Ферромагнит

Классификация по магнитной проницаемости

Все материалы отличаются по магнитным свойствам. В зависимости от степени их проявления вещества классифицируются на следующие категории:

• сильномагнитные;
• слабомагнитные.

Общепринятым является деление магнетиков, исходя из механизма намагничивания. Состояние намагниченности вещества определяют с помощью вектора намагниченности, обозначаемого \($$\bar{J}$$\)

Намагниченность материала является физической величиной и определяется по формуле:

\($$\bar{J}=\frac{1}{\Delta V}\sum_{\Delta V}^{}{\vec{pmi}}$$\)

где \($${\Delta V}$$\) обозначает элементарный объем, \($${\vec{pmi}}$$\) представляет собой магнитные молекулярные моменты.

Суммирование выполняется с учетом каждой молекулы, которая присутствует в объеме \($$\Delta V$$\). Исходя из данной формулы, можно представить следующее уравнение:

\($$p_{m}=\vec{J}dV$$\)

Парамагнетики и диамагнетики при помещении в слабые магнитные поля обладают намагниченностью, которая является пропорциональной величиной напряженности поля, обозначаемой \($$\vec{H}$$\). Для парамагнетиков и диамагнетиков корреляция вектора намагниченности представляет собой линейный параметр в соотношении с напряженностью поля.

В ситуации, когда магнетики отсутствуют, магнитное поле формируется следующим образом:

\($$rot\vec{B}=\mu 0\vec{j}$$\)

При появлении магнетиков магнитное поле образуется с помощью токов проводимости и молекулярных токов. В этом случае формула будет преобразована:

\($$rot\vec{B}=\mu 0(\vec{j}+\vec{j_{mol}})=\mu 0\vec{j}+rot\vec{J}$$\)

Ферромагнитный материал

Ферромагнитные материалы обнаруживают естественную дисперсию начальной проницаемости; этот эффект был особенно изучен применительно к ферритам. Результаты Радо , изображенные на рис. 8.6 и подтвержденные другими авторами , указывают на наличие двух резонансов; при этом был и предприняты меры с тем, чтобы избежать объемных резонансов , при которых в образце возникают стоячие волны. Имеется некоторая неопределенность относительно причины низкочастотного резонанса, который наблюдается в области 3 — 200 Мгц.
 

Ферромагнитные материалы широко используются в технике.
 

Ферромагнитные материалы благодаря своей способности намагничиваться широко применяют при изготовлении электрических машин, аппаратов и других электротехнических установок.
 

Ферромагнитные материалы разделяются на магнитно-мягкие и магнитно-жесткие. У магнитно-мягких материалов восходящая ( гдеа) и нисходящая ( абаг) ветви петли гистерезиса почти сливаются с основной кривой намагничивания, у магнитно-жестких, наоборот, резко расходятся; на рис. 5 — 20 даны основные кривые намагничивания.
 

Ферромагнитные материалы состоят из множества небольших областей ( доменов), самопроизвольно намагниченных до насыщения. Магнитные моменты доменов ориентированы хаотически, в результате чего общая намагниченность материала равна нулю. Внешнее магнитное поле изменяет ориентацию доменов, вследствие чего начинают проявляться внешние признаки намагниченности.
 

Ферромагнитные материалы с широкой петлей гистерезиса ( Яс4000 а / м) называются магнитно-твердыми 4; их применяют для постоянных магнитов. Ферромагнитные материалы с узкой петлей гистерезиса ( Яс200 а / м) называются магнитно-мягкими; их применяют в переменных магнитных полях, а также в постоянных магнитных полях, когда желательна возможность регулирования В посредством изменения Я. Деление ферромагнитных материалов на эти две категории условно, так как имеются материалы с характеристиками, отличными от упомянутых.
 

