или железа. Для того чтобы постоянным магнитом стал большой кусок железа, необходимо его намагнитить, т.е. поместить в сильное магнитное поле, а затем это поле убрать.

Оказывается, что при  большой исходный кусок железа разбит на множество очень маленьких ( ), полностью намагниченных областей – доменов. Векторы намагниченности доменов в отсутствие внешнего магнитного поля ориентированы таким образом, что полный магнитный момент ферромагнитного материала равен нулю.

Если бы в отсутствие поля кристалл железа был бы единым доменом, то это привело бы к возникновению значительного внешнего магнитного поля, содержащего значительную энергию (рис. 6.11, a). Разбиваясь на домены, ферромагнитный кристалл уменьшает энергию магнитного поля. При этом, разбиваясь на косоугольные области (рис. 6.

11, г), можно легко получить состояние ферромагнитного кристалла, из которого магнитное поле вообще не выходит. В целом в монокристалле реализуется такое разбиение на доменные структуры, которое соответствует минимуму свободной энергии ферромагнетика.

Если поместить ферромагнетик, разбитый на домены, во внешнее магнитное поле, то в нем начинается движение доменных стенок. Они перемещаются таким образом, чтобы областей с ориентацией вектора намагниченности по полю стало больше, чем областей с противоположной ориентацией (рис. 6.11, б, в, г).

Такое движение доменных стенок понижает энергию ферромагнетика во внешнем магнитном поле. По мере нарастания магнитного поля весь кристалл превращается в один большой домен с магнитным моментом, ориентированным по полю (рис. 6.11, а).

Рис. 6.11

      Ферромагнитные материалы играют огромную роль в самых различных областях современной техники. Магнитомягкие материалы используются в электротехнике при изготовлении трансформаторов, электромоторов, генераторов, в слаботочной технике связи и радиотехнике; магнитожесткие материалы применяют при изготовлении постоянных магнитов.

      Широкое распространение в радиотехнике, особенно в высокочастотной радиотехнике, получили ферриты ( ) сочетающие ферромагнитные и полупроводниковые свойства.

      Магнитные материалы широко используются в традиционной технологии записи информации в винчестере (рис. 6.12).

Рис. 6.12                                                       Рис. 6.13

      Магнитное вещество 2 (рис. 6.13) нанесено тонким слоем на основу твердого диска 3. Каждый бит информации представлен группой магнитных доменов (в идеальном случае – одним доменом).

Для перемагничивания домена (изменения направления вектора его намагниченности) используется поле записывающей головки 4 (5 – считывающая головка). Наличие дополнительных стабилизирующих слоев, препятствует самопроизвольной потере информации.

Записью на вертикально ориентированные домены достигается плотность до 450 Гбайт/см2.

         Рис. 6.14                                                   Рис. 6.15

На рисунке 6.14 изображены первые магнитные диски созданные в 1955 г, имевшие название IBM 350 Disk File, с обьемом 5 Мб и размером 24 дюймов.

      В 1971 г. было произведено первое применение IBM3330 магнитного диска, созданного в 1957 г. с использованием магнитной головки и слота (рис. 6.15).

Источник: http://ens.tpu.ru/posobie_fis_kusn/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%B7%D0%BC/06-5.htm

48. Ферромагнетики и их свойства. Магнитный гистерезис. Домены. Применение ферромагнетиков

Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Применение ферромагнетиков

Ферромагнетики —вещества (как правило, в твёрдомкристаллическом или аморфном состоянии),в которых ниже определённойкритической температуры (точкиКюри)устанавливается дальний ферромагнитныйпорядок магнитных моментов атомов или ионов (внеметаллических кристаллах) или моментовколлективизированных электронов (вметаллических кристаллах). Иными словами,ферромагнетик — такое вещество,которое, при температуре ниже точкиКюри, способно обладать намагниченностьюв отсутствие внешнего магнитного поля.Последние исследования в области физикипоказали, что некоторые ферромагнетики,при создании определенных условий,могут приобретать парамагнетическиесвойствапри температурах, которые существенновыше точки Кюри. Поэтому ферромагнетики,наряду со многими другими магнетическимивеществами, остаются, как оказалось,плохо изученными веществами до сих пор.

Ферромагнетикиимеют наибольшее практическое применение,хотя их и не так много в природе. Железныйили стальной сердечник в катушке вомного раз усиливает создаваемое этойкатушкой поле, не увеличивая силу токав катушке. Это экономит электроэнергию.Сердечники трансформаторов, генераторов,электродвигателей и других устройствизготавливают из ферромагнетиков.

Привыключении внешнего магнитного поляферромагнетик остаётся намагниченным,то есть создаёт магнитное поле вокружающем его пространстве. Упорядоченнаяориентация элементарных токов неисчезает при выключении внешнегомагнитного поля. Благодаря этомусуществуют постоянные магниты.

Постоянныемагниты находят широкое применение вэлектроизмерительных приборах,громкоговорителях, телефонах, вустройствах звукозаписи, магнитныхкомпасах и т.д. Большое распространениеполучили ферриты — ферромагнитныематериалы, не проводящие электрическоготока. Они представляют собой химическиесоединения оксидов железа с оксидамидругих веществ.

Первый из известныхчеловеку ферромагнитных материалов -магнитный железняк — является феррито

Магнитныйгистерезис —явление зависимости векторанамагничивания ивектора напряженностимагнитного поля ввеществе не только от приложенноговнешнего поля, но и от предысторииданного образца. Магнитный гистерезисобычно проявляется вферромагнетиках — Fe, Co, Ni исплавах на их основе. Именно магнитнымгистерезисом объясняетсясуществованиепостоянныхмагнитов.

Явлениемагнитного гистерезиса наблюдается нетолько при изменении поля H повеличине и знаку, но также и при еговращении (гистерезис магнитноговращения), что соответствует отставанию(задержке) в изменении направления M сизменением направления H.Гистерезис магнитного вращения возникаеттакже при вращении образца относительнофиксированного направления H.

Домен —макроскопическая область в магнитномкристалле, в которой ориентация вектораспонтанной однороднойнамагниченности[1] или вектораантиферромагнетизма[2] (при температуре ниже точкиКюри или Нееля соответственно)определенным образом повернута илисдвинута относительно направленийсоответствующего вектора в соседнихдоменах. Домены существуютв ферро- и антиферромагнитных, сегнетоэлектрических кристаллах идругих веществах, обладающихспонтанным дальнимпорядком.

