ЧТО ТАКОЕ МАГНЕТИЗМ

ФЕРРОМАГНИТНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Из магнитных веществ люди раньше всего познакоми­лись с таким сильно магнитным веществом, как железо. Кроме железа ферромагнитными свойствами, как было установлено позже, обладают химические элементы никель и кобальт, стоящие в таблице Менделеева по соседству с железом. Сплавляя эти элементы между собой в опреде­лённых количествах, получают материалы, которые в большинстве случаев также обладают ферромагнетизмом (железо-никелевые, железо-кобальтовые и другие сплавы). Ферромагнитные свойства имеют также многочисленные сплавы железа, никеля или кобальта с парамагнитными и диамагнитными элементами, например сплавы никеля с медью, железа с углеродом и т. д. Содержание железа, никеля или кобальта в этих сплавах должно быть гораздо больше, чем парамагнитного или диамагнитного эле­ментов.

Сильномагнитными свойствами обладают и некоторые окислы железа, никеля и кобальта. Такие материалы в от­личие от сплавов называются ферритами. К ним, в част­ности, относится магнетит, с магнитными свойствами ко­торого человек столкнулся ещё в глубокой древности.

Изучению ферромагнитных материалов всегда уделя­лось большое внимание, ибо они широко используются в электротехнике и радиотехнике. Большая заслуга в этом принадлежит знаменитому русскому физику А. Г. Столе­тову (1839—1896); он впервые указал правильный способ исследования ферромагнитных материалов.

В 1935 году был открыт четвёртый ферромагнитный элемент — гадолиний — из группы редкоземельных эле­ментов [3]). В самое последнее время было установлено, что и другой элемент — диспрозий,— стоящий в таблице эле­ментов по соседству с гадолинием и относящийся к той же группе, также обладает ферромагнетизмом. Однако гадо­линий и диспрозий как магнитные материалы практиче­ского значения не имеют и представляют только научный интерес.

Кроме того, учёные показали, что два элемента — марганец и хром, при сплавлении с некоторыми элемен­тами, например, с медью и алюминием, становятся сильно ферромагнитными. Так, сплав, состоящий из марганца, меди и алюминия, может служить хорошим магнитом. Та­ким образом, был установлен замечательный факт, что сплавы некоторых парамагнитных и диамагнитных эле­ментов становятся ферромагнитными.

И наоборот, такие ферромагнитные элементы, как же­лезо и никель, будучи сплавлены в определённой пропор­ции, образуют материал со столь слабыми магнитными свойствами, что его следует считать скорее парамагнит­ным, чем ферромагнитным. Примером такого материала может служить сплав, состоящий из никеля (27%) и же­леза (73%).

В отличие от парамагнитных тел, обладающих, как мы уже знаем, малой намагниченностью, в ферромагнетиках (так сокращённо называют ферромагнитные вещества) даже в очень слабых магнитных полях возникает намагни­ченность, в десятки и сотни тысяч раз большая, чем в па­рамагнитных телах. Это происходит оттого, что в ферро­
магнетиках атомные магнитные моменты сравнительно легко могут быть повёрнуты вдоль поля. За счёт этого и получается большая намагниченность ферромагнетиков, хотя магнитный момент каждого их атома в отдельности и число атомных магнитиков не слишком сильно отличаются от того, что мы имеем для парамагнитных веществ.

Почему же в ферромагнитных телах атомные магни­тики «легче» поворачиваются по полю, чем в парамагнит­ных? Дело в том, что в ферромагнитных веществах в отли­чие от парамагнитных атомные магнитики сильно

Рис. 14. Ферромагнетик в магнитном поле и вне его.

Взаимодействуют между собой. Это взаимодействие на­столько велико и носит такой характер, что атомы как бы объединяются в группы с одинаковым направлением маг­нитных моментов. Таким образом, во всяком ферромагне­тике уже имеются отдельные группы атомных магнитиков, имеющих одно направление. Иными словами, в ферромаг­нетиках независимо от внешнего магнитного поля сущест­вуют участки тела уже полностью намагничен­ные (рис. 14). Эти участки называют областями самопроизвольной намагниченности (слово «самопроиз­вольная» означает, что намагниченность возникла не в результате воздействия внешнего поля, а под влиянием межатомных сил в веществе *)). В каждой такой области
находятся десятки и сотни миллиардов атомов. Если внеш­него поля нет, то суммарные магнитные моменты (или на­магниченности) областей расположены беспорядочно, и тело не проявляет своих магнитных свойств. При поме­щении ферромагнетика в поле (рис. 14), магнитные мо­менты областей подобно отдельным магнитикам устанав­ливаются вдоль силовых линий поля и, складываясь, создают большую намагниченность. Исследования пока­зали, что магнитные моменты областей «легче» повернуть вдоль силовых линий поля, чем отдельные магнитные мо­менты атомов.

