ЧТО ТАКОЕ МАГНЕТИЗМ

КАК ПРОИСХОДИТ НАМАГНИЧИВАНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Познакомимся теперь более детально с тем, как проис­ходит намагничивание ферромагнетиков. Этот вопрос представляет не только научный, но и большой техниче­ский интерес, так как без знания механизма намагничива­ния и перемагничивания ферромагнитных материалов было бы невозможно их правильное применение в раз­личных приборах и аппаратах. Поэтому учёные уже давно начали изучать процессы намагничивания и пере­магничивания в ферромагнетиках.

В парамагнитных веществах процесс намагничивания довольно прост. По мере возрастания силы магнитного поля (что осуществляется увеличением силы электриче­ского тока в катушке электромагнита) атомные магнитики располагаются всё более параллельно полю. Этот процесс происходит постепенно, и намагниченность тела также растёт постепенно. Только при огромном магнитном поле мы достигли бы максимальной намагниченности парамаг­нитного тела. При этом магнитные моменты всех атомов
почти полностью повернулись бы в направлении поля, и парамагнитное тело намагнитилось до насыщения. Но пока мы ещё не располагаем источниками таких сильных магнитных полей.

У диамагнитных веществ дело обстоит примерно так же. С увеличением поля намагниченность растёт равномерно; однако здесь не наблюдается даже намёка на насыщение.

В ферромагнитных веществах процесс намагничивания гораздо сложнее. Рост намагниченности здесь протекает неравномерно и очень бурно. Насыщение достигается уже в сравнительно небольших магнитных полях. Есть такие ферромагнитные материалы, которые намагничиваются до насыщения в ничтожно слабых полях, например, в земном магнитном поле. Другие ферромагнитные материалы тре­буют для своего насыщения более сильных магнитных полей, но эти поля всегда неизмеримо меньше, чем поля, требующиеся для намагничивания парамагнитных ве­ществ. Лёгкость, с которой достигается магнитное насы­щение в ферромагнетиках, нетрудно объяснить: это свя­зано с тем, что отдельные участки ферромагнетика уже намагничены до насыщения. Роль внешнего поля состоит только в том, чтобы ориентировать магнитные моменты всех областей самопроизвольной намагниченности по полю.

Есть ещё особенности, которые отличают ферромагнит­ные материалы от парамагнитных. В парамагнитных телах после выключения поля атомные магнитные моменты при­ходят в первоначальное беспорядочное расположение, и намагниченность опять становится равной нулю. У ферро­магнетиков же после выключения магнитного поля или уменьшения его величины часть областей возвращается в прежнее беспорядочное состояние, а другая часть остаётся в направлении поля или близком к нему. Это явление называют магнитным гистерезисом (от греческого слова «отстаю, запаздываю»). Поэтому в ферромагнетике наблюдается некоторая остаточная намагниченность.

В некоторых ферромагнитных материалах, к которым принадлежат, например, мягкое железо, сплав пермаллой (78% никеля и 22% железа) и др., остаточная намагни­ченность очень неустойчива. Достаточно встряхнуть мате­риал или поместить его в слабое переменное поле, и оста­точная намагниченность почти полностью исчезает. Но в других материалах, таких, как закалённая сталь, остаточ­ная намагниченность удерживается долгое время, не­смотря на внешние воздействия. Такой материал может служить магнитом.

Мерой устойчивости остаточной намагниченности в каком-либо ферромагнитном материале служит то магнит­ное поле, которое уничтожает эту остаточную намагничен­ность. Это поле называется задерживающей или, как гово­рят в технике и физике, коэрцитивной силой (от латин­ского слова «коэрситио» — удерживание). Чем больше коэрцитивная сила, тем прочнее в материале удерживается остаточная намагниченность, и с тем большим успехом этот материал может быть использован как магнит.

Опыты показали, что ферромагнитные материалы, по­мещённые в переменное поле (изменяющееся и по вели­чине, и по направлению), выделяют некоторое количество теплоты. Эту теплоту называют теплотой гистерезиса. Она особенно велика в материалах, имеющих большие оста­точную намагниченность и коэрцитивную силу.

