Типы магнитного состояния и магнитные характеристики макроскопических веществ

В вакууме (при отсутствии вещества) χ = 0, следовательно, относительная магнитная проницаемость вакуума μ = 1.

§ 1.3. Причины возникновения доменной структуры

Магнитные свойства ферро- и ферримагнетиков анизотропны, т. е. не одинаковы в различных направлениях. Кристаллографическую ось, при намагничивании вдоль которой напряженность магнитного

22

поля, необходимого для достижения намагниченности технического насыщения (см. § 1.4), минимальна, называют осью легкого намагничивания (ОЛН). При отсутствии внешнего поля магнитный момент самопроизвольно ориентируется вдоль ОЛН. Если при намагничивании вдоль некоторой оси напряженность магнитного поля максимальна, то такую ось называют осью трудного намагничивания (ОТН). На рис. 1.3 представлены кривые, выражающие зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля в процессе намагничивания по различным направлениям предварительно термически размагниченного образца α-Fe при последовательном возрастании напряженности магнитного поля (начальные кривые намагничивания по индукции). Видно, что намагничивание модификации α-Fe по ОЛН (направление [100]) требует поля меньшей напряженности по сравнению с другими направлениями, в том числе с ОТН – [111].

Рис. 1.3. Магнитная анизотропия модификации α-Fe:

а– начальные кривые намагничивания по индукции;

б– направления кристаллографических осей

Энергия, необходимая для изменения направления магнитного момента от направления ОЛН к направлению ОТН (заштрихованная область на рис. 1.3, а), называется энергией магнитной анизотропии. Она складывается из энергии магнитных взаимодействий между магнитными моментами электронов и энергии магнитострикционных деформаций в кристалле*. Механические напряжения, приложенные извне или существующие в кристалле, могут также влиять на его магнитную анизотропию.

* Явление магнитострикции более подробно рассмотрено в § 8.2.

23

В реальных условиях любое ферромагнитное тело имеет определенную форму и ограниченные размеры. Пусть оно имеет форму параллелепипеда (рис. 1.4, а), в котором вертикальное направление является направлением ОЛН, а вектор намагниченности М направлен снизу вверх. Он создает в окружающем пространстве магнитный поток*, который замыкается через окружающую среду. Из-за различия магнитных свойств ферромагнетика и окружающей его среды на верхней и нижней границах тела возникает резкий скачок намагниченности, который является источником размагничивающего поля ферромагнитного тела. Напряженность размагничивающего поля Нd представляет собой векторную разность между напряженностью внутреннего магнитного поля и напряженностью внешнего поля ферромагнитного тела. Величина размагничивающего поля в окружающем пространстве пропорциональна намагниченности:

где N – коэффициент размагничивания.

Рис. 1.4. Формирование многодоменной структуры: а – однодоменное состояние; б – двухдоменное состояние; в, г – возможные виды многодоменных структур

Образование размагничивающего поля приводит к появлению взаимодействия между Нd и M ионов, в результате которого возникает магнитостатическая энергия.

При заданной напряженности внешнего магнитного поля Н устойчивое состояние тела из магнитного материала определяется минимумом суммы магнитостатической энергии и энергии магнитной

* Магнитный поток – скалярная величина, равная потоку вектора магнитной индукции.

24

анизотропии. В связи с этим для макроскопического тела из магнитного материала характерно образование многодоменной структуры, в которой намагниченность отдельных доменов разнонаправленна.

Выгодность возникновения такой структуры иллюстрирует рис. 1.4.

Однодоменное состояние макроскопического тела (рис. 1.4, а) является энергетически невыгодным, что связано с большим значением магнитостатической энергии, снижение которого при формировании двухдоменной структуры (рис. 1.4, б) не приводит к устойчивому состоянию макроскопического тела. Минимизация магнитостатической энергии достигается только при наличии (в структуре) замыкающих призматических доменов (рис. 1.4, в, г), в которых вектор намагниченности имеет другое направление. Появление этих доменов объясняется энергетической выгодностью такой структуры, которая за счет замыкания магнитного потока внутри кристалла настолько снижает его магнитостатическую энергию, что суммарная энергия уменьшается, несмотря на некоторое увеличение энергии магнитной анизотропии и энергии доменных границ.

В магнитных материалах, различающихся по химическому составу и технологии производства могут формироваться разнообразные доменные структуры.

Геометрические размеры доменов в магнитных материалах составляют ~10 нм…0,1 мм. При температуре 0 К каждый домен самопроизвольно намагничен до насыщения, при этом его намагниченность приобретает значение намагниченности технического насыщения (МS). По мере увеличения температуры МS уменьшается

(до нуля при достижении точки Кюри).

Между соседними доменами расположена переходная область, называемая доменной границей. В ней магнитные моменты атомов или ионов постепенно меняют свое пространственное упорядочение – от упорядочения, соответствующего одному домену, до упорядочения, соответствующего соседнему. Толщина доменных границ зависит от обменной энергии и энергии магнитной анизотропии и составляет 10…100 нм.

При уменьшении размера ферромагнитного тела до критического, определяемого магнитными свойствами материала, существование большого числа доменов становится энергетически невы-

25