Учебник для 10-11 классов

ФИЗИКА

§ 6.4. Основные свойства ферромагнетиков

• Хотя ферромагнитных тел в природе не так уж много, именно они имеют наибольшее практическое значение. Вставляя железный или стальной сердечник в катушку, можно во много раз увеличить создаваемое ею магнитное поле, не увеличивая силу тока в катушке.

Уже говорилось о том, что ферромагнетики намагничиваются по направлению поля и значение магнитной проницаемости μ у них может быть много больше единицы. Кроме того, ферромагнитные тела обладают остаточным магнетизмом, чего не наблюдается у парамагнитных и диамагнитных тел.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков непостоянна. Она зависит от магнитной индукции внешнего поля. Причем не только от значения магнитной индукции в данный момент времени, но и от «предыстории образца», т. е. от тех полей, которые действовали на вещество в предшествующие моменты времени. Подробнее на этом мы остановимся немного позднее.

Ферромагнетиками являются лишь некоторые твердые тела. Ферромагнетизм — это не свойство отдельных изолированных атомов железа и других веществ, а свойство образца в целом.

Точка Кюри

Все ферромагнетики при нагревании до определенной, характерной для каждого вещества температуры теряют свои ферромагнитные свойства и становятся парамагнетиками. Температура, при которой вещество теряет ферромагнитные свойства, называется температурой или точкой Кюри, по имени открывшего это явление французского ученого П. Кюри.

Обнаружить существование температуры Кюри очень просто. При нагревании постоянного магнита выше этой температуры он перестает притягивать железные предметы.

Температура Кюри для железа 770 °С, для никеля 365 °С, для кобальта 1000 °С. Существуют ферромагнитные сплавы с температурой Кюри меньше 100 °С. Они теряют ферромагнитные свойства в горячей воде.

При температуре Кюри наряду с магнитными меняются и некоторые другие свойства ферромагнетиков. В частности, меняется и теплоемкость. Даже не регистрируя магнитное состояние железа при повышении температуры, а наблюдая лишь за изменением его теплоемкости, можно прийти к заключению, что при температуре Кюри с железом происходит нечто существенное. При температуре Кюри переход ферромагнетика из одного состояния в другое (парамагнитное) идет без поглощения (или выделения) энергии. Такого рода переход без скачкообразного изменения энергии называют фазовым переходом второго рода.

Кривая намагничивания

Магнитное состояние ферромагнетика удобно характеризовать величиной, называемой намагниченностью. Если длинный однородный стержень поместить внутрь соленоида, то магнитная индукция внутри него станет равной В = μ₀. Разность между В и B₀ может служить мерой намагничивания материала. Намагниченность J равна:

или с учетом соотношения (6.1.1)

Зависимость J от B₀ сложная, так как μ для ферромагнетиков зависит от B₀. Графически зависимость J от B₀ выражает так называемая кривая намагничивания, которую можно найти экспериментально (см. § 6.1).

Из опыта получают следующее. Если железный образец не был предварительно намагничен, то J вначале растет с увеличением B₀ почти по линейному закону (рис. 6.7). Но далее, даже в сравнительно слабых полях, наступает насыщение: намагниченность остается неизменной, несмотря на рост B₀. Здесь сразу можно предположить, что при насыщеним все элементарные токи ориентированы полностью по полю, так что с дальнейшим ростом B₀ созданное ими поле уже не может измениться. Так и есть на самом деле.

Рис. 6.7

Для каждого ферромагнетика характерна своя индивидуальная кривая намагничивания.

Магнитный гистерезис

В действительности зависимость J от B₀ еще сложнее, чем показано на рисунке 6.7. Дело в том, что эта зависимость не однозначна. Намагниченность зависит не только от значения индукции в данный момент, но и от того, какой она была в предыдущие моменты времени. Кривая, изображенная на рисунке 6.7, получается лишь в том случае, если образец первоначально не был намагничен. При уменьшении индукции намагничивающего поля после достижения насыщения намагниченность J уменьшается медленнее, чем происходил ее рост. Это явление называют магнитным гистерезисом*.

Общий характер зависимости J от В₀ изображен на рисунке 6.8. Участок Оа представляет собой кривую намагничивания, подобную представленной на рисунке 6.7. В точке а достигается насыщение. При уменьшении B₀ до нуля намагниченность уменьшается в соответствии с участком кривой аb. При B₀ = 0 намагниченность отлична от нуля. Ее значение J_k = Ob представляет собой остаточную намагниченность. Образец создает магнитное поле без внешнего намагничивающего поля. Он является, следовательно, постоянным магнитом.

Рис. 6.8

При увеличении магнитной индукции B₀, направленной уже в противоположную сторону, намагниченность уменьшается и лишь при В_0c = Ос становится равной нулю. Значение индукции B_0c называют коэрцитивной (задерживающей) силой. Это та магнитная индукция, которую нужно создать для размагничивания образца. В точке а' образец опять намагничен до насыщения, но в обратном направлении. Уменьшая индукцию магнитного поля до нуля и опять увеличивая ее до достижения состояния насыщения (точка а), получают замкнутую симметричную относительно точки О кривую, называемую петлей гистерезиса.

Первые детальные исследования намагничивания ферромагнитных материалов были выполнены выдающимся русским ученым А. Г. Столетовым (1839—1896). А. Г. Столетов впервые применил метод намагничивания замкнутого железного кольца током, текущим по проводам, намотанным на кольцо.

Магнитные материалы

Различные ферромагнитные материалы имеют разные формы петли гистерезиса. Форма петли служит важнейшей магнитной характеристикой материала.

Различают магнитно-мягкие и магнитно-жесткие материалы. У магнитно-мягких материалов площадь петли мала (рис. 6.9), а у магнитно-жестких — велика (рис. 6.10).

Рис. 6.9 и 6.10

К магнитно-мягким материалам относится отожженное и затем медленно охлажденное железо, некоторые сорта стали, сплав железа с никелем (70% Ni и 30% Fe), называемый пермаллоем, и др. Особенно узкой является петля гистерезиса у пермаллоя. У магнитно-мягких материалов мала коэрцитивная сила и остаточная намагниченность.

Железо и особые сорта стали (трансформаторная сталь) применяются для изготовления сердечников трансформаторов, генераторов, электродвигателей и т. д. По условиям работы сердечники этих устройств все время перемагничиваются в переменных магнитных полях. Перемагничивание требует совершения работы, пропорциональной по модулю площади петли гистерезиса. (Эта работа не связана с выделением тепла токами Фуко.) Поэтому в магнитно-мягких материалах энергетические потери меньше, чем в твердых.

К магнитно-жестким материалам с широкой петлей гистерезиса относятся некоторые сорта стали и многие сплавы. У этих ферромагнетиков велика остаточная намагниченность и коэрцитивная сила. Они применяются для изготовления постоянных магнитов.

Особенно широкую петлю гистерезиса имеет сплав альни-ко-5. Этот сплав обладает уникальными магнитными свойствами. Остаточная намагниченность достигает 1,25 Тл. Для сравнения отметим, что максимальная индукция магнитного поля Земли 7 • 10^-5 Тл. Этот сплав содержит пять компонентов в строго определенном количественном составе: 51% Fe, 8% Аl, 14% Ni, 24% Со, 3% Сu. Нетрудно представить, какие большие усилия пришлось затратить для выбора этих компонентов и поисков количественного соотношения между ними. Создать хороший постоянный магнит оказалось трудной задачей.

Постоянные магниты находят широкое применение в электроизмерительных приборах, громкоговорителях и телефонах, звукозаписывающих аппаратах, магнитных компасах и т. д.

Ферриты

Существуют ферромагнитные материалы, не проводящие электрического тока, — ферриты. Они представляют собой химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ. Первый из известных людям ферромагнитных материалов — магнитный железняк — является ферритом. О практическом использовании ферритов будет рассказано в дальнейшем.

* От греч. hysteresis — отставание.