Помиморассмотренных двух классов веществ —диа- и парамагнетиков,называемых слабомагнитными веществами,существуют еще сильномагнитныевещества — ферромагнетики —вещества, обладающие спонтаннойнамагниченностью, т.

е. они намагниче­ныдаже при отсутствии внешнего магнитногополя. К ферромагнетикам кроме основ­ногоих представителя — железа (от него иидет название «ферромагнетизм») —относятся, например, кобальт, никель,гадолиний, их сплавы и соединения.

Ферромагнетикипомимо способности сильно намагничиватьсяобладают еще и другими свойствами,существенно отличающими их от диа- ипарамагнетиков. Если для слабомагнитныхвеществ зависимость J от Н линейна(см. (133.6) и рис. 192), то для ферромагнетиковэта зависимость, впервые изученная в1878 г.

методом баллистического гальванометрадля железа русским физиком А.Г. Столетовым(1839—1896), является довольно сложной. Помере возрастания Ннамагниченность J сначаларастет быстро, затем медленнее и, наконец,достигается так называемоемагнитноенасыщениеJнас,уже не зависящее от напряженности поля.

Подобный характер зависимости J от Н можнообъяснить тем, что по мере увеличениянамагничивающего поля увеличивает­сястепень ориентации молекулярныхмагнитных моментов по полю, однако этотпроцесс начнет замедляться, когдаостается все меньше и меньшенеориентированных моментов, и, наконец,когда все моменты будут ориентированыпо полю, дальнейшее увеличение J прекращаетсяи наступает магнитное насыщение.

Магнитнаяиндукция B0 (H+J)(см. (133.4)) в слабых полях растет быстрос ростом H вследствиеувеличения J, ав сильных полях, поскольку второеслагаемое постоянно (J=Jнас), В растетс увеличением Н полинейному закону (рис. 193).

Существеннаяособенность ферромагнетиков — не толькобольшие значения  (на­пример,для железа — 5000, для сплава супермаллоя— 800 000!), но и зависимость  от Н (рис.194).

Вначале  растетс увеличением Н, затем,достигая максимума, начинает уменьшаться,стремясь в случае сильных полей к 1(=B/(0H)= 1 +J/H, поэтомупри J=Jнас =const сростом Н отношение J/H 0, 1).

Характернаяособенность ферромагнетиков состоиттакже в том, что для них зависимость J от H (аследовательно, и В от Н)определяется предысторией намагниченияферромагнетика. Это явление получилоназвание магнитногогистерезиса.

Если намагнитить ферромагнетик донасыщения (точка 1,рис. 195), а затем начать уменьшатьнапряженность Н намагничивающегополя, то, как показывает опыт,уменьшение J описываетсякривой 1—2, лежащейвыше кривой 1—0. При Н=0J отличаетсяот нуля, т. е.

в ферромагнетикенаблюдается остаточноенамагничение Jос.С наличием остаточного намагничениясвязано существованиепостоянныхмагнитов. Намагничениеобращается в нуль под действиемполя Нс, имеющегонаправление, противоположное полю,вызвавшему намагничение.

Напряженность Нсназывается коэрцитивнойсилой.

Придальнейшем увеличении противоположногополя ферромагнетик перемагничивается(кривая 3—4), ипри Н= –Hнас достигаетсянасыщение (точка 4).Затем фер­ромагнетик можно опятьразмагнитить (кривая 4—5—6)и вновь перемагнитить до насыщения(кривая 67).

Такимобразом, при действии на ферромагнетикпеременного магнитного полянамагниченность J изменяетсяв соответствии с кривой 1234—5—6—1,котораяназываетсяпетлейгистерезиса (отгреч. «запаздывание»). Гистерезисприводит к тому, что намагничениеферромагнетика не является однозначнойфункцией Н, т.е.одному и тому же значению Н соответствуетнесколько значений J.

Различныеферромагнетики дают разные гистерезисныепетли. Ферромагнетики с малой (в пределахот нескольких тысячных до 1—2 А/см)коэрцитивной силойНс(сузкой петлей гистерезиса) называются мягкими,с большой (от нескольких десятков донескольких тысяч ампер на сантиметр)коэрцитивной силой (с широкой петлейгистерезиса) — жесткими.

Величины Нс,Jос и max определяютприменимость фер­ромагнетиков длятех или иных практических целей. Taк,жесткие ферромагнетики (например,углеродистые и вольфрамовые стали)применяются для изготовления постоянныхмагнитов, а мягкие (например, мягкоежелезо, сплав железа с никелем) — дляизготовления сердечников трансформаторов.

Ферромагнетикиобладают еще одной существеннойособенностью: для каждого ферромагнетикаимеется определенная температура,называемая точкойКюри,при которой он теряет свои магнитныесвойства.

При нагревании образца вышеточки Кюри ферромагнетик превращаетсяв обычный парамагнетик. Переход веществаиз ферромагнитного состояния впарамагнитное, происходящий в точкеКюри, не сопровождается поглощениемили выделением теплоты, т.е.

в точке Кюрипроисходит фазовый переход II рода.

Наконец,процесс намагничения ферромагнетиковсопровождается изменением его линейныхразмеров и объема. Это явление получилоназваниемагнитострикции.Величина и знак эффекта зависят отнапряженности Н намагничивающегополя, от природы ферромагнетика иориентации кристаллографических осейпо отношению к полю.

Источник: https://studfile.net/preview/5443504/page:28/

Магнетики = диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики

Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Применение ферромагнетиков
Магнитные материалы, Магнетики — материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также в других физических явлениях — изменение физических размеров, температуры, проводимости, возникновению электрического потенциала и т. д.

В этом смысле к магнетикам относятся практически все вещества (поскольку ни у какого из них магнитная восприимчивость не равна нулю точно), большинство из них относится к классам диамагнетиков (имеющие небольшую отрицательную магнитную восприимчивость — и несколько ослабляющие магнитное поле) или парамагнетиков (имеющие небольшую положительную магнитную восприимчивость — и несколько усиливающие магнитное поле); более редко встречаются ферромагнетики (имеющие большую положительную магнитную восприимчивость — и намного усиливающие магнитное поле), о ещё более редких классах веществ по отношению к действию на них магнитного поля.
Классификация магнитных материалов и требования к нимМагнитными веществами, или магнетиками, называются вещества, обладающие магнитными свойствами. Под магнитными свойствами понимается способность вещества приобретать магнитный момент, т.е. намагничиваться при воздействии на него магнитного поля. В этом смысле все вещества в природе являются магнетиками, так как при воздействии магнитного поля приобретают определенный магнитный момент. Этот результирующий макроскопический магнитный момент М представляет собой сумму элементарных магнитных моментов mi — атомов данного вещества. Элементарные магнитные моменты могут быть либо наведены магнитным полем, либо существовать в веществе до наложения магнитного поля; в последнем случае магнитное поле вызывает их преимущественную ориентацию.Магнитные свойства различных материалов объясняются движением электронов в атомах, а также тем, что электроны и атомы имеют постоянные магнитные моменты.Вращательное движение электронов вокруг ядер атомов аналогично действию некоторого контура электрического тока и создает магнитное поле, которое на достаточном расстоянии представляется как поле магнитного диполя с магнитным моментом, значение которого определяется произведением тока и площади контура, который ток обтекает. Магнитный момент является векторной величиной и направлен от южного полюса к северному. Такой магнитный момент называется орбитальным. Сам электрон имеет магнитный момент, который называется спиновым магнитным моментом.Атом представляет собой сложную магнитную систему, магнитный момент которой является результирующей всех магнитных моментов электронов, протонов и нейтронов. Так как магнитные моменты протонов и нейтронов существенно меньше, чем магнитные моменты электронов, магнитные свойства атомов по существу определяются магнитными моментами электронов. У имеющих техническое значение материалов это прежде всего спиновые магнитные моменты.Результирующий магнитный момент атома при этом определяется векторной суммой орбитальных и спиновых магнитных моментов отдельных электронов в электронной оболочке атомов. Эти два вида магнитных моментов могут быть частично или полностью взаимно скомпенсированы.

В соответствии с магнитными свойствами материалы делятся на следующие группы:

а) диамагнитные (диамагнетики),б) парамагнитные (парамагнетики),в) ферромагнитные (ферромагнетики),г) антиферромагнитные (антиферромагнетики),д) ферримагнитные (ферримагнетики),е) метамагнитные (метамагнетики).

А) Диамагнетики

Диамагнетизм проявляется в намагничивании вещества навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля.Диамагнетизм свойствен всем веществам. При внесении какого-либо тела в магнитное поле в электронной оболочке каждого его атома, в силу закона электромагнитной индукции, возникают индуцированные круговые то­ки, т. е.

добавочное круговое движение электронов вокруг направления магнитного поля. Эти токи создают в каждом атоме индуцированный магнитный момент, направленный, согласно правилу Ленца, навстречу внешнему магнитному полю (независимо от того, имелся ли первоначально у атома собственный магнитный момент или нет и как он был ориентирован).

У чисто диамагнитных веществ электронные оболочки атомов (молекул) не обладают постоянным маг­нитным моментом. Магнитные моменты, создаваемые отдельными электронами в таких атомах, в отсутствие внешнего маг­нитного поля взаимно скомпенсированы.

В частности, это имеет место в атомах, ионах и молекулах с целиком заполнен­ными электронными оболочками в атомах инертных газов, в молекулах водорода, азота. Удлинённый образец диамагнетика в однородном магнитном поле ориентиру­ется перпендикулярно силовым линиям поля (вектору напряженности поля).

Из неоднородного магнитного поля он вытал­кивается в направлении уменьшения напряжённости поля. Индуцированный магнитный момент I, приобретаемый 1 молем диамагнитного вещества, пропорционален напряженности внешнего поля H, т.е. I=χН. Коэффициент χ называется молярной диамагнитной восприимчивостью и имеет отрицательный знак (т.к.

I и H направлены навстречу друг другу). Обычно абсолютная величина χ мала (~10-6), например для 1 моля гелия χ = -1,9·10-6. Классическими диамагнетиками являются так называемые инертные газы (He, Ne, Ar, Kr и Xe), атомы которых имеют замкнутые внешние электронные оболочки.

К диамагнетикам также относятся: инертные газы в жидком и кристаллическом состояниях; соединения, содержащие ионы, подобные атомам инертных газов (Li+, Be2+ , Al3+ , O2- и т.д.); галоиды в газообразном, жидком и твердом состояниях; некоторые металлы (Zn, Au, Hg и др.).

Диамагнетиками, точнее сверхдиамагнетиками, с χД = — (1/4) ≈ 0,1, являются сверхпроводники; у них диамагнитный эффект (выталкивание внешнего магнитного поля) обусловлен поверхностными макроскопическими токами. К диамагнетикам относится большое число органических веществ, причём у многоатомных соединений, особенно у циклических (ароматических и др.), магнитная восприимчивость анизотропна (таблица 6.1).

Таблица 6.1 — Диамагнитная восприимчивость ряда материалов

Б) ПарамагнетикиПарамагнетизм – свойство веществ (парамагнетиков) намагничиваться в направлении внешнего магнитного поля, и, в отличие от ферро-, ферри- и антиферромагнетизма, парамагнетизм не связан с магнитной атомной структурой, а в отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика равна нулю. Парамагнетизм обусловлен в основном ориентацией под действием внешнего магнитного поля Н собственных магнитных моментов µ частиц парамагнетического вещества (атомов, ионов, молекул). Природа этих моментов может быть связана с орбитальным движением электронов, их спином, а также (в меньшей степени) со спином атомных ядер. При µН « kТ, где Т – абсолютная температура, намагниченность парамагнетика М пропорциональна внешнему полю: М=χН, где χ – магнитная восприимчивость. В отличие от диамагнетизма, для которого χ < 0, при парамагнетизме восприимчивость положительна; её типичная величина при комнатной температуре (Т ≈ 293 К) составляет 10-7 – 10-4. Парамагнетик – магнетик с преобладанием парамагнетизма и отсутствием магнитного атомного порядка. Парамагнетик намагничивается в направлении внешнего магнитного поля, т.е. имеет положительную магнитную восприимчивость, которая в слабом поле при не очень низкой температуре (т.е. вдали от условий магнитного насыщения) не зависит от напряженности поля. Поскольку свободная энергия парамагнетика понижается в магнитном поле, при наличии градиента поля он втягивается в область с более высоким значением напряжённости магнитного поля. Конкуренция диамагнетизма, появление дальнего магнитного порядка или сверхпроводимости ограничивают область существова­ния вещества в парамагнитном состоянии. Парамагнетик содержит, по крайней мере, один из перечисленных ниже типов носителей парамагнетизма. а) Атомы, молекулы или ионы с некомпенсированными магнитными моментами в основном или возбуждённом состояниях с энергией возбуждения Ei

Источник: https://96kw.blogspot.com/2016/02/blog-post.html

§ 7. Магнитные свойства вещества

Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Применение ферромагнетиков

Глава 1. Магнитное поле

Магнитное поле создается не только электрическими токами, но и постоянными магнитами.