Ферромагнитные материалы относятся к веществам, которые под воздействием внешнего ( намагничивающего) магнитного поля способны намагничиваться. При этом они сами в окружающем пространстве создают магнитное поле. Степень намагниченности определяется вектором намагниченности М, который пропорционален вектору напряженности Н поля, создаваемого ферромагнетиком.
 

Ферромагнитные материалы благодаря своей способности намагничиваться широко применяют при изготовлении электрических машин, аппаратов и других электротехнических установок. Основными характеристиками их являются: кривая намагничивания, магнитная проницаемость ( начальная и максимальная), ширина петли гистерезиса и потери мощности при перемагничивании.
 

Ферромагнитные материалы имеют области самопроизвольного намагничивания. Магнитное состояние каждой из таких областей характеризуется вектором намагниченности. Векторы намагниченности отдельных областей ( доменов) ориентированы случайным образом. Поэтому намагниченность ферромагнитных тел в отсутствие внешнего магнитного поля не проявляется.
 

Ферромагнитный материал, из которого изготовляются магнитопроводы магнитных усилителей, можно представить состоящим из отдельных малых областей ( доменов), самопроизвольно намагничивающихся в различных направлениях.
 

Ферромагнитные материалы отличаются высокими показателями магнитных характеристик: высокой магнитной проницаемостью, высокой индукцией насыщения и др. Ферриты имеют очень высокое электрическое сопротивление ( в 106 — 1012 раз больше, чем у ферромагнитных материалов) при относительно низких показателях магнитных характеристик, что обеспечило им широкое распространение в высокочастотной технике. Они с успехом работают на частотах, достигающих сотен мегагерц, тогда как ферромагнитные материалы используют лишь на частотах порядка десятков килогерц.
 

Ферромагнитные материалы являются одновременно и хорошими изоляторами. Такое сочетание свойств позволяет применять их в качестве поглотителей электромагнитных волн, теплоносителей при электромагнитном нагреве, магнитной жидкости при сборе масла с поверхности водоемов и фракционировании металлов, в качестве катализаторов, пигментов и строительных материалов.
 

насыщенность

Кривые намагничивания девяти ферромагнетиков до диапазона насыщения. 1.  Листовая сталь , 2.  Кремниевая сталь , 3.  Литая сталь , 4. Вольфрамовая сталь , 5.  Магнитная сталь ,  6.  Чугун , 7.  Никель , 8.  Кобальт , 9.  Магнетит.

В случае ферромагнитных материалов часто возникает намагниченность насыщения , максимальное значение намагниченности для конкретного материала, которое не может быть превышено даже путем увеличения напряженности внешнего магнитного поля . Вывод намагниченности по напряженности поля, дифференциальной магнитной восприимчивости
М.{\ displaystyle M} ЧАС{\ displaystyle H}

χзнак равно∂М.∂ЧАС{\ displaystyle \ chi = {\ frac {\ partial M} {\ partial H}}},

исчезает в области насыщенности.

Особенно хорошая проводимость магнитного потока является важным свойством ферромагнитных материалов, таких как мягкое железо , динамо-лист или некоторые ферриты

Поэтому эти материалы используются там, где важно пространственное направление магнитных потоков, например, в электромагнитах и в железных сердечниках трансформаторов. В области насыщения магнитная проводимость резко падает

Поэтому в этих технических приложениях насыщение в большинстве случаев нежелательно.
Φ{\ displaystyle \ Phi}

Если плотность магнитного потока для материала отображается в зависимости от напряженности внешнего магнитного поля на диаграмме, результатом является (кривая намагничивания). Сглаживание наклона четко отмечает начало намагниченности насыщения, также можно говорить о достижении плотности потока насыщения или индукции насыщения .
Б.{\ displaystyle B}ЧАС{\ displaystyle H}

