Какие свойства проявляет ферромагнетик при его нагревании выше точки кюри

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

Среди парамагнетиков существует класс веществ, которые при не слишком высоких температурах обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, способной сильно изменяться под влиянием внешних воздействий (магнитного поля, деформации, изменении температуры). Такие вещества называются ферромагнетиками. К ним относятся образцы как правило твердых тел переходных металлов (железо, кобальт, никель), некоторых редкоземельных элементов, металлических стекол и ряда сплавов. Внутреннее магнитное поле в ферромагнетиках может в десятки, сотни и даже тысячи раз превосходить внешнее поле. Если представить зависимость в виде (7), то величина будет не постоянной, и ее поведение при изменении будет иметь вид, представленный на Рис. 5.

рис. 5

Классическая теория ферромагнетизма была разработана Вейсом (1907г.). Согласно этой теории, весь объем ферромагнитного образца при нормальных условиях разбит на небольшие области – домены, которые самопроизвольно (спонтанно) намагничены до насыщения. Линейные размеры доменов порядка 10-3–10-2 см. В размагниченном образце в отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы так, что результирующая намагниченность образца в целом равна нулю. На рис. 6 схематически изображен процесс намагничивания ферромагнитного образца, содержащего четыре домена. Начальное состояние обозначено рис. 6а. При включении внешнего магнитного поля энергия доменов, у которых вектор составляет с направлением острый угол, меньше, чем у доменов, имеющих тупой угол между и . Поэтому возникает процесс смещения границ доменов, при котором объем доменов с меньшей энергией возрастает, а с большей – уменьшается (рис.6б). В случае очень слабых полей эти смещения границ обратимы. Однако при увеличении смещения границ доменов делаются необратимыми и энергетически невыгодные домены исчезают совсем (рис. 6в).

рис. 6

Если увеличивать еще больше, то возникает новый тип процесса намагничивания, при котором изменяется направление магнитного момента внутри домена (намагничивание вращения) и магнитные моменты всех доменов устанавливаются параллельно внешнему полю. В этом состоянии весь образец намагничен до насыщения.

Обычно в образце ферромагнетика имеется большое количество доменов. Причиной этого является то, что при образовании доменных структур энергия ферромагнетика уменьшается. Если ферромагнетик состоит из одного домена (рис. 7а), то во внешнем пространстве возникает магнитное поле, заключающее в себе определенную энергию. Если в образце имеются два домена с противоположным направлением намагничивания, то энергия, заключенная в во внешней среде, уменьшается (рис. 7б). На рис. 7в, изображен случай, когда во внешнем пространстве магнитного поля совсем нет. Здесь имеются «замыкающие» домены в форме трехгранных призм, боковые поверхности которых везде составляют угол 450 с вектором намагничивания. Вследствие этого магнитный поток проходит исключительно внутри образца. Это состояние наиболее выгодно, и поэтому ферромагнетик, находящийся, например, в состоянии 7а, будет стремиться перейти в состояние 7в.

Классическая физика не смогла объяснить причин возникновения доменов. Такое объяснение было дано Френкелем и Гейзенбергом с позиций квантовой физики. Эксперименты показали, что ферромагнетизм имеет спиновую природу, т. е. обусловлен спиновыми (собственными) , а не орбитальными , магнитными моментами электронов атомов ферромагнетика. Согласно квантовой теории в атоме электроны распределяются по оболочкам, каждая из которых соответствует определенному квантовому значению энергии (n – порядковый номер оболочки).

рис. 7

На каждой из таких оболочек может находиться 2n2 электронов. В свою очередь оболочка содержит n2 траекторий, на каждой из которых, согласно принципу Паули, может находиться только 2 электрона, спиновые моменты которых направлены в противоположные стороны. Это приводит к тому, что в целиком заполненной оболочке результирующие спиновые и орбитальные магнитные моменты атомов равны нулю.