Намагничивание вещества. Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из сравнительно немногих веществ, но все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т. е. сами становятся источниками магнитного поля. В результате этого вектор магнитной индукции при наличии вещества отличается от вектора магнитной индукции в вакууме.

Гипотеза Ампера. Причина, вследствие которой тела обладают магнитными свойствами, была установлена французским ученым Ампером.

Сначала, под непосредственным впечатлением от наблюдения за поворачивающейся вблизи проводника с током магнитной стрелкой в опытах Эрстеда Ампер предположил, что магнетизм Земли вызван токами, проходящими внутри земного шара.

Главный шаг был сделан: магнитные свойства тела можно объяснить циркулирующими внутри него токами. Далее Ампер пришел к общему заключению: магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него.

Этот решающий шаг от возможности объяснения магнитных свойств тела токами к категорическому утверждению, что магнитные взаимодействия — это взаимодействия токов, — свидетельство большой научной смелости Ампера.

Согласно гипотезе Ампера внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи. (Теперь мы хорошо знаем, что эти токи образуются вследствие движения электронов в атомах.

) Если плоскости, в которых циркулируют эти токи, расположены беспорядочно по отношению друг к другу из-за теплового движения молекул (рис. 1.28, а), то их действия взаимно компенсируются, и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает.

В намагниченном состоянии элементарные токи в теле ориентированы так, что их действия складываются (рис. 1.28, б).

Гипотеза Ампера объясняет, почему магнитная стрелка и рамка (контур) с током в магнитном поле ведут себя одинаково (см. § 2). Стрелку можно рассматривать как совокупность маленьких контуров с током, ориентированных одинаково.

Наиболее сильные магнитные поля создают вещества, называемые ферромагнетиками. Магнитные поля создаются ферромагнетиками не только вследствие обращения электронов вокруг ядер, но и вследствие их собственного вращения. Собственный вращательный момент (момент импульса) электрона называется спином.

Электроны всегда как бы вращаются вокруг своей оси и, обладая зарядом, создают магнитное поле наряду с полем, появляющимся за счет их орбитального движения вокруг ядер. В ферромагнетиках существуют области с параллельными ориентациями спинов, называемые доменами; размеры доменов порядка 0,5 мкм.

Параллельная ориентация спинов обеспечивает минимум потенциальной энергии. Если ферромагнетик не намагничен, то ориентация доменов хаотична, и суммарное магнитное поле, создаваемое доменами, равно нулю.

При включении внешнего магнитного поля домены ориентируются вдоль линий магнитной индукции этого поля, и индукция магнитного поля в ферромагнетиках увеличивается, становясь в тысячи и даже миллионы раз больше индукции внешнего поля.

Температура Кюри. При температурах, больших некоторой определенной для данного ферромагнетика, его ферромагнитные свойства исчезают. Эту температуру называют температурой Кюри по имени открывшего данное явление французского ученого.

Если достаточно сильно нагреть намагниченный гвоздь, то он потеряет способность притягивать к себе железные предметы. Температура Кюри для железа 753 °С, для никеля 365 °С, а для кобальта 1000 °С. Существуют ферромагнитные сплавы, у которых температура Кюри меньше 100 °С.

Первые детальные исследования магнитных свойств ферромагнетиков были выполнены выдающимся русским физиком А. Г. Столетовым (1839—1896).

Ферромагнетики и их применение. Хотя ферромагнитных тел в природе не так уж много, именно их магнитные свойства получили наибольшее практическое применение.

Железный или стальной сердечник в катушке во много раз усиливает создаваемое ею магнитное поле, не увеличивая силу тока в катушке. Это экономит электроэнергию.

Сердечники трансформаторов, генераторов, электродвигателей и т. д. изготовляют из ферромагнетиков.

При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остается намагниченным, т. е. создает магнитное поле в окружающем пространстве. Это объясняется тем, что домены не возвращаются в прежнее положение и их ориентация частично сохраняется. Благодаря этому существуют постоянные магниты.

Постоянные магниты находят широкое применение в электроизмерительных приборах, громкоговорителях и телефонах, звукозаписывающих аппаратах, магнитных компасах и т. д.

Большое применение получили ферриты — ферромагнитные материалы, не проводящие электрического тока. Они представляют собой химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ. Один из известных ферромагнитных материалов — магнитный железняк — является ферритом.

Магнитная запись информации. Из ферромагнетиков изготовляют магнитные ленты и тонкие магнитные пленки. Магнитные ленты широко используют для звукозаписи в магнитофонах и для видеозаписи в видеомагнитофонах.

Магнитная лента представляет собой гибкую основу из полихлорвинила или других веществ. На нее наносится рабочий слой в виде магнитного лака, состоящего из очень мелких игольчатых частиц железа или другого ферромагнетика и связующих веществ.

Запись звука производят на ленту с помощью электромагнита, магнитное поле которого изменяется в такт со звуковыми колебаниями. При движении ленты вблизи магнитной головки различные участки пленки намагничиваются. Схема магнитной индукционной головки показана на рисунке (1.29, а), где 1 — сердечник электромагнита; 2 — магнитная лента; 3 — рабочий зазор; 4 — обмотка электромагнита.

При воспроизведении звука наблюдается обратный процесс: намагниченная лента возбуждает в магнитной головке электрические сигналы, которые после усиления поступают на динамик магнитофона.

Тонкие магнитные пленки состоят из слоя ферромагнитного материала толщиной от 0,03 до 10 мкм. Их применяют в запоминающих устройствах электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

Магнитные пленки предназначены для записи, хранения и воспроизведения информации. Их наносят на тонкий алюминиевый диск или барабан. Информацию записывают и воспроизводят примерно так же, как и в обычном магнитофоне.