Насыщенность на практике

• В геофизике материалы идентифицируются путем определения их конкретной температуры Кюри путем определения зависимости намагниченности насыщения от температуры.
• В трансформаторах и электродвигателях магнитное насыщение сердечника нежелательно, поскольку оно снижает КПД и передаваемую мощность. (Исключением является реактивный двигатель , где насыщение используется для увеличения коэффициента мощности). Чтобы избежать насыщения, магнитопроводы в трансформаторах и электродвигателях должны иметь соответствующую минимальную площадь поперечного сечения.
• В магнитных регуляторах напряжения насыщение сердечника трансформатора используется для стабилизации кратковременных колебаний в нестабильных электрических сетях.
• Вставив воздушный зазор (перпендикулярный магнитному потоку) в замкнутый сердечник катушки, можно предотвратить или значительно уменьшить насыщение ферромагнитных материалов сердечника. Однако эффективная индуктивность уменьшается по сравнению с сердечником катушки без зазора. Это используется, например, с дросселями . Обычные серии дроссели из газоразрядных ламп и все виды хранения дросселей ( в том числе порошковых сердечников ) иметь один или несколько дискретных или так называемые воздушные зазоры (между зернами порошка) распределен .

Ферромагнитные материалы

Ферромагнетизм — необычное свойство, которое проявляется только в нескольких веществах. Наиболее распространенными из них являются переходные металлы, железо , никель , кобальт и их сплавы, а также сплавы редкоземельных металлов . Это свойство не только химического состава материала, но и его кристаллической структуры и микроструктуры. Существуют ферромагнитные металлические сплавы, компоненты которых сами по себе не являются ферромагнитными, называемые сплавами Гейслера , названными в честь Фрица Хейслера . И наоборот, есть немагнитные сплавы, такие как нержавеющая сталь , состоящие почти исключительно из ферромагнитных металлов.

Аморфные (некристаллические) ферромагнитные металлические сплавы можно получить путем очень быстрой закалки (охлаждения) жидкого сплава. Они имеют то преимущество, что их свойства почти изотропны (не выровнены вдоль оси кристалла); это приводит к низкой коэрцитивной силе , низким гистерезисным потерям, высокой проницаемости и высокому удельному электрическому сопротивлению. Одним из таких типичных материалов является сплав переходный металл-металлоид, состоящий примерно на 80% из переходного металла (обычно Fe, Co или Ni) и металлоидного компонента ( B , C , Si , P или Al ), который снижает температуру плавления.

Относительно новый класс исключительно прочных ферромагнитных материалов — это редкоземельные магниты . Они содержат элементы лантаноидов , которые известны своей способностью нести большие магнитные моменты на хорошо локализованных f-орбиталях.

В таблице перечислены некоторые ферромагнитные и ферримагнитные соединения, а также температуры, при превышении которых они перестают проявлять спонтанное намагничивание (см. Температуру Кюри ).

Необычные материалы

Большинство ферромагнитных материалов — это металлы, поскольку проводящие электроны часто ответственны за ферромагнитные взаимодействия. Поэтому разработка ферромагнитных изоляторов, особенно мультиферроидных материалов, которые являются как ферромагнитными, так и сегнетоэлектрическими, представляет собой проблему .

Ряд актинидных соединений являются ферромагнетиками при комнатной температуре или проявляют ферромагнетизм при охлаждении. Pu P представляет собой парамагнетик с кубической симметрией при комнатной температуре , но который претерпевает структурный переход в тетрагональное состояние с ферромагнитным порядком при охлаждении ниже его T _C  = 125 K. В ферромагнитном состоянии легкая ось PuP находится в направлении <100> .

