Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Применение ферромагнетиков

SA. Магнитные свойства

Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Применение ферромагнетиков

Многочисленные опыты свидетельствуют о том, что все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются и создают собственное магнитное поле, действие которого складывается с действием внешнего магнитного поля:

\(~\vec B = \vec B_0 + \vec B_1,\)

где \(~\vec B\) — магнитная индукция поля в веществе; \(~\vec B_0\) — магнитная индукция поля в вакууме, \(~\vec B_1\) — магнитная индукция поля, возникшего благодаря намагничиванию вещества. При этом вещество может либо усиливать, либо ослаблять магнитное поле. Влияние вещества на внешнее магнитное поле характеризуется величиной μ, которая называется магнитной проницаемостью вещества

\(~\mu = \dfrac B{B_0}.\)

  • Магнитная проницаемость — это физическая скалярная величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме.

Диа- и пара- магнетики

Все вещества обладают определенными магнитными свойствами, т. е. являются магнетиками. Для большинства веществ магнитная проницаемость μ близка к единице и не зависит от величины магнитного поля.

Вещества, для которых магнитная проницаемость незначительно меньше единицы (μ < 1), называются диамагнетиками, незначительно больше единицы (μ > 1) — парамагнетиками.

Вещества, магнитная проницаемость которых зависит от величины внешнего поля и может значительно превышать единицу (μ » 1), называются ферромагнетиками.

Примерами диамагнетиков являются свинец, цинк, висмут (μ = 0,9998); парамагнетиков — натрий, кислород, алюминий (μ = 1,00023); ферромагнетиков — кобальт, никель, железо (μ достигает значения 8⋅103).

Впервые объяснение причин, вследствие которых тела обладают магнитными свойствами, дал Анри Ампер (1820 г.). Согласно его гипотезе, внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи, которые и определяют магнитные свойства любого вещества.

Возьмем некоторое твердое вещество. Его намагниченность связана с магнитными свойствами частиц (молекул и атомов), из которых он состоит. Рассмотрим, какие контуры с током возможны на микроуровне. Магнетизм атомов обусловлен двумя основными причинами:

1) движением электронов вокруг ядра по замкнутым орбитам (орбитальный магнитный момент) (рис. 1);

  • Рис. 1
  • Рис. 2

2) собственным вращением (спином) электронов (спиновой магнитный момент) (рис. 2).

Для любознательных. Магнитный момент контура равен произведению силы тока в контуре на площадь, охватываемую контуром. Его направление совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля в середине контура с током.

Так как в атоме плоскости орбит различных электронов не совпадают, то вектора индукций магнитных полей [1], созданные ими (орбитальные и спиновые магнитные моменты), направлены под разными углами друг к другу.

Результирующий вектор индукции многоэлектронного атома равен векторной сумме векторов индукций полей, создаваемых отдельными электронами. Не скомпенсированными полями обладают атомы с частично заполненными электронными оболочками.

В атомах с заполненными электронными оболочками результирующий вектор индукции равен 0.

Во всех случаях изменение магнитного поля обусловлено появлением токов намагниченности (наблюдается явление электромагнитной индукции). Иными словами принцип суперпозиции для магнитного поля остается справедливым: поле внутри магнетика является суперпозицией внешнего поля \(~\vec B_0\) и поля \(~\vec B'\) токов намагничивания i′, которые возникают под действием внешнего поля.

Если поле токов намагниченности направлено так же, как и внешнее поле, то индукция суммарного поля будет больше внешнего поля (Рис. 3, а) – в этом случае мы говорим, что вещество усиливает поле; если же поле токов намагниченности направлено противоположно внешнему полю, то суммарное поле будет меньше внешнего поля (Рис.

3, б) – именно в этом смысле мы говорим, что вещество ослабляет магнитное поле.

  • а
  • б

Рис. 3

В диамагнетиках молекулы не обладают собственным магнитным полем. Под действием внешнего магнитного поля в атомах и молекулах поле токов намагниченности направлено противоположно внешнему полю, поэтому модуль вектора магнитной индукции \(~\vec B\) результирующего поля будет меньше модуль вектора магнитной индукции \(~\vec B_0\) внешнего поля.

Подробнее механизм намагничивания диамагнетиков описан здесь: Слободянюк А.И. Физика 10. §13.3 Типы магнетиков.

В парамагнетиках молекулы обладают собственным магнитным полем. В отсутствии внешнего магнитного поля из-за теплового движения вектора индукций магнитных полей атомов и молекул ориентированы хаотически, поэтому их средняя намагниченность равна нулю (рис. 4, а).

При наложении внешнего магнитного поля на атомы и молекулы начинает действовать момент сил, стремящийся повернуть их так, чтобы их поля были ориентированы параллельно внешнему полю. Ориентация молекул парамагнетика приводит к тому, что вещество намагничивается (рис. 4, б).

  • а
  • б

Рис. 4

Полной ориентации молекул в магнитном поле препятствует их тепловое движение, поэтому магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры. Очевидно, что с ростом температуры магнитная проницаемость парамагнетиков уменьшается.

Ферромагнетики

Само название этого класса магнитных материалов происходит от латинского имени железа — Ferrum. особенность этих веществ заключается в способности сохранять намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля, все постоянные магниты относятся к классу ферромагнетикам.

Кроме железа ферромагнитными свойствами обладают его «соседи» по таблице Менделеева — кобальт и никель. Ферромагнетики находят широкое практическое применение в науке и технике, поэтому разработано значительное число сплавов, обладающих различными ферромагнитными свойствами.

Все приведенные примеры ферромагнетиков относятся к металлам переходной группы, электронная оболочка которых содержит несколько не спаренных электронов, что и приводит к тому, что эти атомы обладают значительным собственным магнитным полем.

В кристаллическом состоянии благодаря взаимодействию между атомами в кристаллах возникают области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности — домены. Размеры этих доменов составляют десятые и сотые доли миллиметра (10-4 − 10-5 м), что значительно превышает размеры отдельного атома (10-9 м ).

В пределах одного домена магнитные поля атомов ориентированы строго параллельно, ориентация магнитных полей других доменов при отсутствии внешнего магнитного поля меняется произвольно (рис. 5).