Атомы элементов, обладающих ферромагнитными свойствами (например, железо Fe, кобальт Co, никель Ni) принадлежат к числу переходных атомов периодической системы химических элементов Менделеева. В этих атомах нарушается последовательность заполнения электронами мест на траекториях и оболочках: прежде чем полностью «застроится» нижний слой, начинается заполнение вышерасположенного слоя. Например, в атоме железа 26 его электронов распределены по 4 оболочкам: первая и вторая оболочка целиком заполнены и содержат соответственно 2 и 8 электронов, на третьей оболочке находится14 электронов (вместо 18), на четвертой – 2. В заполненных двух первых оболочках спиновые магнитные моменты электронов взаимно компенсируются. В третьей оболочке 8 электронов движутся по траекториям попарно, так что их спиновые магнитные моменты компенсируют друг друга, а из шести оставшихся электронов пять имеют спин, ориентированный в одном направлении, и лишь один электрон имеет спин, ориентированный противоположно. Таким образом, каждый атом железа имеет собственный магнитный момент, обусловленный некомпенсированными спиновыми магнитными моментами четырех электронов третьей энергетической оболочки. При образовании железа в виде образца твердого тела, содержащего много атомов, между электронами соседних атомов возникает особый вид квантового взаимодействия, называемый «обменным взаимодействием», аналогов которому в классической физике нет. Это обменное взаимодействие приводит к тому, что в соседних атомах электроны с нескомпенсированными магнитными моментами располагаются так, чтобы их спиновые моменты были ориентированы параллельно друг другу, что и приводит к созданию внутреннего магнитного поля и образованию доменов.

При повышении температуры образца, вследствие усиления теплового движения атомов (и самих доменов) намагниченность образца уменьшается. Резкое уменьшение намагниченности начинается при некоторой температуре, называемой точкой Кюри. При этой температуре происходит нарушение ориентации спиновых магнитных моментов внутри домена, т.е. нарушается магнитная структура самого домена. Этот процесс не сопровождается выделением тепла и потому является т.н. фазовым переходом 2-го рода. При температуре выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. Если образец вновь охладить до температуры, меньшей точки Кюри, то он восстанавливает свои ферромагнитные свойства. Определение точки Кюри для заданного образца и является целью настоящей работы.

Читайте также:

Рекомендуемые страницы:

©2015-2020 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-06-16
Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных

Поиск по сайту:

Источник

существуют сильномагнитные вещества — ферромагнетики — вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т. е. они намагничены даже при отсутствии внешнего магнитного поля. К ферромагнетикам кроме основного их представителя — железа (от него и идет название «ферромагнетизм») — относятся, например, кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения.

Ферромагнетики помимо способности сильно намагничиваться обладают еще и другими свойствами, существенно отличающими их от диа- и парамагнетиков. Если для слабомагнитных веществ зависимость J от Н линейна, то для ферромагнетиков эта зависимость, является довольно сложной. По мере возрастания Н намагниченность J сначала растет быстро, затем медленнее и, наконец, достигается так называемоемагнитное насыщениеJнас, уже не зависящее от напряженности поля. Подобный характер зависимости J от Н можно объяснить тем, что по мере увеличения намагничивающего поля увеличивается степень ориентации молекулярных магнитных моментов по полю, однако этот процесс начнет замедляться, когда остается все меньше и меньше неориентированных моментов, и, наконец, когда все моменты будут ориентированы по полю, дальнейшее увеличение J прекращается и наступает магнитное насыщение.

Магнитная индукция B= m0 (H+J) в слабых полях растет быстро с ростом H вследствие увеличения J, а в сильных полях, поскольку второе слагаемое постоянно (J=Jнас), В растет с увеличением Н по линейному закону.

Существенная особенность ферромагнетиков — не только большие значения m (например, для железа — 5000, для сплава супермаллоя — 800 000!), но и зависимость m от Н . Вначале m растет с увеличением Н, затем, достигая максимума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к 1 (m = B/(mH) = 1 + J/H, поэтому при J = Jнас = const с ростом Н отношение J/H ® 0, m ®1).

Характерная особенность ферромагнетиков состоит также в том, что для них зависимость J от H (а следовательно, и В от Н) определяется предысторией намагничения ферромагнетика. Это явление получило название магнитного гистерезиса. Если намагнитить ферромагнетик до насыщения, а затем начать уменьшать напряженность Н намагничивающего поля, то, как показывает опыт, уменьшение J. При Н = 0 J отличается от нуля, т. е. в ферромагнетике наблюдается остаточное намагничение Jос. С наличием остаточного намагничения связано существованиепостоянных магнитов. Намагничение обращается в нуль под действием поля Нс, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничение. Напряженность Нс называется коэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается, и при Н = –Hнас достигается насыщение. Затем ферромагнетик можно опять размагнитить и вновь перемагнитить до насыщения

Таким образом, при действии на ферромагнетик переменного магнитного поля намагниченность J изменяется в соответствии с кривой, которая называетсяпетлей гистерезиса (от греч. «запаздывание»). Гистерезис приводит к тому, что намагничение ферромагнетика не является однозначной функцией Н, т.е. одному и тому же значению Н соответствует несколько значений J.

