"Физика (углублённый уровень)", Касьянов В.А.
Ферромагнетизм — способность некоторых веществ сильно намагничиваться и сохранять магнитные свойства после выключения внешнего поля. Его проявляют железо, кобальт и никель. Внутри такого вещества есть домены — области согласованной ориентации атомных магнитных моментов. Поле меняет размеры и направление доменов, а при сильном воздействии приводит к насыщению. Сохранение намагниченности объясняет работу постоянных магнитов и связано с гистерезисом.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ферромагнетизм — явление сильного намагничивания вещества во внешнем магнитном поле и сохранения намагниченности после его выключения. Иными словами, поле заметно меняет магнитное состояние такого вещества, а исчезновение поля не обязательно возвращает его к исходному состоянию. Это понятие нужно, чтобы отличать ферромагнетики от веществ, которые слабо реагируют на поле и не сохраняют такой магнитной памяти.
Ферромагнетик — вещество, способное сильно намагничиваться и проявлять магнитную память; примеры — железо, кобальт и никель. Такие вещества используют там, где нужно получить сильное магнитное действие или сохранить его без постоянно включённого источника поля. Способность сохранять намагниченность зависит от свойств конкретного материала.
Магнитный домен — область ферромагнетика, внутри которой магнитные моменты атомов ориентированы согласованно. Поэтому каждый домен ведёт себя как небольшая намагниченная область. Представление о доменах помогает понять, почему целый кусок вещества может быть ненамагниченным, хотя его атомы обладают магнитными моментами.
Магнитный гистерезис — отставание изменения намагниченности вещества от изменения внешнего магнитного поля. Состояние ферромагнетика зависит не только от поля в данный момент, но и от того, как оно менялось раньше. Это понятие нужно для описания остаточной намагниченности и оценки того, насколько трудно размагнитить материал.
Магнитные моменты атомов ферромагнетика связаны с внутренними свойствами атомов, в том числе с магнитными моментами электронов. В ферромагнетиках взаимодействие между соседними атомами способствует тому, что их моменты в небольшой области ориентируются согласованно. В диа- и парамагнетиках такого устойчивого согласования больших групп атомов нет, поэтому их отклик на поле устроен иначе и обычно слабее.
Ненамагниченный образец разделён на множество доменов, внутри которых моменты уже согласованы, но направления намагниченности доменов различаются. Поэтому суммарное магнитное действие всего образца может быть близко к нулю. Нулевой результат не означает, что атомы лишены магнитных моментов: просто вклады доменов в разных направлениях взаимно компенсируются.
Когда появляется внешнее поле, оно действует на магнитные моменты и стремится развернуть их вдоль своего направления. Одновременно границы доменов смещаются: домены, направленные по полю или близко к нему, растут за счёт соседних. Оба процесса увеличивают долю согласованно ориентированных моментов, поэтому намагниченность ферромагнетика может быстро возрастать даже при сравнительно небольшом изменении поля.
Рост не продолжается неограниченно, потому что число атомных моментов в образце конечно и возможности перестройки доменов исчерпываются. При достаточно сильном поле почти все домены ориентированы одинаково, а магнитные моменты уже в основном направлены по полю. Это состояние называют магнитным насыщением: дальнейшее усиление поля лишь слабо увеличивает намагниченность.
После выключения поля домены не обязательно возвращаются к первоначальному распределению, поскольку их перестройке мешают внутренние особенности материала. Поэтому остаётся остаточная намагниченность. Чтобы довести её до нуля, прикладывают поле противоположного направления: оно постепенно перестраивает домены и поворачивает моменты против прежней намагниченности; требуемую характеристику такого поля называют коэрцитивным полем.
Таблица показывает последовательность состояний при изменении поля: от первоначального намагничивания до насыщения, а затем при его уменьшении и смене направления. Она помогает проследить, почему при одном и том же значении поля намагниченность может быть разной — это и отражает гистерезис. Для чтения петли B(H) используют пересечение с осью B при H = 0, чтобы определить остаточную индукцию Br, и пересечение с осью H при B = 0, чтобы определить коэрцитивное поле Hс.
| Состояние | Изменение внешнего поля | Поведение намагниченности |
|---|---|---|
| Первоначальное намагничивание | Поле увеличивается от нуля | Намагниченность растёт: домены перестраиваются, моменты поворачиваются по полю. |
| Магнитное насыщение | Поле достаточно сильное | Почти все домены ориентированы одинаково; дальнейший рост намагниченности слабый. |
| Уменьшение поля до нуля | Поле ослабевает | Намагниченность уменьшается, но обычно не успевает стать нулевой. |
| Остаточная намагниченность | Поле равно нулю | Сохраняется намагниченность, созданная предшествующим полем. |
| Размагничивание обратным полем | Поле направлено противоположно | При коэрцитивном поле индукция становится нулевой. |
| Перемагничивание до насыщения противоположного знака | Обратное поле продолжает расти | Намагниченность меняет знак и достигает насыщения в новом направлении. |
Задача 1. Ферромагнитный образец поместили в возрастающее магнитное поле. Опишите, как меняется его намагниченность и почему рост не продолжается неограниченно.
