Какие свойства проявляет ферромагнетик при его нагревании выше точки кюри
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.
существуют сильномагнитные вещества — ферромагнетики — вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т. е. они намагничены даже при отсутствии внешнего магнитного поля. К ферромагнетикам кроме основного их представителя — железа (от него и идет название «ферромагнетизм») — относятся, например, кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения.
Ферромагнетики помимо способности сильно намагничиваться обладают еще и другими свойствами, существенно отличающими их от диа- и парамагнетиков. Если для слабомагнитных веществ зависимость J от Н линейна, то для ферромагнетиков эта зависимость, является довольно сложной. По мере возрастания Н намагниченность J сначала растет быстро, затем медленнее и, наконец, достигается так называемоемагнитное насыщениеJнас, уже не зависящее от напряженности поля. Подобный характер зависимости J от Н можно объяснить тем, что по мере увеличения намагничивающего поля увеличивается степень ориентации молекулярных магнитных моментов по полю, однако этот процесс начнет замедляться, когда остается все меньше и меньше неориентированных моментов, и, наконец, когда все моменты будут ориентированы по полю, дальнейшее увеличение J прекращается и наступает магнитное насыщение.
Магнитная индукция B= m0 (H+J) в слабых полях растет быстро с ростом H вследствие увеличения J, а в сильных полях, поскольку второе слагаемое постоянно (J=Jнас), В растет с увеличением Н по линейному закону.
Существенная особенность ферромагнетиков — не только большие значения m (например, для железа — 5000, для сплава супермаллоя — 800 000!), но и зависимость m от Н . Вначале m растет с увеличением Н, затем, достигая максимума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к 1 (m = B/(mH) = 1 + J/H, поэтому при J = Jнас = const с ростом Н отношение J/H ® 0, m ®1).
Характерная особенность ферромагнетиков состоит также в том, что для них зависимость J от H (а следовательно, и В от Н) определяется предысторией намагничения ферромагнетика. Это явление получило название магнитного гистерезиса. Если намагнитить ферромагнетик до насыщения, а затем начать уменьшать напряженность Н намагничивающего поля, то, как показывает опыт, уменьшение J. При Н = 0 J отличается от нуля, т. е. в ферромагнетике наблюдается остаточное намагничение Jос. С наличием остаточного намагничения связано существованиепостоянных магнитов. Намагничение обращается в нуль под действием поля Нс, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничение. Напряженность Нс называется коэрцитивной силой.
При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается, и при Н = –Hнас достигается насыщение. Затем ферромагнетик можно опять размагнитить и вновь перемагнитить до насыщения
Таким образом, при действии на ферромагнетик переменного магнитного поля намагниченность J изменяется в соответствии с кривой, которая называетсяпетлей гистерезиса (от греч. «запаздывание»). Гистерезис приводит к тому, что намагничение ферромагнетика не является однозначной функцией Н, т.е. одному и тому же значению Н соответствует несколько значений J.
Различные ферромагнетики дают разные гистерезисные петли. Ферромагнетики с малой (в пределах от нескольких тысячных до 1—2 А/см) коэрцитивной силой Нс (с узкой петлей гистерезиса) называются мягкими, с большой (от нескольких десятков до нескольких тысяч ампер на сантиметр) коэрцитивной силой (с широкой петлей гистерезиса) — жесткими. Величины Нс, Jос и mmax определяют применимость ферромагнетиков для тех или иных практических целей. Taк, жесткие ферромагнетики (например, углеродистые и вольфрамовые стали) применяются для изготовления постоянных магнитов, а мягкие (например, мягкое железо, сплав железа с никелем) — для изготовления сердечников трансформаторов.
Ферромагнетики обладают еще одной существенной особенностью: для каждого ферромагнетика имеется определенная температура, называемая точкой Кюри, при которой он теряет свои магнитные свойства. При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. Переход вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное, происходящий в точке Кюри, не сопровождается поглощением или выделением теплоты, т.е. в точке Кюри происходит фазовый переход II рода (см. § 75).
Наконец, процесс намагничения ферромагнетиков сопровождается изменением его линейных размеров и объема. Это явление получило название магнитострикции
Природа ферромагнетизма
Рассматривая магнитные свойства ферромагнетиков, мы не вскрывали физическую природу этого явления.
Согласно представлениям Вейсса, ферромагнетики при температурах ниже точки Кюри обладают спонтанной намагниченностью независимо от наличия внешнего намагничивающего поля. Спонтанное намагничение, однако, находится в кажущемся противоречии с тем, что многие ферромагнитные материалы даже при температурах ниже точки Кюри не намагничены. Для устранения этого противоречия Вейсс ввел гипотезу, согласно которой ферромагнетик ниже точки Кюри разбивается на большое число малых макроскопических областей — доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения.