В Np Fe ₂ легкая ось <111>. Выше T _C ≈ 500 K NpFe ₂ также является парамагнитным и кубическим. Охлаждение ниже температуры Кюри приводит к ромбоэдрической деформации, при которой ромбоэдрический угол изменяется от 60 ° (кубическая фаза) до 60,53 °. Альтернативное описание этого искажения заключается в рассмотрении длины c вдоль единственной тригональной оси (после того, как искажение началось) и a как расстояния в плоскости, перпендикулярной c . В кубической фазе это сводится кcа= 1,00 . Ниже температуры Кюри

cа-1знак равно-(120±5)×10-4{\ displaystyle {\ frac {c} {a}} — 1 = — (120 \ pm 5) \ times 10 ^ {- 4}}

который является самым большим штаммом любого актинидного соединения. NpNi ₂ претерпевает аналогичное искажение решетки ниже T _C = 32 K с деформацией (43 ± 5) × 10 −4 . NpCo ₂ — ферримагнетик ниже 15 К.

В 2009 году группа физиков Массачусетского технологического института продемонстрировала, что газ литий, охлажденный до температуры менее одного кельвина, может проявлять ферромагнетизм. Команда охладила фермионный литий-6 до уровня менее 150 нК (150 миллиардных долей кельвина) с помощью инфракрасного лазерного охлаждения . Это первая демонстрация ферромагнетизма в газе.

В 2018 году группа физиков из Университета Миннесоты продемонстрировала, что объемно-центрированный тетрагональный рутений проявляет ферромагнетизм при комнатной температуре.

Электроиндуцированный ферромагнетизм

Недавние исследования показали, что ферромагнетизм может быть вызван в некоторых материалах электрическим током или напряжением. Антиферромагнетики LaMnO3 и SrCoO были переключены на ферромагнетики током. В июле 2020 года ученые сообщили о индуцировании ферромагнетизма в большом количестве диамагнитного материала железного пирита («золото дураков») под действием приложенного напряжения. В этих экспериментах ферромагнетизм ограничивался тонким поверхностным слоем.

Районы, домены и доменные стены Вайса

→ Основная статья : Вайсский район

Магнитооптическая запись магнитных фаз, геометрии зерен и ориентации доменов в листе трансформатора без зернистости (запись с помощью магнитооптического датчика и поляризационного микроскопа)

Электромагнитно-динамическое исследование листового металла трансформатора (с ориентированной зернистостью)

Ферромагнетизм возникает из — за того , что элементарные магнитные моменты имеют в параллельный порядок , который, из — за взаимное взаимодействие моментов, остается даже без внешнего магнитного поля. Области равной намагниченности называются доменами или областями Вейсса. Они бывают размером от 0,01 мкм до 1 мкм и неравномерно ориентированы в немагнитном состоянии вещества.

Обменное взаимодействие работает только между фермионами , волновые функции которых имеют существенное перекрытие, т.е. обычно только между соседними частицами. С другой стороны, магнитное взаимодействие также действует между удаленными магнитными моментами. Следовательно, в протяженном ферромагнетике затраты магнитной энергии в какой-то момент превышают выигрыш в энергии обменного взаимодействия. Затем ферромагнитный порядок твердого тела распадается на домены с различной ориентацией. Области твердого тела, в которых встречаются домены с разной ориентацией, называются доменной стенкой. В зависимости от поворота намагниченности в стенке говорят о стенках Блоха или стенках Нееля (в случае стенок Блоха намагниченность вращается перпендикулярно плоскости стенки; в случае стенок Нееля, с другой стороны, это происходит в плоскости стенки. ; Стенки Нееля преобладают только с очень тонкими магнитными слоями). Существуют также другие типы стен с топологическими особенностями, так называемые линии Блоха и точки Блоха, которые связаны с изменениями во вращательном поведении внутри стены. Эти различия, которые могут быть в диапазоне 10 нанометров , неуловимы, но интересны для текущих приложений в информационных технологиях.

Формирование доменной стенки требует работы , чтобы быть сделано против обменного взаимодействия ; уменьшение размеров доменов (объема смежных доменов) снижает магнитную энергию твердого тела.

Из-за прерывистого выравнивания районов Вайса под действием внешних магнитных полей могут наблюдаться так называемые скачки Баркгаузена .

