Теоретическое описание

При определенных условиях в кристаллах могут возникать так называемые обменные силы, которые заставляют магнитные моменты атомов устанавливаться параллельно друг другу. В результате возникают области (размером 1-10 мкм) спонтанного, т. е. самопроизвольного намагничивания. Эти области называются доменами. В пределах каждого домена ферромагнетик намагничен до насыщения и имеет определенный магнитный момент. Направления этих моментов для разных доменов различны, поэтому при отсутствии внешнего поля суммарный момент образца равен нулю и образец вцелом представляется макроскопически ненамагниченным.

Если поместить ферромагнетик во внешнее магнитное поле, то домены начинают ориентироваться по полю, так как наименьшую энергию имеет домен с магнитным моментом, направленным по внешнему полю. Действительно, энергия домена U ~ () минимальна, когда векторы и Н_внеш параллельны, где – вектор магнитного момента.

При этом ферромагнетик намагничивается и создает магнитное поле с индукцией . Зависимость В от напряженности внешнего магнитного поля H_внеш не будет линейной (рис.3).

С ростом внешнего поля в области I границы доменов начинают смещаться. Ориентированные по полю домены растут за счет уменьшения доменов, ориентированных против внешнего поля. Но при выключении внешнего поля границы доменов опять возвращаются в исходное положение. В области II границы доменов продолжают смещаться, но теперь смещение становится необратимым. Если убрать внешнее поле, то домены останутся частично ориентированными. Объясняется это наличием дефектов (центров перемагничивания) в ферромагнетиках. Дефектами могут быть, например, нарушения структуры кристаллической решетки: незаполненные атомами узлы (вакансии), обрывающиеся атомные слои (дислокации) (рис.4) и т.п.

Рис.4. Дефекты кристаллической решетки: а) вакансии;

б) дислокации

Вокруг дефектов образуются устойчивые вторичные домены кинжаловидной формы, обладающие минимальной энергией (рис.5). Для переориентирования намагниченности в таких доменах приходится затрачивать намного больше энергии, чем для обычных доменов. Вторичные кинжаловидные домены препятствуют смещению доменных границ при перемагничивании. Напряженность Н внешнего магнитного поля (обратного по направлению), которое надо приложить, чтобы разрушить вторичные домены и вернуть ферромагнетик в исходное ненамагниченное состояние, называется коэрцитивной силой H_k.

В области III внешнее магнитное поле настолько большое, что энергетически невыгодные домены начинают переориентироваться, т.е. их магнитные моменты поворачиваются вдоль внешнего поля. Если теперь внешнее поле убрать, то ферромагнетик полностью не размагнитится и сохранится остаточная индукция B_ocm (за счет оставшихся ориентированных доменов). Это явление называется гистерезисом, а кривая на рис.3 – петлей гистерезиса.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается явление магнитного гистерезиса?

2. Каков механизм намагничивания ферромагнетиков?

3. Каков механизм гистерезиса?

4. Каким процессам в ферромагнетике соответствуют участки I, II, III на рис.3

5. Что такое коэрцетивная сила и остаточная намагниченность?

6. Почему напряжения подаваемые на входы x и y осциллографа, пропорциональны Н и В?