Запись информации в ЭВМ можно производить и на магнитные ленты.

Развитие технологии магнитной записи привело к появлению магнитных микроголовок, которые используются в ЭВМ, позволяющих создавать немыслимую ранее плотность магнитной записи. На ферромагнитном жестком диске диаметром меньше 8 см хранится до нескольких терабайт (1012 байт) информации.

Считывание и запись информации на таком диске осуществляется с помощью микроголовки, расположенной на поворотном рычаге (рис. 1.29, б). Сам диск вращается с огромной скоростью, и головка плавает над ним в потоке воздуха, что предотвращает возможность механического повреждения диска.

Все вещества, помещенные в магнитное поле, создают собственное поле. Наиболее сильные поля создают ферромагнетики. Из них делают постоянные магниты, так как поле ферромагнетика не исчезает после выключения намагничивающего поля. Ферромагнетики широко применяются на практике.

Вопросы к параграфу

1. Какие вещества называют ферромагнетиками?

2. Для каких целей применяют ферромагнитные материалы?

3. Как осуществляется запись информации в ЭВМ?

Примеры решения задач >>>

Источник: http://xn--24-6kct3an.xn--p1ai/%D0%A4%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0_11_%D0%BA%D0%BB_%D0%9C%D1%8F%D0%BA%D0%B8%D1%88%D0%B5%D0%B2/7.html

Свойства и применение ферромагнетиков

Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Применение ферромагнетиков

Рассмотрим основные области применения ферромагнетиков, а также особенности их классификации. Начнем с того, что ферромагнетиками называют твердые вещества, которые обладают при невысоких температурах неконтролируемой намагниченностью. Она меняется под воздействием деформации, магнитного поля, температурных колебаний.

Свойства ферромагнетиков

Применение ферромагнетиков в технике объясняется их физическими свойствами. Они обладают магнитной проницаемостью, которая превышает во много раз проницаемость вакуума.

В связи с этим все электротехнические устройства, в которых используются магнитные поля для преобразования одного вида энергии в другой, имеют специальные элементы, выполненные из ферромагнитного материала, способного проводить магнитный поток.

Особенности ферромагнетиков

Какими отличительными характеристиками обладают ферромагнетики? Свойства и применение этих веществ объясняется особенностями внутреннего строения. Существует прямая зависимость между магнитными свойствами вещества и элементарными носителями магнетизма, в роли которых выступают электроны, движущиеся внутри атома.

Во время движения по круговым орбитам они создают элементарные токи и магнитные диполи, имеющие магнитный момент. Его направление определяется по правилу буравчика.

Магнитный момент тела является геометрической суммой всех частей. Помимо вращения по круговым орбитам, электроны также движутся вокруг собственных осей, создавая спиновые моменты.

Именно они выполняют важную функцию в процессе намагничивания ферромагнетиков.

Практическое применение ферромагнетиков связано с образованием в них самопроизвольных намагниченных областей, у которых параллельная ориентация спиновых моментов. Если ферромагнетик на располагается во внешнем поле, в таком случае отдельные магнитные моменты имеют разные направления, их сумма равна нулю и отсутствует свойство намагниченности.

Отличительные черты ферромагнетиков

Если парамагнетики связаны со свойствами отдельных молекул или атомов вещества, то ферромагнитные свойства можно объяснить спецификой кристаллического строения.

Например, в парообразном состоянии атомы железа незначительно диамагнитны, а в твердом состоянии этот металл является ферромагнетиком.

В результате лабораторных исследований была выявлена зависимость между температурой и ферромагнитными свойствами.

Например, в сплаве Гойслера, сходном по магнитным свойствам с железом, данного металла нет. При достижении точки Кюри (определенного значения температуры) ферромагнитные свойства исчезают.

Среди их отличительных характеристик можно выделить не только высокое значение магнитной проницаемости, но и связь между напряженностью поля и намагниченностью.

Взаимодействие магнитных моментов отдельных атомов ферромагнетика способствует созданию мощных внутренних магнитных полей, которые выстраиваются параллельно друг другу. Мощное внешнее поле приводит к изменению ориентации, что и приводит к усилению магнитных свойств.

Природа ферромагнетиков

Учеными была установлена спиновая природа ферромагнетизма. При распределении электронов по энергетическим слоям учитывается принцип запрета Паули. Суть его в том, что на каждом слое может находиться только их определенное количество. Результирующие значения орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов, располагающихся на заполненной полностью оболочке, равны нулю.

Химические элементы, имеющие ферромагнитные свойства (никель, кобальт, железо), являются переходными элементами таблицы Менделеева. В их атомах происходит нарушение алгоритма заполнения электронами оболочек. Сначала они попадают на верхний слой (s-орбиталь), и только после его полного заполнения электроны попадают на оболочку, расположенную ниже (d-орбиталь).

Масштабное применение ферромагнетиков, основным из которых является железо, объясняется изменением строения при попадании во внешнее магнитное поле.

Подобными свойствами могут обладать только те вещества, в атомах которых существуют внутренние недостроенные оболочки. Но и этого условия недостаточно для того, чтобы вести речь о ферромагнитных характеристиках.

Например, у хрома, марганца, платины также существуют недостроенные оболочки внутри атомов, но они являются парамагнетиками.

Возникновение самопроизвольной намагниченности объясняется особым квантовым действием, которое сложно пояснить с помощью классической физики.

Подразделение

Существует условное подразделение таких материалов на два типа: жесткие и мягкие ферромагнетики. Применение жестких материалов связано с изготовлением магнитных дисков, лент для хранения информации. Мягкие ферромагнетики незаменимы при создании электромагнитов, сердечников трансформаторов. Отличия между двумя видами объясняются особенностями химического строения данных веществ.

Особенности использования

Рассмотрим подробнее некоторые примеры применения ферромагнетиков в разнообразных отраслях современной техники. Магнитомягкие материалы применяют в электротехнике для создания электрических моторов, трансформаторов, генераторов. Кроме того, важно отметить применение ферромагнетиков такого типа в радиосвязи и слоботочной технике.

Жесткие виды нужны для создания постоянных магнитов. В случае выключения внешнего поля у ферромагнетиков сохраняются свойства, поскольку не исчезает ориентация элементарных токов.

