Магнитные свойства конденсированных веществ, страница 7

2.5.4.3. Намагничение ферромагнетиков, магнитный гистерезис

Рассмотрим процесс намагничения ферромагнитного материала на примере монокристалла, в котором в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы так, что результирующий магнитный момент равен нулю (рис.2.5.9,а). Основной причиной возникновения значительного магнитного момента ферромагнитного материала является перестройка доменной структуры под действием внешнего поля. Процесс намагничения обычно подразделяют на четыре стадии. На стадии 1 легкого намагничения (рис.2.5.10, кривая 1) наблюдается обратимое смещение границ доменов, при этом происходит рост наиболее благоприятно ориентированных относительно внешнего поля доменов путем перемещения их границ в область других доменов (рис.2.5.10,б). Выключение ориентирующего поля приводит к восстановлению исходной равновесной структуры.

На стадии II, при средних значениях напряженности   подмагничивающего поля, процесс смещения границ удачно ориентированных доменов происходит скачкообразно и необратимо. Наблюдается эффект Баркгаузена скачкообразного поворота магнитных моментов доменов после преодоления стенкой Блоха очередного препятствия. В макроскопических образцах эти скачки  часто сопровождаются слышимыми звуковыми импульсами - щелчками.

К концу этой стадии ферромагнитный материал представляет собой один домен, магнитный момент которого  обычно несколько разориентирован относительно внешнего магнитного поля   (рис. 2.5.10,в).

Дальнейшее повышение напряженности  ориентирующего магнитного поля приводит к повороту вектора спонтанной намагниченности   и ориентации его по внешнему полю (стадия Ш). Намагниченность объема достигает при этом состояния, называемого в справочной литературе техническим насыщением.

Рис. 2.5.9. Схема процессов, происходящих в ферромагнетике в процессе его намагничения: а - в отсутствие внешнего поля силовые линии внутреннего магнитного поля доменов замкнуты; б - смещение границ и рост наиболее благоприятно ориентированных относительно внешнего поля доменов; в - вращение вектора намагниченности  в направлении к внешнему полю

Рис.2.5.10. Кривая намагничения (1) и петля  магнитного гистерезиса (2) при  перемагничивании (1 – обратимое  смещение границ доменов, П -  необратимое смещение стенок, Ш - процессы вращения, IV - парапроцесс подавления спиновых колебаний)

На IV стадии наблюдается парапроцесс - подавление сильным магнитным полем  разориентации отдельных спинов, связанной с тепловым движением в решетке при температуре выше 0К. Рост намагниченности с увеличением Н  на этой стадии уже незначителен.

Явление гистерезиса, наблюдающееся в процессе перемагничения ферромагнетика, обусловлено некоторыми необратимыми процессами, сопровождающими намагничение.

Даже монокристаллические материалы содержат множество объемных, планарных, линейных, точечных дефектов в виде областей повышенной упругой энергии, границ зерен и блоков, дислокаций, немагнитных включений, примесей, окруженных вакансиями и т.д. Эти дефекты могут оказывать заметное влияние на движение междоменных границ, повышая или понижая энергию стенок любого типа - Блоха или Нееля. Движение стенок во внешнем магнитном поле выглядит как преодоление потенциальных барьеров и потенциальных ям, в которых стенка может быть заторможена.

Снижение намагничивающего поля (кривая 2, рис.2.5.10) сопровождается разориентацией доменной структуры лишь частично. После полного снятия внешнего поля материал характеризуется остаточной намагниченностью В_r, величина которой у сплавов, применяемых для постоянных магнитов, и ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса, применяемых в элементах памяти ЭВМ, мало отличается от максимальной индукции B_max. Компенсация остаточной намагниченности требует воздействия магнитным полем противоположного направления, минимальная достаточная напряженность которого Н_c  называется коэрцитивной силой ферромагнетика.

Площадь петли гистерезиса характеризует   к о л и ч е с т в о      э н е р г и и, необходимое для перемагничивания единицы объема вещества. Материалы с петлей гистерезиса большой площади и почти прямоугольной формы называют магнитожесткими, их область применения - постоянные магниты. Сюда относятся металлические сплавы, содержащие редкоземельные элементы, сплавы железа с никелем, алюминием, медью, железокобальтовые и бариевые ферриты и другие. Материалы, предназначенные для изготовления сердечников катушек, трансформаторов, магнитных антенн, различных магнитопроводов электромашин должны быть магнитомягкими, т.е. обладать высокой магнитной проницаемостью, высокой индукцией насыщения B_max и остаточной индукцией B_r, но малой коэрцитивной силой H_c и малой площадью петли гистерезиса.

Такими свойствами обладают высокочистые электротехнические стали и сплавы, подвергаемые специальным видам термической  обработки и пластической деформации. Из ферритных материалов к магнитомягким относятся марганцево-цинковые, никель-цинковые, литий-цинковые и другие ферриты на основе  соответствующих окислов.         В класс магнитомягких материалов вошли аморфные сплавы на основе железа с добавлением металлоидов (В, Si, С), отличающиеся низкими потерями энергии при перемагничивании. Явление значительной магнитострикции, свойственное сплавам никеля, используется, в частности, в магнитострикционных вибраторах для получения ультразвуковых колебаний большой мощности.