Магнитный порядок нарушается при высоких температурах, тогда ферромагнетики остаются только парамагнитными . Температура, выше которой исчезает ферромагнитный порядок, называется температурой Кюри (в честь Пьера Кюри , мужа Марии Кюри ). Восприимчивость может быть рассчитана выше температуры Кюри с использованием закона Кюри-Вейсса . Парамагнетизм сохраняется для всех температур выше температуры Кюри, даже после того, как твердое тело перешло в жидкую или газовую фазу.
ТС.{\ Displaystyle Т _ {\ mathrm {C}}}

Приложения

Ферромагнитные материалы обладают высокой проницаемостью при вкл . В результате силовые линии магнитного поля проходят лучше по сравнению с окружающим материалом (например, воздухом ). Вот почему ферромагнитные материалы используются для сердечников электромагнитов и трансформаторов .
μр≫1{\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {r}} \ gg 1}μр≈1{\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {r}} \ приблизительно 1}

Из-за высокой проницаемости катушки и дроссели для фильтров или для ограничения тока можно сделать меньшего размера.

Другими приложениями являются носители , использующие эффект GMR и магнитное туннельное сопротивление (TMR) (головки чтения / записи для магнитных жестких дисков ). За это была присуждена Нобелевская премия по физике 2007 г. ( Петер Грюнберг и Альберт Ферт ).

Примечания и ссылки

1. , с.  118
2. .
3. ↑ и (in) Herrera, JM; Бахшмидт, А; Злодей, F; Bleuzen, A; Марво, V; Вернсдорфер, Вт; Вердагер, М., «  Смешанная валентность и магнетизм в цианометаллатах и ​​аналогах берлинской синей  » , Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences ,13 января 2008 г., стр.  127-138
4. (ru) GB Jo; YR Lee; JH Choi; CA Christensen; TH Kim; JH Thywissen; DE Pritchard; В. Кеттерле, »  Странствующий ферромагнетизм в ферми-газе ультрахолодных атомов  » , Science ,2009 г., стр.  1521-1524
5. (in) Ахарони, Амикам, Введение в теорию ферромагнетизма золота , Оксфорд, Clerendon Press,1996 г., 315  с. ( ISBN  0-19-851791-2 )

Что такое ферромагнетики

В отличие от двух перечисленных выше магнетиков, ферромагнетики являются сильномагнитными веществами.

Определение 4

Ферромагнетики – это вещества с высокой магнитной проницаемостью, зависящей от внешнего магнитного поля.

Данные вещества могут иметь так называемую остаточную намагниченность. Выразить зависимость восприимчивости ферромагнетиков от напряженности внешнего магнитного поля можно с помощью функции. Она представлена на схеме ниже:

Рисунок 3

Намагниченность ферромагнетика имеет пределы насыщения. Это указывает нам на природу возникновения намагниченности в таких веществах: она образуется путем смены ориентации магнитных моментов вещества. Для ферромагнетиков также характерно такое явление, как гистерезис.

В магнитном отношении все ферромагнетики делят на мягкие и жесткие. Первые из них имеют высокую магнитную проницаемость и способны легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют широкое применение в электротехнических приборах, основанных на работе переменных полей (например, трансформаторов). Жесткие ферромагнетики имеют сравнительно небольшую проницаемость и намагничиваются трудно. Их используют при производстве постоянных магнитов.

Пример 1

Условие: на схеме выше (рис. 3) показана кривая намагниченности ферромагнетика. Постройте кривую, выражающую зависимость B(H) и определите, возможно ли насыщение для магнитной индукции. Поясните свой вывод.

Решение

Мы знаем отношение вектора магнитной индукции к вектору намагниченности.

B→=J→+μH→.

Из этого можно сделать вывод, что насыщения кривая B(H) иметь не может. Создадим график зависимости напряженности внешнего поля от индукции магнитного поля в соответствии с рисунком выше. Мы получили схему, называемую кривой намагничивания:

Рисунок 4

Ответ: кривая индукции не имеет насыщения.

