Ферромагнитные домены

В ферромагнетике при все спиновые моменты атомов с недостроенными d - или f -оболочками ориентируются параллельно друг другу. В результате этого намагниченность макроскопического образца должна быть близка к намагниченности насыщения. Опыт показывает, однако, что намагниченность случайно взятого куска ферромагнетика часто оказывается равной нулю. При помещении этого образца в магнитное поле результирующий магнитный момент возрастает и в достаточно слабых полях достигает насыщения.

Первое качественное объяснение такого поведения ферромагнетиков было дано в 1910 г. П. Вейссом на основе высказанной им гипотезы о существовании в ферромагнетике областей спонтанной намагниченности – доменов.

Теоретическое обоснование гипотезы Вейсса было дано Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшицем.

Вейсс предположил, что макроскопический образец ферромагнетика разбивается на множество доменов, каждый из которых намагничен до насыщения, но намагниченности отдельных доменов ориентированы различным образом. Намагниченность тела как целого представляет собой векторную сумму намагниченностей отдельных доменов.

На рис. 9.12 изображены доменные структуры, соответствующие нулевой результирующей намагниченности.

Намагничение ферромагнитного образца, имеющего нулевой результирующий магнитный момент при = 0, происходит за счет измене­ния формы и ориентации доменов (рис. 9.13).

В слабых полях наблюдается увеличение объема «выгодно» расположенных относительно внешнего поля доменов, за счет доменов с «невыгодной» ориентацией, т. е. имеет место процесс смещения границ до­менов. Процесс намагничения в слабых полях обратим.

Если внешнее поле снять, то домены восстановят исходную форму и размеры.

Увеличение поля приводит к тому, что рост выгодно ориентированных доменов осуществляется тоже за счет необратимых процессов. Обратимому смещению границ доменов могут, например, пре­пятствовать дефекты кристаллической структуры. Чтобы преодо­леть их действие, граница домена должна получить от внешнего поля достаточно большую энергию. Если снять намагничивающее поле, то дефекты помешают границам доменов вернуться в исход­ное положение. Процессы необратимого смещения границ доменов обусловливают эффект Баркгаузена, заключающийся в том, что при плавном увеличении напряженности поля значение возрас­тает в ферромагнетике не плавно, а скачкообразно (рис.9.13,г). В области высоких полей намагничение осуществляется за счет поворота намагниченностей доменов по направлению поля. При этом постепенно намагниченность выходит на так называемое техническое насыщение (участок III). После достижения технического насыщения наблюдается очень медленное возрастание на­магниченности. Оно обусловлено тем, что при Т=0 К не все спи­ны внутри доменов ориентированы строго параллельно. В сильных полях достигается параллельная ориентация магнитных моментов. Этот процесс получил название парапроцесса.

Теория процессов смещения б ыла разработана в 1938 г.. Е. И. Кондорским,

а теория процессов вращения Н. С. Акуловым.

Предположим, что образец намагничен до насыщения.

Попытаемся размагнитить его, уменьшая постепенно внешнее поле до нуля. Изменение намагниченности не будет теперь описываться той кривой, которая наблюдалась при намагничении образца (рис. 9.13,г).

Из-за того, что произошло необратимое смещение границ доменов при =0, сохранится некоторая намагниченность , получившая название остаточной.

Для достижения нулевой намагниченности требуется приложить размагничивающее поле , называемое коэрцитивной силой. Когда поле достигает больших отрицательных значений, образец намагничивается до на­сыщения в противоположном направлении.

Полный цикл перемагничения при изменении поля от - до - описывается петлей гистерезиса, изображенной на рис. 9.2.

Рис. 9.13,г, на котором изображена часть петли гистерезиса, наглядно показывает, что процесс размагничения отстает от уменьшающего поля. Это значит, что энергия, полученная ферро­магнетиком при намагничении, не полностью отдается в процессе размагничения. Часть энергии теряется.

Найдем значение потерян­ной энергии.

Пусть при = 0 образец был ненамагничен (т. е. J =0).

Магнитная энергия, накапливаемая образцом при увеличении поля от Н =0 до Н=Н , определяется выражением .

Здесь — намагниченность, достигаемая при поле Н ₁

По виду петли гистерезиса все ферромагнитные материалы можно разделить на две большие группы — магнитомягкие и магнитотвердые.

· К магнитомягким относят материалы, имеющие низкие значения коэрцитивной силы (Н _с<800 А/м),

· к магнитотвердым — материалы с большой коэрцитивной силой (Н _с>4 кА/м).

Магнитомягкие материалы применяются в основном для изготов­ления сердечников трансформаторов, магнитотвердые — для изго­товления постоянных магнитов.