52. Феромагнетики. Домени. Температура Кюрі. Магнетний гістерезис
Властивості феромагнітних речовин суттєво відрізняються від розглянутих властивостей діа- і парамагнетиків у двох відношеннях:
1) проникність феромагнетиків досягає дуже великих значень (105);
2) намагніченість ф-в зберігається і після зняття поля, причому залежність між В і Н має характерний відпетлі гістерезіса.
Ці явища являють собою дві зовсім різні сторони однієї і тієї ж фундамент. властивості, а саме спонтанного намагнічування малих областей феромагн. тіла, які наз. доменами.
Загальновідомі феромагн. елементи залізо, кобальт і нікель. Феромагн. властивостями володіє велика кількість феромагн. сплавів.
Атоми вказаних елементів мають лише частково заповнені 3d-оболонки; кожний атом володіє також двома 4s-електронами. Залізо, наприклад, має шість 3d-електронів, тоді як заповнена 3d-оболонка повинна містити 10 електронів. Ці 6 електронів можна розбити на дві групи: п’ять з них мають однакові напрямки спінів, а один – протилежний. Це приводить до того, що спіновий магнітний момент атома дорівнює 4МБ.
Якщо атоми заліза з’єднати разом так, щоб вони утворили малу область всередині твердого кристалу, то всі магнітні моменти їх встановляться в одному напрямі.
3d-електрони якого-небудь атома при цьому дещо віддаляються від відповідних електронів сусіднього атому, якщо у останніх спіни однаково направлені. В результаті електростатична енергія відштовхування в намагніченому стані (з ║-но направленими спінами і магн. моментами) менша, ніж в ненамагніченому (тобто намагн. стан більш стійкий, ніж ненамагнічений).
Критерій спонтанної (самовільної) намагніченості покажемо на графіку (мал. 1).
На графіку різниця енергій намагніченого і ненамагніченого станів подана у функції між’ядерної відстані, поділеної на радіус 3d-електронів.
Підвищення температури може знищити спонтанне намагнічення. Температура, при якій спонтанне намагнічення зникає, наз. температурою Кюрі. Для заліза 1043°К, для кобальта – 1400°К, для нікеля – 613°К.
Область феромагнітного тіла, в якій спіни паралельні, наз. доменом. Розміри доменів лежать в широких межах; найбільш типові для них лінійні розміри – порядку 10-5м.
1.
монокристал макроскопічно ненамагнічений, але намагнічений кожний домен.
2. полікристалічне тверде тіло того ж складу, що і на магнітний момент дорівнює нулю.
3. монокристал у зовнішньому магнітному полі макроскопічно частково намагнічений.
Намагнічення відбувається у зовнішньому магн. полі внаслідок переміщення стінок доменів.
Аналогічний ефект має місце і в полікристалічних зразках, де число доменів, сприятливо орієнтованих відносно Н, росте за рахунок доменів, орієнтованих насприятливо чи нейтрально. При ще більш високих значеннях Н напрями намагніченості останніх доменів повертаються і встановлюються вздовж Н. Таким чином, при дуже великих Н магнітні моменти окремих доменів орієнтуються паралельно, і намагніченість всього зразка стає такою ж, як і намагніченість одного домена.
Розглянемо криву залежності В від Н в феромагнетику.
При зростанні Н від нуля стінки доменів починають зміщуватися, створюючи відмінну від нуля намагніченість і тим збільшуючи В. Цей процес завершується біля т.А, і подальше збільшення В зумовлене поворотом магнітних моментів доменів. В т.С магнітні моменти всіх доменів направлені вздовж Н, і В досягає насичення.
При зменшенні Н крива В не йде по початковій вниз, бо зміщення стінок частини доменів необоротне. В реальному полікристалічному зразку на рух стінок доменів впливають домішки напруги і інші дефекти. Великий дефект створює юіля себе домени вигнутої форми, які дуже гальмують рух стінок сусідніх доменів.
Для трансформаторов і електричних машин необхідні матеріали з мінімальною площею петлі гістерезіса, показаної на мал. 1. для цього застосовуються відносно чисті метали, без домішок, вільні від напруг, які складаються з великих кристалів.
Для постійних магнітів потрібне значне залишкове намагнічення і значна коерцетивна сила. Тому для них застосовують сплави з дрібними кристалами і фазами, які виділилися.