Ферромагнетики
Ферромагнетиками называют вещества, характеризующиеся намагничиванием недостроенных внутренних оболочек атомов, поскольку магнитные моменты заполненных оболочек равны нулю, а внешние валентные электроны металла обобществлены. Такими элементами являются переходные металлы группы железа, имеющие недостроенную 3d-оболочку, и редкоземельные элементы с недостроенной 4f-оболочкой. Наличие магнитного момента у атомов обусловлено только нескомпенсированными спиновыми магнитными моментами, поскольку орбитальные магнитные моменты весьма малы. Для ферромагнетиков в отсутствие внешнего поля энергетически выгодным является параллельное расположение магнитных моментов соседних атомов внутри домена.
При помещении ферромагнитного материала в магнитное поле одновременно происходят процессы ориентации магнитных моментов доменов и смещение их границ (изменение объема). В слабом поле преобладает процесс обратимого смещения границ, т.е. рост объема доменов, у которых магнитный момент, направленный вдоль оси легкого намагничивания, составляет наименьший угол с направлением внешнего поля. При усилении поля процесс идет более интенсивно и приобретает необратимый характер, кривая намагничивания В(Н) становится круче (рис. 1.5). При дальнейшем увеличении напряженности поля осуществляется процесс вращения вектора намагниченности в направлении внешнего поля и магнитное состояние материала достигает технического насыщения.
В переменных магнитных полях магнитное состояние образца периодически повторяется и его магнитная индукция зависит от величины намагничивающего поля, направления и частоты его изменения. Форма петли гистерезиса при неизменной частоте зависит от предельных значений напряженности поля. Семейство таких симметричных петель изображено на рис. 1.5. Сплошная кривая, проходящая по вершинам петель, называется нормальной или основной кривой индукции.
Рис. 1.5. Основная кривая намагничивания и семейство гистерезисных
циклов
Причинами гистерезиса являются необратимые смещения границ доменов, необратимые процессы вращения и задержка роста зародышей перемагничивания, под которыми понимают небольшие объемы с самопроизвольной намагниченностью обратного направления по отношению к основной ориентации намагниченности образца. Ферромагнетики характеризуются большими положительными значениями k и m (до сотен тысяч и миллионов), а также сложной нелинейной зависимостью этих параметров от напряженности внешнего магнитного поля (рис. 1.6,а).
Рис. 1.6. Зависимость относительной магнитной проницаемости ферромагнетиков от напряженности магнитного поля (а) и температуры (б)
При температурах выше точки Кюри Тк, определенной для каждого материала, ферромагнитное состояние переходит в парамагнитное (рис. 1.6,б) вследствие того, что хаотическое тепловое движение атомов нарушает параллельную ориентацию их магнитных моментов и, следовательно, доменное строение ферромагнетика. Точка Кюри чистого железа составляет 768 °С, никеля – 631 °С, кобальта – 1404 °С .