Намагничивание ферромагнита

Кусок ферромагнитного вещества в отсутствие магнитного поля не проявляет своих ферромагнитных свойств. Например, если взять кусок ненамагниченного железа и погрузить его в железные опилки, то они не притянутся к железу. Ненамагниченные два куска железа также не притягивают друг друга.
Если же кусок железа поместить в магнитное поле, созданное магнитом или электрическим током, то оно намагнитится, т. е. само станет магнитом.

Этот факт легко объясняет притяжение железа магнитом. В самом деле, ведь магнитное взаимодействие возникает только между магнитными полюсами, почему же ненамагничениое железо притягивается к магниту?

Ответ очень прост. Если поднести кусок ненамагниченного железа к магниту, то железо окажется в магнитном поле магнита и намагнитится, причем так, что на ближайшем к северному полюсу магнита конце куска железа возникнет южный полюс (рис. 24), а на дальнем – северный. Возникшие в железе полюсы будут взаимодействовать с полюсами магнита, причем эта сила взаимодействия, согласно закону Кулона, будет обратно пропорциональна квадрату расстояния между полюсами. Поскольку расстояние между противоположными полюсами меньше, чем между одноименными, а разноименные полюсы притягиваются, то между магнитом и куском железа возникнут силы притяжения, и кусок железа притянется к магниту.

         Рис. 24
Рассмотрим, как будет происходить намагничивание железа Представим себе железный цилиндр, помещен-ный в катушку» по которой можно пропускать электри-ческий ток. Если катушка достаточно длинна, то внутри катушки вдали от краев создается поле, напряженность которого во всех точках одинакова. Такое магнитное поле называется однородным. Величину напряженности поля в соленоиде можно вычислить, как указывалось выше, по формуле Гопкинсона:

H = 0,4piNi/l
где Н – напряженность магнитного поля в эрстедах, N – число витков катушки, i- сила тока в амперах, l – длина катушки. Изменяя силу тока, можно изменять напряженность магнитного поля в катушке.

Что физически представляет собой процесс намагничивания, мы рассмотрим в дальнейшем, а пока будем считать, что в намагничиваемом куске железа возникает магнитный момент, который возрастает с увеличением магнитного поля.

Очевидно, момент намагничиваемого куска железа будет тем больше, чем больше его объем. Для оценки интенсивности намагничивания образца обычно рассматривают магнитный момент единицы объема и называют его намагниченностью; обозначают ее через J.
Следует различать слова «намагничивание» и «намагниченность». Под «намагничиванием» понимают процесс увеличения магнитного момента образца, а под «намагниченностью» – величину магнитного момента единицы его объема.
Как показывает опыт, при увеличении напряженности магнитного поля будет возрастать и намагниченность образца, причем вначале (в очень слабых полях), это возрастание идет сравнительно медленно, затем с повышением напряженности магнитного поля намагниченность начинает расти очень быстро. Далее намагниченность снова растет медленно и в достаточно сильных полях, начиная
с так называемого поля насыщения, рост намагниченности практически прекращается, образец достигает технического насыщения.

В самом деле, на элементарные носители магнетизма будет действовать не то поле, которое создается намагничивающей катушкой, а то, которое будет существовать внутри самого образца. Однако магнитное поле внутри образца будет отличаться от поля вне его, так как при намагничивании образца на концах его создаются магнитные полюсы, которые будут создавать свое магнитное поле, направленное внутри образца в сторону, противоположную намагничивающему полю катушки. Поле внутри образца будет представлять собой разность двух полей: намагничивающего поля катушки и размагничивающего поля концов образца. Чем короче и толще образец, тем сильнее размагничивающее поле, тем в более сильных внешних полях образец достигает насыщения.

         Рис. 25
На рис. 25 показан график зависимости намагниченности от напряженности внешнего магнитного поля. Или как мы их называели, кривые намагничивания для длиного и тонкого образца (кривая 1) и для толстого и короткого образца (кривая 2).

