Электромагнетизм. Электромагнитные колебания и волны (стр. 4 )

Металлы	Fe	Co	Ni	Cd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Сплав Гейслера CuAlMg
Точка Кюри θ, К	1043	1403	631	289	219	87	20	19,6	25	200

В настоящее время широкое применение нашла магнитокерамика для изготовления сердечников катушек индуктивности, дросселей и других радиотехнических устройств, работающих при частотах (104÷108) Гц. Широкое применение в радиотехнике и вычислительной технике получили ферриты – полупроводниковые или диэлектрические материалы, представляющие собой химические соединения оксида железа (Fe2O3) с оксидами других металлов.

Магнитодиэлектрики имеют большое электрическое сопротивление, уменьшающее токи Фуко в сердечнике и потери на перемагничивание.

К основным свойствам ферромагнетиков относятся нелинейная зависимость магнитной проницаемости μ от напряженности внешнего магнитного поля (рис. 3.4) и магнитный гистерезис (hysteresis – запаздывание).

Рис. 3.4.

Значения магнитной проницаемости μ ферромагнетиков могут достигать (103÷106).

Основная кривая намагничивания ферромагнетика впервые получена (рис. 3.5).

Рис. 3.5.

При зависимость нелинейная, при наблюдается магнитное насыщение.

− напряженность магнитного поля при котором наступает насыщение образца; − намагниченность насыщения.

Ферромагнетик обладает остаточной намагниченностью , т. е. он может сохранить состояние намагниченности при отсутствии внешнего магнитного поля. Остаточный магнетизм является результатом магнитного гистерезиса, который проявляется в том, что изменение намагниченности в переменном магнитном поле отстает от изменения напряженности внешнего поля. Петля гистерезиса ферромагнетика представлена на рис. 3.6.

Рис. 3.6.

При уменьшении напряженности внешнего магнитного поля до нуля ферромагнетик остается намагниченным ( – остаточная намагниченность). Для того, чтобы размагнитить образец необходимо задать внешнее магнитное поле , где – коэрцитивная сила.

В зависимости от величины коэрцитивной силы – различают магнитно-мягкие материалы с коэрцитивной силой (трансформаторные стали Fe-Si, перпаллои Fe-Ni) и магнитотвердые (постоянные магниты) с коэрцитивной силой с остаточной индукцией Тл.

Феноменологическая теория ферромагнетизма была сформулирована П. Вейсом в 1907г. П. Вейс высказал гипотезу о причинах спонтанной намагниченности ферромагнетика. Согласно этой гипотезе кристалл состоит из доменов, каждый из которых намагничен до насыщения, но магнитные моменты доменов направлены хаотично и результирующая намагниченность (полный магнитный момент) образца равна нулю.

При внесении образца в магнитное поле происходит смещение границ доменов и поворот вектора магнитного момента домена в направлении внешнего магнитного поля .

На рис. 3.7 a), b) представлена ориентация магнитных моментов доменов ферромагнитного образца:

а) в отсутствии внешнего магнитного поля;

б) при внесении образца в магнитное поле с напряженностью ,

где – напряженность магнитного поля насыщения,

ΔV – единица объема вещества.

Рис. 3.7 а), b).

Френкель и Дорфман рассчитали размеры доменов. Установлено, что размеры доменов l зависят от размеров образца L: . Для образцов средних размеров (L ≈ 1 см) l ≈ 10−2 см. Наблюдения доменной структуры с помощью порошковых фигур, эффекта Керра и рентгеновской топографии подтвердили эти расчеты. Рентгеновская топография доменной структуры ферромагнитного образца (Fe-Ni) представлена на рис. 3.8.

Рис. 3.8.

Строгую количественную теорию ферромагнитных доменов построили Ландау и Лифшиц (1936г).

Эйнштейн и де Гааз экспериментально определили гиромагнитное отношение для ферромагнетика где е – абсолютное значение заряда электрона, m – масса покоя электрона. Для ферромагнетика выполняется зависимость , где − собственный момент импульса электрона, − собственный магнитный момент (спин) электрона.	, (3.17)
Модуль спинового магнитного момента электрона равен где − магнетон Бора, где , h = 6,63·10−34 Дж·с (постоянная Планка).	, (3.18)

Необходимым условием существования ферромагнитных свойств вещества является наличие в атомах нескомпенсированных спиновых моментов на внутренних электронных орбитах атома. Ориентация спиновых магнитных моментов параллельно друг другу приводит к образованию областей спонтанной намагниченности.

Достаточное условие существования ферромагнетизма: отношение параметра кристаллической решетки d к диаметру электронной орбиты, на которой находится электрон с нескомпенсированным спином, должно быть больше 1,5, т. е. , R – радиус орбиты электрона с нескомпенсированным спином.

Самопроизвольная намагниченность в кристаллах ферромагнетика не может возникнуть за счет магнитного взаимодействия.

Гейзенберг показал, что между спинами внутри доменов существуют особые силы, имеющие квантовую природу – силы обменного взаимодействия.

Мерой обменного взаимодействия по Гейзенбергу служит обменный интеграл А (рис. 3.9) (расчет обменного интеграла выходит за рамки классического курса физики).

Рис. 3.9.

Следовательно, критерием существования ферромагнитных свойств в кристалле является положительный обменный интеграл:

если А > 0 => − вещество обладает ферромагнитными свойствами;

если А < 0 => − данное вещество не является ферромагнетиком.

4. Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция – возникновение электродвижущей силы (э. д.с. индукции) в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле или движущемся в постоянном магнитном поле. Электрический ток вызванный этой э. д.с., называется индукционным. Электромагнитная индукция открыта английским физиком М. Фарадеем в 1831г.