Курс физики для вузов - часть 61

Различные ферромагнетики дают

разные гистерезисные петли. Ферро-

магнетики с малой (в пределах от не-

скольких тысячных до 1 — 2 А/см) ко-
эрцитивной силой

 (с узкой петлей

гистерезиса) называются мягкими, с
большой (от нескольких десятков ты-

сяч ампер на сантиметр) коэрцитивной
силой (с широкой петлей гистерези-

са) — жесткими. Величины

 и

 определяют применимость ферро-

магнетиков для тех или иных практи-
ческих целей. Так, жесткие ферромаг-
нетики (например, углеродистые и
вольфрамовые стали) применяются
для изготовления постоянных магни-
тов, а мягкие (например, мягкое желе-
зо, сплав железа с никелем) — для из-
готовления сердечников трансформа-
торов.

Ферромагнетики обладают еще од-

ной существенной особенностью: для
каждого ферромагнетика имеется опре-

деленная температура, называемая

точкой Кюри, при

 он теряет

свои магнитные свойства. При нагрева-
нии образца выше точки Кюри ферро-
магнетик превращается в обычный па-
рамагнетик. Переход вещества из фер-
ромагнитного состояния в парамагнит-

ное, происходящий в точке Кюри, не
сопровождается поглощением или вы-

делением теплоты, т.е. в точке Кюри

происходит фазовый переход II рода
(см. § 75).

Наконец, процесс намагничивания

ферромагнетиков сопровождается
изменением его линейных размеров
и объема. Это явление получило на-

звание

 (открыто

Д. Джоулем, 1842). Величина и знак эф-
фекта зависят от напряженности Я на-
магничивающего поля, от природы
ферромагнетика и ориентации кристал-
лографических осей по отношению к

§ 136. Природа ферромагнетизма

Рассматривая магнитные свойства

ферромагнетиков, мы не вскрывали фи-
зическую природу этого явления. Опи-
сательная теория ферромагнетизма
была разработана французским физи-
ком П. Вейссом (1865 — 1940). Последо-
вательная количественная теория на
основе квантовой механики развита
Я. И. Френкелем и немецким физиком
В. Гейзенбергом (1901 - 1976).

Согласно представлениям Вейсса,

ферромагнетики при температурах

ниже точки Кюри обладают спонтанной
намагниченностью независимо от нали-
чия внешнего намагничивающего поля.

Спонтанное намагничивание, однако,

находится в кажущемся противоречии
с тем, что многие ферромагнитные ма-
териалы даже при температурах ниже
точки Кюри не намагничены. Для уст-
ранения этого противоречия Вейсс ввел

гипотезу, согласно которой ферромаг-
нетик ниже точки Кюри разбивается на
большое число малых макроскопиче-
ских областей — доменов, самопроиз-
вольно намагниченных до насыщения.

При отсутствии внешнего магнитно-

го поля магнитные моменты отдельных
доменов ориентированы хаотически и
компенсируют друг друга, поэтому ре-

зультирующий магнитный момент фер-

ромагнетика равен пулю и ферромагне-
тик не намагничен. Внешнее магнитное
поле ориентирует по полю магнитные
моменты не отдельных атомов, как это
имеет место в случае парамагнетиков,
а целых областей спонтанной намагни-
ченности. Поэтому с ростом Янамагни-
ченность ./ (см. рис. 194) и магнитная
индукции В (см. рис. 195) уже в доволь-
но слабых полях растут очень быстро.

Этим объясняется также увеличение

ферромагнетиков до максимального
значения в слабых полях (см. рис. 196).

243

Эксперименты показали, что зависи-

мость В от Н не является такой плав-
ной, а имеет ступенчатый вид, как по-
казано на рис. 195. Это свидетельствует
о том, что внутри ферромагнетика доме-
ны поворачиваются по полю скачком.

При ослаблении внешнего магнит-

ного поля до нуля ферромагнетики со-
храняют остаточное намагничивание,
так как тепловое движение не в состоя-
нии быстро дезориентировать магнит-
ные моменты столь крупных образова-
ний, какими являются домены. Поэто-
му и наблюдается явление магнитного
гистерезиса (рис. 197). Для того чтобы
ферромагнетик размагнитить, необхо-
димо приложить коэрцитивную силу;
размагничиванию способствуют также
встряхивание и нагревание ферромаг-

нетика. Точка Кюри оказывается той

температурой, выше которой происхо-
дит разрушение доменной структуры.

