Ферромагнетики и их свойства

ну что ж мы рассмотрели диамагнетики и пара магнитики а теперь давайте займемся ферромагнетика my тема урока объяснения свойств ферромагнетиков фирма объяснения свойства ферромагнетиков объяснение свойств ферромагнетиков домашнее задание у нас уже записано но прежде чем свойства объяснять нужно с ними познакомиться оказывается что свойства ферромагнетиков не только в том что они колоссально усиливают магнитное поле своим присутствием но магнитное поле создаваемая ферромагнетика сложным образом зависит от намагничивающего поля чтобы исследовать ферромагнетики сам фарадей да и вот например на физическом практикуме на физфаке любого университета есть такое устройство катушка выполненная в виде кольца тороид тороидальный сердечник сделан из ферромагнетика на него намотан в один слой провод равномерно вот так я не буду показывать всю катушку вот и через эту катушку пропускают электрический ток в этой катушке возникает магнитное поле как она у нас направлена по правилу буравчика вот так значит она направлена вот так и линии магнитного поля внутри направлены вот так модуль вектора магнитной индукции везде одинаковый то есть это как бы однородное поле модуль одинаковы только направление разные в результате этого ферромагнитный сердечник оказывается намагничен и если немножечко постараться то можно измерить модуль вектора магнитной индукции внутри этого тороидального сердечника для этого даже не надо внутри ничего помещать есть особые методы но мы сейчас с ними не будем знакомиться и если мы с вами построим график зависимости магнитной индукции в сердечнике от магнитной индукции поля создаваемого током b 0 а то мы обнаружим следующие магнитной индукции меняется весьма сложным образом вот так масштабы вот это примерно 1 тесла а вот это примерно 10 в минус 3 тесла то здесь по осям разные масштабы отложены отсюда мы делаем вывод что вещество ферромагнетика примерно в тысячу раз увеличивает магнитное поле то есть магнитная проницаемость порядка тысячи но получается что магнитная проницаемость зависит от намагничивающего поля ведь что такое магнитная проницаемость мяу равняется b делить на b 0 если мы возьмем например вот такое значение вектора магнитной индукции намагничивающего поля то вот это будет b 0 а вот это будет b отношения этих двух величин геометрически это будет тангенс угла наклона вот этого равняется тангенс альфа ну конечно надо брать только не в сантиметрах расстояния а в тех единицах которые тут отложен и что мы с вами видим если взять приложить линейку то мы видим что в начале тангенс альфа маленькие когда поля маленькие потом магнитная проницаемость растет вот в этой точке при индукции порядка одного тесла у нас так случайно получилось магнитная проницаемость максимально потому что наклон самый большой а потом магнитная проницаемость начинает уменьшаться то есть получается что у ферромагнетиков не зависит от b 0 непостоянная магнитная проницаемость и существует такое намагничивающей поле b 0 при котором магнитная проницаемость проходит через максимум дальше оказывается что при больших намагничивающей полях магнитное поле перестает расти ты создаешь пропуская все больший и больший ток все более более сильное намагничивающего магнитное поле сердечник этому относятся уже неблагодарно наблюдается выход на насыщение это называется магнитное насыщением значит первое свойство мяу гораздо больше единицы второе свойства ферромагнетиков магнитная проницаемость зависит от поля намагничивающего и третье существует магнитное насыщение магнитное насыщение вот я поставлю стрелку здесь и запишу и напишу магнитное насыщение насыщение магнитное насыщение и это еще не все оказывается ферромагнетики ведут себя еще сложнее чем здесь нарисована давайте мы сейчас с вами возьмем сфера magnetic будем его намагничивать а потом будем пытаться его перри магнитить изменяя величину и направление намагничивающего поля тогда нам график придется построить уже в 4 координатных в 4 квадрантах здесь у нас будет b здесь у нас будет b 0 а сейчас я нарисую график тот который нарисован здесь вот этот кусочек я его нарисую пунктиром вот вот так мы намагничивает ферромагнетика а теперь попробуем его размагнитить для этого будем уменьшать ток который мы пропускаем здесь и таким образом уменьшать поле b 0 как себя поведет ферромагнетика он себя поведет не так как кажется на первый взгляд на первый взгляд кажется что мы должны пройти по этому же графику обратно к нулю и когда намагничивающей поле исчезнет исчезнет и намагниченность самого ферромагнетика не тут то было вот что получается когда внешнее поле исчезает ферромагнетика остается намагниченным и если вы хотите размагнитить его то вам нужно создать поле направленные в противоположную сторону вот так а если вы захотите намагнитить его в противоположном направлении получить вот такой же результат то оказывается что картина будет выглядеть вот так если теперь вы будете менять намагничивающей поле опять в сторону увеличения то картина будет следующая получается вот такая петля то есть мы можем сказать что намагниченность ферромагнетика запаздывает поле б запаздывает за изменениями поля b 0 запаздывание это называется гистерезис гис т.