3353

12.3.3. Домены

Однако и куски железа еще не являются магнитами, пока вы не намагнитите их. Уже древние знали, что для этого следует поместить эти куски вблизи вещества, оказывающего магнитное действие, то есть уже намагниченного (например, магнитного железняка). Правда, еще Гильберт обнаружил, что железный стержень можно намагнитить, если расположить его вдоль линии север – юг и затем постукивать по нему молотком. Гильберт заметил и то, что Земля сама представляет собой огромный магнит, и объяснил на этой основе поведение магнитной стрелки компаса. Сегодня, как мы знаем, с этой целью можно использовать соленоид – катушку из провода, по которому пропущен электрический ток.

В начале 20 столетия Пьер Вейсс выдвинул гипотезу, удовлетворительно объясняющую намагничивание ферромагнитного вещества под действием приложенного извне магнитного поля. Он предположил, что каждая небольшая часть образца состоит из сильно намагниченных (от природы) областей (доменов), однако направления намагниченности отдельных доменов различны и во всем образце магнитные моменты доменов компенсируют друг друга. Если на образец начинает действовать внешнее магнитное поле, то направление намагниченности каждого домена изменяется, стремясь стать параллельным направлению поля, и таким образом у образца в целом возникает результирующая намагниченность.

Дальнейшие исследования подтвердили гипотезу Вейсса о том, что ферромагнитное вещество всегда разбито на магнитные домены, то есть области самопроизвольной (или, как говорят, спонтанной) намагниченности, не дающие в целом намагниченности образцу. На рис. 12.27, б. в несколько упрощенной форме показано одно из возможных расположений таких доменов в монокристалле ферромагне-

171

тика. Полная энергия образца повышается, когда домены ориентированы параллельно и слились между собой (как на рис. 12.27, а), она понижается, когда домены стремятся скомпенсировать действия друг друга так, как показано на рис. 12.27, б.

И действительно, конфигурации такого типа наблюдаются под микроскопом в кристалле железа, если нанести на предварительно отполированную поверхность этого кристалла взвешенные в жидкости мельчайшие намагниченные частицы.

Рис. 12.27. Ферромагнитный образец [12]

а – намагниченный однородно в сильном магнитном поле;

б– в отсутствие поля образуется доменная структура, энергия

образца уменьшается

Оказывается, что вектор намагниченности домена не может выбирать любую ориентацию - его ориентация совпадает с одним из очень немногих направлений, называемых осями легкого намагничивания, характерных для кристаллической структуры данного вещества. Например, на рис. 12.28, а. стрелками изображены шесть таких осей в кристалле железа, а на рис. 12.28,б. - восемь осей легкого намагничивания в кристалле никеля (направления осей показаны относительно элементарной ячейки соответствующих кристаллов).

172

Домен состоит из очень большого числа элементарных ячеек, его результирующая намагниченность всегда направлена вдоль одного из этих направлений, и, чтобы отклонить ее, требуется приложить очень большие магнитные силы.

Спустя некоторое время после того, как Вейсс высказал свою гипотезу, процесс намагничивания железа стали представлять наглядно как внезапное «схлопывание» направлений намагниченности внутри доменов к одной из легких осей, а именно той, что энергетически наиболее выгодно ориентирована по отношению к направлению внешнего магнитного поля. Лишь недавно стало ясно, что процесс «схлопывания» происходит не столь резко и внезапно; магнитное поле заставляет наиболее выгодно расположенные домены расти, то есть увеличивать свои размеры за счет доменов, расположенных менее выгодно (рис. 12.29).

Рис. 12.28. Направление осей лёгкого намагничивания [12] а – в кристалле железа; б – в кристалле никеля.

173

При возрастании величины внешнего магнитного поля намагниченность быстро увеличивается (рис. 12.31, а), поскольку все большее число доменных стенок вовлекается в движение. Но вполне понятно, что намагниченность не может расти до бесконечности; когда способных к перемещению доменных стенок уже не остается, магнитное поле практически не может далее увеличивать намагниченность; в этом случае говорят, что достигнуто насыщение. Это значение намагниченности насыщения соответствует тому значению, которым уже обладал каждый домен, однако проявиться этой намагниченности мешала различная ориентация доменов, приводившая к полной компенсации.

После снятия внешнего магнитного поля образец обнаруживает некоторую остаточную намагниченность (рис. 12.31, б); стенки не так легко возвратятся в положения, обеспечивающие полную компенсацию. Остаточную намагниченность можно устранить, лишь подвергнув образец действию противоположно направленного магнитного поля (рис. 12.31, в); увеличивая ее далее (рис. 12.31, г), можно снова намагнитить образец до насыщения, но уже в обратном направлении. Если продолжать этот процесс, еще раз сменив направление магнитного поля, график зависимости намагниченности от внешнего магнитного поля примет вид замкнутой петли, называемой петлей гистерезиса (рис. 12.31, д).