Именно это свойство объясняет применение ферромагнетиков. Кратко можно сказать, что такие материалы являются основой современной техники.

Постоянные магниты нужны при создании электрических измерительных приборов, телефонов, громкоговорителей, магнитных компасов, звукозаписывающих аппаратов.

Ферриты

Рассматривая применение ферромагнетиков, необходимо особое внимание уделить ферритам. Они широко распространены в высокочастотной радиотехнике, поскольку сочетают свойства полупроводников и ферромагнетиков. Именно из ферритов в настоящее время изготавливают магнитные ленты и пленки, сердечники катушек индуктивности, диски. Ими являются оксиды железа, находящиеся в природе.

Интересные факты

Интерес представляет применение ферромагнетиков в электрических машинах, а также в технологии записи в винчестере. Современные исследования свидетельствуют о том, что при определенных температурах некоторые ферромагнетики могут приобретать парамагнетические характеристики. Именно поэтому эти вещества считаются плохо изученными и представляют для физиков особый интерес.

Стальной сердечник способен в несколько раз увеличить магнитное поле, не меняя при этом силу тока.

Применение ферромагнетиков позволяет существенно экономить электрическую энергию. Именно поэтому для сердечников генераторов, трансформаторов, электрических двигателей применяют материалы, обладающие ферромагнитными свойствами.

Магнитный гистерезис

Это явление зависимости напряженности магнитного поля и вектора намагниченности от внешнего поля. Проявляется данное свойство в ферромагнетиках, а также в сплавах, изготовленных из железа, никеля, кобальта. Подобное явление наблюдается не только в случае изменения поля по направлению и величине, но и в случае его вращения.

Проницаемость

Магнитной проницаемостью является физическая величина, которая показывает отношение индукции в определенной среде к показателю в вакууме. Если вещество создает свое магнитное поле, его считают намагниченным. Согласно гипотезе Ампера, величина свойств зависит от орбитального движения «свободных» электронов в атоме.

Петля гистерезиса представляет собой кривую зависимости изменения размера намагниченности ферромагнетика, расположенного во внешнем поле от изменения размера индукции. Для полного размагничивания используемого тела нужно поменять направление внешнего магнитного поля.

При определенной величине магнитной индукции, которую называют коэрцитивной силой, намагниченность образца принимает нулевое значение.

Именно форма петли гистерезиса и величина коэрцитивной силы определяют способность вещества сохранять частичное намагничивание, объясняют широкое применение ферромагнетиков.

Кратко области применения жестких ферромагнетиков, обладающих широкой петлей гистерезиса, описаны выше.

Вольфрамовые, углеродистые, алюминиевые, хромовые стали имеют большую коэрцитивную силу, поэтому на их основе создают постоянные магниты разнообразной формы: полосовые, подковообразные.

Среди мягких материалов, имеющих небольшую коэрцитивную силу, отметим железные руды, а также сплавы железа с никелем.

Процесс перемагничивания ферромагнетиков связан с изменением области самопроизвольного намагничивания. Для этого используется работа, которая совершается внешним полем. Количество теплоты, образующейся в этом случае, пропорционально площади петли гистерезиса.

Заключение

В настоящее время во всех отраслях техники активно применяют вещества, обладающие ферромагнитными свойствами. Помимо существенной экономии энергетических ресурсов, благодаря применению подобных веществ можно упрощать технологические процессы.

Например, вооружившись мощными постоянными магнитами, можно существенно упростить процесс создания транспортных средств. Мощные электромагниты, применяемые в настоящее время на отечественных и зарубежных автомобильных комбинатах, позволяют полностью автоматизировать самые трудоемкие технологические процессы, а также существенно ускорить процесс сборки новых транспортных средств.

В радиотехнике ферромагнетики позволяют получать приборы высочайшего качества и точности.

Ученым удалось создать одношаговую методику изготовления магнитных наночастиц, которые подходят для применения в медицине и электронике.

В результате многочисленных исследований, проводимых в лучших исследовательских лабораториях, удалось установить магнитные свойства наночастиц кобальта и железа, покрытых тонким слоем золота. Уже подтверждена их способность переносить антираковое лекарство или атомы радионуклидов в нужную часть организма человека, увеличивать контрастность изображений магнитного резонанса.

Кроме того, такие частицы можно использовать для модернизации устройств магнитной памяти, что станет новым шагом в создании инновационной медицинской техники.

Коллективу российских ученых удалось разработать и апробировать методику восстановления водных растворов хлоридов для получения комбинированных кобальто-железных наночастиц, подходящих для создания материалов с усовершенствованными магнитными характеристиками. Все исследования, проводимые учеными, направлены на повышение ферромагнитных свойств веществ, увеличение их процентного использования в производстве.

Источник: https://FB.ru/article/332149/svoystva-i-primenenie-ferromagnetikov

Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики их применение

Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Применение ферромагнетиков

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, влияет на значение магнитной индукции этого поля. Например, при внесе­нии железного сердечника в катушку (соленоид) с током индук­ция магнитного поля соленоида сильно возрастает, а сам сердеч­ник приобретает свойство притягивать мелкие железные предме­ты, т. е. намагничивается. Это явление было впервые обнаружено Ампером.

Впоследствии было установлено, что индукция магнитного поля в веществе может быть и больше и меньше, чем индукция того же поля в вакууме. Происходит это потому, что каждое вещество в большей или меньшей степени обладает магнитными свойствами. Вещества, способные изменять параметры магнитного поля, принято называть магнетиками.

Для характеристики магнитных свойств вещества введена величина, называемая магнитной проницаемостью этого вещества.

Магнитная проницаемость вещества – это физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данной точке однородной изотропной среды отличается по модулю от индукции магнитного поля в этой же точке в вакууме : .

Вещества, у которых , называют диамагнетиками. К ним относятся, например, элементы , , , , , , , инертные газы и другие вещества.

Вещества, у которых , называют парамагнетиками. К ним, в частности, относятся , , , , , , , кисло­род и многие другие элементы, а также растворы некоторых солей.

Следует отметить, что значение у диа- и парамагнетиков отличается от единицы очень мало, всего на величину порядка , поэтому диа- и парамагнетики относятся к слабомаг­нитным веществам.