При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотически и компенсируют друг друга, поэтому результирующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю и ферромагнетик не намагничен. Внешнее магнитное поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов, как это имеет место в случае парамагнетиков, а целых областей спонтанной намагниченности. Поэтому с ростом Н намагниченность J и магнитная индукции В уже в довольно слабых полях растут очень быстро. Этим объясняется также увеличение m ферромагнетиков до максимального значения в слабых полях. Эксперименты показали, что зависимость B от H не является такой плавной, а имеет ступенчатый вид. Это свидетельствует о том, что внутри ферромагнетика домены поворачиваются по полю скачком.
При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ферромагнетики сохраняют остаточное намагничение, так как тепловое движение не в состоянии быстро дезориентировать магнитные моменты столь крупных образований, какими являются домены. Поэтому и наблюдается явление магнитного гистерезиса. Для того чтобы ферромагнетик размагнитить, необходимо приложить коэрцитивную силу; размагничиванию способствуют также встряхивание и нагревание ферромагнетика. Точка Кюри оказывается той температурой, выше которой происходит разрушение доменной структуры.
Существование доменов в ферромагнетиках доказано экспериментально. Прямым экспериментальным методом их наблюдения является метод порошковых фигур. На тщательно отполированную поверхность ферромагнетика наносится водная суспензия мелкого ферромагнитного порошка (например, магнетита). Частицы оседают преимущественно в местах максимальной неоднородности магнитного поля, т. е. на границах между доменами. Поэтому осевший порошок очерчивает границы доменов и подобную картину можно сфотографировать под микроскопом. Линейные размеры доменов оказались равными 10–4 — 10–2 см.
В настоящее время установлено, что магнитные свойства ферромагнетиков определяются спиновыми магнитными моментами электронов (прямым экспериментальным указанием этого служит опыт Эйнштейна. Установлено также, что ферромагнитными свойствами могут обладать только кристаллические вещества, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки с нескомпенсированными спинами. В подобных кристаллах могут возникать силы, которые вынуждают спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно друг другу, что и приводит к возникновению областей спонтанного намагничения. Эти силы, называемые обменными силами, имеют квантовую природу — они обусловлены волновыми свойствами электронов.
Дата добавления: 2017-02-25; просмотров: 2063 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов
Читайте также:
Рекомендуемый контект:
Поиск на сайте:
© 2015-2020 lektsii.org — Контакты — Последнее добавление
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 7 апреля 2018;
проверки требуют 8 правок.
Ферромагнетик — упорядочивание магнитных моментов.
Ферромагне́тики — вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Иными словами, ферромагнетик — такое вещество, которое (при температуре ниже точки Кюри) способно обладать намагниченностью в отсутствии внешнего магнитного поля.
Свойства ферромагнетиков[править | править код]
- Магнитная восприимчивость ферромагнетиков положительна и значительно больше единицы.
- При не слишком высоких температурах ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий.
- Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса.
- Ферромагнетики притягиваются магнитом.
Представители ферромагнетиков[править | править код]
Среди химических элементов[править | править код]
Среди химических элементов ферромагнитными свойствами обладают переходные элементы Fe, Со и Ni (3d-металлы) и редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Ho, Er (см. Таблицу 1).
Таблица 1. — Ферромагнитные металлы
|
|
Js0 — величина намагниченности единицы объёма при абсолютном нуле температуры, называемая спонтанной намагниченностью. Tc — точка Кюри (критическая температура, выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком).
Для 3d-металлов и для гадолиния (Gd) характерна коллинеарная ферромагнитная атомная структура, а для остальных редкоземельных ферромагнетиков — неколлинеарная (спиральная и др.; см. Магнитная структура).
Среди соединений[править | править код]
Ферромагнитами также являются многочисленные металлические бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с другими неферромагнитными элементами, сплавы и соединения хрома (Cr) и марганца (Mn) с неферромагнитными элементами (так называемые гейслеровы сплавы), например, сплав Cu2MnAl, соединения ZrZn2 и ZrxM1−xZn2 (где М — это Ti, Y, Nb или Hf), Au4V, Sc3In и др. (Таблица 2), а также некоторые соединения металлов группы актиноидов (например, UH3).
| Соединение | Tc, К | Соединение | Tc, К |
|---|---|---|---|
| Fe3AI | 743 | TbN | 43 |
| Ni3Mn | 773 | DyN | 26 |
| FePd3 | 705 | EuO | 77 |
| MnPt3 | 350 | MnB | 578 |
| CrPt3 | 580 | ZrZn2 | 35 |
| ZnCMn3 | 353 | Au4V | 42—43 |
| AlCMn3 | 275 | Sc3ln | 5—6 |
Другие известные[править | править код]
Особую группу ферромагнетиков образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов (например, Fe или Со) в диамагнитной матрице Pd. В этих веществах атомные магнитные моменты распределены неупорядоченно (при наличии ферромагнитного порядка отсутствует атомный порядок). Ферромагнитный порядок обнаружен также в аморфных (метастабильных) металлических сплавах и соединениях, аморфных полупроводниках, в обычных органических и неорганических стёклах, халькогенидах (сульфидах, селенидах, теллуридах) и т. п. Число известных неметаллических ферромагнетиков пока невелико. Это, например, оксид хрома(IV) и ионные соединения типа La1−xCaxMnO3(0,4 > x > 0,2), EuO, Eu2SiO4, EuS, EuSe, EuI2, CrB3 и т. п. У большинства из них точка Кюри лежит ниже 1 К. Только у соединений Eu, халькогенидов, CrB3 значение Q составляет порядка 100 К.
