О теории ферромагнетизма

Ферромагнитные вещества состоят из атомов, в которых спиновые магнитные моменты электронов не скомпенсированы. Как правило, это кристаллические вещества, для которых характерна 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 намагничивания), в других - наименьшая (направление трудного намагничивания). Из рассмотрения магнитных свойств ферромагнетиков следует, что они похожи на сегнетоэлектрики (см. § 2.11).

Физическую природу ферромагнетизма удалось понять с помощью квантовой физики. При определенных условиях в веществе может возникать так называемое обменное взаимодействие между атомами, которое заставляет не скомпенсированные спиновые магнитные моменты электронов устанавливаться параллельно друг другу. В результате возникают области (размером 1-10 мкм) спонтанного, т.е. самопроизвольного, намагничивания. Эти области называют доменами. В каждом домене спиновые магнитные моменты электронов имеют одинаковое направление, вследствие чего каждый домен оказывается намагниченным до насыщения и имеет определенный магнитный момент. Направления этих моментов для разных доменов различны, поэтому при отсутствии внешнего поля суммарный момент образца равен нулю, т.е. образец в целом не намагничен.

При включении внешнего магнитного поля домены, ориентированные по полю, растут за счет доменов, ориентированных против поля, а также происходит переориентация магнитных моментов в пределах всего домена. Этот процесс в слабых полях является обратимым, а в более сильных полях – необратим. Необратимый процесс перемагничивания приводит к неоднозначной зависимости намагниченности от величины внешнего магнитного поля и служит причиной гистерезиса.

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. рисунок 49) и магнитная индукции В (см. рисунок 50) в сравнительно слабых полях растут очень быстро. Этим объясняется также увеличение магнитной проницаемости m ферромагнетиков до максимального значения в слабых полях (см. рисунок 51). Эксперименты показали, что зависимость В от Н не является такой плавной, как показано на рисунке 50, а имеет ступенчатый вид. Это явление носит название эффект Баркгаузена. Оно обусловлено наличием доменов в ферромагнетике, переориентация которых происходит скачком (а не плавно).

Силы обменного взаимодействия вызывают в ферромагнетиках параллельную ориентировку электронных спинов. Однако обменные силы зависят от структуры тела, и поэтому характер вызываемой ими ориентировки спинов может быть различен. Оказывается, что существуют вещества, в которых также возникает сильная ориентировка электронных спинов, но, в отличие от ферромагнетиков, электронные спины ориентированы в них попарно антипараллельно. В простейшем случае электронные спины образуют как бы две пространственные подрешетки, вставленные друг в друга и намагниченные в противоположных направлениях.

Вещества, в которых намагничение обеих подрешеток одинаково по величине, получили название антиферромагнетиков. Их существование было предсказано теоретически Л. Д. Ландау в 1933 г. Антиферромагнетиками являются некоторые соединения марганца (MnO, MnS), хрома (NiCr, Cr₂O₃), ванадия (VO₂) и др. Подобные вещества при низких температурах имеют ничтожно малую магнитную восприимчивость. При повышении температуры строгая попарная антипараллельность электронных спинов нарушается и магнитная восприимчивость увеличивается. При некоторой температуре (антиферромагнитная температура Кюри или температура Нееля) области самопроизвольной ориентировки электронных спинов разрушаются и антиферромагнетик превращается в парамагнетик. При дальнейшем повышении температуры магнитная восприимчивость, как у всякого парамагнетика, уменьшается, а, следовательно, при антиферромагнитной температуре Кюри магнитная восприимчивость имеет максимум.

Если намагничение обеих подрешеток неодинаково по величине, то появляется некомпенсированный антиферромагнетизм и вещество может приобрести значительный магнитный момент. Такой характер намагничивания имеет место в ферритах, которые в последнее время приобрели большое значение. Ферриты - полупроводниковые ферромагнетики, химические соединения типа MeO×Fe₂O₃, где Me - ион двухвалентного металла (Мn, Со, Ni, Cu, Mg, Zn, Cd, Fe). В отличие от металлических ферромагнетиков они обладают большим удельным электрическим сопротивлением (порядка 10⁴ -10⁸ Ом×м). Этим и обусловлено большое техническое значение ферритов. Ферриты применяются для изготовления постоянных магнитов, ферритовых антенн, сердечников радиочастотных контуров, элементов оперативной памяти в вычислительной технике, в магнитных лентах и т. д.

Контрольные вопросы

1 Почему орбитальные магнитный и механический моменты электрона в атоме противоположно направлены?

2 Что называют гиромагнитным отношением?

3 Из каких магнитных моментов складывается магнитный момент атома?

4 Что такое диамагнетики? парамагнетики? В чем различие их магнитных свойств?

5 Что такое намагниченность? Какая величина может служить ее аналогом в электростатике?

6 Запишите и объясните соотношения между магнитной проницаемостью и магнитной восприимчивостью для парамагнетика; для диамагнетика.

7 Выведите связь между векторами магнитной индукции, напряженности магнитного поля и намагниченности.

8 Объясните физический смысл циркуляции по произвольному замкнутому контуру векторов: 1) ; 2) ; 3) .

9 Выведите и прокомментируйте условия для векторов и на границе раздела двух магнетиков.

10 Изобразите и поясните петлю гистерезиса ферромагнетика.

11 Что такое магнитострикция?

12 Какие ферромагнетики являются магнитомягкими? магнитожесткими? Где их применяют?

13 Каков механизм намагничивания ферромагнетиков?

14 Какую температуру для ферромагнетика называют точкой Кюри?