2.2 Краткие сведения о ферромагнетизме

В отличие от диа- и парамагнетизма, являющихся свойствами отдельных атомов или молекул вещества, ферромагнетизм объясняется свойствами кристаллической структуры вещества. Атомы ферромагнетика, если взять их, например, в парообразном состоянии, диамагнитны или слабо парамагнитны. Ферромагнетизм – это свойство вещества в твердом состоянии, т. е. свойство кристаллов вещества.

Одно из основных свойств ферромагнетиков – приобретать большую намагниченность уже в малых намагничивающих полях – можно объяснить следующим образом. Представим, что в ферромагнетике существуют области, которые сами по себе намагничены, т. е. имеют определенный магнитный момент. Эти области ориентированы произвольным образом, так что суммарный магнитный момент в отсутствие внешнего поля Н₀ равен нулю. Однако стоит приложить небольшое поле Н₀, чтобы они сориентировались вдоль него и ферромагнетик приобрел значительную намагниченность. Такие области с самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью называются доменами.

Наличие определенного момента в домене означает, что элементарные магнитные моменты атомов ориентированы параллельно. Это положение устойчиво и в некоторых веществах действительно имеет место. Однако физическая природа этого явления может быть понятна только с позиций квантовой механики.

Итак, ферромагнетизм возникает благодаря особому взаимодействию электронов незаполненных электронных слоев между соседними атомами. Такое взаимодействие называется обменным. В квантовой механике предполагается, что электрон одного атома может оказаться вблизи ядра другого атома, и наоборот – электрон соседнего атома может оказаться вблизи первого. Происходит как бы обмен электронами между атомами, что и приводит к появлению обменной энергии, не имеющей аналогов в классической физике. При малых расстояниях между атомами ферромагнетизм невозможен, а при очень больших обменное взаимодействие падает. Существует некоторая область расстояний между атомами а, определяемых в основном кристаллической решеткой (на рис. 2.5 это расстояние отнесено к радиусу незаполненного электронного слоя (оболочки атома) r), когда обменная энергия А (или обменный интеграл) играет существенную роль, а ее минимум соответствует параллельному положению элементарных магнитных моментов. Из рис. 2.5 видно, что ферромагнетизмом обладают железо, кобальт, никель, гадолоний, их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия. При низких температурах ферромагнитны редкоземельные элементы: эрбий и диспрозий. Ферромагнитны некоторые виды ферритовой керамики.

Рис. 2.5 Зависимость энергии обменного взаимодействия

от отношения диаметра атома к диаметру

незаполненного электронного слоя

Можно изготовить сплавы, обладающие высокими ферромагнитными свойствами, из пара- и диамагнитных металлов. Например, сплав Гойслера состоит из таких слабомагнитных металлов, как медь (60 %), марганец (25 %) и алюминий (15 %). С другой стороны, некоторые сплавы из ферромагнитных материалов почти немагнитны, например, сплав из 75 % железа и 25 % никеля.

Таким образом, обменная энергия стимулирует параллельную ориентацию элементарных магнитных моментов в домене. То, что в ферромагнетике оказывается много доменов (бывают и однодоменные кристаллы), обусловлено другими видами энергии, а именно:

1) энергией кристаллографической магнитной анизотропии.

Введём понятие монокристалла. Это одиночный кристалл, частицы которого расположены единообразно по всему объему. Как и всякий кристалл, монокристалл имеет периодически повторяющееся расположение составляющих его частиц – кристаллическую решетку. В отличие от аморфных тел, имеющих хаотическое расположение атомов (ионов), в кристаллических телах атомы располагаются в пространстве закономерно и периодически. В поликристаллическом металле отдельные кристаллы не имеют возможности принять правильную форму, такие кристаллы неправильной формы называются зернами, или кристаллитами. Если большинство кристаллов ориентированы в пространстве одинаково, то такая преимущественная ориентировка кристаллов называется текстурой. Текстура может быть получена при затвердевании металла, при его пластической деформации, электролизе и т.д.

В ферромагнитных кристаллах существуют оси «легкого» и «трудного» намагничивания, т. е. магнитная анизотропия. Железо кристаллизуется в виде кубической объемно центрированной решетки (рис. 2.6).

Рис. 2.6 Обозначение осей в кубической

объемно центрированной решетке

На рис. 2.7 показаны кривые намагничивания (вдоль ребра куба, вдоль диагонали грани, вдоль пространственной диагонали куба) для разных кристаллографических осей: для Fе (объемно центрированная решетка), Ni (гранецентрированная) и Со (гексагональная).

а) б) в)

Рис. 2.7 Элементарные ячейки Fе (а), Ni (б), Со (в)

и кривые намагничивания для кристаллографических осей

Как видно из рисунка, для железа работа намагничивания вдоль ребра куба наименьшая, а вдоль пространственной диагонали – наибольшая, поэтому направление, совпадающее с ребром куба, называют направлением легкого, а с пространственной диагональю – трудного намагничивания.

Спонтанная (самопроизвольная) намагниченность в каждом домене ориентируется вдоль направления легкого намагничивания. Чтобы намагнитить ферромагнетик в более трудном направлении, необходимо затратить определенную энергию, равную площади между этими кривыми и являющуюся мерой энергии естественной кристаллографической магнитной анизотропии. В некоторых случаях анизотропия может отсутствовать, например, для сплава FеNi с 70 % Ni;

2) магнитоупругой энергией.

При намагничивании ферромагнетиков наблюдается изменение их объемных или линейных размеров. Это явление получило название соответственно объемной или линейной магнитострикции.

Магнитоупругая энергия возникает под воздействием напряжений и пропорциональна их величине и магнитострикции;

3) магнитостатической энергией.

Ферромагнетик, помещённый в однородное магнитное поле, обладает определённой энергией.

В состоянии остаточной намагниченности ферромагнетик имеет полюсы, которые создают размагничивающее поле, и поэтому он будет обладать магнитостатической энергией, являющейся основной причиной разбиения его на домены.

Сформулируем некоторые общие свойства ферромагнетиков. Они характеризуются:

• большими положительными значениями магнитной проницаемости, ее нелинейной зависимостью от напряженности магнитного поля и температуры;

• способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах в слабых полях;

• гистерезисом, т. е. зависимостью магнитных свойств от предшествующего магнитного состояния;

• точкой Кюри – температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства (для железа – 768 °С, никеля – 360 °С, кобальта – 1130 °С); при температурах выше точки Кюри все ферромагнетики становятся парамагнитными.

В заключение отметим, что магнитные свойства вещества обусловлены движением электронов по орбите вокруг ядра атома (орбитальный магнитный момент), вращением электронов вокруг собственной оси (спиновой магнитный момент электронов) и вращением атомного ядра вокруг своей оси (спиновой магнитный момент ядра атома).