3.3. Ферромагнетики во внешнем магнитном поле. Постоянные магниты

Поместим кусок ферромагнетика в постоянное внешнее магнитное поле H (например, используем его как сердечник катушки, через которую течет постоянный ток). Причем, внешнее поле небольшое, намного слабее, чем собственное поле внутреннее домена.

Те домены, направление магнитного момента которых совпадает с внешним полем, при этом начнут расширяться, а все остальные – сужаться. Разберем это механизм, т.к. он очень важен для понимания электро- и радиотехнических свойств ферромагнетиков.

Представим самый простой случай: два "слипшихся" домена рядом. В первом домене направление поля совпадает с внешним. Во втором его направление, естественно, противоположное.

Первый домен условно назовем "правильным" (он уже ориентирован по внешнему полю и ничего большего он сделать не может). А вот второй "неправильный" домен эквивалентен стрелке компаса, развернутой задом наперед (точнее югом на север). И он будет пытаться повернуться в направлении внешнего поля. Но крохотную область в твердом кристалле механически не повернешь, происходят более сложные процессы.

Мы помним домен это просто маленькая область кристалла, в которой сложились в одну сторону спины электронов. Повернуть весь второй домен-магнитик (который с неудачным направлением), в свою сторону внешнее поле не может, т.к. оно слишком слабое для этого. Но зато оно вполне может повернуть спины электронов в некоторых атомах второго домена около доменной стенки. Эти атомы ведь находятся рядом с первым (правильного направления) доменом. И магнитное поле первого домена поможет в деле поворота в свое направление атомам второго домена, находящимся около доменной стенки (точнее, слабое внешнее поле поможет сильному внутреннему полю правильного домена повернуть ближайших соседей). И те станут уже частью первого (правильного) домена. Значит, первый домен увеличится в размерах. Или (что то же самое) его стенки раздвинутся, уменьшая размер второго "неправильного" домена.

За счет раздувания "правильных" (совпадающего с внешним полем направления) доменов и "похудания" всех остальных (или, иначе говоря, направленного сдвига доменных стенок) взаимная компенсация полей всех доменов в куске ферромагнетика нарушается. И в нём возникает сильное магнитное поле В. Более сильное, чем внешнее поле H, которое мы приложили снаружи. Отношение B/H называется относительной магнитной проницаемостью и обозначается буквой μ.

Величина μ показывает, во сколько раз данный материал усиливает в себе внешнее магнитное поле. Для хороших ферромагнетиков μ может достигать нескольких тысяч.

Как мы помним из п. 2.1.1 характеристикой материала по электрическому полю является диэлектрическая проницаемость ε. Она практически не зависит ни от частоты (за исключением очень высоких), ни от величины поля (если не доводить дело до пробоя).

А вот с характеристикой материала по магнитному полю μ сложнее. Магнитная проницаемость μ зависит не только частоты и величины приложенного внешнего магнитного поля, но и от предыстории (что раньше делали с этим материалом). Для того чтобы со всем этим разобраться, вернемся к нашему куску ферромагнетика, который мы парой абзацев выше оставили в катушке с током и построим график зависимости внутреннего поля ферромагнетика В от внешнего поля Н. Этот график показан на рис. 3.1. Держите в уме, что график рис. 3.1 имеет разные масштабы но осям В и Н. По оси B график сильно сжат для упрощения восприятия. На самом деле B значительно (в μ раз) больше H.

Начнем изучать график рис. 3.1 из начальной точки 1. Внешнего поля Н там нет, нет и внутреннего поля В, т.к. все домены (на рис. 3.1 они условно показаны квадратиком из четырех доменов) ориентированы хаотично и компенсируют друг друга.

Будем прибавлять ток в катушке, т.е. увеличивать внешнее поле. Расширяя "правильные" домены, их стенки будут двигаться (см. квадратик доменов около точки 2 на рис. 3.1: верхний левый домен, соответствующий направлению поля H стал больше других, а остальные домены сжались). Но путь этот не будет легким. По дороге доменные стенки вынуждены будут преодолевать "ухабы" – препятствия неоднородностей кристаллической решетки. На это будет тратиться время (на постоянном токе оно нас не волнует) и энергия (отбирается из внешнего поля). До точки 2 на рис 3.1 внутренне поле В растет пропорционально H. А коэффициентом их пропорциональности является μ, которая остается стабильной и высокой.

