Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям

занимающим промежуточное положение между приведенными конфигурациями. Символом Оз обозначена ситуация, когда стенка Блоха «подвешена» к дефектной области решетки, так что плавный переход от одной конфигурации к другой становится невозмож­ ным. Таким образом, существует некоторое множество кон­ фигураций доменов, каждая из которых сама по себе является устойчивой в том смысле, что не создает достаточно большого внешнего поля, которое всегда обеспечивало бы возвращение к одной и той же конфигурации с нулевым полем. Этот широкий диапазон возможных устойчивых ориентаций для каждого магне­ тона лежит в основе формирования петель гистерезиса и эффек­ тов, связанных с постоянным магнитным полем. Наблюдаемые различия внешних магнитных полей разных устойчивых состоя­ ний поддерживаются энергией стенок доменов.

Небольшие изменения условий намагничивания имеют плав­ ный характер при изменении приложенного извне поля с малой напряженностью. Эти изменения являются обратимыми, поскольку при обратном изменении приложенного поля плавно восстанавливается исходное магнитное состояние вещества. Слабым магнитным полем будем называть такое поле, влияние которого на магнитное вещество сводится к смещению сте­ нок томенов.

4.3. ВЛИЯНИЕ СРЕДНЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Если увеличивать напряженность приложенного внешнего магнитного поля, то после достижения ею некоторого опреде­ ленного значения могут возникнуть дополнительные явления. Одно из них порождается дефектами кристаллической решетки. Магнитостатические поля, обусловленные несовершенством кристаллической решетки, удерживают стенку доменов в опре­ деленном положении, пока к веществу не приложено достаточно сильное поле, способное освободить стенку от этого влияния дефекта решетки. Другое явление заключается в том, что при увеличении напряженности внешнего поля размеры доменов возрастают, причем домены с более благоприятной ориентацией увеличиваются быстрее остальных до тех пор, пока каждый кристалл данного материала не станет сам по себе отдель­ ным доменом.

Два описанных явления тесно взаимосвязаны, если прило­ женное внешнее поле настолько сильно, что оно может и осво-1 бодить стенку домена от удерживающего магнитостатического поля, и превратить кристалл в один домен. При этих условиях ось намагниченности для каждого кристалла совпадает с одной осью из конечного числа его собственных кристаллографических осей, а именно с той, которая наиболее близка по направлению к приложенному полю.

После того как предпочтительный домен поглотит все осталь­ ные домены, кристалл окажется в состоянии насыщения по одному направлению. Если вещество является поликристаллическим, то домен каждого кристалла имеет ориентацию, несколько отличающуюся от ориентаций других доменов. Такие разности ориентаций поддерживаются энергией кристалло­ графической магнитной анизотропии.

4.4. ВЛИЯНИЕ СИЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

При дальнейшем увеличении напряженности приложенного магнитного поля ось намагниченности каждого домена повора­ чивается, отклоняясь от предпочтительной оси кристалла до тех пор, пока она не станет параллельной направлению приложен­ ного поля. Когда все домены приобретут такую ориентацию, рассматриваемое тело в целом оказывается в состоянии насыще­ ния. Сильными магнитными полями называют такие поля, которые поворачивают оси намагниченности кристаллов после того, как кристаллы достигнут состояния насыщения под влиянием слабых или средних магнитных полей.

Намагничивание ферромагнитных материалов осуществля­ ется за счет различных механизмов — смещения стенок доменов, разрыва магнитостатических связей, поглощения доменов и поворота осей доменов. Понятия слабого, среднего и сильного магнитных полей определяются механизмами, которые приво­ дятся в действие полем каждого типа. У разных веществ эти механизмы начинают действовать при различных уровнях при­ ложенного поля. В случае отдельного идеального, кристалла, когда отсутствуют дефекты кристаллической решетки, фактиче­ ски не происходит явлений, связанных со средними полями. При этом явления, обусловленные слабыми полями, плавно пере­ ходят в явления, вызываемые сильными полями, и исключаются эффекты разрыва магнитостатических связей.

Сочетание всех вышеуказанных механизмов лежит в основе образования петли гистерезиса.

4.5. ПЕТЛЯ ГИСТЕРЕЗИСА

Явление магнитного гистерезиса представляется графически * в виде кривой, которая изображает зависимость между напряжен­ ностью приложенного внешнего магнитного поля Н и результи­ рующей магнитной индукцией В. Для однородных веществ эти кривые всегда симметричны относительно центра графика, хотя они сильно различаются по форме для разных ферромагнитных веществ. Каждая конкретная кривая отражает все возможные устойчивые состояния, в которых могут находиться магнетоны данного вещества в присутствии или при отсутствии приложен­ ного внешнего магнитного поля. На рис. 4.2 показаны различные

Рис. 4.2. Петля гистерезиса. На­ магниченность как ферромаг­ нитных, так и ферримагнитиых веществ зависит от предыстории их намагничивания:

щение рабочей точки

характеристики петли гистерезиса, которые определяются еледующим образом.