Пример 2

Условие: выведите формулу восприимчивости парамагнетика при условии, что механизм его намагничивания точно такой же, как механизм электризации полярных диэлектриков. Среднее значение магнитного момента молекул в проекции на ось Z обозначается формулой ρmz=ρmL(β).

Здесь L(β)=cth(β)-1β означает функцию Ланжевена при β=ρmBkT.

Решение

Взяв высокие температуры и небольшие поля, получим следующее:

ρmB≪kT,→β≪1.

Значит, если β≪1cthβ=1β+β3-β345+…, можно ограничить функцию линейным членом и получить, что:

ρmB≪kT,→β≪1.

Возьмем нужную формулу и подставим в нее полученное значение:

ρmz=ρmρmB3kT=ρm2B3kT.

Зная, как связаны между собой напряженность магнитного поля и его индукция, а также приравняв магнитную проницаемость парамагнетика к 1, получим следующее:

ρmz=ρm2μH3kT.

В итоге формула намагниченности будет выглядеть так:

J=nρmz=ρm2μH3kTn.

Поскольку модуль намагниченности связан с модулем вектора (J=χH), мы можем записать результат:

χ=ρm2мn3kT.

Ответ: χ=ρm2мn3kT.

Всё ещё сложно?
Наши эксперты помогут разобраться

Все услуги

Решение задач

от 1 дня / от 150 р.

Курсовая работа

от 5 дней / от 1800 р.

Реферат

от 1 дня / от 700 р.

История и особенности ферромагнетизма

Исторически термин ферромагнетизм использовался для всех материалов, проявляющих свойства намагниченности, то есть чистый магнитный момент в отсутствие внешнего магнитного поля. Это определение до сих пор широко используется. Однако совсем недавно были идентифицированы различные категории спонтанных намагничиваний, когда на сетку материала приходится более одного магнитного спина , что приводит к более строгому определению «ферромагнетизма», которое отличает его от ферримагнетизма. В частности :

• материал является «ферромагнитным» в самом строгом смысле слова, если все его магнитные спины положительно влияют на суммарную намагниченность;
• если некоторые из спинов вычитаются из чистой намагниченности (если они частично анти-выровнены), то материал называется «ферримагнитным»;
• если моменты выровненных и анти-выровненных спинов полностью смещают друг друга, в результате чего получается нулевая намагниченность, несмотря на влияние магнитного поля, тогда материал называется антиферромагнитным .

Эти явления выравнивания возникают только при температурах ниже пороговой температуры, называемой температурой Кюри (для ферромагнетиков и ферримагнетиков) или температурой Нееля (для антиферромагнетиков).

Среди первых исследований ферромагнетизма — пионерские работы Александра Столетова по определению магнитной проницаемости ферромагнетиков, известные под названием Кривая Столетова  (в) .

Приложения

Библиография

• Макс Брюссо, Физика твердого тела. Электронные свойства , Париж, Массон, 1992 ( ISBN  2-225-83975-1 ) .
• Хосе-Филипп Перес, Роберт Карлес и Роберт Флекингер, Основы и приложения электромагнетизма , Льеж, Данод, 2001 ( ISBN  2-10-005574-7 ) .
• Хосе-Филипп Перес, Роберт Карлес и Роберт Флекингер, Пустой электромагнетизм и материальные среды , Париж, Массон, 1990 ( ISBN  2-225-82294-8 ) .
• Франсуа Лепренс-Ринге, «Обычные ферромагнитные материалы», Технические методы , 1994.
• Жан-Пьер Нозьер, «Ферромагнетизм», Инженерные технологии , 1998.
• Жан-Луи Портезей, «Ферромагнетизм», Технические методы , 1989.
• (ru) Сошин Чиказуми, Физика ферромагнетизма , Оксфорд: Oxford University Press,2009 г., 655  с. , стр.118.