Различные ферромагнетики дают разные гистерезисные петли. Ферромагнетики с малой (в пределах от нескольких тысячных до 1—2 А/см) коэрцитивной силой Нс (с узкой петлей гистерезиса) называются мягкими, с большой (от нескольких десятков до нескольких тысяч ампер на сантиметр) коэрцитивной силой (с широкой петлей гистерезиса) — жесткими. Величины Нс, Jос и mmax определяют применимость ферромагнетиков для тех или иных практических целей. Taк, жесткие ферромагнетики (например, углеродистые и вольфрамовые стали) применяются для изготовления постоянных магнитов, а мягкие (например, мягкое железо, сплав железа с никелем) — для изготовления сердечников трансформаторов.

Ферромагнетики обладают еще одной существенной особенностью: для каждого ферромагнетика имеется определенная температура, называемая точкой Кюри, при которой он теряет свои магнитные свойства. При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. 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 (см. § 75).

Наконец, процесс намагничения ферромагнетиков сопровождается изменением его линейных размеров и объема. Это явление получило название магнитострикции

Природа ферромагнетизма

Рассматривая магнитные свойства ферромагнетиков, мы не вскрывали физическую природу этого явления.

Согласно представлениям Вейсса, ферромагнетики при температурах ниже точки Кюри обладают спонтанной намагниченностью независимо от наличия внешнего намагничивающего поля. Спонтанное намагничение, однако, находится в кажущемся противоречии с тем, что многие ферромагнитные материалы даже при температурах ниже точки Кюри не намагничены. Для устранения этого противоречия Вейсс ввел гипотезу, согласно которой ферромагнетик ниже точки Кюри разбивается на большое число малых макроскопических областей — доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотически и компенсируют друг друга, поэтому результирующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю и ферромагнетик не намагничен. Внешнее магнитное поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов, как это имеет место в случае парамагнетиков, а целых областей спонтанной намагниченности. Поэтому с ростом Н намагниченность J и магнитная индукции В уже в довольно слабых полях растут очень быстро. Этим объясняется также увеличение m ферромагнетиков до максимального значения в слабых полях. Эксперименты показали, что зависимость B от H не является такой плавной, а имеет ступенчатый вид. Это свидетельствует о том, что внутри ферромагнетика домены поворачиваются по полю скачком.

При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ферромагнетики сохраняют остаточное намагничение, так как тепловое движение не в состоянии быстро дезориентировать магнитные моменты столь крупных образований, какими являются домены. Поэтому и наблюдается явление магнитного гистерезиса. Для того чтобы ферромагнетик размагнитить, необходимо приложить коэрцитивную силу; размагничиванию способствуют также встряхивание и нагревание ферромагнетика. Точка Кюри оказывается той температурой, выше которой происходит разрушение доменной структуры.

Существование доменов в ферромагнетиках доказано экспериментально. Прямым экспериментальным методом их наблюдения является метод порошковых фигур. На тщательно отполированную поверхность ферромагнетика наносится водная суспензия мелкого ферромагнитного порошка (например, магнетита). Частицы оседают преимущественно в местах максимальной неоднородности магнитного поля, т. е. на границах между доменами. Поэтому осевший порошок очерчивает границы доменов и подобную картину можно сфотографировать под микроскопом. Линейные размеры доменов оказались равными 10–4 — 10–2 см.

В настоящее время установлено, что магнитные свойства ферромагнетиков определяются спиновыми магнитными моментами электронов (прямым экспериментальным указанием этого служит опыт Эйнштейна. Установлено также, что ферромагнитными свойствами могут обладать только кристаллические вещества, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки с нескомпенсированными спинами. В подобных кристаллах могут возникать силы, которые вынуждают спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно друг другу, что и приводит к возникновению областей спонтанного намагничения. Эти силы, называемые обменными силами, имеют квантовую природу — они обусловлены волновыми свойствами электронов.

Дата добавления: 2017-02-25; просмотров: 2225 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов