Ферромагнетики и их свойства¶
Ферромагнетики — вещества и материалы, которые во внешнем магнитном поле способны намагничиваться до насыщения и сохранять остаточную намагниченность после снятия поля. Они относятся к классу магнитоупорядоченных сред: в них магнитные моменты атомов или ионов самопроизвольно выстраиваются параллельно друг другу в пределах отдельных областей — доменов. Именно ферромагнетики образуют основу постоянных магнитов, магнитных сердечников, носителей информации и множества электротехнических устройств.
¶Физическая природа явления
Ферромагнетизм имеет квантово-механическую природу. Его причина — так называемое обменное взаимодействие между электронами соседних атомов, которое при определённых условиях делает энергетически выгодной параллельную ориентацию спинов. Это взаимодействие в десятки и сотни раз сильнее обычного магнитного диполь-дипольного, поэтому упорядочение сохраняется вплоть до высокой температуры.
Ключевая характеристика — температура Кюри (точка Кюри): выше неё тепловое движение разрушает упорядочение, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. У железа температура Кюри около 770 °C, у кобальта — около 1130 °C, у никеля — около 358 °C.
¶Доменная структура
В реальном образце намагниченность не однородна. Вещество разбивается на домены — области размером от долей микрометра до миллиметров, в каждой из которых спины ориентированы согласованно, но направления в разных доменах различны. Такая структура минимизирует энергию размагничивающего поля.
При внесении во внешнее поле происходит смещение границ доменов и поворот магнитных моментов в направлении поля. Когда все домены ориентируются одинаково, достигается техническое насыщение намагниченности.
¶Классификация
Ферромагнетики делят по нескольким признакам.
По химической природе:
- переходные металлы — железо, кобальт, никель;
- редкоземельные металлы — гадолиний, тербий, диспрозий;
- сплавы и интерметаллиды — альнико, пермаллой, ферриты-шпинели (ферримагнетики);
- некоторые соединения урана и других элементов.
По магнитной жёсткости:
- магнитомягкие — легко намагничиваются и размагничиваются, применяются в трансформаторах и дросселях;
- магнитотвёрдые — сохраняют намагниченность, служат для постоянных магнитов.
По величине коэрцитивной силы, остаточной индукции и форме петли гистерезиса различают также материалы с прямоугольной и пологой петлёй.
¶Основные характеристики
| Параметр | Смысл |
|---|---|
| Магнитная проницаемость μ | во сколько раз материал усиливает поле |
| Коэрцитивная сила Hc | поле, размагничивающее образец |
| Остаточная индукция Br | индукция при нулевом внешнем поле |
| Температура Кюри | предел сохранения ферромагнетизма |
| Магнитострикция | изменение размеров при намагничивании |
Петля гистерезиса — график зависимости индукции от напряжённости поля — показывает потери на перемагничивание. Их площадь пропорциональна энергии, рассеиваемой в виде тепла за один цикл.
¶История изучения
Явление притяжения железа к природному магнетиту (магнетиту) известно с античности. В 1269 году Пётр Перегрин описал полюса магнита. В 1600 году Уильям Гильберт в трактате «О магните» доказал, что Земля сама является большим магнитом. В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил действие тока на магнитную стрелку, а Андре-Мари Ампер построил первую теорию магнетизма.
Понятие доменов ввёл в 1907 году Пьер-Эрнест Вейс. В 1928 году Вернер Гейзенберг объяснил ферромагнетизм через обменное взаимодействие. Советский физик Лев Ландау и его ученики развили теорию доменных границ и магнитной анизотропии; значительный вклад внесли также Яков Френкель и Сергей Вонсовский.
¶Применение
Ферромагнетики лежат в основе:
- электротехники — сердечники трансформаторов, генераторов, электродвигателей;
- постоянных магнитов — от бытовых защёлок до ускорителей и МРТ;
- магнитных носителей — жёстких дисков, магнитных лент;
- датчиков — герконов, магнитных головок, сенсоров Холла;
- СВЧ-техники — ферритовых вентилей и циркуляторов.
В России крупные исследования и производство магнитных материалов ведут институты Российской академии наук и предприятия металлургии, в частности в области электротехнических сталей и редкоземельных магнитов.
¶Значение
Ферромагнетизм — одно из немногих макроскопических квантовых явлений, напрямую используемых в технике. Без ферромагнетиков невозможно представить современную энергетику, связь, вычислительную технику и транспорт. Изучение их свойств остаётся активной областью физики конденсированного состояния.
Источники: учебники по физике твёрдого тела, курсы магнетизма, справочники по магнитным материалам.