Доменная структура ферромагнетиков.

Классическая теория ферромагнетизма была развита физиком Вейсом (1907г.). Согласно этой теории: 1) при температурах ниже температуры Кюри существует спонтанная намагниченность, 2) весь объем ферромагнитного образца, находящегося при температуре ниже точки Кюри, разбит на небольшие области – домены,– которые самопроизвольно намагничены до насыщения. В каждом домене атомные магнитные моменты спонтанно ориентированы в одном направлении.

Рис.19.

В размагниченном образце в отсутствие внешнего магнитного поля каждый домен имеет свою ориентацию, отличную от «соседей» (рис.19). Поскольку в образце в среднем одинаково представлены все направления, результирующая намагниченность образца равна нулю.

Доменная структура позволяет объяснить наличие у ферромагнетиков явления гистерезиса. Если на размагниченный образец подействовать внешним магнитным полем, то домены, ориентированные по полю, будут находиться в наиболее выгодном положении. Некоторые домены, которые обладают “благоприятно” ориентированной намагниченностью, т.е. близкой по направлению к напряженности поля Н, в первую очередь будут стремиться принять направление поля и увеличиться за счет невыгодно ориентированных соседних доменов. Таким образом, увеличение Н вызывает медленное возрастание магнитной индукции В. Здесь наблюдается эффект, который состоит в скачкообразном изменении намагниченности при монотонном изменении Н. При уменьшении Н зависимость не идет обратно по тому же пути, потому что движение границ доменов частично необратимо, и мы наблюдаем гистерезис.

Доменная структура хорошо объясняет наличие точки Кюри у ферромагнетиков. Практически совершенный порядок в расположении магнитных моментов атомов при увеличении температуры должен нарушаться. Возрастающее тепловое движение атомов стремится разбросать магнитные моменты, что и происходит при температуре Кюри.

Согласно квантовой теории, электронный газ в металлах подчиняется статистике Ферми-Дирака, в основе которой лежит принцип Паули. Но у некоторых химических элементов заполнение идет по одному электрону на уровень. Получается, что в последней электронной оболочке спины параллельны. В пределах достаточно большого объема, т.е. домена, который содержит миллионы атомов, спины и магнитные моменты всех атомов направлены одинаково. Для объяснения такой самопроизвольной намагниченности ферромагнетиков необходимо предположить, что у таких веществ между носителями магнетизма – спинами электронов – существует взаимодействие, способное при температурах более низких, чем точка Кюри, обеспечить спонтанную намагниченность доменов. Это взаимодействие электронов имеет квантовую природу и называется обменным взаимодействием. Согласно квантовой теории, спинам соседних атомов ферромагнетика более выгодно с энергетической точки зрения располагаться параллельно друг другу. Эта тенденция распространяется на многие атомы в пределах домена. Выбор одного из возможных направлений является делом случая.