Внешние ссылки

Моделирование электрических и магнитных диполей, диэлектрических и ферромагнитных объемов. Парижский университет XI

• Физический портал
• Материаловедческий портал

Использует

Ферритовые сердечники используются в электронных индукторах , трансформаторах и электромагнитах, где высокое электрическое сопротивление феррита приводит к очень низким потерям на вихревые токи . Обычно они представляют собой комок в компьютерном кабеле, называемый ферритовым шариком , который помогает предотвратить выход или проникновение высокочастотного электрического шума ( радиопомех ) в оборудование.

Ранние компьютерные запоминающие устройства хранили данные в остаточных магнитных полях жестких ферритовых сердечников, которые были собраны в массивы памяти сердечника . Ферритовые порошки используются в покрытиях лент для магнитной записи .

Частицы феррита также используются в качестве компонента радиопоглощающих материалов или покрытий, используемых в самолетах- и в поглощающих плитках, облицовывающих помещения, используемые для измерений электромагнитной совместимости . Наиболее распространенные аудиомагниты, в том числе те, которые используются в громкоговорителях и , представляют собой ферритовые магниты. За исключением некоторых «винтажных» продуктов, ферритовые магниты в значительной степени вытеснили более дорогие магниты Alnico в этих приложениях. В частности, твердые гексаферриты сегодня наиболее часто используются в качестве постоянных магнитов в уплотнительных прокладках холодильников, микрофонах и громкоговорителях, небольших двигателях для беспроводных устройств и в автомобилях.

Наночастицы феррита проявляют суперпарамагнитные свойства.

Основные характеристики

Ферромагнетические материалы обладают уникальными физико-химическими свойствами. Основными характеристиками ферромагнетиков являются:

1. Ферромагнетизм материалов возможен лишь тогда, когда вещество находится в кристаллическом состоянии.
2. Ориентация магнитных полей доменов затруднена из-за теплового движения, что подтверждает прямую зависимость свойств ферромагнетиков от температуры. Температура разрушения доменной структуры ферромагнетического вещества может отличаться. Данный показатель называется точкой Кюри. При его достижении ферромагнетик трансформируется в парамагнетик. К примеру, в чистом железе такой процесс происходит, когда температура Кюри достигает 900 градусов.
3. Намагничивание ферромагнетиков происходит до насыщения в слабых магнитных полях.
4. Параметры магнитного поля определяют магнитную проницаемость ферромагнетических веществ.
5. Ферромагнетики обладают остаточной намагниченностью. Можно наблюдать опытным путем на примере ферромагнитного стержня, помещенного под током соленоида, как при намагничивании до насыщения, а затем уменьшении тока, индукция поля в стержне во время его размагничивания сохраняется на более высоком уровне, чем при намагничивании.

Доменная структура ферромагнетиков

Эйнштейн в ходе эксперимента показал, что ферромагнетизм вызывается спинами электронов. Как уже указывалось выше, ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью при отсутствии внешнего поля, но под влиянием внутренних причин спины электронов начинают выстраиваться в одном общем направлении. При этом стоит отметить, что энергетически не оптимально для ферромагнетика целиком обладать намагниченностью.

Впервые теорию о свойствах ферромагнетиков сформулировал Вейсс в 1907 году. Поверхностный взгляд может отметить, что в данной теории существует противоречие между спонтанным намагничиванием и фактом, что даже, когда значение температуры ниже точки Кюри, некоторые ферромагнетики не намагничены, хоть и имеются постоянные магниты. Данное противоречие было устранено сформулированной Вейссом гипотезой.

Определение 3

Ферромагнетики при температуре ниже точки Кюри в магнитном отношении распадаются на множество маленьких макроскопических областей, и каждая из них является спонтанно намагниченной. Эти области получили название доменов.

