12.6: Феромагнетизм

Те, що ми зазвичай вважаємо магнітними матеріалами, є технічно феромагнітними. Сприйнятливість феромагнітних матеріалів зазвичай становить близько +10 ³ або 10 ⁴ або навіть більше. Однак феромагнітна сприйнятливість матеріалу досить чутлива до температури, і вище температури, відомої як температура Кюрі, матеріал перестає ставати феромагнітним, і він стає просто парамагнітним.

Серед елементів тільки кобальт, залізо і нікель сильно феромагнітні, їх температура Кюрі становить близько 1400, 1040 і 630 К відповідно. Гадоліній феромагнітний при низьких температурах; його температура Кюрі становить близько 289 К = 16 ^о С. Диспрозій феромагнітний нижче його температури Кюрі близько 105 К. Є багато штучних сплавів і керамічних матеріалів, які є феромагнітними.

Як і у парамагнітних матеріалів, атоми мають постійні магнітні моменти, але з тією різницею, що ці моменти не орієнтовані випадково, а сильно вирівняні до кристалографічних осей. Усередині монокристала існують домени, всередині яких всі магнітні моменти паралельні і вирівняні з певною віссю. У сусідній області знову всі моменти паралельні один одному, але вони можуть бути вирівняні з іншою віссю, можливо, під прямим кутом до першої області, або, можливо, вирівняні з тією ж віссю, але спрямовані в протилежному напрямку. Таким чином, ми маємо ряд доменів, кожна з яких сильно намагнічена, але з деякими доменами намагнічені в одному напрямку, а деякі в іншому. Домени розділені доменними межами, або «стінами Блоха», можливо, товщиною в кілька сотень атомів, всередині яких орієнтація магнітних моментів поступово змінюється від однієї області до іншої. Малюнок XII.1 являє собою схематичний ескіз кристала, розділеного на чотири області, з намагніченістю в різному напрямку в кожній.

Малюнок XIII.1

На малюнку XIII.2 я піддаю кристал поступово сильніше і сильніше магнітне поле, і ми спостерігаємо, що відбувається з доменами, і, на малюнку XIII.3, за намагніченістю кристала в цілому.

Малюнок XIII.2

Коли ми вперше застосовуємо слабке поле (а), стінки Блоха (межі домену) рухаються так, що сприятливо орієнтовані домени ростуть за рахунок протилежних доменів, а намагніченість повільно збільшується. З більш сильними полями (b) раптом всі магнітні моменти (через непарних спинив) в межах однієї області змінюють напрямок майже в унісон, так що протилежний домен раптом стає сприятливим доменом; це відбувається з одним доменом за іншим, поки всі домени не будуть орієнтовані сприятливо, і намагніченість зразка швидко зростає. Для ще більш сильних полів (c) магнітні моменти, зазвичай орієнтовані паралельно осі кристалів, згинаються так, щоб вони знаходилися в напрямку намагнічувального поля. Коли все це досягнуто, подальша намагніченість неможлива, і зразок насичується.

Малюнок XIII.3

Тепер, якщо поле зменшено, магнітні моменти розслабляються і займають свої нормальні положення паралельно кристалографічної осі. Але, оскільки поле ще більше зменшується (d), немає підстав для доменів змінювати свою полярність, як це сталося на етапі (b). Тобто, коли стадія (б) спочатку сталася, це був незворотний процес. Крива розмагнічування не відповідає кривій намагніченості в зворотному напрямку. Отже, при зниженні поля намагнічування до нуля зразок зберігає залишкову намагніченість (зазначено РМ на рис. XIII.3), при цьому всі домени все ще сприятливо орієнтовані. Для того щоб звести намагніченість до нуля, доведеться застосувати поле в зворотному напрямку. Зворотне поле, необхідне для зниження намагніченості до нуля, називається коерцитивної силою (позначається CF на малюнку XIII.3).

Коли ви багаторазово намагнічуєте зразок спочатку в одному, а потім в іншому напрямку, графік намагніченості проти намагнічувального поля описує петлю гістерезису, зазначену на малюнку XII.3. Через незворотний процес (b) магнітна енергія розсіюється у вигляді тепла протягом повного циклу, приблизно втрата енергії пропорційна площі петлі гістерезису. Кількість гістерезису залежить від того, наскільки вільно можуть рухатися стінки домену, що, в свою чергу, залежить від фізичної та хімічної конституції магнітних матеріалів, особливо від кількості присутніх домішок, які можуть гальмувати рух стінки Блоха. Для постійного магніту вам потрібен матеріал з петлею гістерезису жиру, з великою залишковою намагніченістю, а також великою коерцитивною силою, щоб його не можна було легко розмагнітити. Для сердечника трансформатора потрібен матеріал з вузькою петлею гістерезису.

Якщо помістити всередину соленоїда магнітний матеріал зі змінним струмом всередині соленоїда, то намагніченість буде неодноразово обходити петлю гістерезису. Якщо тепер поступово зменшувати амплітуду струму в соленоїді, то петля гістерезису буде поступово ставати все менше і менше, зникаючи до точки (Н і М обидва нуля) при зниженні струму до нуля. Це забезпечує метод розмагнічування зразка.

Це засмучує, як часто читається «залишок» намагніченості. Я навіть зіткнувся з надмірно захопленими копіями редакторів, які змінять правильне написання автора «залишок» на неправильний «залишок». Різниця полягає в тому, що «залишок» - це іменник (як у залишку тканини), а «залишок», який вимовляється трьома різними складами, є прикметником, що означає «залишився».