Таким образом, и в не намагниченном состоянии внутри ферромагнетика существуют сильные магнитные поля, ориентация которых при переходе от одного домена к другому меняется случайным хаотическим образом. Если размеры тела значительно превышают размеры отдельных доменов, то среднее магнитное поле, создаваемое доменами этого тела, практически отсутствует.

Если поместить ферромагнетик во внешнее магнитное поле В0, то магнитные моменты доменов начинают перестраиваться. Однако механического пространственного вращения участков вещества не происходит.

Процесс перемагничивания связан с изменением движения электронов, но не с изменением положения атомов в узлах кристаллической решетки.

Домены, имеющие наиболее выгодную ориентацию относительно направления поля, увеличивают свои размеры за счет соседних «неправильно ориентированных» доменов, поглощая их. При этом поле в веществе возрастает весьма существенно.

Свойства ферромагнетиков

1) ферромагнитные свойства вещества проявляются только тогда, когда соответствующее вещество находится в кристаллическом состоянии;

2) магнитные свойства ферромагнетиков сильно зависят от температуры, так как ориентации магнитных полей доменов препятствует тепловое движение.

Для каждого ферромагнетика существует определенная температура, при котором доменная структура полностью разрушается, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Это значение температуры называется точкой Кюри.

Так для чистого железа значение температуры Кюри приблизительно равно 900°C;

3) ферромагнетики намагничиваются до насыщения в слабых магнитных полях. На рисунке 6 показано, как изменяется модуль индукции магнитного поля B в стали с изменением внешнего поля B0;

4) магнитная проницаемость ферромагнетика зависит от внешнего магнитного поля (рис. 7).

Это объясняется тем, что вначале с увеличением B0 магнитная индукция B растет сильнее, а, следовательно, μ будет увеличиваться.

Затем при значении магнитной индукции B´0 наступает насыщение (μ в этот момент максимальна) и при дальнейшем увеличении B0 магнитная индукция B1 в веществе перестает изменяться, а магнитная проницаемость уменьшается (стремится к 1):

\(~\mu = \dfrac B{B_0} = \dfrac {B_0 + B_1}{B_0} = 1 + \dfrac {B_1}{B_0};\)

5) у ферромагнетиков наблюдается остаточная намагниченность. Если, например, ферромагнитный стержень поместить в соленоид, по которому проходит ток, и намагнитить до насыщения (точка А) (рис.

8), а затем уменьшать ток в соленоиде, а вместе с ним и B0, то можно заметить, что индукция поля в стержне в процессе его размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания.

Когда B0 = 0 (ток в соленоиде выключен), индукция будет равна Br (остаточная индукция). Стержень можно вынуть из соленоида и использовать как постоянный магнит. Чтобы окончательно размагнитить стержень, нужно пропустить по соленоиду ток противоположного направления, т.е.

приложить внешнее магнитное поле с противоположным направлением вектора индукции. Увеличивая теперь по модулю индукцию этого поля до Boc, размагничивают стержень (B = 0).

  • Модуль Boc индукции магнитного поля, размагничивающего намагниченный ферромагнетик, называют коэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении B0 можно намагнитить стержень до насыщения (точка А').

Уменьшая теперь B0 до нуля, получают опять постоянный магнит, но с индукцией –Br (противоположного направления).

Чтобы вновь размагнитить стержень, нужно снова включить в соленоид ток первоначального направления, и стержень размагнитится, когда индукция B0 станет равной Boc.

Продолжая увеличивать B0, снова намагничивают стержень до насыщения (точка А).

Таким образом, при намагничивании и размагничивании ферромагнетика индукция B отстает от B0. Это отставание называется явлением гистерезиса. Изображенная на рисунке 8 кривая называется петлей гистерезиса.

Гистерезис (греч. ὑστέρησις — «отстающий») — свойство систем, которые не сразу следуют за приложенными силам.

Вид кривой намагничивания (петли гистерезиса) существенно различается для различных ферромагнитных материалов, которые нашли очень широкое применение в научных и технических приложениях.

Некоторые магнитные материалы имеют широкую петлю с высокими значениями остаточной намагниченности и коэрцитивной силы, они называются магнитно-жесткими и используются для изготовления постоянных магнитов.

Для других ферромагнитных сплавов характерны малые значения коэрцитивной силы, такие материалы легко намагничиваются и перемагничиваются даже в слабых полях. Такие материалы называются магнитно-мягкими и используются в различных электротехнических приборах — реле, трансформаторах, магнитопроводах и др.

Литература

  1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C.330- 335.
  2. Жилко, В. В. Физика: учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В. В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л. Г. Маркович. — Мн.: Нар. асвета, 2002. — С. 291-297.
  3. Слободянюк А.И. Физика 10.

    §13 Взаимодействие магнитного поля с веществом

Примечания

  1. ↑ Рассматриваем направление вектора индукции магнитного поля только в середине контура.

Источник: http://www.physbook.ru/index.php/SA._%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D1%81%D0%B2%D0%BE%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B0

Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики их применение

Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Применение ферромагнетиков

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, влияет на значение магнитной индукции этого поля. Например, при внесе­нии железного сердечника в катушку (соленоид) с током индук­ция магнитного поля соленоида сильно возрастает, а сам сердеч­ник приобретает свойство притягивать мелкие железные предме­ты, т. е. намагничивается. Это явление было впервые обнаружено Ампером.

Впоследствии было установлено, что индукция магнитного поля в веществе может быть и больше и меньше, чем индукция того же поля в вакууме. Происходит это потому, что каждое вещество в большей или меньшей степени обладает магнитными свойствами. Вещества, способные изменять параметры магнитного поля, принято называть магнетиками.

Для характеристики магнитных свойств вещества введена величина, называемая магнитной проницаемостью этого вещества.

Магнитная проницаемость вещества – это физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данной точке однородной изотропной среды отличается по модулю от индукции магнитного поля в этой же точке в вакууме : .

Вещества, у которых , называют диамагнетиками. К ним относятся, например, элементы , , , , , , , инертные газы и другие вещества.

Вещества, у которых , называют парамагнетиками. К ним, в частности, относятся , , , , , , , кисло­род и многие другие элементы, а также растворы некоторых солей.