Домены направлены хаотично при обычных условиях. Тело в общем не является намагниченным. Включение внешнего поля вызывает рост доменов, имеющих ориентацию по полю, за счет доменов, имеющих ориентацию против поля; происходит смещение доменных границ. Если поле слабое, подобное смещение является обратимым. Если поле сильное, домены изменяют ориентацию в пределах всего домена; процесс приобретает необратимый характер, появляется явление гистерезиса и остаточное намагничивание.

Подобный доменный «распад» энергетически выгоден. Когда ферромагнетик дробится на домены, и появляются домены различной ориентации, наблюдается ослабление магнитного поля, порождаемого ферромагнетиком; сопутствующая энергия становится меньше. Энергия обменного взаимодействия электронов не изменяется для всех электронов за исключением электронов на границах доменов (так называемая поверхностная энергия). Ее рост обусловлен различной ориентацией спинов электронов соседних доменов. Дробление доменов получает окончание при достижении минимума суммы магнитной и обменной энергии. Условием минимума определяется также размер доменов. Доменная структура ферромагнетиков имеет эмпирическое доказательство.

Парамагнетики

Парамагнетики, также относят к слабомагнитным веществам. Молекулы парамагнетиков имеют постоянный магнитный момент ($\overrightarrow{p_m}$). Энергия магнитного момента во внешнем магнитном поле вычисляется по формуле:

Минимальное значение энергии достигается тогда, когда направление $\overrightarrow{p_m}$ совпадает с $\overrightarrow{B}$. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле в соответствии с распределением Больцмана появляется преимущественная ориентация магнитных моментов его молекул в направлении поля. Появляется намагничивание вещества. Индукция дополнительного поля совпадает с внешним полем и соответственно усиливает ее. Угол между направлением $\overrightarrow{p_m}$ и $\overrightarrow{B}$ не изменяется. Переориентирование магнитных моментов в соответствии с распределением Больцмана происходит за счет столкновений и взаимодействия атомов друг с другом. Парамагнитная восприимчивость ($\varkappa $) зависит от температуры по закону Кюри:

Нужен совет преподавателя по схожей теме? Задай вопрос преподавателю и получи ответ через 15 минут! Задать вопрос

или закону Кюри — Вейсса:

где C и C’ — постоянные Кюри, $\triangle $ — постоянная, которая бывает больше и меньше нуля.

Магнитная восприимчивость ($\varkappa $) парамагнетика больше нуля, но, как и у диамагнетика весьма мала.

Парамагнетики делят на нормальные парамагнетики, парамагнитные металлы, антиферромагнетики.

У парамагнитных металлов магнитная восприимчивость не зависит от температуры. Эти металлы слабомагнитны $\varkappa \approx {10}^{-6}.$

У парамагнетиков существует такое явление ка парамагнитный резонанс. Допустим, что в парамагнетике, который находится во внешнем магнитном поле, создают дополнительное периодическое магнитное поле, вектор индукции этого поля перпендикулярен вектору индукции постоянного поля. В результате взаимодействия магнитного момента атома с дополнительным полем создается момент сил ($\overrightarrow{M}$), который стремится изменить угол между $\overrightarrow{p_m}$ и $\overrightarrow{B}.$ Если частота переменного магнитного поля и частота прецессии движения атома совпадают, то созданный переменным магнитным полем момент сил либо все время увеличивает угол между $\overrightarrow{p_m}$ и $\overrightarrow{B}$, либо уменьшает. Это явление и называют парамагнитным резонансом.

В несильных магнитных полях намагниченность в парамагнетиках пропорциональна напряженности поля, и выражается формулой (3) (рис.2).

Рис. 2

Похожие записи:

Карта ленорман «луна» в гадании: значение и сочетание с другими картами Стрижка волос 3 февраля 2020 года Рожденные 7 мая знак зодиака телец: характеристика личности Гадание на новое знакомство «самовар к чему снится во сне? если видишь во сне самовар, что значит?» Мужчина рак: характеристики знака зодиака