р. зис а то что здесь получилось называется петля гистерезиса петля стр зевса и вот на этой петли можно выделить две величины вот эта величина какой и физический смысл это магнитная индукция которая остается в ферромагнетики после того как намагничивающей поле исчезла то есть после того как вы перестали пропускать ток через катушку создающие поле эта величина обозначаются б с индексом р и называется остаточная индукция без индексом эра остаточной индукции если вы хотите уничтожить магнитное поле создаваемая ферромагнетиков вам надо создать противоположно направленное поле индукция которого обозначается б нулевое с индексом ц.б. нулевое с индексом c тут она у нас с минусом называется коэрцитивной силы крц тивная сила это никакая не сила это на самом деле магнитная индукция она так исторически сложилось здесь соответственно плюс коэрцитивной силы b 0 c а здесь минус b с индексом р-р крест остаток остаточной индукции вот такими двумя характеристиками описывается петля гистерезиса у разных ферромагнетиков форма петли гистерезиса разное это обобщенное петля гистерезиса но есть ферромагнетики с большой коэрцитивной силой и с большой остаточной индукции как вы думаете где их можно использовать это ферромагнетики на магните в которые вы будете получать уже при отсутствии внешнего поля большое магнитное поле за счет самого ферромагнетика постоянные магниты постоянные магниты используют ферромагнетики с широкой петлей гистерезиса то есть она должна иметь вот такую форму большая остаточная индукция и большая к rct ох и большая коэрцитивной силы b&b нулевое такие ферромагнетики называются жесткие фирмы магнитики жесткие ферромагнетики к ним относятся закаленная сталь к ним относятся сплав который называется all ника почему он так называется это сплав алюминий плюс никель плюс кобальт к ним относятся сплав могли к магниту магний плюс микель плюс кобальт эти сплавы использовались в шестидесятые семидесятые годы для изготовления постоянных магнитов а сейчас очень сильные магниты но не сейчас скажем так 80-е и 90-е двухтысячные это кобальт самаре его и магниты то есть это магниты кобальт самаре вы это вещество самаре кобальт пять и наконец последнее слово в технологии жестких ферромагнетиков это не один sferum bar неодимовые магниты ни один ferum сбор вот это самые сильные магниты постоянно на сегодняшний день их научились делать вот те магниты которые я вам показывал на предыдущих уроках маленький вот этот вот с черепом это как раз неодимовый магнит но бывают и другие ферромагнетики которые легко перемагничивания где их нужно использовать там где нужно чтобы при выключении электрического тока магнитное поле исчезла но при включении электрического тока она была достаточно сильным в электромагнит электромагнит и реле электромагнитные дальше устройство который мы будем изучать в 11 классе используют явление электромагнитной индукции трансформаторы там магнитное поле должно легко меняться трансформатор и других устройствах например в звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуре в магнитофонах используются головки записывающие воспроизводящие там нужно использовать легко перемагничивание ся ферромагнетики какая у них должна быть петля гистерезиса у них должна быть маленькая коэрцитивной силы и маленькая остаточная индукция то есть петля должна ютиться вот здесь вот в районе начала координат она должна быть узенькая то есть иметь вот такую форму такие ферромагнетики называются мягкие ферромагнетики мягкие ферромагнетики к ним относятся отожженная сталь то есть не закаленное чистое железо чистое железо отожженная сталь есть еще замечательный ферромагнетика мягкий называется pure малой пир малой это сплав никеля и железа купер малая тоже очень узкая петля гистерезиса давайте только на осях покажем величины b&b 0 вот какие существуют ферромагнетики и какими богатейшими свойствами они обладают теперь попытаемся все это объяснить опять таки будем опираться на гипотезу ампера согласно которой магнитные свойства вещества обусловлены циркулирующими внутри вещества микроскопическими токами но оказывается что ферромагнетизма объясняется не орбитальным движением электронов оказывается орбитальное движение здесь практически не причем оказывается электрон сам по себе даже в одиночестве без всякого ядра вокруг которого он мог бы кружить создавая круговой ток электрон сам по себе создает вокруг себя магнитное поле почему оказывается электрон обладает собственным моментом импульса то есть он как бы вращается вокруг своей оси правда если вы попытаетесь рассчитать магнитное поле электрона считая что он вращается вокруг своей оси как будто земной шар то оказывается что на экваторе электрона скорость должна быть линейная скорость на экваторе