Существование доменов в ферро-

магнетиках доказано эксперименталь-
но. Прямым экспериментальным мето-
дом их наблюдения является метод по-

рошковых фигур. На тщательно отпо-

лированную поверхность ферромагне-
тика наносится водная суспензия мел-

кого ферромагнитного порошка (на-
пример, магнетита). Частицы оседают
преимущественно в местах максималь-
ной неоднородности магнитного поля,
т.е. на границах между доменами. По-
этому осевший порошок очерчивает
границы доменов и подобную картину
можно сфотографировать под микро-
скопом. Линейные размеры доменов
оказались равными

 см.

Дальнейшее развитие теории ферро-

магнетизма Френкелем и Гейзенбергом,
а также ряд экспериментальных фактов
позволили выяснить природу элемен-
тарных носителей ферромагнетизма.
В настоящее время установлено, что
магнитные свойства ферромагнетиков

определяются спиновыми магнитными

моментами электронов (прямым экспе-

риментальным указанием этого служит
опыт Эйнштейна и де Гааза, см. § 131).

Установлено также, что ферромаг-

нитными свойствами могут обладать

только кристаллические вещества, в ато-

мах которых имеются недостроенные
внутренние электронные оболочки с не-
скомпенсированными спинами. В по-
добных кристаллах могут возникать
силы, которые вынуждают спиновые
магнитные моменты электронов ориен-
тироваться параллельно друг

 что

и приводит к возникновению областей
спонтанного намагничивания. Эти силы,
называемые обменными силами, имеют
квантовую природу — они обусловлены
волновыми свойствами электронов.

Так как ферромагнетизм наблюдает-

ся только в кристаллах, а они обладают
анизотропией (см. § 70), то в монокри-
сталлах ферромагнетиков должна иметь
место анизотропия магнитных свойств

(их зависимость от направления в кри-

сталле). Действительно, опыт показы-
вает, что в одних направлениях в крис-
талле его намагниченность при данном
значении напряженности магнитного

поля наибольшая (направление легчай-
шего намагничивания), в других — наи-
меньшая (направление трудного намаг-
ничивания). Из рассмотрения магнит-
ных свойств ферромагнетиков следует,
что они похожи на сегнетоэлектрики

(см. §91).

Существуют вещества, в которых об-

менные силы вызывают антипараллелъ-
ную ориентацию спиновых магнитных
моментов электронов. Такие тела назы-
ваются антиферромагнетиками. Их
существование теоретически было пред-
сказано Л.Д.Ландау. Антиферромагне-
тиками являются некоторые соединения
марганца (MnO, MnF

2

), железа (FeO,

FeCl

2

) и многих других элементов. Для

244

них также существует антиферромаг-
нитная точка Кюри (точка Нееля

1

),

при которой магнитное упорядочение
спиновых магнитных моментов нару-
шается и антиферромагнетик превра-

щается в парамагнетик, претерпевая
фазовый переход II рода (см. § 75).

В последнее время большое значе-

ние приобрели полупроводниковые
ферромагнетики — ферриты, химиче-
ские соединения типа Me • Fe

2

O

3

, где

Me — ион двухвалентного металла (Мп,

Со, Ni, Cu, Mg, Zn, Cd, Fe). Они отлича-
ются заметными ферромагнитными
свойствами и большим удельным элек-
трическим сопротивлением (в милли-
арды раз большим, чем у металлов).

Ферриты применяются для изготовле-
ния постоянных магнитов, ферритовых
антенн, сердечников радиочастотных
контуров, элементов оперативной па-
мяти в вычислительной технике, для
покрытия пленок в магнитофонах и ви-

деомагнитофонах и т.д.

Контрольные вопросы

Почему орбитальные магнитный и механический моменты электрона в атоме противо-
положно направлены?

Что называют гиромагнитным отношением?

Из каких магнитных моментов складывается магнитный момент атома?
Можно ли провести аналогию между намагничиванием диамагнетика и поляризацией

диэлектрика с пеполярпыми молекулами?