При техническом применении магнетиков форма этой петли играет чрезвычайно важную роль. Например, величина остаточной намагниченности характеризует качество постоянного магнита, который можно изготовить из данного вещества. Площадь петли пропорциональна количеству энергии, бесполезно теряемой в форме тепла, если материал используется в качестве сердечника для трансформаторов. Много усилий посвящается специально целям создания и усовершенствования магнитных материалов, находящих самое разнообразное применение. Режим нагревания и охлаждения (термообработка), характер механической

177

обработки его – все это влияет в ту или иную сторону на свойства магнитных материалов.

Более фундаментальные свойства магнетика связаны, однако, со значением намагниченности насыщения. Поскольку эта величина соответствует спонтанной намагниченности доменов, она не зависит от способа приготовления образца, а является свойством, присущим данному веществу. Как и электрическая проводимость, спонтанная намагниченность зависит от температуры, и эта зависимость лучше всего помогает понять природу этой величины.

Соответствующая кривая для никеля приведена на рис.

12.32.

Рис. 12.32. Зависимость намагниченности насыщения от температуры в никеле [12]

Видно, что при нагревании металла спонтанная намагниченность убывает и, когда температура достигает

критического значения, равного 631К (или 358° С), она круто падает до нуля. Выше этой температуры вещество перестает быть ферромагнетиком (становится парамагнетиком) и ведет себя подобно многим другим (парамагнитным) металлам. При охлаждении до температуры ниже критической спонтанная намагниченность возникает снова, и мы проходим ту же кривую в обратном направлении.

178

Другими словами, спонтанная намагниченность вещества изменяется с температурой весьма просто (и притом обратимым образом), исчезая выше критической точки.

Температурный ход спонтанной намагниченности железа описывается кривой точно того же вида, что и для никеля, приведенной на рис. 12.30, однако критическая температура его иная: 1043° К, или 770° С.

12.3.5. Внутреннее (молекулярное) поле

Поведение спонтанной намагниченности напоминает процесс плавления. Когда твердое вещество плавится, характерная для кристаллического состояния упорядоченность в расположении атомов внезапно исчезает и кристалл переходит в неупорядоченное жидкое состояние. Интенсивность колебаний атомов становится достаточной, чтобы «справиться» с силами, стремящимися удержать атомы в упорядоченном состоянии. Аналогия между критической температурой исчезновения спонтанной намагниченности (а с ней и ферромагнетизма) и критической температурой плавления кристалла заставляет обратиться к изучению теплоемкости ферромагнетика. Нагревание обычного твердого тела неуклонно повышает его температуру до тех пор, пока не будет достигнута точка плавления. Затем, пока твердое тело плавится, следует ввести достаточное количество тепла для того, чтобы полностью расплавить его. Только после этого температура расплава начнет повышаться далее. Другими словами, в точке плавления теплоемкость бесконечно велика, поскольку введение тепла не меняет температуры вещества.

Теплоемкость ферромагнетика обнаруживает сходное поведение (рис. 12.33), а именно резкий максимум при температуре, равной критической. Разумеется, теплоемкость не становится бесконечной: температура вещества не остается строго постоянной при подводе тепла. Тем не менее в

179

поведении теплоемкости проявляется аномалия – ярко выраженное отклонение от гладкой кривой, наблюдаемой у других металлов.

Рис. 12.33. Зависимость теплоемкости от температуры в никеле. Пик соответствует критической температуре

(точке Кюри) [12]

И вновь Вейсс был первым, предложив в 1907 году оригинальное объяснение температурной зависимости спонтанной намагниченности домена. Он предположил, что в ферромагнетике имеется некоторое внутреннее поле (он считал его магнитным), создаваемое самим веществом и стремящееся установить все элементарные магниты домена вдоль одного направления, причем это поле, согласно Вейссу, прямо пропорционально уже имеющейся намагниченности домена.

Обратите внимание, насколько хорошо можно объяснить кривые на рис. 12.32 и 12.33 с помощью поля Вейсса. Тепловые колебания стремятся разрушить упорядочение элементарных магнитов тем более настойчиво, чем выше температура. Нарушение упорядочения означает уменьшение спонтанной намагниченности, но тогда, согласно Вейссу, уменьшается и само упорядочивающее поле, то есть стремление намагниченности к нулю по мере роста

180