Ферромагнетизм. - Лекции по электричеству и магнетизму

          Рассматривая модель парамагнетика (ПМ), основным критерием для существования парамагнетизма мы считали наличие отличного от нуля магнитного момента у атома и отсутствие взаимодействия между магнитными моментами. При наличии (учете) взаимодействия между магнитными моментами магнитные свойства существенно изменяются. На рис.5.15 приведена зависимость намагниченности от поля для железа. Видно, что в поле  намагниченность достигает насыщения .Температурная зависимость намагниченности насыщения приведена на рис.4.16.

          При  (температура Кюри) ферромагнетик () переходит в . Выше   - линейная функция, как у обычных (рис.4.17). Это можно объяснить такими механизмами. Если  и  отличаются лишь наличием взаимодействия между магнитными моментами, то при  энергия этого взаимодействия становится равной , а при  оно уже не играет роли. Не рассматривая природы данного взаимодействия, назовем его обменным взаимодействием и оценим его величину, если :

.             (4.70)

Сравним  с энергией магнитного поля при , рассчитывая величину , при котором .

.

При этом . Максимально достижимое в импульсе магнитное поле имеет величину .

Таким образом, энергия  является довольно большой по величине, а поскольку это взаимодействие осуществляется между магнитными моментами, оно приводит к их упорядочиванию, т.е. к параллельной ориентации магнитных моментов. В ФМ существует спонтанная ориентация магнитных моментов в отличие от ПМ, в которых она является хаотической. ФМ является магнитоупорядоченным веществом.

Образование одной ориентации магнитных моментов во всем макроскопическом объеме невозможно из-за эквивалентности распределения кристаллографических направлений (например, диагоналей куба). Поэтому происходит разбиение кристалла, как и в случае сегнетоэлектрика, на домены. Внутри домена существует спонтанная намагниченность , но эти  ориентированы друг относительно друга в кристалле так, чтобы суммарный магнитный момент тела был равен нулю. Можно представить довольно много типов ДС, построенных по типу замыкания потока внутри ФМ (рис.4.18).

Если теперь приложить к ФМ поле , то увеличение намагниченности  (см. (4.20)) всего объема ФМ происходит за счет двух типов процессов, которые можно получить следующим образом:

,

где - объем i-го домена; - угол между  и каким-то определенным направлением (например, направлением поля):

,

Видно, что первое слагаемое приводит к росту объема доменов с выгодной ориентацией, второе – к повороту  вдоль поля. Процессы, происходящие при этом, называются процессами смещения границ доменов и вращения векторов . Кривая намагничивания ФМ (рис. 4.15 и 4.19) содержит участки, на которых происходит каждый из рассматриваемых процессов.

Основная кривая намагничивания измеряется при росте , начиная из размагниченного состояния ФМ. Последующее уменьшение  приводит к появлению петли гистерезиса (рис.4.20). Величина  - остаточная намагниченность;  - коэрцитивная сила. Причиной гистерезиса является необратимость процессов смещения и вращения. Область технического применения ФМ определяется величинами . Трансформаторные стали имеют большую величину  и малую величину : , . Материал для постоянных магнитов  имеет большую : ,  .