Мета роботи: ввивчити магнітні властивості та основні параметри феромагнетиків

Структура феромагнетиків і природа феромагнетизму

Вивчення цих питань пов'язано зі значними труднощами, тому що природа феромагнетизму не розкривається класичній фізиці, а пояснюється тільки квантової фізикою, з якої студенти на етапі виконання роботи не знайомі. Тому при вивченні літератури [ 1, с.169-173; 2, с.245-250; 3, с. 229-242 ] студентам рекомендується особливу увагу звернути на такі основні положення.

1. Феромагнетики називаються кристалічні речовини, що складаються з макроскопічних, але невеликих за обсягом (10^-6-10^-3 мм^-3) областей спонтанної намагніченості - доменів.

У межах своїх кордонів кожен домен намагнічена однорідне і до насичення. У будь-якому кристалику полікристалічного феромагнітного зразка (рис.1) магнітні моменти сусідніх доменів орієнтується по одній з «осей легкого намагнічування» кришталика у взаємно протилежних напрямках..

У цілому ж у кристалічному зразку магнітні моменти доменів орієнтуються рівноймовірно в усіх напрямках. Зразок виявляється ненамагніченого, і це його стан стійко. Воно відповідає мінімуму енергії зразка, що складається з енергії магнітного поля всіх доменів та енергії взаємодії електронів сусідніх атомів кристалічної решітки при ковалентного їх зв'язки один з одним (див. рис.4).

2. Природа спонтанної намагніченості доменів - квантова, тобто пояснюється квантової фізичної теорією.

Всі електрони володіють спіновими (власними) магнітними моментами , які здатні певним чином орієнтуватися в просторі, наприклад, внаслідок взаємного впливу або під дією зовнішнього магнітного поля. Відзначимо, що m_S = 1,6×10^-23 Дж/Тл (1 Дж/Тл = 1 А×м²). Атоми феромагнетиків мають недобудовану, не повністю зайняту електронами внутрішню оболонку. Так, у атомів заліза, що містять електрони на чотирьох оболонках, перша і друга з них зайняті повністю, третій внутрішня оболонка з 18 можливих має тільки 14 електронів, зовнішня оболонка містить два валентних електрони (рис. 2). Електрони в кожній оболонці окремо взятого атома попарно мають антипаралельних орієнтацію власних магнітних моментів, забезпечуючи нульової результуючий спіновий магнітний момент атомів

У процесі кристалізації ферромагнетика магнітні моменти частини електронів недобудованих внутрішніх оболонок в результаті їх взаємодії орієнтуються строго паралельно один одному і «осі легкого намагнічування» утворюється кришталика, як показано на рис.2. У результаті виникають результуючі спінові магнітні моменти атомів кристалічної решітки (рис.3), що утворюють в сукупності магнітний момент домену , намагніченість якого (де V_Д – об’єм домену) дорівнює по порядку величини 10⁷ - 10⁹ А/м. Цей процес протікає спонтанно і одночасно з усуспільненням

валентних електронів (оболонка 4) сусідніх атомів кристала.

Взаємно паралельна орієнтація магнітних моментів супроводжується зменшенням енергії взаємодії електронів сусідніх атомів ( «обмінної енергії» Е_о). Вона тим менше, чим більший об'єм V_Д демену. Однак зі зростанням обсягу домену збільшується його магнітний момент і, отже, енергія магнітного поля Е_м домену. Мінімальна сумарна енергія Е_min виходить при деякому фіксованому, стійкому обсязі домену V_Д, як показано на рис.4.

Цьому ж умові сприяє поділ кристалів ферромагнетика на домени з антипаралельних орієнтацією магнітних моментів (рис.1). Магнітна енергія кристала при такому поділі різко зменшується, а обмінна енергія збільшується в значно меншому ступені. Її збільшення відбувається на об'ємних межах ( «стінках Блоха») між доменами внаслідок поступової переорієнтації спінових магнітних моментів атомів, як показано на рис.5. Ще більшого зменшення вільної енергії полікристалічних феромагнетиків сприяє довільна орієнтація доменів, що відносяться до різних монокристаликам зразка. (рис.1).