2.3. Ферромагнетики.
Ферромагнетизм является частным случаем парамагнетизма. У ферромагнетиков, так же как и у парамагнетиков, магнитные моменты атомов (ионов) обусловлены не скомпенсированными в них спиновыми магнитными моментами электронов. Однако у ферромагнетиков, в отличие от парамагнетиков, магнитные моменты атомов расположены не беспорядочно, а в результате обменного взаимодействия ориентированы параллельно друг к другу с образованием магнитных доменов (рис. 2.2).
Рис 2.2. Условное изображение магнитных доменов ферромагнетиков.
Магнитные домены представляют собой элементарные объёмы ферромагнетиков, находящиеся в состоянии магнитного насыщения. В домене некомпенсированные спиновые магнитные моменты электронов всех атомов выстроены параллельно друг другу. Доменная структура образуется в отсутствие внешнего магнитного поля в результате самопроизвольной (спонтанной) намагниченности, которая происходит при температурах, ниже некоторой, называемой точкой Кюри - ТК. Для чистого железа ТК=768°С, никеля ТК=358°С.
Разбивка всего объёма ферромагнетика на множество доменов энергетически выгодна. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов направлены так, что их результирующий магнитный момент равен или близок нулю. Домены имеют размеры около 0,001 мм3 при толщине пограничных слоёв между ними (границ) несколько десятков ангстрем, В доменных границах происходит постепенное изменение направления вектора намагниченности от одного домена к направлению вектора намагниченности в соседнем домене.
Характерной особенностью ферромагнетиков является их доменное строение, которое и обусловливает специфику магнитных свойств: магнитное насыщение, гистерезис, магнитострикцию и др. Магнитная восприимчивость km и магнитная проницаемость ферромагнетиков имеют большие положительные значения (до 106) и сильно зависят от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. Ферромагнетики легко намагничиваются уже в слабых магнитных полях.
В отсутствие внешнего магнитного поля направление векторов намагниченности различных доменов не совпадают, и результирующая намагниченности всего образца ферромагнетика равна или близка нулю. При приложении магнитного поля магнитные моменты доменов начнут ориентироваться по полю, а границы между доменами смещаются, в результате образец намагничивается. Это намагничивание называют техническим намагничиванием. Его необходимо отличать от спонтанного намагничивания, которое всегда присутствует внутри доменов. При нагревании ферромагнетика его магнитная проницаемость возрастает, так как облегчаются процессы смещения доменных границ. При температуре, равной и выше ТК, интенсивное тепловое движение ионов, находящихся в узлах кристаллической решётки, начнёт изменять параметры этой решётки, в результате разрушится спонтанная намагниченность и домены перестанут существовать - материал перейдёт из ферромагнитного состояния в парамагнитное.
Для характеристики изменения магнитной проницаемости и при изменении температуры на один Кельвин пользуются температурным коэффициентом магнитной проницаемости ТК.
Магнитные материалы на основе ферромагнетиков играют решающую роль в электрических машинах, поскольку обладают высокой магнитной проницаемостью.
Ферромагнетиками являются: три переходных металла (железо Fе, кобальт Со и никель Ni, имеющих недостроенную Зd электронную оболочку, и сплавы на их основе. Применительно к электрическим машинам в основном применяется железо или его сплавы с углеродом и кремнием. Редкоземельные элементы (гадолиний Gd, тербий Тb, диспрозий Dу, гольмии Но, эрбий Ег и тулий Тm), имеющие недостроенную 4f - электронную оболочку, обладают очень низким значением Тк, что затрудняет их практическое применение.