Следует отметить, что значение у диа- и парамагнетиков отличается от единицы очень мало, всего на величину порядка , поэтому диа- и парамагнетики относятся к слабомаг­нитным веществам.

Вещества, у которых , называют ферромагнетиками. К ним относятся элементы , , , и многие сплавы. (При очень низких температурах ферромагнитные свойства обнару­живают элементы , , и .)

Значения у некоторых сплавов достигают десятков тысяч. Поэтому ферромагнетики относятся к сильномагнитным ве­ществам.

· Магнитный момент – векторная величи­на, характеризующая магнит­ные свойства тел и частиц вещества. Магнитным моментом обладают все элементарные частицы и образованные из них системы (атомные ядра, атомы, молекулы).

Каждый электрон, движущийся в атоме вокруг ядра по замкнутой орбите, представляет собой электронный ток, текущий в направ­лении, противоположном движению электрона. Магнитный момент электрон­ного тока называется орбитальным магнитным моментом электрона.

Электрон, также, независимо от его пребывания в какой-либо системе частиц (атом, молекула, кристалл), обладает собственным механическим моментом количества движения , называе­мым спином. Элементарное представление о спине связывается с вращением электрона вокруг собствен­ной оси.

Если в какой-либо системе электронов (атом, кристалл) имеется четное число электронов, то спины каждой пары электронов, направленные в противоположные стороны, дают суммарный спин, равный нулю. Такая система назы­вается скомпенсированной по спину. При нечетном числе электронов система имеет нескомпенсированный спин, от­личный от нуля.

Наличием у электрона и некоторых других элементар­ных частиц спина объясняются многие важные закономерности в современной физике. Например, спином электрона объясняются магнитные свойства ферромагнети­ков.

Векторная сумма всех орбитальных и спиновых моментов электронов вну­три молекулы или атома и представляет собой маг­нитный момент частицы.

Пара- и диамагнетизм объясняется поведением электронных орбит во внешнем магнитном

Ферромагнетизм

Природа ферромагнетизма может быть до конца понята только на основе квантовых представлений. Качественно ферромагнетизм объясняется наличием собственных (спиновых) магнитных полей у электронов.

В кристаллах ферромагнитных материалов возникают условия, при которых, вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов, энергетически выгодной становится их параллельная ориентация.

В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области размером порядка . Эти области называются доменами. Каждый домен представляет из себя небольшой постоянный магнит.

В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов индукции магнитных полей в различных доменах ориентированы в большом кристалле хаотически. Такой кристалл в среднем окажется ненамагниченным.

При наложении внешнего магнитного поля происходит смещение границ доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается. С увеличением индукции внешнего поля возрастает магнитная индукция намагниченного вещества.

В очень сильном внешнем поле домены, в которых собственное магнитное поле совпадает по направлению с внешним полем, поглощают все остальные домены, и наступает магнитное насыщение.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков не является постоянной величиной; она сильно зависит от индукции внешнего поля.

Непостоянство магнитной проницаемости приводит к сложной нелинейной зависимости индукции магнитного поля в ферромагнетике от индукции внешнего магнитного поля.

Предыдущая12131415161718192021222324252627Следующая

Дата добавления: 2015-12-08; просмотров: 2346; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЁЩЕ:

Источник: https://helpiks.org/6-11186.html

Свойства ферромагнетиков

Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Применение ферромагнетиков

Все диа- и парамегнетики – это вещества, намагничивающиеся весьма слабо, их магнитная проницаемость близка к единице и не зависит от напряженности магнитного поля Н. Наряду с диа- и парамагнетиками имеются вещества, способные сильно намагничиваться. Они называются ферромагнетиками.

Ферромагнетики или ферромагнитные материалы получили свое название от латинского наименования основного представителя этих веществ – железа (ferrum).

К ферромагнетикам, кроме железа, относятся кобальт, никель, гадолиний, многие сплавы и химические соединения.

Ферромагнетики – это вещества, способные очень сильно намагничиваться, в которых внутреннее (собственное) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превышать вызвавшее его внешнее магнитное поле.

Свойства ферромагнетиков

1. Способность сильно намагничиваться.

Значение относительной магнитной проницаемости m в некоторых ферромагнетиках достигает величины 106 .

2. Магнитное насыщение.

На рис. 1 приведена экспериментальная зависимость намагниченности от напряженности внешнего магнитного поля . Как видно из рисунка, с некоторого значения Н численное значение намагниченности ферромагнетиков практически остается постоянным и равным Jнас. Это явление было открыто русским ученым А.Г. Столетовым и названо магнитным насыщением.

3.Нелинейные зависимости B(H) и m(H).

С ростом напряженности индукция сначала увеличивается, но по мере намагничения магнетика ее нарастание замедляется, и в сильных полях растет с увеличением по линейному закону (рис.2).

Вследствие нелинейной зависимости B(H),

т.е. магнитная проницаемость m сложным образом зависит от напряженности магнитного поля (рис.3). Вначале, с увеличением напряженности поля m возрастает от начального значения до некоторой максимальной величины, а затем уменьшается и асимптотически стремится к единице.

4. Магнитный гистерезис.

Другой отличительной особенностью ферромагнетиков является их

способность сохранять намагничение после снятия намагничивающего поля. При изменении напряженности внешнего магнитного поля от нуля в сторону положительных значений индукция возрастает (рис.4, участок

При уменьшении до нуля магнитная индукция запаздывает в уменьшении и при значении , равным нулю, оказывается равной (остаточная индукция), т.е. при снятии внешнего поля ферромагнетик остается намагниченным и представляет собой постоянный магнит.

Для полного размагничивания образца необходимо приложить магнитное поле обратного направления – . Величина напряженности магнитного поля , которую надо приложить к ферромагнетику для его полного размагничивания, называется коэрцитивной силой.

Явление отставания изменения магнитной индукции в ферромагнетике от изменения напряженности переменного по величине и направлению внешнего намагничивающего поля называется магнитным гистерезисом.

При этом зависимость от будет изображаться петлеобразной кривой, носящей название петли гистерезиса, изображенной на рис.4.

В зависимости от формы петли гистерезиса различают магнитожесткие и магнитомягкие ферромагнетики. Жесткими ферромагнетиками называют вещества с большим остаточным намагничением и большой коэрцитивной силой, т.е. с широкой петлей гистерезиса (рис. 5а). Они применяются для изготовления постоянных магнитов (углеродистые, вольфрамовые, хромовые, аллюминиево-никелевые и другие стали).

