1.3. Ферромагнитное упорядочение

Кроме диа- и парамагнетиков (некооперативный магнетизм), у которых m мало отличается от единицы, существуют вещества (железо, никель, кобальт, гадолиний, их соединения и сплавы), обладающие значительной магнитной проницаемостью (m >> 1). Они называются ферромагнетиками.

Линейная зависимость намагниченности вещества от напряженности внешнего магнитного поля (1.7) для ферромагнетиков имеет место только при определенных условиях. У таких веществ намагниченность и величина внешнего магнитного поля связаны более сложным, нелинейным и неоднозначным образом. Эта связь графически изображается с помощью так называемой кривой намагничивания (рис. 3a). Магнитная проницаемость m ферромагнетиков также зависит от напряженности магнитного поля.

Рисунок 3а

Рисунок 3б

Подобное свойство ферромагнетиков связано с тем, что эти вещества состоят из большого количества макроскопических областей (доменов). Каждый из доменов самопроизвольно намагничен до насыщения. В ненамагниченном ферромагнетике магнитные моменты отдельных доменов разупорядочены и компенсируют друг друга, поэтому общий магнитный момент образца равен нулю. Внешнее магнитное поле в ферромагнетиках переориентирует магнитные моменты доменов, вследствие чего появляется результирующее намагничивание, отличное от нуля.

Ферромагнетизм характеризуется параллельным (коллинеарным) дальним порядком в расположении магнитных моментов в системе. В ферромагнетиках обменное взаимодействие, которое отвечает за формирование магнитоупорядоченного состояния, преодолевает дезориентирующее действие теплового движения (при температурах ниже температуры Кюри) и ориентирует магнитные моменты параллельно. Незначительный разброс в ориентации магнитных моментов, возникающий вследствие теплового движения, подавляется за счет обменного взаимодействия при температурах, близких к 0 К.

Наличие макроскопической намагниченности вещества существенно увеличивает его магнитостатическую энергию. Эта энергия минимальна, когда вещество разбивается на домены (см. рисунок 4), внутри которых есть спонтанная намагниченность вдоль так называемой оси легкого намагничивания, которой является одна из кристаллографических осей.

В

Рисунок 4

отсутствие внешнего поля в домене все магнитные моменты атомов за счет обменного взаимодействия устанавливаются в одном направлении (рисунок 4а) и создают магнитный момент домена . Размеры доменов 10^-8 – 10^-6 м.

Между доменами А и В существуют переходные слои С (см. рисунок 4б) шириной порядка 10^-8 – 10^-6 м. При приложении внешнего магнитного переходные слои разрушаются, а магнитные моменты отдельных доменов поворачиваются в направлении магнитного поля (см. рисунок 4в).

Процесс ориентации доменов в ферромагнетиках в направлении внешнего поля при возрастании напряженности Н отражает нелинейная область I на зависимости J(H). В сильных полях (область II) наступает насыщение, и намагниченность почти не зависит от напряженности магнитного поля Н. Для пара- и диамагнетиков зависимость J = f (H) носит линейный характер.

У ферромагнетиков имеет место магнитный гистерезис, в котором проявляется зависимость намагниченности от предшествующего состояния вещества. При циклических изменениях величины и направления напряженности внешнего поля Н эта зависимость характеризуется кривой, называемой петлей гистерезиса (рисунок 3б, кривые I, 2, 3).

Рисунок 5

На рисунке 5а показана температурная зависимость спонтанной намагниченности ферромагнетика J_s. Видно, что величина J_s монотонно убывает с нагреванием и исчезает при Т > Т_C (температурю Кюри), когда разрушается доменная структура ферромагнетика и вещество переходит в парамагнитное состояние с хаотической ориентацией магнитных моментов при Н = 0. При Т < Т_C имеет место ферромагнитное состояние с параллельной ориентацией магнитных моментов (рисунок 5б).

При увеличении напряженности магнитного поля Н намагниченность вещества возрастает за счет смещения границ доменов, а также процессов вращения векторов спонтанной намагниченности. Первый процесс обусловлен ростом объема доменов, у которых вектор спонтанной намагниченности  ориентирован наиболее энергетически выгодно по отношению к полю, т.е. у которых угол между векторами и наименьший. Второй процесс связан с поворотом векторов J_s от оси легкого намагничивания к направлению приложенного магнитного поля (см. рисунки 4б, 4в).

В парамагнитной области при Т > Т_С для магнитной восприимчивости c выполняется закон Кюри – Вейсса:

, (1.12)

где θ_p – парамагнитная точка Кюри, C – постоянная Кюри – Вейсса.

Из рисунка 5а видно, что величина 1/χ для ферромагнетиков изменяется линейно с температурой.

В изотропных однородных по составу ферромагнетиках с малой магнитной анизотропией величины Т_C и θ_p близки. В анизотропных ферромагнетиках величина θ_p принимает разные значения для оси легкого намагничивания и оси трудного намагничивания, а также заметно отличается от температуры Кюри Т_C .

В металлических ферромагнетиках (железо, кобальт, никель и их сплавы) ферромагнетизм связан с наличием коллективизированных электронов. Ферромагнетизм возникает из-за разной заселенности этими электронами двух энергетических зон. В первой зоне спины электронов ориентированы в одну сторону, во второй зоне – в противоположную.

Различают сильный и слабый ферромагнетизм коллективизированных электронов. У первых магнитные электроны полностью заполняют одну из зон. У вторых магнитные электроны содержатся в обеих подзонах.

Ферромагнетики находят широкое применение в технике. На их основе разработаны магнитные материалы: магнитомягкие (высокие значения магнитной проницаемости), магнитожесткие (высокие значения коэрцитивной силы и магнитной энергии), материалы для магнитной записи и др.

В некоторых веществах (ряд оксидов, халькогенидов, 3d- и 4f-элементы) имеет место антиферромагнитное упорядочение. Антиферромагнетизм – это также кооперативное явление, которое характеризуется дальним порядком в системе магнитных моментов. В антиферромагнетиках две взаимопроникающие ферромагнитные подрешетки, магнитные моменты которых ориентированы противоположно, в результате чего спонтанная намагниченность образца отсутствует.

Встречается ферримагнитное упорядочение. Ферримагнетизм обусловлен наличием в веществе дальнего порядка и двух ферромагнитных подрешеток, магнитные моменты которых ориентированы навстречу друг другу. Но, в отличие от антиферромагнетиков, эти магнитные моменты не равны друг другу, в результате чего имеет место результирующая спонтанная намагниченность, исчезающая выше температуры Кюри Т_C . Различие магнитных моментов подрешеток обусловлено тем, что подрешетки образуются из ионов разных элементов или из ионов одного и того же элемента, но с разной валентностью. Пример ферримагнетика – магнетит Fe₃О₄.