Магнитный гистерезис
Основные понятия магнитного гистерезиса
) от напряженности внешнего магнитного поля (
) (или намагниченности (
) от 
которая определяется предысторией намагничивания образца ферромагнетика, называется магнитным гистерезисом.
Если взять ферромагнетик в ненамагниченном состоянии, поместить его в магнитное поле, напряженность которого можно постепенно изменять, увеличивать величину H от нуля до некоторого значения 
. Зависимость 
(рис.1 (б)) будет отображать отрезок ОА. Потом будем постепенно уменьшать напряженность внешнего магнитного поля. При этом кривая намагничивания пойдет не по тому же пути (AO), что шла наверх, а по кривой, которая на рис. 1(б) обозначена как ACD. Если от величины напряжения 
изменять магнитное поле снова до H, то кривая намагничивания пройдет ниже и вернется в точку А (см. рис.1). Получается замкнутая кривая, которая называется петлей гистерезиса. Из рис.1 видно, что при 
индукция пол ферромагнетика (и его намагниченность) не становятся равными нулю. Из рис. 1(б) видно, что модуль магнитной индукции равен длине отрезка ОС. Этому отрезку соответствует остаточное намагничивание. С существованием остаточного намагничивания связано наличие постоянных магнитов. Для размагничивания ферромагнетика его следует поместить в обратное магнитное поле, величина которого равна так называемой коэрцитивной силе ферромагнетика (
).
Рис. 1(a)
Рис. 1(б)
Петля магнитного гистерезиса
Величины остаточного намагничивания и коэрцитивной силы могут испытывать большие вариации для разных ферромагнетиков. Так, для мягких ферромагнетиков петля гистерезиса узкая, соответственно коэрцитивная сила небольшая. Для материалов, которые применяют при изготовлении постоянных магнитов петля гистерезиса широкая. Петля гистерезиса для зависимости 
имеет подобную форму (рис.1 (а)).
Следует отметить, что при увеличении внешнего магнитного поля намагниченность ферромагнетиков растет быстро, затем ее скорость ее роста уменьшается и при некоторой величине, которую называют магнитным насыщением, остается постоянной и не зависит от напряженности внешнего поля. Аналогичный процесс происходит и со связью магнитной индукции ферромагнетика и внешнего магнитного поля. Такую зависимость объясняют тем, что магнитные моменты молекул при увеличении напряженности внешнего поля ориентируются по полю, так растет степень ориентации моментов. Когда неориентированных моментов остается все меньше и меньше, увеличение J прекращается и происходит магнитное насыщение. На рис. 1 точка А – является точкой насыщения.
Мы получили, что величина магнитной индукции (или величина намагниченности) в ферромагнетике определяется не только существующим внешним магнитным полем, но еще зависит от предыдущих состояний намагничивания, при этом происходит некоторое отставание изменения индукции (намагничивания) от изменений напряженности поля. Магнитный гистерезис подобен диэлектрическому гистерезису в сегнетоэлектриках. Гистерезис очень сильно зависит от состава ферромагнетика и способов его обработки.
Примеры решения задач
| Задание | Каким образом можно произвести размагничивание намагниченных часов? |
| Решение | Размагничивание намагниченных часов можно выполнить, используя особенности гистерезисных кривых ферромагнетиков. Так, намагниченный ферромагнетик размещают в катушке переменного тока. Пропускают по катушке переменный ток. Плавно уменьшают амплитуду тока, таким образом, подвергают ферромагнетик циклическим перемагничиваниям. В таких процессах получают все более узкие петли гистерезиса, до тех пор пока не достигнут точки О на рис. 1. В данной точке намагничивание равно нулю. |
| Задание | Как существование доменной структуры ферромагнетиков связывают с явлением гистерезиса? |
| Решение | Вид кривых гистерезиса, разница в нарастании намагничивания ферромагнетика при росте напряженности внешнего поля и ходом размагничивания при уменьшении поля, говорит о том, что ориентация и дезориентация элементарных магнитов из которых можно представить ферромагнетик, не сразу следует за полем. Этот процесс идет с некоторым отставанием. Ферромагнитные свойства этих веществ определены не магнитными свойствами отдельных атомов или молекул, а намагничиванием областей, которые носят название – доменов. Взаимодействуя в ферромагнетике отдельные атомы, создают очень сильные внутренние магнитные поля, которые существуют в пределах домена. В рамках такого домена атомные магнитные моменты выстраиваются параллельно друг другу (рис.2 (а)). При этом, если внешнее магнитное поле равно нулю, ферромагнетик состоит из некоторого числа отдельных областей, каждая область имеет самопроизвольную намагниченность до состояния насыщения. Но при этом направления векторов намагниченности разных доменов разное, в целом ферромагнетик является ненамагниченным при отсутствии внешнего магнитного поля.
При наличии внешнего поля идет перестройка и перегруппировка доменов. Преимущество получают области, вектор намагниченности которых параллелен внешнему полю. Вещество в целом намагничивается. Примером подобной перестройки может служить рис. 2. На этом рисунке условно изображаются два граничных домена, в которых направления векторов намагниченности перпендикулярны друг другу. Рис. 2 (а) соответствует ситуации, когда внешнего поля нет. Рис. 2 (б) показывает ситуацию, когда под воздействием внешнего поля часть атомов переориентировались по полю. В результате область 1, которая намагничена по полю увеличивает свой размер. Возникает преимущественное намагничивание вещества по направлению внешнего поля. В очень больших внешних полях возможен поворот всех атомов в пределах целой области. Когда внешнее поле ослабляется, идет обратный процесс – распад и дезориентация, то есть происходит размагничивание тела. Так как домены имеют гораздо большие размеры, в сравнении с отдельными атомами (молекулами), поэтому процесс их ориентации и дезориентации идет гораздо медленнее (труднее), чем установление ориентации (дезориентации) атомов в парамагнетиках и диамагнетиках. Это является объяснением отставания намагничивания и размагничивания от изменения внешнего магнитного поля, что и является магнитным гистерезисом. 
Рис. 2(а) 
Рис. 2(б) |