электроны должна быть больше скорости света чего быть не может просто вот это собственное магнитное поле и собственный механически момент импульса электрона это явление квантовые она связана во-первых с законами микромира во вторых она связана с конечностью скорости света оказывается еслиб скорость света в вакууме было бесконечно большой вообще не было бы магнетизма существовало бы только электростатика и жизнь была бы гораздо скучнее а физика проще вот это собственное вращение электрона вокруг своей оси называется spin если мы представим себе что электрон вращается вокруг своей оси и вокруг вот этой например оси то учитывая то что он заряжен по экватору цирку циркулирует электрический ток электрон заряжен отрицательно значит ток этот циркулирует вот так и магнитное поле создаваемый электрон вот обозначенного б.с. спиновая магнитное поле должно быть направлена вот так удивительно то что по порядку величины это поле такое же как орбитальная то есть она отвечает за процессы в тех же масштабах что и орбитальное магнитное поле но этого мало оказывается из-за того что электроны неразличимой то есть все на свете электроны абсолютно идентичны если вы их поменяйте местами если вы обменяете в системе два электрона то новое состояние системы будет просто тождественно совпадать со старым это называется принцип тождественности так вот оказывается из принципа тождественности вытекает необъяснимой классической физики классической физикой эффект который называется обменное взаимодействие и оказывается что если спиновые магнитные поля двух электронов если два электрона расположены рядышком то энергетически выгодно чтобы их магнитные поля спиновые были ориентированы в одну сторону и вот в атомах ферромагнетиков есть несколько таких электронов у которых спиновая магнитное поля направлены в одну сторону орбитальное поле при этом может быть даже равно нулю но спи новое поле существует более того из-за обменного взаимодействия в кристаллической решетке электрон из соседних атомов тоже располагают свои спиновые магнитные поля параллельно то есть в веществе возникать макроскопические области в которых магнитные поля всех электронов направлены в одну сторону что значит макроскопически это значит их можно увидеть например в микроскоп такие области получили название домены магнитные домены домены ударение на букве я носит в веществе электроны соседних атомов разворачивают свои спиновые магнитные поля в одну сторону поэтому магнитное поле очень усиливается но с другой стороны завтра мы с вами научимся вычислять энергию магнитного поля стало быть если все больше и больше атомов в куске ферромагнетика разворачивают магнитные поля электронов в одну сторону то вокруг все больше и больше магнитное поле это энергетически невыгодно но обменное взаимодействие заставляет объединяться магнитные поля отдельных атомов вместе какой же компромисс оказывается что вещество начинает делиться на домены с разной ориентации магнитного поля в целом получается что если ферромагнетика не намагничен снаружи магнитного поля нет но внутри вот такие области с по-разному ориентированным направлением магнитного поля вот несколько доменов нарисуем в одном домене магнитное поле направлено вот так в другом вот так в третьем так в четвертом вот так в пятом вот так здесь вот так тут к примеру сюда а здесь например сюда без внешнего поля магнитные поля отдельных доменов в целом компенсируют друг друга размеры этих доменов порядка 0,01 миллиметра есть методы визуализации доменной структуры с помощью микроскопа это просто можно посмотреть а теперь поместим вот это вещество во внешнее магнитное поле давайте даже я перейду на эту сторону доски чтобы у меня был простой во внешнем поле пусть она направлена вот так что происходит оказывается происходит два процесса сначала начинают двигаться стенки доменов те домены которые ориентированы вдоль внешнего поля начинают расти за счет тех доменов которые ориентированных против внешнего поля значит вот этот домен он таскать имеет правильное направление магнитного поля совпадающие со внешним он станет большим он станет вот таким а этот домен оппозиционер он будет иметь меньший объем стенки доменов начинают двигаться и домены с ориентацией магнитного поля в направлении внешнего поля будут увеличиваться в объеме а домены оппозиционеры начнут уменьшаться но вот этот домен например допустим он немножко подрастет вот этот уменьшится ну я не буду в точности копировать то что происходит но в результате получается так домены с ориентацией магнитного поля против внешнего становятся меньше а домены с ориентацией магнитного поля по внешнему становится больше в объем для этого стенки доменов должны перемещаться чем-то напоминает движение дислокаций помните мы с вами изучали свойства твердого тела мы говорили о том что дислокации легко перемещаются если в кристалле отсутствуют точечные дефекты помните я еще сгибал листочек и говорил что дислокация напоминает движение складки по ковру