§ 6.4. Основные свойства ферромагнетиков

Определения и обозначения

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.

Как это устроено

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.

Сравнение магнитных свойств ферромагнетиков, парамагнетиков и диамагнетиков

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.

Разбор задач

Задача 1. Стальной стержень после воздействия магнита продолжает притягивать железные предметы, а медный стержень практически нет. Нужно объяснить различие.

1. Сталь содержит ферромагнитный материал с доменами, магнитные моменты в которых могут быть согласованно ориентированы.
2. Поле магнита перестраивает домены стали, и после снятия поля часть ориентации сохраняется.
3. Остаточная намагниченность стали создаёт магнитное действие, тогда как медь не обладает таким сильным доменным ферромагнетизмом.

Ответ: сталь сохраняет остаточную намагниченность, а медь после удаления магнита почти не намагничена.

Задача 2. По петле гистерезиса нужно определить остаточную индукцию и коэрцитивную силу, а затем решить, подходит ли материал для постоянного магнита.

1. Найдите пересечение петли с вертикальной осью при H = 0: соответствующее значение B по модулю — остаточная индукция Bᵣ.
2. Найдите пересечение петли с горизонтальной осью при B = 0: модуль значения H — коэрцитивная сила Hс.
3. Сравните Hс с характеристиками подходящих материалов: большая коэрцитивная сила означает, что материал труднее размагнитить.

Ответ: материал подходит для постоянного магнита, если у него заметная остаточная индукция и достаточно большая коэрцитивная сила. Численные значения считывают с заданной шкалы петли.

Задача 3. Даны петли гистерезиса двух материалов. Один нужен для сердечника трансформатора, другой — для постоянного магнита.

1. Сравните ширину петель по оси H: меньшая ширина означает меньшую коэрцитивную силу, и такой материал легче перемагничивать.
2. Узкая петля имеет меньшую площадь, поэтому потери энергии при циклическом перемагничивании сердечника ниже.
3. Для постоянного магнита выберите материал с широкой петлёй, большой коэрцитивной силой и заметной остаточной индукцией.

Ответ: сердечник делают из магнитомягкого материала с узкой петлёй, а постоянный магнит — из магнитотвёрдого материала с широкой петлёй.

Типичные ошибки

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.

Связь с другими темами

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.

Что запомнить

• Ферромагнетики обладают сильными магнитными свойствами благодаря упорядочению магнитных моментов атомов.
• Ферромагнетик состоит из магнитных доменов.
• Во внешнем поле домены ориентируются преимущественно в одном направлении.
• При сильном поле наступает магнитное насыщение.
• Намагниченность ферромагнетика зависит от предыстории изменения поля.
• После снятия поля может сохраняться остаточная намагниченность.
• Выше температуры Кюри ферромагнитные свойства исчезают.