"Физика. Электродинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Ферромагнетики — материалы, которые сильно намагничиваются и могут сохранять магнитные свойства после снятия внешнего поля. Их поведение объясняется согласованной ориентацией магнитных моментов атомов и строением из доменов. При усилении поля домены перестраиваются, а при достаточно сильном воздействии наступает насыщение. Зависимость магнитной индукции от предыстории поля называют гистерезисом. Эти свойства используют в постоянных магнитах, электромагнитах и сердечниках трансформаторов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ферромагнетик — вещество, способное сильно намагничиваться во внешнем магнитном поле и сохранять намагниченность после его снятия. Так ведут себя, например, железо, никель и некоторые сплавы. Это понятие помогает отличить материалы для постоянных магнитов и сердечников от веществ, которые лишь слабо реагируют на поле.
Магнитный домен — область ферромагнетика, внутри которой магнитные моменты атомов ориентированы преимущественно одинаково. Отдельный домен можно представить как маленькую область с собственной намагниченностью. Понятие домена объясняет, почему целый кусок материала может быть ненамагниченным, хотя внутри него магнитные моменты уже упорядочены.
Магнитный гистерезис — зависимость намагниченности или магнитной индукции от предыстории изменения внешнего магнитного поля. Иными словами, одному и тому же значению поля могут соответствовать разные значения индукции в зависимости от того, как образец намагничивали раньше. Гистерезис нужен для описания остаточной намагниченности и потерь при перемагничивании.
Температура Кюри — температура, выше которой ферромагнитные свойства вещества исчезают. При её превышении тепловое движение мешает устойчивому упорядочению магнитных моментов. Это понятие позволяет предсказать, при каком нагревании материал перестанет быть ферромагнетиком и станет парамагнетиком.
Сильный ферромагнетизм связан не только с магнитными моментами отдельных атомов, но и с их взаимодействием. Квантовое обменное взаимодействие делает энергетически выгодной преимущественно параллельную ориентацию моментов соседних атомов. Поэтому внутри небольших областей материала возникает согласованная намагниченность даже без внешнего поля. Именно это упорядочение отличает ферромагнетики от обычных парамагнетиков.
Весь образец не становится одним большим доменом, потому что такое состояние обычно энергетически невыгодно. Разделение на домены уменьшает магнитное поле, создаваемое за пределами материала, а значит, снижает энергию системы. В ненамагниченном куске направления намагниченности доменов различаются, поэтому их вклады в суммарное магнитное поле в основном компенсируются. Образец в целом может не притягивать железные предметы заметно, хотя каждый домен намагничен.
Внешнее поле меняет соотношение доменов: области, намагниченные ближе к направлению поля, растут за счёт соседних. При дальнейшем усилении поля магнитные моменты поворачиваются, пока большинство из них не окажется ориентировано вдоль поля. Тогда достигается магнитное насыщение: дальнейшее увеличение поля вызывает лишь небольшое изменение намагниченности. Насыщение означает почти предельное упорядочение, а не исчезновение магнитных свойств.
Когда внешнее поле уменьшают до нуля, домены не обязательно возвращаются к первоначальному распределению. Внутренние взаимодействия и препятствия перестройке удерживают часть ориентации, поэтому сохраняется остаточная намагниченность. Чтобы полностью размагнитить образец, обычно прикладывают поле в противоположном направлении: оно постепенно уменьшает индукцию до нуля. Напряжённость такого поля характеризует коэрцитивная сила материала.
Нагревание усиливает хаотическое движение атомов, которое конкурирует с упорядочением магнитных моментов. При температуре Кюри тепловое воздействие становится достаточно сильным, чтобы разрушить устойчивую доменную упорядоченность. Поэтому выше этой температуры вещество теряет ферромагнитные свойства и ведёт себя как парамагнетик. После охлаждения ниже температуры Кюри ферромагнитное состояние может восстановиться.
