Структура ферромагнетиков и природа ферромагнетизма

Изучение этих вопросов связано со значительными трудностями, так как природа ферромагнетизма не раскрывается классической физикой, а объясняется только квантовой физикой, с которой студенты на этапе выполнения работы не знакомы. Поэтому при изучении литературы [1, с.169-173; 2, с.245-250; 3, с. 229-242] студентам рекомендуется особое внимание обратить на следующие основные положения.

1. Ферромагнетиками называются кристаллические вещества, состоящие из макроскопических, но небольших по объему (10^-6-10^-3мм^-3) областей спонтанной намагниченности - доменов.

В пределах своих границ каждый домен намагничен однородно и до насыщения. В любом кристаллике поликристаллического ферромагнитного образца (рис.1) магнитная индукция соседних доменов ориентируется по одной из «осей легкого намагничивания» кристаллика во взаимно противоположных направлениях.

В целом же в кристаллическом образце домены ориентируются равновероятно по всем направлениям. Поэтому он не имеет и внутреннего, и внешнего результирующего магнитного поля. Образец оказывается ненамагниченным, и это его состояние устойчиво. Оно соответствует минимуму свободной энергии образца, состоящей из энергии магнитного поля всех доменов и энергии взаимодействия электронов соседних атомов кристаллической решетки при ковалентной их связи друг с другом (см. рис.4).

2. Природа спонтанной намагниченности доменов - квантовая, т.е. объясняется квантовой физической теорией.

Все электроны обладают спиновыми (собственными) магнитными моментами , которые способны определенным образом ориентироваться в пространстве, например, вследствие взаимного влияния или под действием внешнего магнитного поля. Отметим, что m_S = 1,6×10^-23Дж/Тл (1 Дж/Тл = 1 А×м²). Атомы ферромагнетиков имеют недостроенную, неполностью занятую электронами внутреннюю оболочку. Так, у атомов железа, имеющих четыре электронных оболочки, первая и вторая из них заняты полностью, третья внутренняя оболочка из 18 возможных имеет только 14 электронов, внешняя оболочка содержит два валентных электрона (рис.2). Электроны в каждой оболочке отдельно взятого атома попарно имеют антипараллельную ориентацию собственных магнитных моментов, обеспечивая нулевой результирующий спиновый магнитный момент атомов

В процессе кристаллизации ферромагнетика магнитные моменты части электронов недостроенных внутренних оболочек в результате их взаимодействия ориентируются строго параллельно друг другу и «оси легкого намагничивания» образующегося кристаллика, как показано на рис.2. В итоге возникают результирующие спиновые магнитные моменты атомов кристаллической решетки (рис.3), образующие в совокупности магнитный момент домена , намагниченность которого (где V_Д - объем домена) равна по порядку величины 10⁷ - 10⁹ А/м. Этот процесс протекает спонтанно и одновременно с обобществлением валентных электронов (оболочка 4) соседних атомов кристалла.

Взаимно параллельная ориентация магнитных моментов сопровождается уменьшением энергии взаимодействия электронов соседних атомов («обменной энергии» Е _о). Она тем меньше, чем больше объем V _Д домена. Однако с возрастанием объема домена увеличивается его магнитный момент и, следовательно, энергия магнитного поля Е _м домена. Минимальная суммарная энергия Е _min получается при некотором фиксированном, устойчивом объеме домена V _Д, как показано на рис.4.

Этому же условию способствует деление кристалликов ферромагнетика на домены с антипараллельной ориентацией магнитных моментов (рис.1). Магнитная энергия кристалла при таком делении резко уменьшается, а обменная энергия увеличивается в значительно меньшей степени. Ее увеличение происходит на объемных границах («стенках Блоха») между доменами вследствие постепенной переориентации спиновых магнитных моментов атомов, как показано на рис.5. Еще большему уменьшению свободной энергии поликристаллических ферромагнетиков способствует произвольная ориентация доменов, относящихся к разным монокристалликам образца (рис.1).

Кривая начального намагничивания ферромагнетика

При изучении литературы [2, с. 223-226; 3, с. 232-242] студенту следует уяснить сущность процесса «технического намагничивания» ферромагнетика, основные особенности которого состоят в следующем:

1. При размещении не намагниченного ферромагнетика (поликристаллического образца) во внешнем магнитном поле, например, в поле соленоида с током, происходит его принудительное или «техническое» намагничивание, при котором все домены образца полностью или частично ориентируются в направлении напряженности намагничивающего поля, как показано на рис.6 (поле Н ₁ <H ₂ <H ₃). В ферромагнитном образце магнитное поле характеризуется индукцией , причем зависимость В = f ₁ (H) - нелинейная и в общем случае неоднозначная. Только процесс начального технического намагничивания ферромагнетика может быть выражен зависимостью В = m_оmH, где m _о - магнитная постоянная; m - магнитная проницаемость вещества, зависящая от напряженности поля: m=f ₂ (H).

На рис.7 показана кривая начального намагничивания (сплошная линия). Она имеет три характерных участка, соответствующих рис.6. На участке 1 с увеличением напряженности поля происходит обратимое смещение границ и увеличение объема доменов, ориентация которых близка к направлению поля Н Соседние антипараллельные домены уменьшаются. На участке 2 этот процесс становится интенсивным, скачкообразным (эффект Баркгаузена) и необратимым. При скачкообразном изменении индукции поля внутри кристаллов возникают вихревые токи, нагревающие вещество, вследствие чего теряется энергия намагничивающего поля. Часть ее преобразуется также в энергию возникающих звуковых волн. В конце участка 2 большинство доменов, поглотив соседние, оказывается сориентированными по осям легкого намагничивания кристаллов, близких по направлению к полю . На участке 3 сильное намагничивающее поле вызывает процесс медленного и монотонного вращения доменов до направления, совпадающего с направлением поля . В результате наступает состояние насыщения намагниченности ферромагнетика (Н_S, B_S). Дальнейшее увеличение индукции не зависит от его свойств и связано только с ростом .

2. Магнитная проницаемость , как видно из кривой начального намагничивания, возрастает в слабых полях от некоторого начального значения m_н до максимального значения при Н = Н _о, как показано на рис.8. При дальнейшем увеличении намагничивающего поля магнитная проницаемость уменьшается, асимптотически приближаясь к значению m =1, когда ферромагнетик практически не влияет на магнитное поле в занимаемом им объеме. Само понятие «магнитная проницаемость» для ферромагнетика применимо только к «кривой начального намагничивания».