Остаточная намагниченность выражается магнитной силой, требующейся для возвращения доменов к исходным условиям нулевого равновесия после того, как это равновесие было нару­ шено приложенным извне насыщающим полем. Эта характери­ стика определяется точкой пересечения петлей гистерезиса оси В

внешнего поля в веществе после снятия приложенного внешнего магнитного поля. Эта характеристика определяется точкой пересечения петлей гистерезиса оси Н (что соответствует зна­ чению 5 = 0 ) .

Индукция насыщения соответствует максимальному значению индукции В, которое может существовать в веществе независимо от намагничивающей силы Н. На самом деле плотность потока продолжает возрастать и после точки насыщения, но для боль­ шинства целей его увеличение является уже несущественным. Поскольку в этой области намагниченность вещества не приводит к усилению результирующего поля, магнитная проницаемость падает до очень малых значений.

Дифференциальная магнитная проницаемость выражает наклон кривой в каждой точке петли гистерезиса.

Контур петли гистерезиса показывает характер изменения плотности магнитного потока в веществе при циклическом изменении внешнего магнитного поля, приложенного к этому веществу. Если приложенное поле обеспечивает достижение состояний и положительного, и отрицательного насыщения плот­

не достигает обоих экстремумов, то кривая называется вспо­ могательной петлей гистерезиса. Форма последней

зависит как от напряженности циклического внешнего поля, так и от конкретного расположения вспомогательной петли по отношению к основной. Если центр вспомогательной петли не совпадает с центром основной петли, то соответствующая разность намагничивающих сил выражается величиной, называе­ мой магнитным смещением рабочей точки.

4.6. ЭФФЕКТ БАРКГАУЗЕНА

Эффект Баркгаузена заключается в последовательности малых «скачков» намагниченности, возникающей при непре­ рывном изменении намагничивающей силы. Это явление наблю­ дается только в средней части петли гистерезиса.

Если кристаллическая решетка обладает идеальной симметри­ ей, то стенки доменов могут быть плавно смещены в одном или другом направлении. Если же имеются нарушения симме­ трии, то результирующие машитостатические поля препятствуют возможным изменениям направления магнетонов. Разности на­ пряженностей магнитостатического поля способствуют устано­ влению требуемых угловых разностей ориентаций магнетонов стенки, причем стенка доменов минимизирует собственную энер­ гию с использованием имеющейся магнитостатической энергии. Поскольку стенка будет обладать меньшей энергией благодаря наличию такой неоднородности, для смещения стенки и уда­ ления ее от области неоднородности потребуется большая энер­ гия.

рушения регулярности кристаллической решетки; стенку домена можно плавно перемещать до тех пор, пока она не встретит такую точку. Стенка стремится удерживаться на этих областях нерегулярности и может оторваться от них лишь при условии, что приложенное внешнее поле сообщит ей достаточно большую энергию. После этого отрыва стенка удаляется от точки, к кото­ рой была прикреплена, перемещаясь скачкообразно из одного положения в другое и в процессе этого движения вызывая внезапные скачки намагниченности вещества.

На самом деле энергия отрыва стенки обычно бывает достаточно велика, чтобы вовлечь в процесс два домена. При возрастании напряженности приложенного поля, когда достига­ ются условия отрыва стенки от области неоднородности, два домена объединяются и образуют один домен с большими раз­ мерами. Это внезапное объединение доменов при возрастании напряженности внешнего поля (или расщепление доменов при уменьшении напряженности внешнего поля) лежит в основе

Рис. 4.3. Эффект Баркгаузена. Стенки доменов стремятся «по­ виснуть» на дефектах кристалла (электростатических разрывах); если заставить стенку оторвать­ ся от этого зафиксированного расположения, то произойдет скачок намагниченности:

О — дефект

эффекта Баркгаузена. Он проявляется как шум в электрических цепях, содержащих элементы с ферромагнитными материалами. Увеличение магнитной индукции, вызванное каждым таким отдельным скачком, имеет порядок величины 10“ 10 Тл.

В случае кристаллов с регулярной структурой эффект Барк­ гаузена не наблюдается. У кристаллов с дефектами он может проявиться только в средней части петли гистерезиса. В об­ ласти ниже центра петли домены плавно увеличивают свои размеры в результате смещения стенок, причем связанные с дефектами стенки при необходимости сохраняют свое поло­ жение. В области выше центра петли движение стенок не про­

ность приложенного внешнего поля Н5 недостаточна, чтобы оторвать стенку от области дефекта; отрыв (эффект Баркгау­ зена) не происходит до тех пор, пока приложенное поле не воз­ растет до величины Н6.

4.7. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

Площадь, ограниченная петлей гистерезиса для данного ве­ щества, характеризует потери энергии, имеющие место при воз­ действии на вещество периодического магнитного поля. Эта выделенная энергия вызывает повышение температуры вещества, помещенного в периодически изменяющееся поле.