Природа ферромагнетизма

Согласно гипотезе Ампера внутри атомов и молекул текут молекулярные токи, а следовательно, имеются маленькие магниты. По сути дела гипотеза Ампера блестяще подтвердилась, когда была открыта электронная структура атома. Движение электронов вокруг ядер атомов является элементарными токами, создающими магнитные моменты.

У переходных металлов внутренние электронные орбитали (3d или 5f) заполнены не полностью. Поэтому у атомов таких элементов имеется значительный магнитный момент или спин.

     В том случае, за счет взаимодействия соседних магнитных моментов энергия атомов понижается на величину обменной энергии (U_обм). Величина обменной энергии зависит от квантовомеханической функции - обменного интеграла (А) и взаимной ориентации суммарных спиновых моментов соседних атомов:

U_обм = –А (s_1•s₂)                                                  (4)

Обменное взаимодействие может привести к параллельной взаимной ориентации магнитных моментов соседних атомов.

Тогда за счет попарного обменного взаимодействия спины первого и второго атомов устанавливаются параллельно, третьего и второго – параллельно, четвертого и третьего и т.д. Таким образом, все магнитные моменты атомов в кристалле выстроятся параллельно. Такое упорядочение спинов соответствует намагниченному состоянию вещества, возникающему даже в отсутствии внешнего магнитного поля. Это явление называется спонтанная или самопроизвольная намагниченность и наблюдается в ферромагнетиках. Из химических элементов ферромагнитными являются железо, кобальт, никель и некоторые редкоземельные металлы.

Доменная структура ферромагнетиков

Магнитные моменты соседних атомов ферромагнетиков ориентированы параллельно, однако в кристалле достаточно большого размера все магнитные моменты не могут быть ориентированы параллельно. В противном случае вокруг кристалла появится магнитное поле и энергия системы возрастет. Для снижения энергии системы кристалл разбивается на домены - области спонтанной намагниченности, причем разбиение производится таким образом, чтобы внешнее магнитное поле отсутствовало (рис. 5.1). Такое разбиение образует доменную структуру ферромагнетика.