Мягкими ферромагнетиками называются вещества с малой коэрцитивной силой, которые очень легко перемагничиваются, с узкой петлей гистерезиса (рис. 5б).

(Чтобы получить эти свойства, специально создано так называемое трансформаторное железо, сплав железа с небольшой примесью кремния).

Область их применения – изготовление сердечников трансформаторов; к ним относятся мягкое железо, сплавы железа с никелем (пермаллой, супермаллой).

5. Наличие температуры (точки) Кюри.

Точка Кюри – это характерная для данного ферромагнетика температура, при которой полностью исчезают ферромагнитные свойства.

При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. При охлаждении ниже точки Кюри он восстанавливает свои ферромагнитные свойства. Для различных веществ эта температура различна (для Fe – 7700C, для Ni – 2600C).

6. Магнитострикция – явление деформации ферромагнетиков при намагничивании. Величина и знак магнитострикции зависят от напряженности намагничивающего поля и природы ферромагнетика. Это явление широко используют для устройства мощных излучателей ультразвука, применяемых в гидролокации, звукоподводной связи, навигации и т.д.

У ферромагнетиков наблюдается и обратное явление – изменение намагниченности при деформации. Сплавы со значительной магнитострикцией применяются в приборах, служащих для измерения давления и деформаций.

Источник: https://studopedia.su/5_24193_svoystva-ferromagnetikov.html

Ферромагнетики

Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Применение ферромагнетиков

      К ферромагнетикам (ferrum – железо) относятся вещества, магнитная восприимчивость которых положительна и достигает значений .

Намагниченность  и магнитная индукция  ферромагнетиков растут с увеличением напряженности магнитного поля  нелинейно, и в полях  намагниченность ферромагнетиков достигает предельного значения , а вектор магнитной индукции растет линейно с :

      Ферромагнитные свойства материалов проявляются только у веществ в твердом состоянии, атомы которых обладают постоянным спиновым, или орбитальным, магнитным моментом, в частности у атомов с недостроенными внутренними электронными оболочками.

Типичными ферромагнетиками являются переходные металлы. В ферромагнетиках происходит резкое усиление внешних магнитных полей. Причем для ферромагнетиков  сложным образом зависит от величины магнитного поля.

Типичными ферромагнетиками являются Fe, Co, Ni, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm,а также соединения ферромагнитных материалов с неферромагнитными: , , и др.

      Существенным отличием ферромагнетиков от диа- и парамагнетиков является наличие у ферромагнетиков самопроизвольной (спонтанной) намагниченности в отсутствие внешнего магнитного поля.

Наличие у ферромагнетиков самопроизвольного магнитного момента  в отсутствие внешнего магнитного поля означает, что электронные спины и магнитные моменты атомных носителей магнетизма ориентированы в веществе упорядоченным образом.

      Ферромагнетики –  это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры.

      Ферромагнетики, в отличие от слабо магнитных диа- и парамагнетиков, являются сильно магнитными веществами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни раз превосходить внешнее поле.

      Основные отличия магнитных свойств ферромагнетиков.

       1.                         Нелинейная зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля Н (рис. 6.5).

      Как видно из рис. 6.5, при  наблюдается магнитное насыщение.

      2. При   зависимость магнитной индукции В от Н нелинейная, а при  – линейная (рис. 6.6).

Рис. 6.5                               Рис. 6.6

      3. Зависимость относительной магнитной проницаемости от Н имеет сложный характер (рис. 6.7), причем максимальные значения μ очень велики ( ).

Рис. 6.7                                 Рис. 6.8

      Впервые систематические исследования μ от Н были проведены в 1872 г. А.Г. Столетовым (1839–1896) – выдающимся русским физиком, организатором физической лаборатории в Московском университете. На рис. 6.8. изображена зависимость магнитной проницаемости некоторых ферромагнетиков от напряженности магнитного поля – кривая Столетова.

      4. У каждого ферромагнетика имеется такая температура, называемая точкой Кюри( ),выше которой это вещество теряет свои особые магнитные свойства.

Наличие температуры Кюри связано с разрушением при  упорядоченного состояния в магнитной подсистеме кристалла – параллельной ориентации магнитных моментов. Для никеля температура Кюри равна 360 °С.

Если подвесить образец никеля вблизи пламени горелки так, чтобы он находился в поле сильного постоянного магнита, то не нагретый образец может располагаться горизонтально, сильно притягиваясь к магниту (рис. 6.9). По мере нагрева образца и достижения температуры  ферромагнитные свойства у никеля исчезают и образец никеля падает.

Остыв до температуры ниже точки Кюри, образец вновь притянется к магниту. Нагревшись, вновь падает и т.д., колебания будут продолжаться все время, пока горит свеча.

Рис. 6.9

      5. Существование магнитного гистерезиса.

      На рисунке 6.10 показана петля гистерезиса – график зависимости намагниченности вещества от напряженности магнитного поля Н.

Рис. 6.10

      Намагниченность  при  называется намагниченностью насыщения.

      Намагниченность  при  называется остаточной намагниченностью (что необходимо для создания постоянных магнитов).

      Напряженность  магнитного поля, полностью размагниченного ферромагнетика, называетсякоэрцитивной силой. Она характеризует способность ферромагнетика сохранять намагниченное состояние.

      Большой коэрцитивной силой (широкой петлей гистерезиса) обладают магнитотвердыематериалы. Малую коэрцитивную силу имеют магнитомягкие материалы.

      Измерение гиромагнитного отношения для ферромагнетиков показали, что элементарными носителями магнетизма в них являются спиновые магнитные моменты электронов.

      Самопроизвольно, при , намагничиваются лишь очень маленькие монокристаллы ферромагнитных материалов, например никеля или железа. Для того чтобы постоянным магнитом стал большой кусок железа, необходимо его намагнитить, т.е. поместить в сильное магнитное поле, а затем это поле убрать.

Оказывается, что при  большой исходный кусок железа разбит на множество очень маленьких ( ), полностью намагниченных областей – доменов. Векторы намагниченности доменов в отсутствие внешнего магнитного поля ориентированы таким образом, что полный магнитный момент ферромагнитного материала равен нулю.

