Феромагнетици и техните свойства

Освен диамагнетиците (diamagnets) и парамагнетиците (paramagnets), наречени още слабомагнитни вещества, съществуват и силномагнитни вещества – феромагнетици (ferromagnets). Феромагнетиците притежават спонтана намагнитеност M т.е. те са намагнитени дори когато липсва външно магнитно поле. Освен техният главен представител желязото към феромагнетиците се отнасят също кобалт, никел, гадолиний и техните сплави и съединения.

Освен способността силно да се намагнитват феромагнетиците притежават и други свойства, които съществено ги отличават от диа- и пара- магнетиците. Ако за слабомагнитните вещества зависимоста \vec{M}(magnetizing field, magnetic field, magnetic field strength, magnetic field intensity) от \vec{H}(magnetization) е линейна, за феромагнетиците тази зависимост, изучена за първи път за желязото от A. Столетов (1839-1896) е доста сложна (фиг.1).  С нарастването на H намагнитеността M отначало бързо нараства, след това расте по-бавно и накрая достига магнитно-насищане M_{HAC}, когато намагнитеността не зависи от интензитета на полето. Наблюдаваната зависимост M(H) е резултат от нарастването на степента на ориентация на магнитните моменти на молекулите по полето с неговото увеличаване. Тъй като броят на неоринтираните молекули постепенно намалява, този процес се забавя и накрая, когато всички магнитни моменти на молекулите вече са ориентирани по полето, нарастването на M представа и се достига магнитно насищане.

Фигура 1 M=f(H)

Магнитната индукция (magnetic flux density, magnetic induction) B = \mu_{o}(H+M)  расте бързо с нарастването на H поради нарастването на M в слаби полета, а в силни полета, тъй като втората компонента е постоянна (M=M_{HAC}), B расте при нарастване на H по линеен закон (фиг. 2).

 Фигура 2 B=f(H)

Съществена особеност на феромагнетиците е не само голямата стойност на μ (например за желязото μ=5000, a за сплавта супермалой μ=800000), но и видът на зависимостта на μ от H (фиг. 3). Първоначално μ расте с нарастването на H, достига максимум и започва да намалява. При силни полета μ клони към единица (\mu_{r}=\frac{B}{\mu_{o}H}=1+\frac{M}{H}), поради което при M=M_{HAC}=const с нарастване на H отношението  \frac{M}{H} \rightarrow 1, a \mu \rightarrow 1.

Фигура 3 \mu=f(H)}

Характерна особеност на феромагнетиците е, че видът на зависимостта на M от H (а следователно на B от H) се определя от предисторията на намагнитването на феромагнетика.  Това явление е получило наименованието магнитен хистерезис. Ако феромагнетикът се намагнити до насищане (точка 1, фиг. 4, Saturation), а след това се намали интензитетът на магнитното поле H, както показва опитът, намалявенето на M се описва с кривата 1-2, разположена над кривата 1-0. При H=0 намагнитеността M е различна то нула т.е. във феромагнетика се наблюдава остатъчно намагнитване M_{OCT}. Остатъчното намагнитване е причина за съществуването на постоянни магнити. Под действието на поле H_{C}, насочено противоположно на полето, предизвикало намагнитване, остатъчното намагнитване се анулира. Интензитетът H_{C} се нарича, коерцитивна сила (Coercivity).

При нарастване на стойностите на противоположното поле над H_{C} феромагнетикът се пренамагнитва (крива 3-4) и при H=-H_{HAC} се достига насищане (точка 4, Saturation in the opposite direction). След това феромагнетикът може отново да се размагнити (крива 4-5-6) и отново да се пренамагнити до насищане (крива 6-1).

Следователно при действие на променливо магнитно поле върху феромагнетика намагнитеността M се изменя по кривата 1-2-3-4-5-6-1, която се нарича хистерезисна крива (Hysterisis loop). Хистерезис е причина намагнитеността на феромагнетика да не е еднозначна функция на H т.е. на една и съща функция на H да съответстват няколко стойности на M.

Фигура 4 M=f(H)

Хистерезисните криви за различните феромагнетици са различни.

  • Mагнитно меки (soft ferromagnetic materials): Феромагнетиците с малка коерцитивна сила H_{C} (с тясна хистерезисна крива)
  • Mагнитно твърди (hard ferromagnetic materials): Феромагнетиците с голяма коерцитивна сила (широка хистерезисна крива).

Магнитно трвърди феромагнетици се употребяват за направа на постоянни магнити. Магнитно меките феромагнетици се употребяват за изготване на сърцевини на трасформатори.

Leave a Reply

Your email address will not be published.