Зависимость кривой намагничивания от формы намагничиваемого образца легко понять из следующих рассуждений. Мы видели, что система, предоставленная самой себе, будет стремиться к минимуму по-тенциальной энергии. Шарик катится на дно лунки потому, что на дне лунки его потенциальная энергия минимальна; чтобы поднять его со дна лунки, нужно затратить некоторое количество энергии. Мы убедились также, что магнитная стрелка будет устанавливаться вдоль магнитного поля, так как такое
положение соответствует минимуму потенциальной энергии, и чтобы вывести ее из этого состояния, следует затратить некоторое количество энергии.

Представим себе теперь, что мы имеем два железных бруска, помещенные в магнитное поле и расположенные друг относительно друга так, что полюс S направлен к полюсу N другого магнита. Возникшие магнитные полюса будут взаимодействовать так, что между брусками возникнут силы притяжения, бруски начнут двигаться навстречу друг другу до соприкосновения. Чтобы теперь их разъединить, надо затратить некоторое количество энергии. Следовательно, энергия длинного намагниченного бруска меньше энергии двух намагниченных коротких брусков. Это значит, что на намагничивание длинного бруска затрачивается меньше магнитной энергии, чем на намагничивание двух коротких брусков, составляющих в сумме объем, равный объему длинного бруска. Если же такие бруски расположены друг относительно друга так, то между ними возникают силы отталкивания: чтобы сблизить их друг с другом, следует затратить дополнительную работу. Значит сближенные два бруска будут иметь в этом случае большую энергию, чем два разъединенных, и, следовательно, на намагничивание короткого и толстого образца потребуется затратить больше энергии. Поэтому f длинный и тонкий образец намагничивается легче толстого и короткого.

Как видно из рис. 25, кривая намагничивания толстого образца – значительно положе. Конечные точки кривых, естественно, совпадают, так как в обоих случаях намагниченность равна техническому насыщению.

Описанный выше факт зависимости кривой намагничивания от формы образца создает большие неудобства при исследовании магнитных свойств ферромагнетиков. Поэтому необходим метод, свободный от этих недостатков, который давал бы возможность изучать изменение намагниченности вещества без учета размагничивающего поля образующихся полюсов. Такой способ был разработан впервые русским физиком Столетовым и теперь используется при исследовании ферромагнетиков.

Столетов в своих исследованиях использовал образец в виде кольца, на которое равномерно наматывалась на магничивающая катушка. В этом случае размагничивающих полюсов в образце не создается, и при исследовании получаются истинные кривые намагничивания ферромагнетиков.

         Рис. 26
На различных участках кривой намагничивания магнитная восприимчивость различна; чем круче участок кривой намагничивания, тем больше магнитная восприимчивость. Зависимость восприимчивости от напряженности магнитного поля была также впервые изучена Столетовым. На рис. 26 представлена зависимость восприимчивости ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля.

Как видно из рисунка, вначале магнитная восприимчивость не особенно велика (Х0 – начальная восприимчивость), затем с увеличением поля она растет и, достигая при некотором значении поля своего максимального значения (максимальная восприимчивость), уменьшается с дальнейшим ростом поля; в очень сильных полях ее значение близко к нулю.
Удобнее иногда пользоваться не магнитной восприимчивостью, а магнитной проницаемостью, связанной с магнитной восприимчивостью соотношением

M = 1+4pix (16)
где (M – магнитная проницаемость ферромагнетика, x – его восприимчивость(Значения m у диамагнетиков чуть меньше, а у парамагнетиков чуть больше единицы. У ферромагнетиков m значительно больше единицы).

Выше указывалось, что намагниченность ферромагнетика определяется магнитным моментом единицы его объема J и что намагниченность связана с напряженностью поля соотношением J = Х H Часто магнитное состояние вещества характеризуют другой величиной, так называемой магнитной индукцией В = mН, где В – магнитная индукция. Из приведенных формул следует, что

B = H+4piJ (17)