складку легко перемещать но если на ковре есть какой-то дефект то перемещать дислокацию через это дефект становится сложно точно так же если в магнитном материале есть примеси то стенки доменов перемещаются с трудом а это значит что гистерезиса проявляется более ярко то есть у такого материала большая карта тивная сила и большая остаточная индукция поэтому сплавы а это материалы в которых много дефектов ведут себя как жесткие ферромагнетики в них движения доменных стенок затруднено если же мы магнитное поле увеличим очень сильно намагничивающей в сильном магнитном поле то это закончится тем что все домены у которых ориентация магнитного поля против внешнего воды на поле исчезнут останутся только домен с магнитным полем ориентированным вдоль внешне а если еще постараться то в этих доменах магнитный момент магнитные поля повернуться вдоль внешнего магнитного поля и весь ферромагнетика станет одним большим доменом и дальше увеличить магнитное поле этого ферромагнетика уже будет невозможно что это такое это магнитное насыщение магнитное насыщение вот почему ферромагнетики ведут себя так сложно и еще что заставляет внутри домена магнитные поля отдельных атомов ориентироваться параллельно я уже говорил это особое квантово-механическое явление которое называется обменное взаимодействие но существует ли какой-то фактор который сразу по ряда чивает эти магнитные поля как вы думаете есть что то что вносит хаос в систему атомов кулоновского взаимодействия тут не работает обменное взаимодействие хотя это и электрическая по своей природе но там свои законы нет ребята ну хорошо представьте себе что у меня есть хорошо вот коробочка в которой много магнитных стрелы давайте посмотрим на нее в близи сейчас сделаем так что не отражалось вот коробочка в которой много магнитных стрелок смотрите эти магнитные стрелки ориентированы по разному вот эти в эту сторону это сюда тут есть стрелки в основном ориентированы в эту сторону ну вот эти стрелки немножечко противоречат своим направлениям остальным это что напоминает это напоминает вот эту ситуацию даже я бы сказал почти вот эту а вот от этого перейти сюда можно очень легко смотрите вот так я внес сразу порядочнее фактически я сделал тоже самое что происходит при нагревании вещества и если теперь мы посмотрим на эту систему стрелок что мы увидим что порядка там по уменьшилась некоторые стрелки направлены в одну сторону некоторые в другую некоторые под углом 90 градусов а теперь возьмем магнит вот обычный магнит который я вам уже показывал и будем приближать магнитка ферромагнетика эта модель ферромагнетика стрелочки это домены приближаем смотрим что будет домен и начинают разворачиваться не все правда а некоторые по магнитному полю между прочим этому можно помочь заметили вот эта стрелка повернулась значит магниты нельзя бить при этом они размагничивается но правда их можно простукивать когда вы хотите их намагнитить мы для этого должно быть внешнее магнитное поле а теперь если я поднесу магнит совсем близко то все домены ориентировались по внешнему магнитному полю больше разворачивать ничего наступила магнитное насыщение вот модель такого ферромагнетика позволяет понять откуда берется магнитное насыщение но а если я не смотря на то что ферромагнетика находится вот этот ферромагнетика находится в магнитном поле буду его трясти я внесу разу порядочнее в магниты эти внесу а фактически что я делаю я увеличил температуру следовательно можно нагреть ферромагнетика до такой температуры что вот это взаимодействие обменная которая заставляет упорядочиваться магнитные поля отдельных атомов она будет подавлено хаосом теплового движения его что тогда превратится ферромагнетика он перестанет быть ферромагнетика и он станет пара магнитным материалом а температура при которой исчезают ферромагнитные свойства называется от температура пюре или . юри температура или . queue температура скобочках . пюре у разных материалов оно разное давайте запишем заготовим эту таблицу в сторонке запишем определение что же такое температура кюри а потом эту таблицу заполнив и так запишите пожалуйста температура при которой наблюдается разрушение доменной структуры ферромагнетика температура при которой наблюдается разрушение доменной структуры ферромагнетика называется температурой кюри пера тура при которой наблюдается разрушение доменной структуры ферромагнетика называется температурой кюри давайте приведем характерные температурой кюри для известных ферромагнетиков вещество температура пюре для наглядности в градусах цельсия самая известная ферромагнетика железа сферу температура киры семьсот семьдесят градусов цельсия это тёмнокрасным пера тура тёмно красного каления значит если гвоздь нагреть до красна он перестанет быть ферромагнетиков он станет пара магнитные материалы а здесь уже написано ну хорошо тогда знаете что вот это выглядит красиво а здесь я просто тогда сотру чтобы не дублировать вот это как-то более цельно выглядит никель у него