Доменная структура ферромагнетиков.   - Лекции по магнетизму.

Классическая теория ферромагнетизма была развита французским физиком П.Вейсом (1907 г.). Согласно этой теории, весь объем ферромагнитного образца, находящегося при температуре ниже точки Кюри, разбит на небольшие области – домены,– которые самопроизвольно намагничены до насыщения. Название происходит от франц. domaine – владение, область. Линейные размеры доменов  порядка 10-3-10-2см. В каждом домене атомные магнитные моменты спонтанно ориентированы в одном направлении. Это обусловлено параллельным выстраиванием спинов определенных электронов в каждом атоме ферромагнетика. В пределах достаточно большого объема, т.е. домена, который содержит миллионы атомов, спины и магнитные моменты всех атомов направлены одинаково. Если бы можно было заглянуть внутрь кристалла и увидеть векторы магнитных моментов атомов, то картина была бы подобна картине, изображенной на рис.2.12.

В размагниченном образце в отсутствие внешнего магнитного поля каждый домен имеет свою ориентацию, отличную от «соседей». Поскольку в образце в среднем одинаково представлены все направления, результирующая намагниченность образца равна нулю (рис.2.13 а). Домены можно увидеть в микроскоп. Для этого достаточно покрыть поверхность ферромагнетика слоем суспензии, содержащей ферромагнитный порошок, например, тончайшую железную пыль. Из-за неоднородности магнитного поля частицы порошка осядут на границах доменов и обрисуют их контуры (рис.2.13 б).

Доменная структура позволяет объяснить наличие у ферромагнетиков явления гистерезиса. Если на размагниченный образец подействовать внешним магнитным полем, то домены, ориентированные по полю, будут находиться в наиболее выгодном положении. Некоторые домены, которые обладают “благоприятно” ориентированной намагниченностью, т.е. близкой по направлению к напряженности поля , в первую очередь будут стремиться принять направление поля и увеличиться за счет невыгодно ориентированных соседних доменов. Таким образом, увеличение  вызывает медленное возрастание , Это объясняет ход нижней части кривой 0-1, на рис.5.10. Средняя часть кривой соответствует наиболее крутой зависимости  от . Здесь наблюдается эффект Баркгаузена, который состоит в скачкообразном изменении намагниченности при монотонном изменении . Эффект Баркгаузена обусловлен тем, что имеющиеся в образце инородные включения и другие дефекты мешают плавному перемещению границ доменов при увеличении напряженности поля. В верхней части кривой 0-1 происходит поворачивание магнитных моментов «грубой силой», т.е. сильным внешним магнитным полем в направлении, параллельном полю. При уменьшении  зависимость не идет обратно по тому же пути, потому что движение границ доменов частично необратимо, и мы наблюдаем гистерезис.

Доменная структура хорошо объясняет также наличие точки Кюри у ферромагнетиков. Неудивительно, что практически совершенный порядок в расположении магнитных моментов атомов при увеличении температуры должен нарушаться. Возрастающее тепловое движение атомов стремится разбросать магнитные моменты, что и происходит при температуре Кюри.

Итак, что же заставляет спины электронов ориентироваться в пределах домена в одном направлении и какая сила удерживает их в этом состоянии?

Для объяснения самопроизвольной намагниченности ферромагнетиков необходимо предположить, что в них между носителями магнетизма – спинами электронов – существует взаимодействие, способное при температурах более низких, чем точка Кюри, обеспечить спонтанную намагниченность доменов. Естественно предположить, что между спиновыми и магнитными моментами электронов существует магнитное взаимодействие, подобное взаимодействию двух проводников с током. Однако расчеты показывают, что энергия такого взаимодействия оказывается весьма малой величиной, порядка 10-23 Дж. Поэтому за счет магнитного взаимодействия невозможно образование самопроизвольной намагниченности. Я.Френкель и В.Гейзенберг (1928 г.) показали, что данное явление может быть следствием электрического взаимодействия электронов. Однако объяснение такого взаимодействия остается за пределами классической физики, поскольку само существование спина является «неклассическим» явлением. Электрическое взаимодействие электронов, приводящее к состоянию самопроизвольной намагниченности ферромагнетиков, имеет квантовую природу и называется обменным взаимодействием. По причинам, объяснение которым дается в квантовой механике, спинам соседних атомов ферромагнетика более выгодно с энергетической точки зрения располагаться параллельно друг другу. Эта тенденция распространяется на многие атомы в пределах домена. Выбор одного из возможных направлений является делом случая.

Ферромагнетики широко применяются в различных областях науки, в промышленности, медицине. К примеру, на свойствах ферромагнетиков основано действие семеочистительной машины, служащей для очистки семян с гладкой поверхностью (клевера, льна, люцерны и др.) от семян сорняков с шероховатой поверхностью. Исходный материал смешивают с ферромагнитным порошком, обволакивающим шероховатые семена сорняков, которые благодаря этому притягиваются к электромагнитному барабану машины и затем удаляются.