Впервые предположение о наличии неких внутренних сил, приводящих к самопроизвольной намагниченности ферромагнетиков, высказал в конце прошлого века рус­ский физик Б. Л. Розинг. Несколько позже, в 1907 году, французским учёным П. Вейссом (1865—1940) эта идея была развита более подробно. Вейсс и Розинг ничего не знали о происхождении внутренних сил в ферромагнит­ном веществе, приводящих к самопроизвольной намагни­ченности. Какова природа этих сил, заставляющих атом­ные магнитики без участия постороннего магнитного поля объединяться в области самопроизвольной намагниченно­сти? По этому вопросу среди учёных долгое время были большие споры. Многие склонялись к тому, что это силы чисто магнитного происхождения. Они полагали, что атом­ные магнитики взаимодействуют друг с другом подобно обычным магнитам. Теоретические расчёты, однако, пока­зали, что магнитные силы не могут вызвать самопроиз­вольного намагничивания. Эти силы настолько малы, что даже при очень низких температурах тепловое дви­жение атомов препятствовало бы образованию устойчи­вых групп параллельных атомных магнитиков (т. е. воз­никновению самопроизвольной намагниченности), и тело вело бы себя скорее как парамагнитное, чем как ферро­магнитное.

Советский учёный Я. Г. Дорфман впервые доказал, что внутренние силы, вызывающие самопроизвольное на­магничивание, имеют немагнитное происхождение. В его опытах производилось наблюдение за отклонением бета - лучей при пропускании их через тонкие пластинки намагниченных и ненамагниченных ферромагнетиков.

Бета-лучи излучаются при распаде радиоактивных эле­ментов, например радия, и представляют собой потоки электронов, летящих с очень большими скоростями. Такие быстрые электроны способны проходить между атомами в тонких металлических пластинках. Если бы между ато­мами ферромагнетика существовали сильные магнитные

Поля, достаточные для создания самопроизвольной намаг­ниченности, то они должны были бы сильно отклонить электроны. Однако на опыте это не наблюдалось: проходя через пластинку, бета-лучи отклонялись очень незначи­тельно (рис. 15), что говорит о слабости магнитных полей, создаваемых атомными магнитиками.

После опытов Дорфмана возникла мысль искать объяс­нение природы внутренних сил Розинга — Вейсса не в маг­нитном, а в электрическом взаимодействии соседних ато­мов. Ленинградский учёный Я. И. Френкель в 1928 г, доказал, что самопроизвольная намагниченность ферро­магнетика обусловлена электрическими силами, действую­щими между атомными магнитиками. Он показал, что под действием этих сил в ферромагнетиках атомные магни­тики устанавливаются параллельно друг другу, и такое их состояние устойчиво.

Электрические силы в ферромагнитных веществах на­столько велики, что тепловое движение атомов не нару­шает параллельного расположения магнитиков. Только при сравнительно высоких температурах, когда тепловое движение атомов становится особенно интенсивным, эта параллельность нарушается. Опыты показали, что если на­гревать какое-либо ферромагнитное тело, то намагничен­ность начинает падать, сначала медленно, затем всё быст­рее и быстрее и, наконец, практически совсем исчезает. Это объясняется тем, что при некоторой критической тем­пературе электрические силы между атомами уже не мо­гут удержать магнитные моменты атомов в параллельном положении и самопроизвольная намагниченность исчезает.

Тело становится слабомагнитным (парамагнитным). В этом можно убедиться на простом опыте. Железный гвоздь при обычной температуре притягивается электро­магнитом. Но если его нагреть докрасна, то гвоздь поте­ряет свои ферромагнитные свойства и упадёт (рис. 16, а).

Очень эффектен и другой опыт. Вблизи полюса электромагнита помещается «магнитная» вертушка, пред­ставляющая собой колесо, спицы которого сделаны из ни­келевых проволок (рис. 16, б). Если нагревать спицы, близко расположенные к полюсу, то вертушка начнёт вращаться вокруг вертикальной оси. Вращение объяс­няется тем, что спица, попавшая в пламя горелки, быстро нагревается, теряет свои ферромагнитные свойства и пе­рестаёт притягиваться к полюсу; её место, вследствие притяжения к полюсу, занимает более холодная спица.