температура кюри будет пониже 356 356 градусов цельсия кобальт у него температура query 1150 тысячу сто пятьдесят градусов c самая высокая есть материалы у которых температура кюри даже ниже комнатной они ведут себя как обычные пара магнитики но если их охладить там жидким азотом например вдруг они начинают проявлять ферромагнитные свойства я не помню что это за вещество но мне встречались в справочных материалах такие вещества если мы нагреем вещество до температуры выше температура query то доменная структура разрушается и она перестаёт так сильно увеличивать индукцию магнитного поля а если мы поместим его во внешнее магнитное поле например понесем к магниту она перестанет к нему так сильно притягиваться как скажем железные гвозди в этом можно убедиться с помощью простого опыта давайте возьмем магнит вот так возьмем обычную канцелярскую скрепку это скрепка сейчас на проволочке прикреплена и я поднесу ее поближе к магниту но не дам прикоснуться она натянула эту проволоку и держится чтобы вам было лучше видно сейчас мы это все покажем на экране покрупнее так вот смотрите вот полюс магнита вот скрипачка это нихромовая проволока она выдерживает довольно высокую температуру но она не является ферромагнетика а теперь берем газовую горелку и начинаем скрепку подогревать в пламени газовой горелки под этим газком и вот скрепка упала если дать немножко ей остыть она снова вас то на кой горячая она восстанавливает свои магнитные свойства вот пожалуйста снова нагреваем как только температура достигает температуры пюре если бы было темно мы бы увидели что а вот видно что она покраснела магнитные свойства ферромагнитные свойства исчезают когда-то у нас была никелевая пластина к сожалению она потерялась из неё мы сделали диск вот здесь у нас был подшипник здесь мы разместили свечку а рядом был магнит с температура келви никеля 356 градусов до этой температуры не килевую пластиночку можно нагреть свечой что получалось никель притягивается к магниту здесь он притягивается здесь он притягивается а тут температура выше температуры кюри значит здесь он не притягивается в результате он начинает вращаться медленно где-то один оборотов в минуту но такой двигатель работает была когда-то турнирная задача сделать такой двигатель где использовалась бы вот это явление исчезновения магнитных свойств при температуре выше температуры киви водкой двигатель работающий по принципу который только что мы с вами рассмотрели ферромагнетики используются очень широко уже понятно что они используются в электромагнитных трансформаторах и напоследок хочу остановиться о том что сейчас уже уходит в прошлое а это магнитная запись информации одно из применений ферромагнетиков магнитная запись информации на жесткий диск это магнитная запись уходит в прошлое ssd-диски сейчас используется так solid-state магнитная запись информации ну действительно только в цифровой техники вот жестких дисках используется сейчас пожалуй магнитная запись а в свое время звукозапись существовало тоже на магнитной ленте устройство магнитофона очень простое магнитная лента перемещается мимо трех головок ну в хороших профессиональных магнитофонов 3 головки в любительских в домашних там их 2 головка представляет собой электромагнит вот такой формы сердечника электромагнита а здесь обмотка такие головки в профессиональных магнитофонах должно быть 3 лента движется вправо рисуем третью головку обмотка этой головки куда они подключены эта головка стирающая с.г. стирающая головка эта головка записывающая головка а это воспроизводящая головка с стирающая zg записывающая а в г воспроизводящая головка на стирающей уголовку подается высокочастотное напряжение точнее пропускается высокочастотный ток от специального генератора стирания который имеет частоту от 30 до 150 кило герц он многократно перемагничивание магнитную ленту а сделана она либо дешевая лента ferum 2 o 3 а дорогая лента это хрома 2 и таким образом он размагничивать магнитную ленту на ней ничего не записано записывающая головка подключается к усилителю к выходу усилителя и здесь это переменное магнитное поле соответственно лента намагничивается то в одном направлении то в другом после этого здесь уже записанная информация записана если вы хотите просто записать что-то на этом можно остановиться но если вы хотите послушать то что вы записали вы можете записывающую головку и стирающей уголовку отключить лента проходить мимо воспроизводящие головки здесь в этой щели в зазоре между сердеч внутри сердечника воспроизводящей головки будут меняться магнитное поле магнитный поток явление электромагнитной индукции создать здесь и д.с. если и усилить и подключить к динамику вы услышите сигнал который ранее записали с помощью записывающей головки вот так работали когда-то магнитофон и потом видеомагнитофоны но сейчас этот принцип остается в жестких дисках правда там уже не нужно стирающие головки записывающая и воспроизводящая головка объединены в одну все на сегодня отдыхаем