Почему же одни ферромагнитные материалы достигают насыщения при очень слабых полях, а другие только при очень сильных? Почему в одних материалах остаточная намагниченность устойчива, а в других она быстро разру­шается? В чём состоит природа теплоты гистерезиса? Для того чтобы разобраться в этих вопросах, необходимо хотя бы коротко познакомиться с внутренним строением ферромагнитных материалов.

Известно, что в твёрдых телах атомы расположены в строгом порядке, симметрично относительно друг друга, образуя кристаллическую ячейку[5]). Множество таких ячеек образует так называемую пространственную кри­сталлическую решётку.

Для железа и никеля кристаллические ячейки имеют вид куба, поэтому их пространственные решётки называют кубическими (рис. 21, а, б). Разница между кристалли­ческой решёткой железа и никеля состоит в том, что в ячейке железа атомы расположены в центре и по углам куба, в никеле же, кроме того, имеются атомы, располо­женные в центрах каждой плоскости или грани. Ещё слож­нее устроен кристалл кобальта, его ячейка имеет вид шестигранной призмы (рис. 21, в). Такая система кристал­лов называется гексагональной (по-гречески «гекса» — шесть, гонио — грань).

Обычные магнитные материалы состоят не из одного кристалла, а из множества мелких кристаликов, соприка­сающихся друг с другом. Их можно видеть, например, на изломе куска металла. Такие металлы называют поликри­сталлическими (поли — много).

Расположение кристаликов в поликристаллическом металле можно изменять, подвергая его механической обработке (прокатке между вальцами прокатного стана, ковке молотом и т. д.) и термической обработке (от­жигу, т. е. нагреву до определённой температуры и по­следующему медленному охлаждению, закалке, т. е. на­греву и быстрому охлаждению, и т. д.). Под действием этих обработок кристалики меняют своё положение в теле и деформируются (растягиваются в одном направлений и сжимаются в другом). При этом атомы, из которых состоят кристалики, могут несколько «выходить» со своих мест, что нарушает правильность кристаллической ре­шётки.

Тот же результат дают примеси различных элементов. Металл редко бывает свободным от примесей. Атомы при­месей могут располагаться или между отдельными кри-
сталиками, или в решётке самого кристалла. Это также искажает решётку и приводит её в напряжённое состояние. Атомы посторонних веществ, находясь вблизи атомов ферромагнитного тела, влияют на их электрическое и маг­нитное взаимодействие, а это может привести к существен­ному изменению самопроизвольной намагниченности, а часто и к исчезновению её.

Количество примесей может изменяться в весьма широ­ких пределах вплоть до той величины, когда оно уже пере­станет быть «примесью», т. е. когда мы получаем уже смесь или раствор двух веществ. Такое смешанное веще­ство и называется сплавом.

В некоторых сплавах атомы одного вещества распола­гаются в кристаллической решётке второго строго опре­делённым образом. Такие сплавы называются упорядо­ченными. В других сплавах, наоборот, атомы примеси рас­полагаются без всякого порядка. Такие сплавы назы­ваются неупорядоченными.

Как же влияют все эти особенности строения, или, как часто говорят, структуры вещества, на процесс намагни­чивания?

Прежде всего посмотрим, как происходит процесс на­магничивания в одном отдельном кристалле ферромагнит­ного материала. Чтобы изучить этот процесс, получают отдельные кристаллы железа, никеля, кобальта и сплавов достаточно больших размеров, чтобы на них можно было проводить магнитные измерения. Такая задача очень трудна и требует много времени. Для приготовления, на­пример, кристалла никеля необходимо медленно, в тече­ние многих суток, охлаждать расплавленный никель от точки плавления до комнатной температуры. При этом в отдельных местах расплава возникают зародышевые кри­сталлы, которые затем вырастают до больших размеров.

Измерения магнитных свойств таких кристаллов дали интересные результаты. Оказывается, в некоторых направ­лениях намагничивание кристалла происходит легко и на­сыщение достигается даже в слабых полях; в других же направлениях намагнитить кристалл гораздо труднее — для этого требуются очень сильные поля.

Иными словами, магнитные моменты областей под дей­ствием поля в одних направлениях по отношению

3 К. П. Белоз

К решётке кристалла поворачиваются сравнительно сво­бодно, а в других — так, как будто их повороту препят­ствуют какие-то силы. Это явление получило название магнитной анизотропии (анизотропия — неодинаковость свойств в различных направлениях кристалла), а силы, препятствующие повороту магнитных моментов — силами магнитной анизотропии. Направления, в которых эти мо­менты поворачиваются свободно, называются осями лёгкого намагничивания. Направления же, в которых они поворачиваются с трудом, называются осями трудного намагничивания.