Этот процесс всё время повторяется, и поэтому вертушка начинает непрерывно вращаться. Мы получаем своеобраз­ный двигатель. Впрочем, коэффициент полезного действия такого термомагнитного двигателя очень низок.

Впервые исчезновение магнитных свойств при нагреве железа описал ещё в 1600 году английский врач Вильям Гильберт—первый исследователь магнетизма. Более по­дробно это явление было изучено в 1895 г. французским учёным Пьером Кюри. Температуру, при которой данный ферромагнетик теряет свои ферромагнитные свойства,

Стали называть температурой Кю­ри, или точкой Кюри.

Для железа эта температура равна 768° С, для никеля 365° С, для кобальта 1150° С. Сплав, со­стоящий из 30% никеля и 70% железа, имеет точку Кюри 80° С, а элемент гадолиний— 16° С; сле­довательно, при комнатных темпе­ратурах гадолиний находится в парамагнитном состоянии, и лишь при понижении температуры обнаруживается его ферро­магнетизм.

В некоторых веществах электрическое взаимодействие магнитных моментов атомов приводит к тому, что магнит­ные моменты атомов располагаются антипараллельно («анти» значит против) друг другу (рис. 17), т. е. возни­кает антипараллельная самопроизвольная намагничен­ность. Это явление получило название антиферромагне­тизма.

Антиферромагнетизмом обладают некоторые окислы марганца, кобальта, хрома и многие другие вещества. Для каждого из этих веществ, подобно ферромагнетикам, существует своя температура Кюри, при которой антипа­раллельное упорядоченное расположение магнитных мо­ментов разрушается — тело из антиферромагнитного со­стояния переходит в парамагнитное.

Рассмотрим теперь подробнее, как распределяются области самопроизвольной намагниченности в ферромаг­нетике. Как мы уже знаем, при взаимодействии магниты стремятся повернуться друг к другу разноимёнными по­
люсами, так как тогда их положение будет устойчивым. Наиболее устойчивым расположением нескольких магни­тов будет такое, когда они образуют замкнутую систему, например, в виде четырёхугольника (рис. 18, а). Отсюда понятно, почему ферромагнетик не может состоять сплошь из одной области самопроизвольной намагниченности: та­кое состояние ферромагнетика будет неустойчивым. Более устойчивым оно будет тогда, когда эта самопроизвольная намагниченность разобьётся на области, которые располо-

Причины деления ферромагнетика на области само­произвольной намагниченности выяснили советские фи­зики Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц.

Как убедиться на опыте в существовании областей са­мопроизвольной намагниченности? Это можно сделать до­вольно простым способом. Каждая область подобна маленькому магниту; поэтому на границе между обла­стями должны существовать рассеянные магнитные поля (как они существуют у магнитов). Эти поля можно об­наружить, поливая поверхность отшлифованного ферро­магнетика жидкостью, в которой взмучен очень мелкий железный порошок. Если жидкость вязкая, то частицы порошка не оседают на дно сосуда, а находятся в жидкости во «взвешенном» состоянии. Наблюдая з микроскоп по­верхность ферромагнетика, можно видеть, что частицы порошка, затягиваясь в места рассеянных полей, распо­лагаются на поверхности в виде правильного узора (рис. 19), напоминающего расположение областей намаг­ниченности, показанное на рис. 18. Такие узоры наблю­даются на поверхности ферромагнетика даже в отсутствие внешнего поля, но они никогда не возникают на поверх­ности неферромагнитных веществ.

Изменение намагниченности образца при наложении внешнего поля сопровождается смещением линий узора. Киносъёмка фигур при медленно изменяющемся поле об­наружила внезапные смещения линий. Этот факт говорит о том, что процесс намагничивания происходит скачко­образно. Скачкообразные изменения намагниченности очень хорошо могут быть изучены следующим способом. На рис. 20 показана ферромагнитная проволочка, пропу­щенная сквозь катушку. Концы катушки присоединены к усилителю и громкоговорителю. При медленном изменении внешнего магнитного поля вблизи проволочки, например, при медленном поворачивании магнита на 180°, в прово­
лочке происходит резкое изменение в расположении от­дельных областей самопроизвольной намагниченности (перемагничивание). Это вызывает появление индукцион­ных токов в катушке, которые после усиления дают в громкоговорителе хорошо слышимые щелчки. Если бы пе-

Ремагничивание областей происходило постепенно, то мы получили бы плавное нарастание тока в катушке и в гром­коговорителе ничего бы не услышали.