Если бы в отсутствие поля кристалл железа был бы единым доменом, то это привело бы к возникновению значительного внешнего магнитного поля, содержащего значительную энергию (рис. 6.11, a). Разбиваясь на домены, ферромагнитный кристалл уменьшает энергию магнитного поля. При этом, разбиваясь на косоугольные области (рис. 6.

11, г), можно легко получить состояние ферромагнитного кристалла, из которого магнитное поле вообще не выходит. В целом в монокристалле реализуется такое разбиение на доменные структуры, которое соответствует минимуму свободной энергии ферромагнетика.

Если поместить ферромагнетик, разбитый на домены, во внешнее магнитное поле, то в нем начинается движение доменных стенок. Они перемещаются таким образом, чтобы областей с ориентацией вектора намагниченности по полю стало больше, чем областей с противоположной ориентацией (рис. 6.11, б, в, г).

Такое движение доменных стенок понижает энергию ферромагнетика во внешнем магнитном поле. По мере нарастания магнитного поля весь кристалл превращается в один большой домен с магнитным моментом, ориентированным по полю (рис. 6.11, а).

Рис. 6.11

      Ферромагнитные материалы играют огромную роль в самых различных областях современной техники. Магнитомягкие материалы используются в электротехнике при изготовлении трансформаторов, электромоторов, генераторов, в слаботочной технике связи и радиотехнике; магнитожесткие материалы применяют при изготовлении постоянных магнитов.

      Широкое распространение в радиотехнике, особенно в высокочастотной радиотехнике, получили ферриты ( ) сочетающие ферромагнитные и полупроводниковые свойства.

      Магнитные материалы широко используются в традиционной технологии записи информации в винчестере (рис. 6.12).

Рис. 6.12                                                       Рис. 6.13

      Магнитное вещество 2 (рис. 6.13) нанесено тонким слоем на основу твердого диска 3. Каждый бит информации представлен группой магнитных доменов (в идеальном случае – одним доменом).

Для перемагничивания домена (изменения направления вектора его намагниченности) используется поле записывающей головки 4 (5 – считывающая головка). Наличие дополнительных стабилизирующих слоев, препятствует самопроизвольной потере информации.

Записью на вертикально ориентированные домены достигается плотность до 450 Гбайт/см2.

         Рис. 6.14                                                   Рис. 6.15

На рисунке 6.14 изображены первые магнитные диски созданные в 1955 г, имевшие название IBM 350 Disk File, с обьемом 5 Мб и размером 24 дюймов.

      В 1971 г. было произведено первое применение IBM3330 магнитного диска, созданного в 1957 г. с использованием магнитной головки и слота (рис. 6.15).

Источник: http://ens.tpu.ru/posobie_fis_kusn/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%B7%D0%BC/06-5.htm

48. Ферромагнетики и их свойства. Магнитный гистерезис. Домены. Применение ферромагнетиков

Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Применение ферромагнетиков

Ферромагнетики —вещества (как правило, в твёрдомкристаллическом или аморфном состоянии),в которых ниже определённойкритической температуры (точкиКюри)устанавливается дальний ферромагнитныйпорядок магнитных моментов атомов или ионов (внеметаллических кристаллах) или моментовколлективизированных электронов (вметаллических кристаллах). Иными словами,ферромагнетик — такое вещество,которое, при температуре ниже точкиКюри, способно обладать намагниченностьюв отсутствие внешнего магнитного поля.Последние исследования в области физикипоказали, что некоторые ферромагнетики,при создании определенных условий,могут приобретать парамагнетическиесвойствапри температурах, которые существенновыше точки Кюри. Поэтому ферромагнетики,наряду со многими другими магнетическимивеществами, остаются, как оказалось,плохо изученными веществами до сих пор.

Ферромагнетикиимеют наибольшее практическое применение,хотя их и не так много в природе. Железныйили стальной сердечник в катушке вомного раз усиливает создаваемое этойкатушкой поле, не увеличивая силу токав катушке. Это экономит электроэнергию.Сердечники трансформаторов, генераторов,электродвигателей и других устройствизготавливают из ферромагнетиков.

Привыключении внешнего магнитного поляферромагнетик остаётся намагниченным,то есть создаёт магнитное поле вокружающем его пространстве. Упорядоченнаяориентация элементарных токов неисчезает при выключении внешнегомагнитного поля. Благодаря этомусуществуют постоянные магниты.

Постоянныемагниты находят широкое применение вэлектроизмерительных приборах,громкоговорителях, телефонах, вустройствах звукозаписи, магнитныхкомпасах и т.д. Большое распространениеполучили ферриты – ферромагнитныематериалы, не проводящие электрическоготока. Они представляют собой химическиесоединения оксидов железа с оксидамидругих веществ.

Первый из известныхчеловеку ферромагнитных материалов -магнитный железняк – является феррито

Магнитныйгистерезис —явление зависимости векторанамагничивания ивектора напряженностимагнитного поля ввеществе не только от приложенноговнешнего поля, но и от предысторииданного образца. Магнитный гистерезисобычно проявляется вферромагнетиках — Fe, Co, Ni исплавах на их основе. Именно магнитнымгистерезисом объясняетсясуществованиепостоянныхмагнитов.

Явлениемагнитного гистерезиса наблюдается нетолько при изменении поля H повеличине и знаку, но также и при еговращении (гистерезис магнитноговращения), что соответствует отставанию(задержке) в изменении направления M сизменением направления H.Гистерезис магнитного вращения возникаеттакже при вращении образца относительнофиксированного направления H.

Домен —макроскопическая область в магнитномкристалле, в которой ориентация вектораспонтанной однороднойнамагниченности[1] или вектораантиферромагнетизма[2] (при температуре ниже точкиКюри или Нееля соответственно)определенным образом повернута илисдвинута относительно направленийсоответствующего вектора в соседнихдоменах. Домены существуютв ферро- и антиферромагнитных, сегнетоэлектрических кристаллах идругих веществах, обладающихспонтанным дальнимпорядком.

Помиморассмотренных двух классов веществ —диа- и парамагнетиков,называемых слабомагнитными веществами,существуют еще сильномагнитныевещества — ферромагнетики —вещества, обладающие спонтаннойнамагниченностью, т.

