Файл: Стручков В.В. Вопросы современной физики пособие для учителей.pdf

квантовой механике; она называется электронным магнетоном Бора1. Это, можно сказать, квант орбитального магнитного мо­ мента. Его числовое значение в системе СИ таково:

Учет квантования проекции магнитного момента согласно (8.50) привел к несущественным количественным уточнениям классиче­ ской теории парамагнетизма.

Для теории парамагнетизма важна величина проекции орби­ тального магнитного момента на направление внешнего магнит­ ного поля Lz. Как было указано в предыдущей главе 8, она опреде­ ляется правилом так называемого пространственного квантования вектора орбитального момента импульса:

Lz=/nft,

где in -— целое число, называемое магнитным квантовым числом. Квантовую теорию парамагнетизма разработал известный совре­ менный французский физик Леон Бриллюэн. Она существенно от­ личается от классической теории Ланжевена. Правда, при опреде­ ленных условиях, в согласии с принципом соответствия, квантовая теория дает практически те же результаты, что и классическая.

§ 4. ФЕРРОМАГНЕТИЗМ

Опытные данные

Ферромагнетики обладают целым рядом свойств, выделяющих их в особый класс магнетиков. В о - п е р в ы х , это очень сильные магнетики, причем они, как это ни странно, намагничиваются до насыщения даже в слабых магнитных полях. Большая намагничен­ ность ферромагнетиков обусловила их чрезвычайно широкое прак­ тическое применение..

В о - в т о р ы х , ферромагнетик при достаточно сильном нагре­ вании теряет свои ферромагнитные свойства и превращается в парамагнетик. Температура, при нагревании выше которой те­ ряется ферромагнетизм, называется ферромагнитной точкой Кюри.

373

Рис. 102.

вающего поля, то намагниченность ферромагнетиков изменяется не пропорционально напряженности поля, т. е. является нелинейной функцией напряженности намагничивающего поля. График, выра­ жающий зависимость намагниченности магнетика от напряженно­ сти внешнего намагничивающего поля, называется кривой намаг­ ничения. Общий вид (без соблюдения масштаба) кривых намаг­ ничения пара-, диа-и ферромагнетиков представлен на рисунке 102 соответственно прямыми ) и 2 и кривой 3. Для пара- и ферромаг­ нетиков намагниченность имеет тот же знак, что и напряженность внешнего поля; для диамагнетиков намагниченность и напряжен­ ность поля имеют противоположные знаки. Это потому, что пара- и ферромагнетики намагничиваются вдоль поля, а дпамагнетики — противоположно внешнему намагничивающему полю. Для более правильного представления о количественных соотношениях пря­ мые 1 и 2 следует представлять себе сильно «прижатыми» к оси абсцисс, причем прямую 2 — сильнее прямой 1. Область магнит­ ного насыщения ферромагнетика начинается со сравнительно не­ больших значений Я / различных для разных ферромагнетиков.

В - ч е т в е р т ы х , в ферромагнетиках наблюдается явление- магнитного гистерезиса, чуждое пара- и диамагнетнкам. Если взять предварительно размагниченный образец (это очень существенно,, так как поведение ферромагнетика сильно зависит от его «исто­ рии», от предыдущих состояний) и, постепенно увеличивая напря­ женность намагничивающего поля Я, намагнить его до насыщения, то мы получим кривую намагничения ОС (рис. 103). Она назы­ вается начальной кривой намагничения. Если теперь монотонно уменьшать напряженность поля Я, то уменьшение намагниченно­ сти, вопреки ожиданиям, не будет следовать кривой намагничения, т. е. не будет идти по кривой СО. Размагничивание будет проис­ ходить по кривой CD, идущей выше кривой ОС; уменьшение на-

374

магннченности отстает от уменьшения напряженности поля. Это обстоятельство и обусловило название явления «магнитный гисте­ резис», поскольку слово «гистерезис» в переводе с греческого озна­ чает «запаздывание, отставание». Гистерезис это свойство не только ферромагнетиков. Существует диэлектрический гистерезис у сегнетоэлектрнков, упругий гистерезис у всех твердых тел при до­ ведении их деформации до пластической. Следствием гистерезиса является то, что при Н = 0 (внешнее намагничивающее поле вы-

ключено) образец сохраняет намагниченность Р,п0; это так называе­ мая остаточная намагниченность. Остаточная намагниченность ши­ роко используется на практике: для получения постоянных магни­ тов, для записи звука и изображения соответственно на обычный и видеомагнитофон и для других целей.

Чтобы снять остаточную намагниченность (точка D на рисун­ ке 103), в образце следует создать внешнее поле Hk, противопо­ ложное направлению остаточной намагниченности. Напряженность поля, уничтожающая остаточную намагниченность, называется за­ держивающей, или коэрцитивной силой (латинское соегсШо — удерживание). Она характеризует «прочность» остаточной намаг­ ниченности. При дальнейшем увеличении напряженности поля фер­ ромагнетик будет намагничиваться вдоль поля, пока не намагни­ тится до насыщения (точка L). Отличие намагничивания по кри­ вой KL от намагничивания по ОС состоит в знаке, или направ­ лении намагниченности, в частности, в состояниях, соответствую­ щих С и L, образец намагничен до насыщения, но направления векторов намагниченности взаимно противоположны, как и направ­ ления намагничивающих полей. Если постепенно уменьшать на­ пряженность поля, то размагничивание будет происходить по кри­

375

ветственно, предельная петля гистерезиса. Она симметрична. Если образец первоначально намагнитить не до насыщения, то гисте­ резисный цикл будет характеризоваться петлями вида 1, 2, 3 и т. д. (рис. 104), в зависимости от величины максимальной намагничен­ ности. Отсюда становится понятным название «предельная петля гистерезиса» для кривой CDLDiC. При этом следует иметь в виду, что петли гистерезиса получаются в виде замкнутых симметричных кривых только в результате многократного повторения циклов на­ магничивания и перемагничивания между заданными максималь­ ными значениями намагничивающего поля.

