Природа ферромагнетизма

Рассматривая магнитные свойства ферро­магнетиков, мы не вскрывали физическую природу этого явления. Описательная тео­рия ферромагнетизма была разработана французским физиком П. Вейссом (1865—1940). Последовательная количе­ственная теория на основе квантовой ме­ханики развита советским физиком Я. И. Френкелем и немецким физиком В. Гейзенбергом (1901 — 1976).

Согласно представлениям Вейсса, ферромагнетики при температурах ниже точки Кюри обладают спонтанной намаг­ниченностью независимо от наличия внеш­него намагничивающего поля. Спонтанное намагничение, однако, находится в кажу­щемся противоречии с тем, что многие ферромагнитные материалы даже при тем­пературах ниже точки Кюри не намагниче­ны. Для устранения этого противоречия Вейсс ввел гипотезу, согласно которой ферромагнетик ниже точки Кюри разбива­ется на большое число малых макроскопи­ческих областей — доменов,самопроиз­вольно намагниченных до насыщения.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных до­менов ориентированы хаотически и ком­пенсируют друг друга, поэтому результи­рующий магнитный момент ферромагнети­ка равен нулю и ферромагнетик не намагничен. Внешнее магнитное поле ори­ентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов, как это имеет место в случае парамагнетиков, а целых об­ластей спонтанной намагниченности. По­этому с ростом Н намагниченность

J (см. рис. 192) и магнитная индукции В (см. рис. 193) уже в довольно слабых полях растут очень быстро. Этим объясня­ется также увеличение mферромагнетиков до максимального значения в слабых по­лях (см. рис. 194). Эксперименты показа­ли, что зависимость В от Я не является такой плавной, как показано на рис. 193, а имеет ступенчатый вид. Это свидетель­ствует о том, что внутри ферромагнетика домены поворачиваются по полю скачком.

При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ферромагнетики сохраняют остаточное намагничение, так как тепло­вое движение не в состоянии быстро дезо­риентировать магнитные моменты столь крупных образований, какими являются домены. Поэтому и наблюдается явление магнитного гистерезиса (рис.195). Для того чтобы ферромагнетик размагнитить, необходимо приложить коэрцитивную си­лу; размагничиванию способствуют также встряхивание и нагревание ферромагнети­ка. Точка Кюри оказывается той темпера­турой, выше которой происходит разруше­ние доменной структуры.

Существование доменов в ферромагне­тиках доказано экспериментально. Пря­мым экспериментальным методом их на­блюдения является метод порошковых фи­гур.На тщательно отполированную по­верхность ферромагнетика наносится во­дная суспензия мелкого ферромагнитного порошка (например, магнетита). Частицы оседают преимущественно в местах мак­симальной неоднородности магнитного по­ля, т. е. на границах между доменами. Поэтому осевший порошок очерчивает границы доменов и подобную картину мож­но сфотографировать под микроскопом. Линейные размеры доменов оказались рав­ными 10^-4—10^{-2 см.}

Дальнейшее развитие теории ферро­магнетизма Френкелем и Гейзенбергом, а также ряд экспериментальных фактов позволили выяснить природу элементар­ных носителей ферромагнетизма. В насто­ящее время установлено, что магнитные свойства ферромагнетиков определяются спиновыми магнитными моментами элек­тронов (прямым экспериментальным ука­занием этого служит опыт Эйнштейна и де Гааза, см. § 131). Установлено также, что ферромагнитными свойствами могут обла­дать только кристаллические вещества, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки с не­скомпенсированными спинами. В подо­бных кристаллах могут возникать силы, которые вынуждают спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться па­раллельно друг другу, что и приводит к возникновению областей спонтанного намагничения. Эти силы, называемые об­менными силами,имеют квантовую при­роду — они обусловлены волновыми свой­ствами электронов.

Так как ферромагнетизм наблюдается только в кристаллах, а они обладают ани­зотропией (см. §70), то в монокристаллах ферромагнетиков должна иметь место анизотропия магнитных свойств (их за­висимость от направления в кристалле). Действительно, опыт показывает, что при одних направлениях в кристалле его на­магниченность при данном значении на­пряженности магнитного поля наиболь­шая (направление легчайшего намагниче­ния), в других — наименьшая (направле­ние трудного намагничения). Из рассмот­рения магнитных свойств ферромагнети­ков следует, что они похожи на сегнето­электрики (см. §91).

Существуют вещества, в которых об­менные силы вызывают антипараллельную ориентацию спиновых магнитных моментов электронов. Такие тела называются антиферромагнетиками.Их существова­ние теоретически было предсказано Л. Д. Ландау. Антиферромагнетиками являются некоторые соединения марганца (МnО, MnF₂), железа (FeO, FeCl₂) и мно­гих других элементов. Для них также су­ществует антиферромагнитная точка Кю­ри (точка Нееля), при которой магнит­ное упорядочение спиновых магнитных моментов нарушается и антиферромагне­тик превращается в парамагнетик, пре­терпевая фазовый переход II рода (см. §75).

В последнее время большое значение приобрели полупроводниковые ферромаг­нетики — ферриты,химические соедине­ния типа МеО•Fе₂О₃, где Me — ион двух­валентного металла (Mn, Co, Ni, Cu, Mg, Zn, Cd, Fe). Они отличаются заметными ферромагнитными свойствами и большим удельным электрическим сопротивлением (в миллиарды раз большим, чем. у ме­таллов). Ферриты применяются для изго­товления постоянных магнитов, ферритовых антенн, сердечников радиочастотных контуров, элементов оперативной памяти в вычислительной технике, для покрытия пленок в магнитофонах и видеомагнитофо­нах и т. д.