е. они намагниче­ныдаже при отсутствии внешнего магнитногополя. К ферромагнетикам кроме основ­ногоих представителя — железа (от него иидет название «ферромагнетизм») —относятся, например, кобальт, никель,гадолиний, их сплавы и соединения.

Ферромагнетикипомимо способности сильно намагничиватьсяобладают еще и другими свойствами,существенно отличающими их от диа- ипарамагнетиков. Если для слабомагнитныхвеществ зависимость J от Н линейна(см. (133.6) и рис. 192), то для ферромагнетиковэта зависимость, впервые изученная в1878 г.

методом баллистического гальванометрадля железа русским физиком А.Г. Столетовым(1839—1896), является довольно сложной. Помере возрастания Ннамагниченность J сначаларастет быстро, затем медленнее и, наконец,достигается так называемоемагнитноенасыщениеJнас,уже не зависящее от напряженности поля.

Подобный характер зависимости J от Н можнообъяснить тем, что по мере увеличениянамагничивающего поля увеличивает­сястепень ориентации молекулярныхмагнитных моментов по полю, однако этотпроцесс начнет замедляться, когдаостается все меньше и меньшенеориентированных моментов, и, наконец,когда все моменты будут ориентированыпо полю, дальнейшее увеличение J прекращаетсяи наступает магнитное насыщение.

Магнитнаяиндукция B0 (H+J)(см. (133.4)) в слабых полях растет быстрос ростом H вследствиеувеличения J, ав сильных полях, поскольку второеслагаемое постоянно (J=Jнас), В растетс увеличением Н полинейному закону (рис. 193).

Существеннаяособенность ферромагнетиков — не толькобольшие значения  (на­пример,для железа — 5000, для сплава супермаллоя— 800 000!), но и зависимость  от Н (рис.194).

Вначале  растетс увеличением Н, затем,достигая максимума, начинает уменьшаться,стремясь в случае сильных полей к 1(=B/(0H)= 1 +J/H, поэтомупри J=Jнас =const сростом Н отношение J/H 0, 1).

Характернаяособенность ферромагнетиков состоиттакже в том, что для них зависимость J от H (аследовательно, и В от Н)определяется предысторией намагниченияферромагнетика. Это явление получилоназвание магнитногогистерезиса.

Если намагнитить ферромагнетик донасыщения (точка 1,рис. 195), а затем начать уменьшатьнапряженность Н намагничивающегополя, то, как показывает опыт,уменьшение J описываетсякривой 1—2, лежащейвыше кривой 1—0. При Н=0J отличаетсяот нуля, т. е.

в ферромагнетикенаблюдается остаточноенамагничение Jос.С наличием остаточного намагничениясвязано существованиепостоянныхмагнитов. Намагничениеобращается в нуль под действиемполя Нс, имеющегонаправление, противоположное полю,вызвавшему намагничение.

Напряженность Нсназывается коэрцитивнойсилой.

Придальнейшем увеличении противоположногополя ферромагнетик перемагничивается(кривая 3—4), ипри Н= –Hнас достигаетсянасыщение (точка 4).Затем фер­ромагнетик можно опятьразмагнитить (кривая 4—5—6)и вновь перемагнитить до насыщения(кривая 67).

Такимобразом, при действии на ферромагнетикпеременного магнитного полянамагниченность J изменяетсяв соответствии с кривой 1234—5—6—1,котораяназываетсяпетлейгистерезиса (отгреч. «запаздывание»). Гистерезисприводит к тому, что намагничениеферромагнетика не является однозначнойфункцией Н, т.е.одному и тому же значению Н соответствуетнесколько значений J.

Различныеферромагнетики дают разные гистерезисныепетли. Ферромагнетики с малой (в пределахот нескольких тысячных до 1—2 А/см)коэрцитивной силойНс(сузкой петлей гистерезиса) называются мягкими,с большой (от нескольких десятков донескольких тысяч ампер на сантиметр)коэрцитивной силой (с широкой петлейгистерезиса) — жесткими.

Величины Нс,Jос и max определяютприменимость фер­ромагнетиков длятех или иных практических целей. Taк,жесткие ферромагнетики (например,углеродистые и вольфрамовые стали)применяются для изготовления постоянныхмагнитов, а мягкие (например, мягкоежелезо, сплав железа с никелем) — дляизготовления сердечников трансформаторов.

Ферромагнетикиобладают еще одной существеннойособенностью: для каждого ферромагнетикаимеется определенная температура,называемая точкойКюри,при которой он теряет свои магнитныесвойства.

При нагревании образца вышеточки Кюри ферромагнетик превращаетсяв обычный парамагнетик. Переход веществаиз ферромагнитного состояния впарамагнитное, происходящий в точкеКюри, не сопровождается поглощениемили выделением теплоты, т.е.

в точке Кюрипроисходит фазовый переход II рода.

Наконец,процесс намагничения ферромагнетиковсопровождается изменением его линейныхразмеров и объема. Это явление получилоназваниемагнитострикции.Величина и знак эффекта зависят отнапряженности Н намагничивающегополя, от природы ферромагнетика иориентации кристаллографических осейпо отношению к полю.

Источник: https://studfile.net/preview/5443504/page:28/

Ферромагнетики и доменная структура

Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Применение ферромагнетиков

В статье ниже рассмотрим такой вид магнетиков как ферромагнетики. Разберём их основные свойства и доменную структуру.

Определение 1

Ферромагнетики – это особый класс магнетиков, способных обладать намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля (спонтанная намагниченность).

Основные свойства ферромагнетиков

Отметим, что ферромагнетизм присущ веществам лишь в кристаллическом состоянии. Самыми известными примерами ферромагнетиков являются: железо, кобальт, соединения хрома и другие.

Ферромагнетики относятся к сильномагнитным веществам, при этом их намагниченность находится в зависимости от напряженности внешнего поля нелинейно и достигает насыщения.

Учитывая сказанное, магнитная восприимчивость (χ) и магнитная проницаемость (μ) для ферромагнетиков непостоянны. Так же имеет место запись:

J→=χH→ и B→=μμ0H→,

но при этом μ и χ рассматриваются как функции от напряженности поля. С ростом напряжённости поля данные функции также получают рост, проходят через максимум, а в сильном поле (при достижении насыщения) μ стремится к единице, а χ – к нулю. Значение μ в максимуме достигает сотни тысяч единиц для большинства ферромагнетиков в условиях обычной температуры.