Вершины, точнее, точки заострения, или точки возврата петель гистерезиса лежат на начальной кривой намагничения. Площадь, ограничиваемая петлей гистерезиса, пропорциональна работе, совер­ шающейся при перемагничивании единицы объема ферромагнетика в течение каждого гистерезисного цикла. Эта работа совершается за счет энергии источника тока, питающего электромагнит, создаю­ щий намагничивающее поле; она превращается во внутреннюю энергию ферромагнетика и вызывает нагрев образца. Эквивалент­ ное количество теплоты называют теплом гистерезиса. В электри­ ческих машинах переменного тока, например в трансформаторах и динамо-машинах, содержащих сердечники из ферромагнитных материалов, тепло гистерезиса является вредным фактором, умень­ шающим коэффициент полезного действия машины. Для уменьше­ ния гистерезисных потерь в машинах сердечники делают из ферро­ магнитных материалов, петля гистерезиса которых ограничивает возможно меньшую площадь. Вообще петля гистерезиса является очень важной характеристикой ферромагнетика. Поэтому в спра­ вочниках приводятся точные графики кривой первичного намагии-

376

чивания и петли гистерезиса различных ферромагнетиков, пред­ ставляющих научный или технический интерес. Иногда приводятся параметры наиболее характерных точек петли гистерезиса: намаг­ ниченность при насыщении, напряженность поля, при которой прак­ тически достигается насыщение, остаточная намагниченность, коэр­ цитивная сила, максимальная магнитная проницаемость, начальная магнитная проницаемость, т. е. проницаемость размагниченного образца.

Вещества с большой коэрцитивной силой имеют широкую петлю гистерезиса; они трудно размагничиваются и потому называются

магнитно-жесткими или магнитно-твердыми. Именно материалы с большой коэрцитивной силой и большим остаточным намагниче­ нием используются для изготовления постоянных магнитов.

Наоборот, вещества с малой коэрцитивной силой имеют узкую петлю гистерезиса; они легко перемагничиваются и называются поэтому магнитно-мягкими материалами. Именно такое требова­ ние — быть магнитно-мягким, податливым к перемагничиванию — предъявляется прежде всего к ферромагнитной ленте, являющейся звуконосителем при записи звука на магнитофон. Но именно это заставляет оберегать магнитофонную ленту от воздействия силь­ ных посторонних магнитных полей. Величина остаточной намагни­ ченности влияет на звуковую отдачу ленты, т. е. на максимальную неискаженную громкость при воспроизведении звука, записанного на магнитофонную ленту. Малая коэрцитивная сила и большая остаточная намагниченность — это простейшие требования, предъ­ являемые к магнитофонной ленте.

Из химических элементов к ферромагнетикам относятся, кроме •железа, давшего название всему классу сильных магнетиков, ни­ келя и кобальта, еще следующие лантаноиды: гадолиний, эрбий, диспрозий, гольмий, тулий и тербий. У гадолиния, как указывалось ранее, довольно низкая точка Кюри — всего 17° С. Другие редкие земли ферромагнитны при еще более низких температурах, точнее, при очень низких температурах. Кроме девяти названных элемен­ тов, ферромагнитных в твердом состоянии, ферромагнитными мо­ гут быть их сплавы как с ферромагнитными, так и с неферромаг­ нитными элементами. Больше того, ферромагнитными могут быть сплавы одних неферромагнитных элементов; они называются гейслеровыми сплавами, по названию известного сплава Гейслера (61% меди, 26% марганца, 13% алюминия).

Последнее обстоятельство, а также то, что ферромагнетик выше точки Кюри теряет ферромагнитные свойства, свидетельствует о том, что ферромагнетизм в отличие от диа- и парамагнетизма — это свойство, не присущее непосредственно атомам вещества, т. «. свойство не атомного уровня. Действительно, пары всех веществ, ферромагнитных в твердом состоянии ниже точки Кюри, парамаг­ нитны, хотя твердый ферромагнетик и газообразный парамагне­ тик, например железо, состоят из одинаковых атомов. Это обстоя­ тельство долгое время затрудняло создание теории ферромагне­ тизма.

377

В заключение обзора общих свойств ферромагнетиков приво­ дим для справок таблицу некоторых количественных характери­ стик ферромагнетиков.

іВольфрамовая сталь

6% W, 0,7% С, 0,3% Мп,

Распространено заблуждение, что якобы остаточная намагни­ ченность стали во много раз больше, чем железа. Остаточные на­ магниченности стали и железа примерно одинаковы, существенно различны у них.коэрцитивные силы Ни-

П р и м е ч а н и е . Для перехода от эрстед и гаусс к единицам системы СИ необходимо иметь в виду следующие соотношения:

Природа ферромагнетизма

Основное свойство ферромагнетиков — сильно намагничиваться в слабых полях — объясняется следующим образом. Ненамагни­ ченный образец представляет собой совокупность областей само­ произвольной, или спонтанной, намагниченности — доменов (от