Сначала поле перестраивает домены: области, ориентированные ближе к его направлению, растут. Одновременно магнитные моменты поворачиваются по полю. Поэтому суммарная намагниченность увеличивается.
Продолжая усиливать поле, учитываем, что число доменов и моментов в образце конечно. Когда почти все они ориентированы вдоль поля, дальнейшая перестройка становится малой. Это состояние называют насыщением.
Ответ: намагниченность быстро растёт за счёт перестройки доменов, а затем почти перестаёт увеличиваться, потому что образец достигает магнитного насыщения.
Задача 2. Образец довели до насыщения, а затем внешнее поле уменьшили до нуля. Какое состояние установится и что нужно сделать, чтобы размагнитить образец?
Уменьшение поля не означает, что домены полностью вернутся к прежнему распределению. В образце сохраняется часть упорядоченной намагниченности. Это состояние называется остаточной намагниченностью.
Чтобы размагнитить образец, нужно постепенно приложить поле противоположного направления. При таком поле домены перестраиваются против прежней намагниченности. Значение поля, при котором индукция обращается в ноль, связано с коэрцитивным полем Hс.
Ответ: при нулевом внешнем поле остаётся остаточная намагниченность; для размагничивания требуется обратное поле, достаточное для её компенсации.
Задача 3. По петле гистерезиса определите остаточную индукцию и коэрцитивное поле, а также укажите, при каких значениях поля достигается насыщение.
Сначала найдите пересечение петли с вертикальной осью B. При H = 0 петля пересекает её на уровнях Br и −Br, поэтому модуль этого значения равен остаточной индукции. Знак показывает направление намагничивания.
Затем найдите пересечения петли с горизонтальной осью H. Там B = 0, а значения поля равны Hс и −Hс; их модуль показывает поле, нужное для размагничивания. Насыщение определяют по горизонтальным участкам петли, где B почти не меняется при дальнейшем увеличении |H|.
Ответ: Br считывают при H = 0, Hс — при B = 0, а поля насыщения соответствуют участкам выхода петли на почти горизонтальные площадки при больших положительных и отрицательных H.
Ошибка — считать, что у ненамагниченного ферромагнетика отсутствуют магнитные моменты атомов. Так думают, потому что суммарное действие образца близко к нулю. Проверка: различайте моменты внутри домена и суммарный эффект всех доменов — он может компенсироваться из-за их разных направлений.
Ошибка — полагать, что после выключения поля намагниченность обязательно исчезает. Такое предположение подходит не для всех веществ и игнорирует магнитную память ферромагнетика. Проверьте себя: если образец до этого намагничивали, при H = 0 на петле может оставаться ненулевая индукция Br.
Ошибка — путать насыщение с остаточной намагниченностью. Их смешивают, потому что оба состояния связаны с большой намагниченностью, но насыщение возникает под действием сильного поля, а остаточная намагниченность наблюдается после его снятия. Проверяйте, задано ли поле: при насыщении оно велико, при остаточном состоянии внешнее поле равно нулю.
Ошибка — понимать гистерезис как необратимое разрушение вещества. На самом деле это зависимость магнитного состояния от предшествующего изменения поля, а не повреждение образца. Проверка: проследите петлю при изменении поля в обе стороны — она показывает разные значения индукции при одинаковом H.
Для понимания ферромагнетизма нужны представления о магнитном поле, магнитной индукции и намагничивании вещества. Тема продолжает изучение магнитных свойств вещества и помогает сравнить ферромагнетики с диа- и парамагнетиками. Петля гистерезиса объясняет, почему одни материалы подходят для постоянных магнитов, а другие используют в сердечниках электромагнитов и трансформаторов. При выборе материала учитывают, насколько легко его намагнитить и размагнитить.
Почему ненамагниченный кусок железа обычно не действует как постоянный магнит?
Магнитные моменты атомов в железе не исчезают: они согласованно направлены внутри отдельных доменов. Но направления намагниченности разных доменов обычно различны, поэтому их действия в целом компенсируются.
Что происходит с доменами, когда ферромагнетик помещают в магнитное поле?
Домены, намагниченность которых направлена ближе к полю, увеличиваются, а другие уменьшаются. Одновременно магнитные моменты могут поворачиваться по направлению поля, поэтому общая намагниченность растёт.
Почему намагниченность ферромагнетика не растёт бесконечно?
Число доменов и их магнитных моментов ограничено. В достаточно сильном поле почти все моменты оказываются ориентированы вдоль поля, и наступает насыщение: дальнейшее увеличение поля слабо меняет намагниченность.
Почему ферромагнетик сохраняет намагниченность после выключения поля?
После выключения поля домены не всегда возвращаются к первоначальному расположению: перестройке мешают особенности внутренней структуры вещества. Поэтому остаётся остаточная намагниченность, а для размагничивания нужно приложить поле противоположного направления.
Как по петле гистерезиса определить, насколько трудно размагнитить материал?
На петле находят пересечение с осью H при B = 0: модуль этого значения называют коэрцитивным полем Hс. Чем оно больше, тем более сильное обратное поле требуется, чтобы свести индукцию к нулю.
§29. Ферромагнетизм