Монокристаллы ферромагнетиков являются анизотропными по отношению к магнитным свойствам. Каждый монокристалл содержит одно или несколько направлений, вдоль которых магнитная восприимчивость особо значима. Также имеются направления, в которых кристалл плохо намагничивается. Заметим, что, если вещество, являющееся ферромагнетиком, состоит малых поликристаллов, то оно является изотропным.

Рассмотрим еще одну отличительную черту ферромагнетиков: зависимости B→H→и J→H→ являются неоднозначными, определенными предшествующей историей – для ферромагнетиков характерен магнитный гистерезис.

Определение 2

Для рассматриваемого класса магнетиков имеет место определенная температура, при которой вещество осуществляет фазовый переход второго рода. Такая температура носит название температуры Кюри (Tk) или иначе: точки Кюри.

Когда значение температуры ниже точки Кюри, вещество проявляется как ферромагнетик; когда температура становится выше точки Кюри, вещество приобретает свойства парамагнетика. Вокруг точки Кюри магнитная восприимчивость ϰ отвечает закону Кюри-Вейса:

χ=CT-Tk.

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.

Границы доменов

Резюмируя вышесказанное: чтобы минимизировать энергию магнитного поля, оптимально создать условия для уменьшения размера домена.

При этом имеется препятствие, выраженное неизбежностью энергетических затрат на образование границ между доменами, поскольку намагниченность по разные стороны границы обладает разной направленностью.

Граница имеет определенную толщину, в ее пределах намагниченность постепенно изменяет свое направление от ориентации в одном домене к ориентации в соседнем.

Стенки доменов имеют классификацию по особенностям поворота вектора намагниченности:

  • когда перпендикулярная (относительно стенки) составляющая вектора намагниченности в процессе поворота неизменна, то речь идет о стенке Блоха (в стенке Блоха вращение происходит в плоскости, параллельной стенке);
  • когда изменение направления вектора намагниченности происходит с изменением перпендикулярной составляющей, речь идет о стенке Нееля.

Пример 1

Рисунок 1 демонстрирует идеализированные структуры доменов в монокристалле. При помощи стрелок обозначены направления намагниченности.

Рисунок 1

Пример 2

Необходимо определить, какое свойство дает возможность использовать ферромагнетики для создания сильных полей.

Решение

Поскольку зависимость B→H→является нелинейной, магнитная проницаемость μ=B→μ0H→ имеет зависимость от напряженности поля. Кривая зависимости µ(Н) получает рост совместно с увеличением поля от некоторого изначального значения до определенного µmax, после чего магнитная проницаемость снижается до единицы.

Указанная отличительная черта намагничивания ферромагнетиков объясняет эффективное использование этих материалов для создания сильных магнитных полей в области, далекой до насыщения. В сильных полях наступает насыщение, и применение ферромагнетиков практически бесполезно.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/magnitnoe-pole/ferromagnetiki-i-domennaja-struktura/

Свойства и применение ферромагнетиков

Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Применение ферромагнетиков

Рассмотрим основные области применения ферромагнетиков, а также особенности их классификации. Начнем с того, что ферромагнетиками называют твердые вещества, которые обладают при невысоких температурах неконтролируемой намагниченностью. Она меняется под воздействием деформации, магнитного поля, температурных колебаний.

Особенности ферромагнетиков

Какими отличительными характеристиками обладают ферромагнетики? Свойства и применение этих веществ объясняется особенностями внутреннего строения. Существует прямая зависимость между магнитными свойствами вещества и элементарными носителями магнетизма, в роли которых выступают электроны, движущиеся внутри атома.

Во время движения по круговым орбитам они создают элементарные токи и магнитные диполи, имеющие магнитный момент. Его направление определяется по правилу буравчика.

Магнитный момент тела является геометрической суммой всех частей. Помимо вращения по круговым орбитам, электроны также движутся вокруг собственных осей, создавая спиновые моменты.

Именно они выполняют важную функцию в процессе намагничивания ферромагнетиков.

Практическое применение ферромагнетиков связано с образованием в них самопроизвольных намагниченных областей, у которых параллельная ориентация спиновых моментов. Если ферромагнетик на располагается во внешнем поле, в таком случае отдельные магнитные моменты имеют разные направления, их сумма равна нулю и отсутствует свойство намагниченности.

Отличительные черты ферромагнетиков

Если парамагнетики связаны со свойствами отдельных молекул или атомов вещества, то ферромагнитные свойства можно объяснить спецификой кристаллического строения.

Например, в парообразном состоянии атомы железа незначительно диамагнитны, а в твердом состоянии этот металл является ферромагнетиком.

В результате лабораторных исследований была выявлена зависимость между температурой и ферромагнитными свойствами.

Например, в сплаве Гойслера, сходном по магнитным свойствам с железом, данного металла нет. При достижении точки Кюри (определенного значения температуры) ферромагнитные свойства исчезают.

Среди их отличительных характеристик можно выделить не только высокое значение магнитной проницаемости, но и связь между напряженностью поля и намагниченностью.

Взаимодействие магнитных моментов отдельных атомов ферромагнетика способствует созданию мощных внутренних магнитных полей, которые выстраиваются параллельно друг другу. Мощное внешнее поле приводит к изменению ориентации, что и приводит к усилению магнитных свойств.

Природа ферромагнетиков

Учеными была установлена спиновая природа ферромагнетизма. При распределении электронов по энергетическим слоям учитывается принцип запрета Паули. Суть его в том, что на каждом слое может находиться только их определенное количество. Результирующие значения орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов, располагающихся на заполненной полностью оболочке, равны нулю.

Химические элементы, имеющие ферромагнитные свойства (никель, кобальт, железо), являются переходными элементами таблицы Менделеева. В их атомах происходит нарушение алгоритма заполнения электронами оболочек. Сначала они попадают на верхний слой (s-орбиталь), и только после его полного заполнения электроны попадают на оболочку, расположенную ниже (d-орбиталь).

