Ферромагнетизм

Ферромагнетики – твердые вещества, обладающие спонтанным магнитным моментом M – конечной намагниченностью даже при отсутствии внешнего магнитного поля. В этом состоянии электронные спины и магнитные моменты ориентированы упорядоченным образом, что характеризуется некоторым эффективным магнитным полем – так называемым обменным полем. В ферромагнитных веществах величина χ может иметь очень большие значения – до 10⁴ -10⁶.

К ферромагнетикам относятся только кристаллы девяти химических элементов: железа (Fe), кобальта (Co), никеля (Ni), гадолиния (Gd), диспрозия (Dy), тербия (Tb), гольмия (Ho), эрбия (Er), тулия (Tm). Если проанализировать структуру электронных оболочек ферро-магнитных веществ, то можно заметить очень важную их особенность: у всех ферромагнетиков полностью заполнена внешняя электронная оболочка, но недостроены внутренние (предвнешние) электронные оболочки. У переходных металлов группы железа (Fe, Co, Ni) недостроена 3d-оболочка (гиперссылка 8.3), у редкоземельных элементов (Dy, Tb, Ho, Er, Tm) недостроена 4f-оболочка.

Магнитные моменты заполненных электронных оболочек равны нулю в силу четного числа электронов в них. Каждая пара электронов из-за антипараллельности спинов, и, следовательно, магнитных моментов, дает нулевой вклад в общий магнитный момент оболочки.

Ферромагнетизм обусловлен магнитными моментами электронов незаполненных оболочек. Орбитальные магнитные моменты атомов скомпенсированы. Поэтому, за явление ферромагнетизма ответственен не орбитальный, а спиновый магнитный момент электрона.

Не все химические элементы с недостроенными оболочками обладают ферромагнитными свойствами. Необходимо еще наличие так называемого обменного взаимодействия между электронами недостроенных оболочек соседних атомов:

- если выгодным оказывается или параллельная ориентация спинов электронов, участвующих в обмене – это способствует самопроизвольному намагничению, т.е. возникновению ферромагнетизма;

- если выгодным оказывается или антипараллельная ориентация спинов электронов – возникает явление, получившее название антиферромагнетизма (см. ниже).

Однако опыт показывает, что намагниченность ферромагнитного образца часто оказывается нулевой и только при помещении его во внешнее магнитное поле намагниченность возрастает и быстро достигает насыщения уже в достаточно слабых полях.

Вейсс предположил, что макроскопический образец ферромагнетика разбивается на множество областей, называемых доменами, каждый из которых намагничен до насыщения. Однако направления векторов суммарной намагниченности отдельных доменов ориентированы по-разному, и результирующая намагниченность образца ферромагнетика оказывается нулевой (рис. 8.4).

Рисунок 8.4. Ферромагнитный образец
с нулевой результирующей намагниченностью

Друг от друга домены отделены слоями, в которых происходит поворот спинов от ориентации, свойственной одному домену, к ориентации, свойственной соседнему. Такие слои называются стенками Блоха (рис. 8.5). В железе их толщина достигает приблизительно 300 постоянных решетки (около 1000 Å).

Рисунок 8.5. Изменение направления спинов
на границе доменов (в стенке Блоха)

Полный переворот спинов соседних доменов не осуществляется скачком в одной области, как это показано на рис. 8.5, а. а происходит плавный поворот ориентации спинов так, как показано на рис. 8.5, б.

Доменные границы по своему поведению во многом сходны с границами зерен в поликристаллах. Они обладают повышенной энергией и при стремлении системы к уменьшению общей энергии способны перемещаться в сторону домена с более высокой энергией, уменьшая тем самым суммарный объем доменов с высокой энергией. Этот процесс играет важнейшую роль при намагничивании ферромагнетиков.

Магнитные моменты атомов и ионов ферромагнетиков благодаря существующему между этими частицами обменному взаимодействию направлены одинаково, поэтому ферромагнетики всегда намагничены. Однако в отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность макроскопических ферримагнитных образцов может не проявляться. Т.к. магнитные моменты малых областей ферромагнетиков - доменов направлены различно, суммарный магнитный момент может быть равен нулю (рис.8.6, а).

а) б)

Рисунок 8.6

Во внешнем магнитном поле намагниченность ферромагнетиков увеличивается вследствие роста числа доменов с вектором намагниченности, близким к направлению поля, и последующего поворота магнитных моментов доменов по полю (рис. 8.6, б).

Намагничивание ферромагнитного образца, имеющего нулевой результирующий магнитный момент в отсутствии внешнего поля, происходит за счет изменения формы и ориентации доменов (рис. 8.7). При нулевом поле суммарному объему доменов, намагниченных в одном направлении, соответствует равный ему объем доменов, намагниченных в противоположном направлении (рис. 8.7, а), и поэтому результирующая намагниченность равна нулю. Это равновесие, однако, нарушается при наложении внешнего магнитного поля Н.

