Теоретическое введение

Силовой характеристикой магнитного поля, определяющей его воздействие на движущиеся заряды, является вектор магнитной индукции . В вакууме магнитная индукция обусловлена токами проводимости, создающими магнитное поле. В веществе индукция магнитного поля определяется не только токами проводимости, но и движением электронов в атомах вещества, а также наличием у электронов и атомных ядер собственных (спиновых) магнитных моментов. Поэтому для описания магнитного поля в веществе удобнее использовать наряду с вектором магнитной индукции вспомогательный вектор (напряженность магнитного поля), который вводится следующим образом:

(1)

где Гн/м – магнитная постоянная, - вектор намагниченности, равный магнитному моменту единицы объема вещества.

Вектор напряженности магнитного поля зависит только от токов проводимости. В вакууме величины и совпадают с точностью до постоянного множителя :

(2)

В веществе вектор определяет тот вклад в магнитную индукцию , который дают токи проводимости, то есть внешние источники поля.

Величина намагниченности связана с вектором соотношением:

(3)

где χ – магнитная восприимчивость вещества, которая в общем случае может быть сложной функцией температуры и напряженности магнитного поля.

Подставив выражения (2) – (3) в формулу (1), получим:

(4)

Отсюда:

(5)

где - магнитная проницаемость вещества.

Магнитная восприимчивость χ в зависимости от природы вещества может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Вещества, магнитная восприимчивость которых отрицательна, называются диамагнетиками. Они намагничиваются против внешнего поля. Вещества с положительной магнитной восприимчивостью намагничиваются по внешнему полю. Их можно разделить на два класса: парамагнетики и ферромагнетики. Магнитная восприимчивость диа- и парамагнетиков мала (порядка 10^-4 – 10^-6) и слабо зависит от величины внешнего магнитного поля и температуры. Следовательно, магнитная проницаемость диа- и парамагнетиков близка к единице.

Характерными особенностями ферромагнетиков являются:

- высокие значения χ, а следовательно и μ (от нескольких десятков до тысяч единиц);

- зависимость магнитной проницаемости μ от напряженности магнитного поля Н (типичная зависимость μ от Н (кривая Столетова) показана на рис.1;

- сильная зависимость μ от температуры: каждый ферромагнетик характеризуется определенным значением температуры (температура Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и ферромагнетик превращается в парамагнетик;

-

Рисунок 1 - Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от напряжённости магнитного поля (кривая Столетова)

Ферромагнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт, редкоземельные металлы, сплавы на их основе и их соединения.

Особые свойства ферромагнетиков обусловлены тем, что даже в состоянии полного размагничивания он состоит из большого числа областей самопроизвольного намагничивания – доменов. Обычно домены имеют размеры порядка 10^-2 – 10^-3см. Каждый домен намагничен до насыщения, но при этом их векторы намагничивания направлены так, что суммарный магнитный момент образца равен нулю.

Процесс намагничивания ферромагнетиков состоит в переориентации векторов намагниченности доменов в направлении приложенного магнитного поля. В результате образец в целом приобретает намагниченность, не равную нулю. В достаточно сильном магнитном поле ферромагнетик намагничивается до состояния насыщения, при котором весь образец представляет собой один домен с магнитным моментом, направленным вдоль внешнего поля (точка А на рис.2).

При уменьшении величины Н значение магнитной индукции в ферромагнетике В уменьшается за счет возникновения и роста доменов с магнитным моментом, направленным против поля. Рост доменов сопровождается движением доменных стенок. Этот процесс происходит скачками из-за наличия в образце различных дефектов и неоднородностей, на которых доменные стенки задерживаются. Для того, чтобы их сдвинуть требуется заметно изменить магнитное поле. В результате при Н = 0 у образца сохраняется остаточная намагниченность и, как следствие, остаточная индукция В_r (рис.2). Наличием остаточного намагничивания обусловлено существование постоянных магнитов.

Величина В обращается в нуль лишь под действием магнитного поля обратного направления, имеющего напряженность . Величина Н_С называется коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении магнитного поля обратного направления образец вновь намагничивается до насыщения (точка D). Последующее перемагничивание образца происходит по кривой DEKA (рис.2). Кривые ABCD и DEKA симметричны друг другу. Значения В_r и Н_С являются важными характеристиками ферромагнитного материала.