| Свойство | Ферромагнетик | Парамагнетик | Диамагнетик |
|---|---|---|---|
| Взаимодействие магнитных моментов атомов | Сильное, способствует согласованной ориентации | Слабое, устойчивого доменного порядка нет | Устойчивого параллельного упорядочения нет |
| Намагничивание во внешнем поле | Сильное | Слабое, по направлению поля | Слабое, против направления поля |
| Относительная магнитная проницаемость | Значительно больше 1 | Немного больше 1 | Немного меньше 1 |
| Наличие доменов | Есть | Нет | Нет |
| Магнитный гистерезис | Выражен | Обычно отсутствует | Обычно отсутствует |
| Остаточная намагниченность | Может сохраняться | Не сохраняется после снятия поля | Не сохраняется после снятия поля |
| Изменение свойств при нагревании | Выше температуры Кюри становится парамагнетиком | Намагничивание обычно ослабевает | Диамагнитная реакция обычно слабо меняется |
Сравнивайте материалы прежде всего по силе реакции на поле и способности сохранять намагниченность. Если нужно выбрать материал для постоянного магнита, важны остаточная намагниченность и сопротивление размагничиванию. Для устройств с переменным полем учитывают, насколько легко материал перемагничивается и насколько велики потери.
Задача 1. Стальной стержень после воздействия магнита продолжает притягивать железные предметы, а медный стержень практически нет. Нужно объяснить различие.
Задача 2. По петле гистерезиса нужно определить остаточную индукцию и коэрцитивную силу, а затем решить, подходит ли материал для постоянного магнита.
Задача 3. Даны петли гистерезиса двух материалов. Один нужен для сердечника трансформатора, другой — для постоянного магнита.
Ошибка — считать любой ферромагнетик постоянно намагниченным. Её допускают, потому что путают упорядоченность внутри доменов с общей намагниченностью всего образца. Проверьте себя: в ненамагниченном куске домены могут быть намагничены, но направлены неодинаково, поэтому их суммарное действие компенсируется.
Ошибка — принимать магнитное насыщение за исчезновение магнитных свойств. Это происходит, если слово «насыщение» ошибочно связывают с прекращением намагничивания. Проверьте смысл: при насыщении домены почти полностью ориентированы по полю, и намагниченность близка к максимальной, а не к нулю.
Ошибка — полагать, что после снятия поля индукция всегда равна нулю. Так думают, если представляют намагничивание только как немедленный ответ на внешнее поле. У ферромагнетика может оставаться остаточная индукция; проверьте это по петле гистерезиса: при H = 0 она может пересекать ось B не в начале координат.
Ошибка — считать ферромагнитные свойства неизменными при любой температуре. Обычно при рассуждении об образце учитывают поле, но забывают о нагревании. Проверьте себя: если температура выше температуры Кюри, ферромагнетик становится парамагнетиком, и его доменное упорядочение исчезает.
Для изучения ферромагнетиков нужны представления о магнитном поле, магнитной индукции и намагничивании вещества, а также различия между диа-, пара- и ферромагнетиками. Эти знания помогают понять работу постоянных магнитов и электромагнитов. Свойства доменов и гистерезис важны при изучении переменного магнитного поля, электромагнитной индукции и потерь энергии в сердечниках. Поэтому тема связана и с устройством трансформаторов.
Почему ненамагниченный кусок железа обычно не является постоянным магнитом?
В железе есть домены, намагниченные в разных направлениях. В обычном ненамагниченном куске их действия в целом компенсируются, поэтому весь образец почти не проявляет магнитных свойств.
Чем магнитное насыщение отличается от остаточной намагниченности?
Насыщение достигается в сильном внешнем поле, когда дальнейшее увеличение поля почти не усиливает намагниченность. Остаточная намагниченность — это намагниченность, которая сохраняется после уменьшения внешнего поля до нуля.
Почему ферромагнетик сохраняет намагниченность после снятия внешнего поля?
После снятия поля часть доменов остаётся ориентированной преимущественно в одном направлении. Их суммарное действие не компенсируется, поэтому образец сохраняет остаточную намагниченность.
Что показывает петля магнитного гистерезиса?
Она показывает, как магнитная индукция B меняется при изменении напряжённости внешнего поля H, и наглядно демонстрирует зависимость от предыстории намагничивания. Пересечение петли с осью B при H = 0 задаёт остаточную индукцию, а с осью H при B = 0 — коэрцитивную силу.
Почему сердечники трансформаторов делают из магнитомягких материалов?
Магнитомягкие материалы легко намагничиваются и размагничиваются, поэтому для переменного поля подходят лучше, чем магнитотвёрдые. Их узкая петля гистерезиса означает меньшие потери энергии на перемагничивание.
§ 6.4. Основные свойства ферромагнетиков