Основы теории ферромагнетизма

В отличие от диамагнетизма и парамагнетизма, которые являются свойствами отдельных атомов или молекул вещества, ферромагнитные свойства вещества объясняются особенностями его кристаллической структуры. Атомы железа, если взять их, например, в парообразном состоянии, сами по себе диамагнитны или лишь слабо парамагнитны. Ферромагнетизм есть свойство железа в твердом состоянии, т. е. свойство кристаллов железа.

В этом нас убеждает ряд фактов. Прежде всего на это указывает зависимость магнитных свойств железа и других ферромагнитных материалов от обработки, изменяющей их кристаллическое строение (закалка, отжиг). Далее оказывается, что из парамагнитных и диамагнитных металлов можно изготовить сплавы, обладающие высокими ферромагнитнымисвойствами. Таков, например, сплав Гойслера, почти не уступающий по своим магнитным свойствам железу, хотя он состоит из таких слабо магнитных металлов, как медь (60%), марганец (25%) и алюминий (15%). С другой стороны, некоторые сплавы из ферромагнитных материалов, например сплав из 75% железа и 25% никеля, почти не магнитны. Наконец, самым веским подтверждением является то, что при достижении определенной температуры (точка Кюри) все ферромагнитные вещества теряют свои ферромагнитные свойства.

Ферромагнитные вещества отличаются от парамагнитных не только весьма большим значением магнитной проницаемости и ее зависимостью от напряженности поля, но и весьма своеобразной связью между намагничиванием и напряженностью намагничивающего поля. Эта особенность находит свое выражение в явлении гистерезиса со всеми его следствиями: наличием остаточного намагничивания и коэрцитивной силы.

В чем причина гистерезиса? Вид кривых рис. 8 и 9, - различие между ходом нарастания намагничивания ферромагнетика при увеличении поля Н и ходом его размагничивания при уменьшении Н, - показывает, что при изменении намагничивания ферромагнетика, т. е. при увеличении или уменьшении напряженности внешнего поля, ориентация и дезориентация элементарных магнитов не сразу следует за полем, а происходит с известным отставанием. Подробное изучение процессов намагничивания и размагничивания железа и других ферромагнитных веществ показало, что ферромагнитные свойства вещества определяются не магнитными свойствами отдельных атомов или молекул, которые сами по себе парамагнитны, а намагничиванием целых областей, называемых доменами,- небольших участков вещества, содержащих очень большое количество атомов.

Взаимодействие магнитных моментов отдельных атомов ферромагнетика приводит к созданию чрезвычайно сильных внутренних магнитных полей, действующих в пределах каждой такой области и выстраивающих, в пределах этой области, все атомные магнитики параллельно друг другу, как показано на рис. 11. Таким образом, даже при отсутствии внешнего поля ферромагнитное вещество состоит из ряда отдельных областей, каждая из которых самопроизвольно намагничена до насыщения. Но направление намагничивания для разных областей различно, так что вследствие хаотичности распределения этих областей тело в целом оказывается в отсутствии внешнего поля ненамагииченным.

Под влиянием внешнего поля происходит перестройка и перегруппировка таких «областей самопроизвольного намагничивания», в результате которой получают преимущество те области, намагничивание которых параллельно внешнему полю, и вещество в целом оказывается намагниченным.

Один из примеров такой перестройки областей самопроизвольного намагничивания показан на рис. 11. Здесь схематически изображены две смежные области, направления намагничивания которых перпендикулярны друг к другу.

При наложении поля Н часть атомов области В, в которой намагничивание перпендикулярно к полю, на границе ее с областью А, в которой намагничивание параллельно полю, поворачивается, так что направление их магнитного момента становится параллельным полю. В результате область А, намагниченная параллельно внешнему полю, расширяется за счет тех областей, в которых направление намагничивания образует большие углы с направлением поля, и возникает преимущественное намагничивание тела по направлению внешнего поля. В очень сильных внешних полях возможны и повороты направления ориентации всех атомов в пределах целой области.