Вещества, у которых , называют ферромагнетиками. К ним относятся элементы , , , и многие сплавы. (При очень низких температурах ферромагнитные свойства обнару­живают элементы , , и .)

Значения у некоторых сплавов достигают десятков тысяч. Поэтому ферромагнетики относятся к сильномагнитным ве­ществам.

· Магнитный момент – векторная величи­на, характеризующая магнит­ные свойства тел и частиц вещества. Магнитным моментом обладают все элементарные частицы и образованные из них системы (атомные ядра, атомы, молекулы).

Каждый электрон, движущийся в атоме вокруг ядра по замкнутой орбите, представляет собой электронный ток, текущий в направ­лении, противоположном движению электрона. Магнитный момент электрон­ного тока называется орбитальным магнитным моментом электрона.

Электрон, также, независимо от его пребывания в какой-либо системе частиц (атом, молекула, кристалл), обладает собственным механическим моментом количества движения , называе­мым спином. Элементарное представление о спине связывается с вращением электрона вокруг собствен­ной оси.

Если в какой-либо системе электронов (атом, кристалл) имеется четное число электронов, то спины каждой пары электронов, направленные в противоположные стороны, дают суммарный спин, равный нулю. Такая система назы­вается скомпенсированной по спину. При нечетном числе электронов система имеет нескомпенсированный спин, от­личный от нуля.

Наличием у электрона и некоторых других элементар­ных частиц спина объясняются многие важные закономерности в современной физике. Например, спином электрона объясняются магнитные свойства ферромагнети­ков.

Векторная сумма всех орбитальных и спиновых моментов электронов вну­три молекулы или атома и представляет собой маг­нитный момент частицы.

Пара- и диамагнетизм объясняется поведением электронных орбит во внешнем магнитном

Ферромагнетизм

Природа ферромагнетизма может быть до конца понята только на основе квантовых представлений. Качественно ферромагнетизм объясняется наличием собственных (спиновых) магнитных полей у электронов.

В кристаллах ферромагнитных материалов возникают условия, при которых, вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов, энергетически выгодной становится их параллельная ориентация.

В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области размером порядка . Эти области называются доменами. Каждый домен представляет из себя небольшой постоянный магнит.

В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов индукции магнитных полей в различных доменах ориентированы в большом кристалле хаотически. Такой кристалл в среднем окажется ненамагниченным.

При наложении внешнего магнитного поля происходит смещение границ доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается. С увеличением индукции внешнего поля возрастает магнитная индукция намагниченного вещества.

В очень сильном внешнем поле домены, в которых собственное магнитное поле совпадает по направлению с внешним полем, поглощают все остальные домены, и наступает магнитное насыщение.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков не является постоянной величиной; она сильно зависит от индукции внешнего поля.

Непостоянство магнитной проницаемости приводит к сложной нелинейной зависимости индукции магнитного поля в ферромагнетике от индукции внешнего магнитного поля.

Предыдущая12131415161718192021222324252627Следующая

Дата добавления: 2015-12-08; просмотров: 2371; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЁЩЕ:

Источник: https://helpiks.org/6-11186.html

Ферромагнетики и их свойства

Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Применение ферромагнетиков

Кроме диамагнетиков и парамагнетиков, являющихся слабомагнитными веществами,существуют еще сильномагнитные вещества – ферромагнетики. Ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью, т. е. они намагничены даже при отсутствии внешнего магнитного поля.

Если для слабомагнитных веществ зависимость от линейная функция, то для ферромагнетиков эта зависимость, впервые изученная в 1878 г. русским физиком А. Г.

Столетовым (1839—1896), является существенно нелинейной функцией.

По мере возрастания намагниченность сначала растет быстро, затем медленнее и, наконец, достигается так называемое магнитное насыщение , не зависящее от напряженности поля (рис. 14.6(а)).

Рис. 14.6

Зависимость магнитной индукции приведена на рис. 14.6(б). В отличие от кривой ,зависимость не имеет насыщения и при > растет линейно.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков по порядку величин лежит в пределах 102–105. Например, у стали 8000, у сплава железа с никелем магнитная проницаемость достигает значений 250000.

К рассматриваемой группе ферромагнетиков относятся четыре химических элемента: железо, никель, кобальт, гадолиний, их сплавы и соединения.

Из них наибольшей магнитной проницаемостью обладает железо(ferrum – Fe). Поэтому вся эта группа получила название ферромагнетиков.

Ферромагнетиками могут быть различные сплавы, содержащие ферромагнитные элементы. Широкое применение в технике получили керамические ферромагнитные материалы – ферриты.

Для каждого ферромагнетика существует определенная температура (так называемая температура или точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком. У железа, например, температура Кюри равна 770 °C, у кобальта 1130 °C, у никеля 360 °C.

Переход вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное, происходящий в точке Кюри, не сопровождается поглощением или выделением теплоты, т. е. в точке Кюри происходит фазовый переход II рода.

Ферромагнитные материалы делятся на две большие группы – магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Магнитомягкие ферромагнитные материалы почти полностью размагничиваются, когда внешнее магнитное поле становится равным нулю.

К магнитомягким материалам относится, например, чистое железо, электротехническая сталь и некоторые сплавы.

Эти материалы применяются в приборах переменного тока, в которых происходит непрерывное перемагничивание, то есть изменение направления магнитного поля (трансформаторы, электродвигатели и т. п.).

Магнитотвердые материалы в значительной мере сохраняют свою намагниченность и после удаления их из магнитного поля. Примерами магнитотвердых материалов могут служить углеродистая сталь и ряд специальных сплавов. Магнитотвердые материалы используются в основном для изготовления постоянных магнитов.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков не является постоянной величиной; она сильно зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Типичная зависимость приведена на рис. 14.7. В справочниках обычно приводятся значения максимальной магнитной проницаемости.

Непостоянство магнитной проницаемости приводит к сложной нелинейной зависимости индукции магнитного поля в ферромагнетике от напряженности внешнего магнитного поля.

Рис. 14.7

Характерной особенностью процесса намагничивания ферромагнетиков является наличие гистерезиса, то есть зависимость намагничивания от предыстории материала. Кривая намагничивания ферромагнитного материала с учетом гистерезиса приведена на рис. 14.8. Она представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлей гистерезиса.

