Ферромагнетики. Домены. Гистерезис. Точка Кюри. Спиновая природа ферромагнетизма

Особый класс магнетиков образуют вещества, способные обладать намагничением даже в отсутствие внешнего магнитного доля. По своему наиболее распространенному представителю — железу — они получили название ферромагнетиков. К их числу принадлежат железо, никель, кобальт, гадолиний, их сплавы и соединения, а также некоторые сплавы и соединения марганца и хрома с неферромагнитными элементами (например, MnAlCu, СгТе и т. д.).

Ферромагнетики являются сильномагнитными веществами— их намагничение в огромное (до L0J0) число раз превосходит намагничение диа- и парамагнетиков, принадлежащих к категории слабомагнитных веществ.

Намагничение слабомагнитиых веществ изменяется с напряженностью поля линейно. Намагничение ферромагнетиков зависит от Н сложным образом. На рис. 101 дана кривая намагничения ферромагнетика, магнитный момент которого первоначально был равен нулю (она называется основной или нулевой кривой намагничения). Уже в полях порядка нескольких эрстед (~ 100 а/м) намагничение J достигает насыщения. Основная кривая намагничения на диаграмме В — Я приведена на рис. 102 (кривая 0—1).

Кроме нелинейной зависимости между Н и J (или H и В) для ферромагнетиков характерно также наличие гистерезиса. Если довести намагничение до насыщения (точка 1 на рис. 102) и затем уменьшать напряженность магнитного поля, то намагничение следует не первоначальной кривой 0—1, а изменяется в соответствии с кривой 1—2. В результате, когда напряженность внешнего поля станет равной нулю (точка 2), намагничение не исчезает и характеризуется величиной Вг, которая называется остаточной индукцией. Намагничение имеет при этом значение Jr, называемое остаточным намагничением.

Намагничение обращается в нуль (точка 3) лишь под действием поля Hc, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничение. Напряженность Hc называется коэрцитивной силой.

Существование остаточного намагничения делает возможным изготовление постоянных магнитов, т. е. тел, которые без затраты энергии на поддержание макроскопических токов обладают магнитным моментом и создают в окружающем их пространстве магнитное поле. Очевидно, что постоянный магнит тем лучше сохраняет свои свойства, чем больше коэрцитивная сила материала, из которого он изготовлен.

При действии на ферромагнетик переменного магнитного поля индукция изменяется в соответствии с кривой 1—2—3—4—5—1 (рис. 102), которая называется Петлей гистерезиса (аналогичная петля получается и на диаграмме J — H). Если максимальные значения H таковы, что намагничение достигает насыщения, получается так называемая максимальная петля гистерезиса (сплошная петля на рис. 102). Еcли при амплитудных значениях H насыщение не достигается, получается петля, называемая частным циклом (пунктирная петля на рисунке). Частных циклов может существовать бесконечное множество, все они лежат внутри максимальной петли гистерезиса.

Гистерезис приводит к тому, что намагничение ферромагнетика не является однозначной функцией H; оно в сильной мере зависит также от предшествующей истории образца — от того, в каких полях он побывал прежде.

При определенных условиях в кристаллах могут возникать силы, которые заставляют магнитные моменты электронов выстраиваться параллельно друг другу. В результате возникают области спонтанного (самопроизвольного) намагничения, которые называются также доменами, В пределах каждого домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом. Направления этих моментов для разных доменов различны, так что в отсутствие внешнего 4 поля суммарный момент всего тела равен нулю. Домены имеют размеры порядка 10-4 - 10-3 см.

Действие поля на домены на разных стадиях процесса намагничения оказывается различным. Вначале, при слабых полях, наблюдается смещение границ доменов, в результате чего происходит увеличение тех доменов, моменты которых составляют с Н меньший угол, за счет доменов, у которых угол  между векторами m и Н больше. С увеличением напряженности поля этот процесс идет все дальше и дальше, пока домены с меньшими  (которые обладают в магнитном поле меньшей энергией) не поглотят целиком энергетически менее выгодные домены. На следующей Стадии имеет место поворот магнитных моментов доменов в направлении поля. При этом моменты электронов в пределах домена поворачиваются одновременно, без нарушения их строгой параллельности друг другу. Эти процессы (исключая небольшие смещения границ между доменами в очень слабых полях) являются необратимыми, что и служит причиной гистерезиса.

Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура Тс, при которой области спонтанного намагничения распадаются и вещество утрачивает ферромагнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри. Для железа она равна 768° С, для никеля 365° С. При температуре выше точки Кюри ферромагнетик становится обычным парамагнетиков, магнитная восприимчивость которого подчиняется закону Кюри — Вейсса

При охлаждении ферромагнетика ниже точки Кюри в нем снова возникают домены.

В точке Кюри происходит фазовый переход второго рода. При температуре, равной Тс, наблюдается аномалия в поведении ряда физических свойств, в частности теплоемкости, ферромагнетика.

Так как ферромагнетизм - результат обменного взаимодействия, которое может приводить к антипараллельной, а может - к параллельной ориентации спинов системы взаимодействующих частиц (как результат выгодности одного из состояний) , что и определяет магнитные свойства вещества, то целесообразно вначале рассмотреть понятие обменного взаимодействия.

Обменное взаимодействие

Обменное взаимодействие - взаимное влияние тождественных частиц, характер которого зависит от спина частиц - целого или полуцелого. В случае с электронами спин каждого из них - полуцелый. Потому они есть фермионами.

Так как электроны - фермионы, то для них должен учитываться принцип Паули. Это значит, что при взаимодействии неспаренных электронов незаполненных орбиталей соседних атомов, в случае с параллельной ориентацией их спинов, электроны будут выдавливаться в отдельные квантовые состояния без перекрывания их волновых функций и образования одного квантового состояния. В случае же с антипараллельной ориентацией спинов электроны будут образовывать одно квантовое состояние, которое (при отсутствии определенных внешних факторов , специфического строения кристаллической решетки (об этом - чуть позже) или характера обменного взаимодействия ) , по энергии будет значительно ниже, чем состояние с параллельными спинами, несмотря на электростатическое отталкивание. Почему так?

При перекрывании волновых функций изменение проекции спина на направление движения сопровождается изменением распределения плотности заряда в перекрывающейся области, а при антипараллельной ориентации зарядовые плотности волновых функций в области перекрытия минимальны. Значит, минимальна и энергия электростатического взаимодействия между электронами.

В этом основа образования ковалентной связи.

Ферромагнетизм

Ферромагнетизм - состояние атомов, при котором магнитные моменты, а значит, и спины, сонаправлены.

В зависимости от параметра кристаллической решетки и радиуса орбиталей с неспаренными электронами, обменный интеграл, являющийся мерой обменной энергии, может быть положительным или отрицательным. Это определяется соотношением a/2*r, где а - параметр кристаллической решетки, r - радиус незаполненной орбитали. При a/2*r>1,5 обменный интеграл положителен, при a/2*r<1,5 обменный интеграл отрицателен.

Если обменный интеграл положителен, то обменное взаимодействие будет уменьшать полную энергию в системе лишь в том случае, когда спины электронов соседних атомов параллельны. Почему так?

Это обусловливается тем, что именно у ферромагнетиков, в силу большого параметра кристаллической решетки, в состоянии с сильным перекрыванием волновых функций электронов с антипараллельными спинами возникает энергия электростатического отталкивания, которая значительно увеличивает энергию системы в противовес минимуму энергии при выдавливании волновых функций электронов в отдельные состояния при параллельной ориентации спинов.

Незаполненные орбитали соседних атомов ферромагнетиков расщепляются на два подуровня, более выгодным из которых является подуровень со спином, направленным параллельно спину электрона соседнего атома.

Итого, спиновые магнитные моменты ферромагнетиков складываются, образуя спонтанную намагниченность в виде доменов. Но суммарная намагниченность остается равной нулю.

А если еще и воздействовать на ферромагнетик внешним магнитным полем, то последнее обусловливает расщепление орбиталей на подуровни со спином, направленным противоположно внешнему магнитному полю (1), и сонаправленному с магнитным полем спином (2). А так как магнитный момент направлен противоположно проекции спина на направление движения, то, при противоположной относительно магнитного поля направленности спина, магнитный момент сонаправлен внешнему магнитному полю. Потому состояние (1) энергетически более выгодно, чем состояние (2). Тогда ферромагнетик намагничен.

 Формула для электронов: E = q*U = m*V²/2, V = √(2*q*U/m).