Н

Н

а)

б)

в)

Рисунок 8.7

Весь процесс намагничивания ферромагнетика во внешнем поле можно разделить на несколько этапов. Рассмотрим кратко эти этапы.

В слабых полях наблюдается увеличение объема «выгодно» расположенных относительно внешнего поля доменов за счет доменов с «невыгодной» ориентацией (рис. 8.7, б). Если внешнее поле снять, то домены восстановят исходную форму и размеры. Эти процессы называют обратимым смещением границ доменов. На кривой зависимости намагниченности от напряженности поля (рис. 8.8) этот участок приблизительно соответствует пологой части 1 кривой намагничивания.

Н

М

МR

НC

Рисунок 8.8

Если внешнее поле Н продолжает увеличиваться, то происходят необратимые процессы, которые возникают за счет препятствий, создаваемых дефектами кристаллической структуры. Чтобы преодолеть их действие, граница домена должна получить от внешнего поля достаточно большую энергию. Если снять внешнее поле, то дефекты помешают границам домена вернуться в исходное положение. Этот этап носит название необратимого смещения и на рис. 8.8 он отвечает участку 2.

В области высоких полей намагничивание происходит за счет поворота намагниченности доменов по направлению поля (рис. 8.7, в). При этом намагниченность выходит на насыщение (техническое). Это процесс вращения отмечен на рис. 8.8 цифрой 3.

После этого наблюдается очень медленный рост намагниченности, т.к. при T≈0 К тепловое движение не дает всем спинам доменов ориентироваться строго параллельно. В сильных полях наблюдается так называемый парапроцесс, который заключается в достижении параллельной ориентации спинов (на рис. 8.8 это область 4).

Если после достижения намагниченности насыщения отключить внешнее поле, то ферромагнетик не размагничивается полностью, а сохраняет остаточную намагниченность M_R. Для достижения нулевой намагниченности требуется приложить размагничивающее поле H _C, называемое коэрцитивной силой.

H

M

Ms

Hc

Полный цикл перемагничивания ферромагнитного образца представляется петлей гистерезиса (рис. 8.9).

Рисунок 8.9

Характерной особенностью этой кривой является то, что она наглядно показывает отставание процесса размагничивания от уменьшающегося намагничивающего поля. Это отставание показывает, что энергия, приобретенная ферромагнетиком при намагничивании, не полностью отдается при размагничивании, а часть ее теряется.

Величина магнитной энергии, потерянной в течение полного цикла, пропорциональна площади, охватываемой петлей гистерезиса. Потери магнитной энергии связаны, главным образом, с преодолением препятствий движению доменных границ, т.е. с величиной коэрцитивной силы H_c, которая чрезвычайно структурно-чувствительна: она резко возрастает с уменьшением размера зерна, при наличии искажений решетки, дислокаций, частиц других фаз и других факторов, препятствующих смещению доменных границ. Величина коэрцитивной силы H_c может меняться от сотен тысяч до нескольких единиц ампер на метр.

Ферромагнетики с узкой петлей гистерезиса называют мягкими, их используют для изготовления сердечников трансформаторов, генераторов, двигателей, где ферромагнетик подвергается частым перемагничиваниям.

Ферромагнетики с широкой петлей гистерезиса называют жесткими и используют для изготовления постоянных магнитов.

Процесс намагничивания ферромагнетиков сопровождается изменением их линейных размеров и объема. Это явление называется магнитострикцией. Например, образец из никеля при намагничивании до насыщения сжимается в направлении поля и увеличивается в поперечном направлении. Железный образец, наоборот, удлиняется в направлении поля.

Каждому ферромагнитному веществу соответствует некоторая определенная температура, выше которой перечисленные особенности ферромагнитного состояния исчезают и оно обретает парамагнитные свойства. Такая температура называется температурой или точкой Кюри T_К. Гиперссылка 8.4 Иногда температура Кюри лежит в узкой температурной области.

Наличие температуры Кюри связано с разрушением при T>T_К упорядоченного состояния в магнитной подсистеме кристалла – параллельной ориентации магнитных моментов. Например, для железа точка Кюри равна 768° С, для никеля 358° С, для кобальта 1120° С, а для гадолиния 17° С.

Ферромагнитные материалы играют огромную роль в самых различных областях современной техники. Магнитомягкие материалы используются в электротехнике при изготовлении трансформаторов, электромоторов, генераторов, в слаботочной технике связи и радиотехнике; магнитожесткие материалы применяют при изготовлении постоянных магнитов.

При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остается намагниченным, т.е. создает магнитное поле в окружающем пространстве.

Упорядоченная ориентация элементарных токов не исчезает при выключении внешнего магнитного поля. Благодаря этому существуют постоянные магниты. Постоянные магниты находят широкое применение в электроизмерительных приборах, громкоговорителях и телефонах, звукозаписывающих аппаратах, магнитных компасах и т.д.

Магнитные материалы широко используются в традиционной технологии записи информации в винчестере. (Гиперссылка 8.5)