Ферромагнетики и их применение

Вещества, у которых магнитная проницаемость достигает сотен и даже миллионов единиц, выделены в особый класс – ферромагнетики. У ферромагнетиков есть ряд особенностей. Первая особенность – это характер намагничивания. У диа- и парамагнетиков вектор намагничивания, а, следовательно, и индукция магнитного поля пропорциональны напряженности внешнего поля. Для ферромагнетиков кривые намагничивания имеют вид (рисунок 33)

Рисунок 33

При некотором значении Н₀ намагничивание М перестает изменяться, наступает насыщение. Кривая М(Н₀) идет параллельно оси Н₀. На графике зависимости В(Н₀) кривая В(Н₀) продолжает идти с наклоном к оси Н₀ за счет коэффициента m₀.

Магнитная проницаемость у ферромагнетиков не остается постоянной, а увеличивается с ростом Н по закону Столетова (рисунок 34).

В очень сильных полях m®1, и поэтому для получения сильных (Н=10⁶ А/м) полей применять ферромагнитные сердечники бесполезно. При перемагничивании вещества наблюдается отставание в изменении магнитной индукции В от изменения напряженности Н₀. Это явление получило название магнитного гистерезиса. При полном цикле перемагничивания кривая В = f(Н₀) имеет вид петли, называемой петлей гистерезиса (рисунок35), где В₀ – остаточное намагничивание, Н_К – коэрцитивная сила.

Рисунок 34 Рисунок 35

Петля гистерезиса в сильной мере зависит от материала и от его обработки. Площадь кривой пропорциональна работе перемагничивания.

В качестве сердечников в трансформаторах используют магнитомягкие материалы с узкой петлей, большим m и малой Н_К. Это железо (99,9%), пермалой (79,0%Ni, 6% Mo, 16% Fe). Для изготовления постоянных магнитов применяют магнитожесткие материалы: вольфрамовую сталь, альнико (Pb+Co), магнико. Чтобы избежать больших потерь на вихревые токи, в технике высокочастотных колебаний используют ферриты – химические соединения типа МеОFe₂O₃, где Ме – двухвалентный ион Mn²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Fe²⁺.

Другой особенностью ферромагнетиков является то, что их ферромагнитные свойства исчезают при некоторой температуре, называемой точкой Кюри (Т_К). Например, для гадолиния Т_К=17 ⁰С, для никеля Т_К=360 ⁰С, а для кобальта Т_К=1150 ⁰С. При температурах более высоких, чем Т_К ферромагнетик превращается в парамагнетик, причем магнитная восприимчивость зависит от температуры .

При перемагничивании многие ферромагнетики деформируются. Это явление носит название магнитострикции.

Магнитные свойства ферромагнетиков обусловлены спиновыми магнитными моментами. У атомов большинства элементов спиновые моменты попарно параллельны (скомпенсированы), поэтому результирующий спиновый момент равен нулю.

У таких материалов, как Cr, Mn, Fe, Co, Ni часть P_S не скомпенсирована, что обуславливает большое значение (рисунок36).

Рисунок 36

Атомы ферромагнитных материалов сильно взаимодействуют, в результате в веществе возникают области спонтанного намагничивания – домены. Домены можно наблюдать визуально, если на поверхность образца насыпать железные опилки. Процесс намагничивания ферромагнетика происходит вначале за счет расширения границ тех доменов, у которых магнитные моменты направлены вдоль поля, а затем за счет ориентирования магнитных моментов в доменах. Магнитное насыщение наступает, когда все магнитные моменты будут строго параллельны направлению внешнего поля (рисунок 37).

Рисунок 37

В некоторых структурах энергетически выгодным является антипараллельное расположение спинов соседних узлов решетки. При абсолютном нуле магнитные моменты атомов компенсируют друг друга (рисунок 38).

Рисунок 38 Рисунок 39

При повышении температуры намагниченность материала повышается и достигает максимума при некоторой температуре (точка Нееля). Такие материалы называют антиферромагнетиками. Вещества с некомпенсированным антиферромагнетизмом называют ферритами. К ним относится большой класс веществ со структурой МеОFe₂O₃ (рисунок 39). Все они обладают спонтанной намагниченностью.

Замечательной особенностью ферритов является сочетание магнитных свойств с высоким электрическим сопротивлением. Именно поэтому ферриты произвели переворот в технике высоких и сверхвысоких частот, где металлические ферромагнетики не могут применяться из-за больших потерь на образование токов Фуко.

В настоящее время разработаны ферриты, обладающие большой коэрцитивной силой. Их используют для изготовления постоянных магнитов. Широкое применение получили ферриты, имеющие прямоугольную петлю гистерезиса. Их используют в качестве ячеек памяти в счетно-решающих машинах.

Очень широкое применение в науке и технике ферромагнетики получили благодаря своим особенностям. Высокие значения m приводят к тому, что ферромагнетики значительно сильнее взаимодействуют с внешним магнитным полем, чем парамагнетики. При этом собственное магнитное поле ферромагнетиков имеет такое же направление, как внешнее поле. Это приводит к тому, что ферромагнетик позволяет во много раз увеличивать индукцию внешнего магнитного поля. Поэтому для создания сильных магнитных полей в электромагнитах используют ферромагнитные сердечники. Кроме того, ферромагнетики сильно втягиваются в область более сильного магнитного поля и притягиваются к постоянным магнитам и электромагнитам. Это используют в самых различных устройствах – от электромагнитных подъемных кранов до приборов автоматического регулирования.