Можно ли провести аналогию между намагничиванием парамагнетика и поляризацией

диэлектрика с полярными молекулами?

Что такое диамагнетики? парамагнетики? В чем различие их магнитных свойств?
Что такое намагниченность? Какая величина может служить ее аналогом в электроста-
тике?

Запишите и объясните соотношения между магнитными проницаемостью и восприим-

чивостью для парамагнетика; для диамагнетика.

Выведите соотношение между векторами магнитной индукции, напряженности магнит-
ного поля и намагниченности.
Объясните физический смысл циркуляции по произвольному замкнутому контуру век-

торов:
Выведите и прокомментируйте условия для векторов  и

 на границе раздела двух

магнетиков.

Проанализируйте теорему о циркуляции вектора  в веществе.
Получите формулу (134.5).
Объясните петлю гистерезиса ферромагнетика. Что такое магнитострикция?

Какие ферромагнетики являются магнитомягкими? магнитожесткими? Где их приме-

няют?
Каков механизм намагничивания ферромагнетиков?
Какую температуру для ферромагнетика называют точкой Кюри?

ЗАДАЧИ

16.1. Напряженность однородного магнитного поля в меди равна 10 А/м. Определите

магнитную индукцию поля, создаваемого молекулярными токами, если диамагнитная вос-

приимчивость меди |х| =

 КГ

8

. [1,11 пТл]

Л.Неель (род. 1904) — французский физик.

245

16.2. По круговому контуру радиусом 50 см, погруженному в жидкий кислород, течет

ток 1,5 А. Определите намагниченность в центре этого контура, если магнитная восприим-

чивость жидкого кислорода 3,4 • 10~

3

. [5,1 мЛ/м]

16.3. По обмотке соленоида индуктивностью 1 мГп, находящегося в диамагнитной среде,

течет ток 2 А. Соленоид имеет длину 20 см, площадь поперечного сечения 10 см

2

 и 400 вит-

ков. Определите внутри соленоида: 1) магнитную индукцию; 2) намагниченность. [1)5 мТл;

2) 20 А/м]

16.4. Алюминиевый шарик радиусом 0,5 см помещен в однородное магнитное поле

 —

= 1 Тл). Определите магнитный момент, приобретенный шариком, если магнитная воспри-

имчивость алюминия 2,1 *

 [8.75 мкА • м

2

]

Глава 17

ОСНОВЫ ТЕОРИИ МАКСВЕЛЛА

ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

§ 137. Вихревое

электрическое поле

Из закона Фарадея [см. (123.2)]

следует, что любое измене-

ние сцепленного с контуром потока
магнитной индукции приводит к воз-
никновению электродвижущей силы
индукции и вследствие этого появляет-
ся индукционный ток. Следовательно,
возникновение ЭДС электромагнитной
индукции возможно и в неподвижном

контуре, находящемся в переменном
магнитном поле. Однако ЭДС в любой
цепи возникает только тогда, когда в
ней на носители тока действуют сторон-
ние силы — силы неэлектростатическо-
го происхождения (см. § 97). Поэтому
в данном случае встает вопрос о приро-
де сторонних сил.

Опыт показывает, что эти сторонние

силы не связаны ни с тепловыми, ни с
химическими процессами в контуре. Их
возникновение также нельзя объяснить
силами Лоренца, так как они не дей-
ствуют на неподвижные заряды. Макс-
велл высказал гипотезу, что всякое пе-

ременное магнитное поле возбуждает в
окружающем пространстве электричес-
кое поле, которое и является причиной
возникновения индукционного тока в
контуре. Согласно представлениям

Максвелла, контур, в котором появля-
ется ЭДС, играет второстепенную роль,

являясь своего рода лишь «прибором»,

обнаруживающим это поле.

Итак, по Максвеллу, изменяющееся

во времени магнитное поле порождает
электрическое поле

 циркуляция ко-

торого, по (123.3),

(137.1)

где

 — проекция вектора

 на на-

правление

Подставив в формулу (137.1) выра-

ж е н и е [ с м . (120.2)], полу-
чим

Если поверхность и контур непод-

вижны, то операции дифференцирова-

246