3.3. Магнитострикция
Намагничивание ферромагнитных материалов сопровождается изменением их линейных размеров. Это явление получило название магнитострикции. Количественно магнитострикцию характеризуют величиной S, называемой константой магнитострикции, которая фактически является относительным удлинением образца (S = l/l) при намагниченности до состояния технического насыщения. Численное значение S невелико (10-6-10-4), и к тому же S не является постоянной величиной данного материала. С изменением напряжённости магнитного поля H S, изменяется и даже может изменится её знак. Например, для -Fе в слабых магнитных полях (Н< 32 кА/м) S > 0, в сильных (Н> 32 кА/м) S < 0. При намагничивании, как правило, положительная продольная магнитострикция образца соответствует его отрицательной поперечной магнитострикции, при этом объём материала почти не изменяется. Поэтому магнитострикцию характеризуют не объёмным изменением, а линейным изменением (l/l). В монокристаллах ферромагнетика проявляется анизотропия магнитострикции. Магнитострикция имеет место и в поликристаллических материалах. Наибольшая магнитострикция наблюдается у никеля (S = - 3,7 10-5), у сплава никоси (сплав Ni-Co-Si) S =-2,5 10-5 и у ферритов S= - 2,6 10-5. Необычайно высокая магнитострикция у редкоземельных элементов (Тb, Dy, Нo, Ег, Тm) и их соединений. Например, у поликристаллического тербия S = З 10-3, а у монокристаллического S = 2 10-2.
Эффект магнитострикции обратим: механическая деформация материала вызывает изменение состояния его намагниченности. Прямой и обратный магнитострикционные эффекты широко применяют в приборостроении (реле, вибраторы, фильтры, преобразователи и др.)
3.4. Причины образования доменов
Выше было отмечено, что ферромагнетики в ненамагниченном состоянии самопроизвольно (спонтанно) разбиваются на множество доменов, намагниченных до насыщения. Магнитные моменты этих доменов дезориентированы друг относительно друга, поэтому суммарная (результирующая) намагниченность J образца равна или близка нулю. Спонтанное деление объёма ферромагнетика на множество доменов объясняется тем, что многодоменная структура ферромагнетика наиболее устойчива и ей соответствует минимум полной свободной энергии системы. Полная свободная энергия ферромагнетика состоит из следующих основных видов энергии: магнитостатической, обменной, магнитной анизотропии, магнитострикции. В образовании многодоменной структуры важная роль принадлежит первым двум видам энергии,
Если ферромагнетик (для простоты рассмотрим монокристалл) намагнитить до насыщения, то он будет представлять собой постоянный магнит, состоящий из одного домена и создающий внешнее магнитное поле (рис. 3.3а; стрелкой обозначен магнитный момент домена). Такой образец будет обладать максимальной магнитостатической энергией. Если этот же монокристалл будет состоять из двух доменов с противоположной ориентацией спиновых магнитных моментов (рис. 3.3, б), то магнитостатическая энергия уменьшится в два раза, так как часть магнитного потока, выходящего из одной области, замкнется на другую. Если в монокристалле возникнут четыре домена (рис. 3.3, в), то магнитостатическая энергия уменьшится в четыре раза и т. д. Ещё более энергетически выгодной будет доменная структура, изображённая на рис. 3.3, г. В результате образования граничных доменов в виде трёхгранных призм, называемых замыкающими доменами, магнитостатическая энергия становится равной нулю.
Рис. 3.3. Уменьшение магнитостатической энергии, обусловленное разделением монокристалла ферромагнетика на магнитные домены.
Процесс деления монокристалла на домены имеет определённый предел. При увеличении числа доменов возрастает протяжённость границы между доменами и соответственно увеличивается обменная энергия, необходимая для их образования. Поэтому на каком-то этапе деление доменов становится энергетически невыгодным и прекратится. Произойдёт это потому, что энергия, необходимая для образования доменных границ, станет больше того выигрыша в энергии, который происходит за счёт уменьшения магнитостатической энергии в результате деления доменов.