См. также[править | править код]
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Хёрд К. М. Многообразие видов магнитного упорядочения в твёрдых телах
- Аннаев Р. Г. Магнето-электрические явления в ферромагнитных металлах. — Ашхабад, 1951.
- Тябликов С. В. Методы квантовой теории магнетизма. — 2-е изд. — М., 1975.
- Невзгодова Е. — Современная экспериментальная физика. — 3-е изд. — СПб., 2009.
Классически, все существующие материалы по своим магнитным свойствам делятся на несколько групп, связанных со структурным строением материала…
Классически, все существующие материалы по своим магнитным свойствам делятся на несколько групп, связанных со структурным строением материала, среди которых, в силу тематики настоящей статьи, следует выделить следующие:
— диамагнетики
— парамагнетики
— ферромагнетики
Эта классификация отражает поведение материала при воздействии на него внешним магнитным полем.
Диамагнетиками называют материалы, магнитная восприимчивость которых отрицательна, т.е. при попадании в магнитное поле, вектор намагниченности каждого атома диамагнетика направлен встречно вектору напряженности внешнего магнитного поля. Таким образом, в отсутствии магнитного поля такие материалы немагнитны, а при попадании во внешнее магнитное поле, диамагнетики ослабляют его. Магнитная проницаемость таких материалов меньше единицы.
Парамагнетиками называют слабомагнитные материалы, магнитная восприимчивость которых положительна, т.е. при попадании в магнитное поле, вектор намагниченности атомов парамагнетика сонаправлен с вектором напряженности внешнего магнитного поля. Однако ввиду слабовыраженных магнитных свойств, магнитная проницаемость таких материалов приблизительно равна единице. Таким образом, несмотря на сонаправленность вектора намагниченности, парамагнетики практически не оказывают влияния на внешнее магнитное поле, а в его отсутствии — немагнитны.
Ферромагнетиками называют материалы с выраженными магнитными свойствами, отличающиеся наличием доменной структуры, при которой каждый из доменов может имеет некоторую спонтанную намагниченность. Доменами называют объемные области материала, в которых направления спиновых магнитных моментов электронов атомов совпадают.
Такая структура позволяет ферромагнетикам сохранять намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля, а высокие значения магнитной проницаемости позволяют ферромагнетикам усиливать внешнее магнитное поле в десятки, сотни и даже тысячи раз. Такие материалы широко применяются при изготовлении постоянных магнитов, магнитопроводов трансформаторов, концентраторов магнитного потока и т.п.
Классическими представителями ферромагнетиков являются железо, кобальт, никель, а также сплавы на их основе и их оксиды.
Для ферромагнетиков характерно наличие гистерезиса, а также фазового перехода второго рода, связанного с изменением структуры кристаллической решетки материала. При этом переходе тепловой энергии движения узлов кристаллической решетки становится достаточно для дезориентации магнитных спиновых моментов электронов атомов, что приводит к утрате материалом ферромагнитных свойств.
Таким образом ферромагнетик становится парамагнетиком. Температура, при которой происходит данное магнитное превращение материала называется температурой Кюри или точкой Кюри. Значение этой температуры для материала варьируется в зависимости от типа и количества примесей. Для чистого железа эта температура составляет 1043K (770 OC).
На графике представлена зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от температуры. Несмотря на высокую крутизну характеристики в окрестности точки Кюри, магнитный материал не переходит точку Кюри скачкообразно: переход происходит постепенно, начиная с поверхности. При этом материал заготовки становится как бы двухслойным: слой парамагнетика поверх слоя ферромагнетика с достаточно резкой границей раздела сред. Это объясняется неравномерностью нагрева заготовки в поперечном сечении и сильно зависит от интенсивности проявления поверхностного эффекта.
Для индукционного нагрева этот переход имеет огромное значение, поскольку мощность нагрева заготовки непосредственно связана с магнитной проницаемостью материала согласно уравнению
Снижение магнитной проницаемости при нагреве материала выше точки Кюри приводит к следующим эффектам:
— снижается мощность нагрева
— увеличивается толщина скин-слоя
— повышается резонансная частота системы
— снижается КПД системы
Очевидно, что эти эффекты не способствуют повышению интенсивности индукционного нагрева, поэтому являются нежелательными. Борьба с ними – одна из основных задач при проектировании ТВЧ оборудования.
Тем не менее, практическое большинство процессов термообработки металлов на основе железа связаны с обработкой его γ-модификации, так же называемой аустенитом, устойчивой в температурном интервале 917 – 1394 OC, т.е. при температуре значительно выше точки Кюри.