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) О теории ферромагнетизма - student2.ru ; 2) О теории ферромагнетизма - student2.ru ; 3) О теории ферромагнетизма - student2.ru .

9 Выведите и прокомментируйте условия для векторов О теории ферромагнетизма - student2.ru и О теории ферромагнетизма - student2.ru 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?

Наши рекомендации