Продолжим увеличивать постоянный ток в катушке. Рано или поздно мы достигнем того, что в материале повернутся по направлению внешнего поля все спины. Своё, внутреннее поле в ферромагнетике при этом достигнет максимума. Увеличивать его дальше просто нечем. Материал достиг насыщения (точка 3 на рис. 3.1). Это называется намагниченностью насыщения и является параметром не только данного материала, но и конкретной формы и размера сердечника (ясно, что чем больше сердечник, тем больше в нем доменов и электронов со спинами, которые мы можем выстроить своим внешним полем). От точки 2 до точки 3 наклон графика падает, значит уменьшается B/H, т.е. μ.

Если мы станем еще дальше поднимать ток в катушке, то создаваемое ей поле Н, конечно, будет расти. Но вот внутреннее поле В сердечника останется прежним (оно уже на своем максимуме). Это соответствует снижению μ (числитель дроби не меняется, а знаменатель растёт). На графике рис. 3.1.этот участок не показан (т.к. в здравом уме никто не использует ферромагнетики в насыщении).

Причем, поскольку насыщение намагниченности, как и многие другие процессы в физике достигается не скачком, а плавно, то и плавное снижение μ начнется еще раньше, чем сердечник достигнет своего полного насыщения (переход от точки 2 к 3 на рис. 3.1).

А теперь начнем уменьшать внешнее поле H. Вплоть до нуля (точка 4 на рис. 3.1). Разъехавшиеся стенки "правильных" доменов двинутся назад ("сдуваются"). Их ведь теперь больше ничто не гонит вширь. Но ведь чтобы вернуться назад к исходному состоянию, доменным стенкам надо преодолеть все пройденные препятствия кристаллической решетки в обратном порядке. А энергии на это взять неоткуда: внешнее поле равно нулю. Поэтому стенки пройдут лишь часть обратного пути. Но не весь. Следовательно, бывшие "правильные" домены останутся больше других. А это значит, что в материале останется постоянное магнитное поле. Иначе говоря, мы намагнитили материал и получили постоянный магнит: никакого внешнего магнитного поля уже нет, а ферромагнетик сам по себе продолжает создавать магнитное поле. Это называется остаточной намагниченностью, как показано в точке 4 на рис. 3.1.

Чтобы вернуть все доменные стенки назад в исходное состояние нам придется приложить внешнее поле в обратной полярности с такой энергией, которой хватит доменным стенкам на преодоление "ухабов" (неоднородностей кристаллической решетки) обратной дороги. Это точка 5 на рис. 3.1. То есть нам надо приложить внешнее ненулевое поле H для того, чтобы "выключить" внутреннее магнитное поле В. Этот процесс называется размагничиванием.

Теперь продолжим увеличивать внешнее поле H в обратной полярности, т.е. двинемся по графику рис 3.1 от точки 5 к точке 6. Там будут происходить аналогичные процессы, что и на участке 1-2-3, только в обратной полярности.

При уменьшении внешнего поля H от точки насыщения 6 до нуля 7, и далее до точки полного размагничивания 8 будут происходить в точности те же самые процессы, что и на участке 3-4-5, только в обратной полярности.

А при дальнейшем увеличении внешнего поля в плюс, будут происходить процессы подобные тем, что описаны для участка 1-2-3, но по кривой 8-3.

Количество и глубина "ухабов" (неоднородностей решетки), которое приходится преодолевать доменным стенкам по своей дороге, называется магнитной жесткостью материала.

Из магнитожестких материалов делают постоянные магниты: доменные стенки один раз сдвинувшись внешним полем намагничивания, потом так остаются, почти не возвращаясь назад. Из таких же материалов делают магнитные носители памяти, например поверхности винчестеров в компьютере: расширившись под действием поля записывающей головки, домен потом таким (намагниченным) остается и хранит свой бит информации.

В магнитомягких материалах доменные стенки двигаются туда-сюда почти беспрепятственно. Остаточная намагниченность таких материалов очень мала. Постоянный магнит из них не сделаешь: после снятия внешнего поля доменные стенки сами вернутся назад (или почти назад). А для сердечников трансформатора или катушки такие материалы очень подходят. Этим мы и займемся в следующем параграфе.



На главную - Main page