Масштабное применение ферромагнетиков, основным из которых является железо, объясняется изменением строения при попадании во внешнее магнитное поле.

Подобными свойствами могут обладать только те вещества, в атомах которых существуют внутренние недостроенные оболочки. Но и этого условия недостаточно для того, чтобы вести речь о ферромагнитных характеристиках.

Например, у хрома, марганца, платины также существуют недостроенные оболочки внутри атомов, но они являются парамагнетиками.

Возникновение самопроизвольной намагниченности объясняется особым квантовым действием, которое сложно пояснить с помощью классической физики.

Подразделение

Существует условное подразделение таких материалов на два типа: жесткие и мягкие ферромагнетики. Применение жестких материалов связано с изготовлением магнитных дисков, лент для хранения информации. Мягкие ферромагнетики незаменимы при создании электромагнитов, сердечников трансформаторов. Отличия между двумя видами объясняются особенностями химического строения данных веществ.

Особенности использования

Рассмотрим подробнее некоторые примеры применения ферромагнетиков в разнообразных отраслях современной техники. Магнитомягкие материалы применяют в электротехнике для создания электрических моторов, трансформаторов, генераторов. Кроме того, важно отметить применение ферромагнетиков такого типа в радиосвязи и слоботочной технике.

Жесткие виды нужны для создания постоянных магнитов. В случае выключения внешнего поля у ферромагнетиков сохраняются свойства, поскольку не исчезает ориентация элементарных токов.

Именно это свойство объясняет применение ферромагнетиков. Кратко можно сказать, что такие материалы являются основой современной техники.

Постоянные магниты нужны при создании электрических измерительных приборов, телефонов, громкоговорителей, магнитных компасов, звукозаписывающих аппаратов.

Ферриты

Рассматривая применение ферромагнетиков, необходимо особое внимание уделить ферритам. Они широко распространены в высокочастотной радиотехнике, поскольку сочетают свойства полупроводников и ферромагнетиков. Именно из ферритов в настоящее время изготавливают магнитные ленты и пленки, сердечники катушек индуктивности, диски. Ими являются оксиды железа, находящиеся в природе.

Интересные факты

Интерес представляет применение ферромагнетиков в электрических машинах, а также в технологии записи в винчестере. Современные исследования свидетельствуют о том, что при определенных температурах некоторые ферромагнетики могут приобретать парамагнетические характеристики. Именно поэтому эти вещества считаются плохо изученными и представляют для физиков особый интерес.

Стальной сердечник способен в несколько раз увеличить магнитное поле, не меняя при этом силу тока.

Применение ферромагнетиков позволяет существенно экономить электрическую энергию. Именно поэтому для сердечников генераторов, трансформаторов, электрических двигателей применяют материалы, обладающие ферромагнитными свойствами.

Магнитный гистерезис

Это явление зависимости напряженности магнитного поля и вектора намагниченности от внешнего поля. Проявляется данное свойство в ферромагнетиках, а также в сплавах, изготовленных из железа, никеля, кобальта. Подобное явление наблюдается не только в случае изменения поля по направлению и величине, но и в случае его вращения.

Проницаемость

Магнитной проницаемостью является физическая величина, которая показывает отношение индукции в определенной среде к показателю в вакууме. Если вещество создает свое магнитное поле, его считают намагниченным. Согласно гипотезе Ампера, величина свойств зависит от орбитального движения «свободных» электронов в атоме.

Петля гистерезиса представляет собой кривую зависимости изменения размера намагниченности ферромагнетика, расположенного во внешнем поле от изменения размера индукции. Для полного размагничивания используемого тела нужно поменять направление внешнего магнитного поля.

При определенной величине магнитной индукции, которую называют коэрцитивной силой, намагниченность образца принимает нулевое значение.

Именно форма петли гистерезиса и величина коэрцитивной силы определяют способность вещества сохранять частичное намагничивание, объясняют широкое применение ферромагнетиков.

Кратко области применения жестких ферромагнетиков, обладающих широкой петлей гистерезиса, описаны выше.

Вольфрамовые, углеродистые, алюминиевые, хромовые стали имеют большую коэрцитивную силу, поэтому на их основе создают постоянные магниты разнообразной формы: полосовые, подковообразные.

Среди мягких материалов, имеющих небольшую коэрцитивную силу, отметим железные руды, а также сплавы железа с никелем.

Процесс перемагничивания ферромагнетиков связан с изменением области самопроизвольного намагничивания. Для этого используется работа, которая совершается внешним полем. Количество теплоты, образующейся в этом случае, пропорционально площади петли гистерезиса.

Заключение

В настоящее время во всех отраслях техники активно применяют вещества, обладающие ферромагнитными свойствами. Помимо существенной экономии энергетических ресурсов, благодаря применению подобных веществ можно упрощать технологические процессы.

Например, вооружившись мощными постоянными магнитами, можно существенно упростить процесс создания транспортных средств. Мощные электромагниты, применяемые в настоящее время на отечественных и зарубежных автомобильных комбинатах, позволяют полностью автоматизировать самые трудоемкие технологические процессы, а также существенно ускорить процесс сборки новых транспортных средств.

В радиотехнике ферромагнетики позволяют получать приборы высочайшего качества и точности.

Ученым удалось создать одношаговую методику изготовления магнитных наночастиц, которые подходят для применения в медицине и электронике.

В результате многочисленных исследований, проводимых в лучших исследовательских лабораториях, удалось установить магнитные свойства наночастиц кобальта и железа, покрытых тонким слоем золота. Уже подтверждена их способность переносить антираковое лекарство или атомы радионуклидов в нужную часть организма человека, увеличивать контрастность изображений магнитного резонанса.

Кроме того, такие частицы можно использовать для модернизации устройств магнитной памяти, что станет новым шагом в создании инновационной медицинской техники.

Коллективу российских ученых удалось разработать и апробировать методику восстановления водных растворов хлоридов для получения комбинированных кобальто-железных наночастиц, подходящих для создания материалов с усовершенствованными магнитными характеристиками. Все исследования, проводимые учеными, направлены на повышение ферромагнитных свойств веществ, увеличение их процентного использования в производстве.

Источник: https://FB.ru/article/332149/svoystva-i-primenenie-ferromagnetikov

Vse-referaty
Добавить комментарий