Расположение осей лёгкого намагничивания в кристал­лических ячейках железа, никеля, а также и кобальта, по­казано на рис. 21 стрелками.

Магнитные моменты областей «предпочитают» распо­лагаться в кристалле вдоль направлений лёгкого намагни­чивания, так как для них эти направления более устой­чивы, чем направления трудного намагничивания.

Выражаясь образно, мы можем сказать, что область, магнитный момент которой расположен вдоль оси лёгкого намагничивания, лежит как бы в «яме» и поэтому нахо­дится в устойчивом равновесии. Область же, магнитный момент которой расположен вдоль оси трудного намагни­чивания, лежит на «горбе» и, следовательно, находится в неустойчивом равновесии. Если есть достаточно сильное магнитное поле, направленное по оси трудного намагни­чивания, то область благодаря ему ещё может удер­жаться на «горбе». Поле как бы преодолевает силы ани­зотропии, которые «тянут» магнитный момент области в направлении лёгкого намагничивания, т. е. в «яму». Чем больше силы анизотропии, тем большее поле нужно при­ложить, чтобы преодолеть эти силы. Если поле выклю­чить, то область не может удержаться на «горбе» и «па­дает» в «яму», т. е. её магнитный момент резко поворачи­вается в направление лёгкого намагничивания. При этом выделяется некоторое количество тепла, подобно тому, как это происходит при обычном падении тела на землю. Поворот магнитного момента области и обусловливает тепло гистерезиса.

Имеются и другие причины этого явления, на которых мы останавливаться не будем.

Существование магнитной анизотропии объясняется тем, что в кристалле между атомами действуют магнит­ные силы. Так как межатомные расстояния в кристалли­ческой решётке неодинаковы (например, диагональ куби­ческой ячейки всегда больше её ребра), то и силы в раз­ных направлениях кристалла различны. Таким образом, магнитная анизотропия определяется характером кри­сталлической решётки ферромагнетика. Хотя магнитное

Взаимодействие мало по величине и, как мы видели, не может вызвать самопроизвольной намагниченности, тем не менее оно играет исключительно важную роль, ибо обусловливает силы анизотропии, которые определяют «поведение» областей самопроизвольной намагниченности в кристалле.

В выяснении природы магнитной анизотропии боль­шую роль сыграли работы физиков Московского универ­ситета.

Изучив «поведение» областей в кристалле, мы выяс­нили одну из причин того, почему одни материалы для намагничивания до насыщения требуют малых полей, а другие — больших. Поскольку реальные магнитные мате­риалы представляют поликристаллические тела, в которых кристаллы ориентированы беспорядочным образом (рис. 22, а), то и направления лёгкого и трудного на­магничивания здесь распределены беспорядочно. Поэтому магнитная анизотропия в поликристаллах незаметна. Но тем не менее она будет сказываться, ибо для того, чтобы повернуть магнитные моменты областей в направ­лении поля, надо преодолеть силы анизотропии в тех
кристаллах, в которых оси лёгкого намагничивания не совпадают с ним. Чем больше силы анизотропии, тем большее магнитное поле необходимо, чтобы намагнитить материал до насыщения. Если большая часть кристаллов в таком материале расположена так, что направления лёгкого намагничивания совпадают или близки к совпаде­нию с направлением поля, то материал намагничивается сравнительно легко.

Материал, у которого большая часть кристаллов по­вёрнута в одном направлении (рис. 22, в), называют текстурованным. Текстуру в материале можно получить искусственным путём. Для этого материал нужно, напри­мер, прокатать между вальцами прокатного стана (рис. 22, б). В этом случае возникает кристаллическая текстура, т. е. кристалики располагаются в направлении прокатки. Подбирая направление текстуры и вид термиче­ской обработки, можно изменять магнитные свойства в нужную сторону.

На поведение областей сильное влияние оказывают также механические напряжения. Например, при растя­жении или сжатии ферромагнитного материала атомы смещаются со своих нормальных положений; это приводит к изменению характера магнитного взаимодействия в кристалле.

