Ферромагнетизм

Основное отличие между парамагнитными и ферромагнитными материалами состоит в характере взаимодействия между соседними магнитоактивными атомами или ионами.

Рассматривая парамагнетизм, мы подчеркивали, что неспаренные спины данного атома не влияют на магнитные моменты соседнего атома, т.е. считали взаимодействие между ними ничтожно малым. В ферромагнитных веществах магнитоактивные атомы расположены достаточно близко друг к другу, что приводит к возникновению сильного взаимодействия между ними, в результате которого магнитные моменты атомов располагаются в пространстве не произвольным образом, а в зависимости от ориентации магнитных моментов атомов окружения. Такое взаимодействие приводит к тому, что магнитные моменты ориентируются в большой области кристалла, параллельно друг другу вдоль определенного направления. Такие области, в которых существует самопроизвольная намагниченность (в отсутствие внешнего поля), называются доменами. Величина спонтанного магнитного момента равна Ms -намагниченности насыщения при данной температуре. При температуре 0 К ориентация магнитных моментов является полной, и спонтанная намагниченность достигает своего максимально возможного значения. С увеличением температуры величина спонтанного момента уменьшается, вследствие влияния теплового движения на расположение магнитных моментов, и при некоторой температуре, называемой температурой Кюри, взаимодействие между магнитными ионами становится недостаточным для поддержания упорядоченного расположения спинов, и ферромагнитное вещество переходит в парамагнитное состояние. При обычных температурах ферромагнетики намагничиваются до насыщения уже в слабых внешних магнитных полях. Для них характерно: явление гистерезиса - зависимость магнитных свойств от предшествующего намагничивания; большое положительное значение магнитной проницаемости, а также существенная и нелинейная зависимость ее от напряженности поля и температуры.

Внутреннее взаимодействие, влияющее на магнитные свойства вещества, можно охарактеризовать величиной энергии этого взаимодействия. Если сравнивать эту величину с величинами других взаимодействий в кристалле, влияющих также на магнитные свойства, то можно установить природу взаимодействия. Энергия взаимодействия достаточно велика, так как температура Кюри для многих кристаллов равна 100 – 1000 K. Это означает, что при этих температурах Е_ВЗ оказывается сравнимой с энергией тепловых колебаний атомов, которая приблизительно пропорциональна значению -kT.

Отсюда сразу следует, что Е_ВЗ не связана с диполь - дипольным магнитным взаимодействием, энергия которого составляет величину E_Б²/r³=10^-25Дж, где r-межатомное расстояние; если сравнить эту энергию с тепловой при температуре Кюри, то получим значение Т_К=10^-2 К, что намного ниже экспериментальных данных. Естественным объяснением этого расхождения остается предположение, что магнитные свойства вещества определяются электростатическим взаимодействием между магнитными атомами. Величина электростатической энергии равна Е_ст Q²/r²10¹⁹ – 10²⁰ Дж, что при сравнении с тепловой энергией даст значения температуры Кюри, близкие к экспериментальным. В классической физике объяснить зависимость магнитных свойств от электростатической энергии не удалось, и только в квантовой механике это явление нашло свое объяснение. Оказалось, что энергия магнитного упорядочения, так же, как и энергия связи кристаллической решетки, определяется электростатическим взаимодействием атомов, причем такой частью этого взаимодействия, которая существенно зависит от взаимной ориентации спинов электронов. Эту часть электростатической энергии называют обменной энергией.