Рис. 14.8

При увеличении от нуля до магнитная индукция возрастает от нуля до . Если затем уменьшать напряженность и довести ее вновь до нулевого значения, то ферромагнетик сохранит остаточную намагниченность – поле внутри образца будет равно .

Остаточная намагниченность образцов позволяет создавать постоянные магниты. Для того, чтобы полностью размагнитить образец, необходимо, изменив знак внешнего поля, довести его напряженность до значения , которое принято называть коэрцитивной силой.

Далее процесс перемагничивания может быть продолжен, как это указано стрелками на рис. 14.8.

У магнитомягких материалов значения коэрцитивной силы невелико – петля гистерезиса таких материалов достаточно узкая. Материалы с большим значением коэрцитивной силы, то есть имеющие широкую петлю гистерезиса, относятся к магнитотвердым материалам.

Природа ферромагнетизма может быть до конца понята только на основе квантовых представлений. Качественно ферромагнетизм объясняется наличием собственных (спиновых) магнитных полей у электронов.

В кристаллах ферромагнитных материалов возникают условия, при которых, вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов, энергетически выгодной становится их параллельная ориентация.

В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области размером порядка 10–2–10–4 см. Эти области называются доменами. Каждый домен представляет собой небольшой постоянный магнит.

В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов индукции магнитных полей доменов ориентированы в большом кристалле хаотически. Такой кристалл в среднем оказывается ненамагниченным.

При наложении внешнего магнитного поля происходит смещение границ доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается. С увеличением индукции внешнего поля возрастает магнитная индукция намагниченного вещества.

В очень сильном внешнем поле домены, в которых собственное магнитное поле совпадает по направлению с внешним полем, поглощают все остальные домены, и наступает магнитное насыщение.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/6_158494_ferromagnetiki-i-ih-svoystva.html

Свойства ферромагнетиков

Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Применение ферромагнетиков

Все диа- и парамегнетики — это вещества, намагничивающиеся весьма слабо, их магнитная проницаемость близка к единице и не зависит от напряженности магнитного поля Н. Наряду с диа- и парамагнетиками имеются вещества, способные сильно намагничиваться. Они называются ферромагнетиками.

Ферромагнетики или ферромагнитные материалы получили свое название от латинского наименования основного представителя этих веществ — железа (ferrum).

К ферромагнетикам, кроме железа, относятся кобальт, никель, гадолиний, многие сплавы и химические соединения.

Ферромагнетики — это вещества, способные очень сильно намагничиваться, в которых внутреннее (собственное) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превышать вызвавшее его внешнее магнитное поле.

Свойства ферромагнетиков

1. Способность сильно намагничиваться.

Значение относительной магнитной проницаемости m в некоторых ферромагнетиках достигает величины 106 .

2. Магнитное насыщение.

На рис. 1 приведена экспериментальная зависимость намагниченности от напряженности внешнего магнитного поля . Как видно из рисунка, с некоторого значения Н численное значение намагниченности ферромагнетиков практически остается постоянным и равным Jнас. Это явление было открыто русским ученым А.Г. Столетовым и названо магнитным насыщением.

3.Нелинейные зависимости B(H) и m(H).

С ростом напряженности индукция сначала увеличивается, но по мере намагничения магнетика ее нарастание замедляется, и в сильных полях растет с увеличением по линейному закону (рис.2).

Вследствие нелинейной зависимости B(H),

т.е. магнитная проницаемость m сложным образом зависит от напряженности магнитного поля (рис.3). Вначале, с увеличением напряженности поля m возрастает от начального значения до некоторой максимальной величины, а затем уменьшается и асимптотически стремится к единице.

4. Магнитный гистерезис.

Другой отличительной особенностью ферромагнетиков является их

способность сохранять намагничение после снятия намагничивающего поля. При изменении напряженности внешнего магнитного поля от нуля в сторону положительных значений индукция возрастает (рис.4, участок

При уменьшении до нуля магнитная индукция запаздывает в уменьшении и при значении , равным нулю, оказывается равной (остаточная индукция), т.е. при снятии внешнего поля ферромагнетик остается намагниченным и представляет собой постоянный магнит.

Для полного размагничивания образца необходимо приложить магнитное поле обратного направления — . Величина напряженности магнитного поля , которую надо приложить к ферромагнетику для его полного размагничивания, называется коэрцитивной силой.

Явление отставания изменения магнитной индукции в ферромагнетике от изменения напряженности переменного по величине и направлению внешнего намагничивающего поля называется магнитным гистерезисом.

При этом зависимость от будет изображаться петлеобразной кривой, носящей название петли гистерезиса, изображенной на рис.4.

В зависимости от формы петли гистерезиса различают магнитожесткие и магнитомягкие ферромагнетики. Жесткими ферромагнетиками называют вещества с большим остаточным намагничением и большой коэрцитивной силой, т.е. с широкой петлей гистерезиса (рис. 5а). Они применяются для изготовления постоянных магнитов (углеродистые, вольфрамовые, хромовые, аллюминиево-никелевые и другие стали).

Мягкими ферромагнетиками называются вещества с малой коэрцитивной силой, которые очень легко перемагничиваются, с узкой петлей гистерезиса (рис. 5б).

(Чтобы получить эти свойства, специально создано так называемое трансформаторное железо, сплав железа с небольшой примесью кремния).

Область их применения — изготовление сердечников трансформаторов; к ним относятся мягкое железо, сплавы железа с никелем (пермаллой, супермаллой).

5. Наличие температуры (точки) Кюри.

Точка Кюри — это характерная для данного ферромагнетика температура, при которой полностью исчезают ферромагнитные свойства.

При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. При охлаждении ниже точки Кюри он восстанавливает свои ферромагнитные свойства. Для различных веществ эта температура различна (для Fe — 7700C, для Ni — 2600C).

6. Магнитострикция — явление деформации ферромагнетиков при намагничивании. Величина и знак магнитострикции зависят от напряженности намагничивающего поля и природы ферромагнетика. Это явление широко используют для устройства мощных излучателей ультразвука, применяемых в гидролокации, звукоподводной связи, навигации и т.д.

У ферромагнетиков наблюдается и обратное явление — изменение намагниченности при деформации. Сплавы со значительной магнитострикцией применяются в приборах, служащих для измерения давления и деформаций.

Источник: https://studopedia.su/5_24193_svoystva-ferromagnetikov.html

Refy-free
Добавить комментарий