При снятии (уменьшении) внешнего поля происходит обратный процесс распада и дезориентации этих областей, т. е. размагничивание тела. Ввиду больших по сравнению с атомами размеров «областей самопроизвольного намагничивания» как процесс ориентации их, так и обратный процесс дезориентации происходит с гораздо большими затруднениями, чем установление ориентации или дезориентации отдельных молекул или атомов, имеющее место в парамагнитных и диамагнитных телах. Этим и объясняется отставание намагничивания и размагничивания от изменения внешнего поля,

т. е. гистерезис ферромагнитных тел.

Рис. 11. Схема, иллюстрирующая ориентацию молекулярных магнитов в «областях самопроизвольного намагничивания» А и В. а) Внешнее магнитное поле отсутствует; б) под действием внешнего магнитного поля Н области А и В перестраиваются.

В последнее время в связи с микроминиатюризацией радиоэлектронной аппаратуры проявляется большой интерес к изучению и использованию для обработки информации специфических доменных структур- полосовых, цилиндрических доменов (ЦМД) и ряда других. Долгое время микроминиатюризация магнитных элементов и устройств значительно отставала от микроминиатюризации полупроводниковых устройств. Однако, в последние годы здесь достигнуты большие успехи. Они связаны с возможностью использования единичного магнитного домена в качестве элементарного носителя информации. Обычно таким носителем информации является ЦМД. Он формируется при определенных условиях в монокристаллических пластинках или пленках некоторых ферритов.

Доменная структура таких тонких ферритовых пленок весьма специфична. Характер доменов и границ между ними существенно зависит от толщины пленки. При малой толщине из-за того, что размагничивающий фактор в плоскости пленки на много порядков меньше, чем в направлении нормали к ней, намагниченность располагается параллельно плоскости пленки. В этом случае образования доменов с противоположными направлениями намагничивания по толщине пленки не происходит. В пленках, толщина которых больше некоторой критической, возможно образование доменов полосовой конфигурации. Пленка разбивается на длинные узкие домены шириной от долей микрометра до нескольких микрометров, причем соседние домены намагничены в противоположных направлениях вдоль нормали к поверхности. Такие магнитные пленки получили название «закритических», их толщина находится в пределах 0,3-10 мкм

Приложение внешнего магнитного поля, направленного перпендикулярно плоскости пленки с полосовыми доменами, приводит к изменению размеров и формы доменов. При увеличении поля происходит уменьшение длины полосовых доменов, а затем наименьший домен превращается в цилиндрический. В некотором интервале значений внешнего магнитного поля в пленке могут существовать как полосовые домены, так и ЦДМ. Дальнейшее увеличение поля приводит к тому, что ЦДМ уменьшается в диаметре, а оставшиеся полосовые домены превращаются в цилиндрические. ЦДМ могут исчезнуть (коллапсировать) при достижении некоторого значения поля и, таким образом, вся пленка намагнитится однородно. Впервые ЦДМ наблюдались в пленках ортоферритов – веществах, имеющих химическую формулу

RfeO₃, где R- редкоземельный элемент.

ЦДМ могут использоваться для создания запоминающих и логических устройств. При этом наличие домена в данной точке пленки соответствует значению «1», а отсутствие –значению «0». Для хранения и передачи информации с помощью ЦДМ нужно уметь формировать домены, хранить их, перемещать в заданную точку, фиксировать их присутствие или отсутствие (т.е. считывать информацию), а также разрушать ненужные ЦДМ.