В результате, кроме обычной магнитной анизотропии, возникает так называемая магнитоупругая анизотропия, вызванная дополнительным магнитным взаимодействием атомов вследствие искажения решётки.

Магнитоупругая анизотропия, как и обычная магнит­ная анизотропия, очень сильно изменяет характер на­магничивания ферромагнетиков. При намагничивании, на­пример, сильно растянутого (внешними силами) никеле­вого образца трудно получить магнитное насыщение даже в очень сильном магнитном поле. Наоборот, если никеле­вый образец подвергается сжатию, то насыщение может быть получено в слабом магнитном поле.

Магнитоупругая анизотропия присутствует в материа­лах и в том случае, если внешние силы не действуют, так как в материалах всегда имеются так называемые внут­ренние механические напряжения, искажающие решётку. Если материал подвергнуть длительному отжигу, то внут­
ренние напряжения, а следовательно, и магнитоупругая анизотропия, пропадают.

Учёные установили, что намагничивание ферромагне­тиков происходит не только путём поворота магнитных моментов областей в направлении поля. Полное намагни­чивание осуществляется за счёт трёх процессов.

На рис. 23, а схематически показано расположение гра­ниц областей в ферромагнетике в отсутствие поля. Допу­стим, что наложено поле, которое направлено по стрелке, Направление маенитмго лпля

Тного ппля J

/ /

Нарисованной над ферромагнетиками (рис. 23). Тогда границы между областями смещаются вправо, причём объём области, магнитный момент которой близок к на­правлению поля, будет увеличиваться (рис. 23, б ив). Этот процесс называется «смещением»; он обычно проис­ходит в слабых магнитных полях. После того, как оста­нется одна область, а остальные будут как бы поглощены ею, при дальнейшем увеличении поля (увеличение длины стрелок на рис. 23 указывает, что величина поля растёт) наступает известный нам уже процесс «враще­ния»; он продолжается до тех пор, пока магнитный мо­мент области не совпадёт с полем, т. е. пока не наступит насыщение (рис. 23, г).

Но этим дело, оказывается, не ограничится. При даль­нейшем увеличении поля наблюдается ещё некоторый рост намагниченности. Дело в том, что внутри самой
области самопроизвольной намагниченности увеличивается число параллельных атомных магнитных моментов за счёт тех, которые из-за теплового движения не были ориенти­рованы внутренними силами. Этот процесс похож на па­рамагнитное намагничивание, поэтому он носит название парапроцесса.

Прирост намагничивания вследствие парапроцесса, однако, очень мал и изучение его представляет только теоретический интерес.

Допустим теперь, что поле уменьшается и затем его направление меняется на обратное. При этом будет на­блюдаться отставание намагниченности от изменений маг­нитного поля, т. е. гистерезис. Если поле уменьшить до нуля, то часть магнитных моментов областей «застрянет» в направлениях лёгкого намагничивания, расположенных близко к направлению поля. Этим и объясняется возник­новение остаточной намагниченности в материале. Для того чтобы уничтожить остаточную намагниченность, надо приложить некоторое, обратное по направлению, поле — коэрцитивную силу.

Для того чтобы в материале прочнее удерживалась остаточная намагниченность, или, что то же, материал обладал большой коэрцитивной силой, необходимо разъ­единить области самопроизвольной намагниченности, на­пример, введением в пространство между ними прослоек из неферромагнитного вещества. В настоящее время ис­кусственным путём получают высококоэрцитивный мате­риал, производя дробление мягкого железа и перемеши­вая его с каким-либо неферромагнитным веществом, ко­торое образует прослойки между областями. Наоборот, для того чтобы получить материал с малой коэрцитивной силой, надо устранить эти прослойки.

Путём соответствующей обработки, регулируя состав и количество примесей, мы можем получать материалы с разными магнитными свойствами. Металлурги разрабо­тали таким путём высококачественные магнитные мате­риалы, применяемые для изготовления различных электро­технических и радиотехнических аппаратов и приборов. Создание теоретических представлений о процессах на­магничивания, природе коэрцитивной силы и магнитного гистерезиса имеет большое значение для правильного под­хода к изысканию и совершенствованию магнитных мате­риалов.

Большая заслуга в этом принадлежит профессору Московского университета Е. И. Кондорскому.