По свои магнитным свойствам все вещества делятся на слабомагнитные и сильномагнитные. Кром того магнетики классифицируют в зависимости от механизма намагничивания. Диамагнетики Диамагнетики относят к слабомагнитным веществам. В отсутствии магнитного поля они не намагничены. В таких веществах при их внесении во внешнее магнитное поле в молекулах и атомах изменяется движение электронов так, что образуется ориентированный круговой ток. Ток характеризуют магнитным моментом (pm): где S -- площадь витка с током. Создаваемая этим круговым током, дополнительная к внешнему полю, магнитная индукция направлена против внешнего поля. Величина дополнительного поля может быть найдена как: Диамагнетизмом обладает любое вещество. Магнитная проницаемость диамагнетиков очень незначительно отличается от единицы. Для твердых тел и жидкостей диамагнитная восприимчивость имеет порядок приблизительно 10−5, для газов она существенно меньше. Магнитная восприимчивость диамагнетиков не зависит от температуры, что было открыто экспериментально П. Кюри. Диамагнетики делятся на «классические», «аномальные» и сверхпроводники. Классические диамагнетики имеют магнитную восприимчивость $\varkappa В несильных магнитных полях намагниченность диамагнетиках пропорциональна напряженности магнитного поля (→ H):
где ϰ -- магнитная восприимчивость среды (магнетика). На рис.1 представлена зависимость намагниченности «классического» диамагнетика от напряженности магнитного поля в слабых полях. Рис.1 Парамагнетики Парамагнетики, также относят к слабомагнитным веществам. Молекулы парамагнетиков имеют постоянный магнитный момент (pm→). Энергия магнитного момента во внешнем магнитном поле вычисляется по формуле: Минимальное значение энергии достигается тогда, когда направление pm→ совпадает с B→. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле в соответствии с распределением Больцмана появляется преимущественная ориентация магнитных моментов его молекул в направлении поля. Появляется намагничивание вещества. Индукция дополнительного поля совпадает с внешним полем и соответственно усиливает ее. Угол между направлением pm→ и B→ не изменяется. Переориентирование магнитных моментов в соответствии с распределением Больцмана происходит за счет столкновений и взаимодействия атомов друг с другом. Парамагнитная восприимчивость (ϰ) зависит от температуры по закону Кюри:
или закону Кюри -- Вейсса: где C и C' -- постоянные Кюри, △ - постоянная, которая бывает больше и меньше нуля. Магнитная восприимчивость (ϰ) парамагнетика больше нуля, но, как и у диамагнетика весьма мала. Парамагнетики делят на нормальные парамагнетики, парамагнитные металлы, антиферромагнетики. У парамагнитных металлов магнитная восприимчивость не зависит от температуры. Эти металлы слабомагнитны ϰ≈10−6. У парамагнетиков существует такое явление ка парамагнитный резонанс. Допустим, что в парамагнетике, который находится во внешнем магнитном поле, создают дополнительное периодическое магнитное поле, вектор индукции этого поля перпендикулярен вектору индукции постоянного поля. В результате взаимодействия магнитного момента атома с дополнительным полем создается момент сил (M→), который стремится изменить угол между pm→ и B→. Если частота переменного магнитного поля и частота прецессии движения атома совпадают, то созданный переменным магнитным полем момент сил либо все время увеличивает угол между pm→ и B→, либо уменьшает. Это явление и называют парамагнитным резонансом. В несильных магнитных полях намагниченность в парамагнетиках пропорциональна напряженности поля, и выражается формулой (3) (рис.2).

Рис. 2 Ферромагнетики Ферромагнетики относят к сильномагнитным веществам. Магнетики, магнитная проницаемость которых достигает больших значений и зависит от внешнего магнитного поля и предшествующей истории называют ферромагнетиками. Ферромагнетики могут иметь остаточную намагниченность. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков является функцией от напряженности внешнего магнитного поля. Зависимость J(H) представлена на рис. 3. Намагниченность имеет предел насыщения (Jnas). Рис. 3 Существование предела насыщения намагниченности указывает, что намагниченность ферромагнетиков вызвана переориентировкой некоторых элементарных магнитных моментов. У ферромагнетиков наблюдается явление гистерезиса (рис.4).