13.9.4. Природа ферромагнетизма

Классическая (описательная) теория ферромагнетизма была разработана французским физиком П.Вейсом в 1907 году. Последовательная количественная теория на основе квантовой механики развита советским физиком Я.И.Френкелем и немецким физиком В.Гейзенбергом.

Согласно представлениям Вейса, объем ферромагнитного образца, находящегося при температуре ниже точки Кюри, разбит на небольшие области –домены, самопроизвольно (спонтанно) намагниченные до насыщения. Линейные размеры доменов порядка (10⁴-10^-2) см. В размагниченном образце в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы так, что результирующая намагниченность образца в целом равна нулю (рис. 13.16, а).

Рис. 13.16

Намагничивание такого образца (в магнитном поле с медленно и монотонно нарастающей напряженностью) происходит за счет двух процессов: смещения границ доменов и вращения магнитных моментов доменов. Первый процесс приводит к росту размеров энергетически выгодных доменов, т.е. тех, которые спонтанно намагничены в направлениях, близких к направлению вектора внешнего поля (рис. 13.16, б). Второй процесс (рис. 13.16, в) играет основную роль лишь в области, близкой к насыщению. В области средних значенийН, соответствующих максимуму магнитной проницаемости, наблюдается эффект Г. Баргаузена (1919г.), который состоит в скачкообразном изменении J при монотонном изменении Н. Эффект обусловлен наличием в образце ферромагнетика инородных включений и других дефектов, мешающих плавному перемещению доменных границ.

Ферромагнетизм обусловлен спиновыми магнитными моментами электронов. Установлено, что ферромагнитными свойствами могут обладать только те кристаллические вещества, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки с нескомпенсированными спинами. В подобных кристаллах могут возникать силы, которые вынуждают спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно друг другу, что и приводит к возникновению доменов. Эти силы, называемые силами обменного взаимодействия, имеют квантовую природу - они обусловлены волновыми свойствами электронов.

Существуют вещества, в которых обменные силы вызывают антипараллельную ориентацию спиновых магнитных моментов электронов (рис. 13.17,). Такие вещества называютсяантиферромагнетики (МnО, МnF₂, FеО, FеСl₂ и другие).

Рис. 13.17

В последнее время большое значение приобрели полупроводниковые ферромагнетики – ферриты: химические соединения типа MeO  Fe₂O₃, где Мe – ион двухвалентного металла (Мn, Со, Ni, Сu, Мg, Zu, Сd, Fe). Они имеют заметные ферромагнитные свойства (рис. 13.18, б) и, одновременно, удельное сопротивление в миллиарды раз большее, чем у металлов. Ферриты применяют для изготовления постоянных магнитов, ферритовых антенн, сердечников радиочастотных контуров, элементов оперативной памяти в вычислительной технике, для покрытия магнитофонных и видеомагнитофонных пленок и т.д.

§ 14. Заряды и токи в магнитном поле

14.1. Сила Ампера и сила Лоренца

Рассмотрим более подробно силу, действующую на провод с током в магнитном поле. Согласно закону Ампера (§12.4) эта сила для некоторого элемента тока определяется формулой

. (14.1)

Величина силы

, (14.2)

где - угол между векторами и.

Если= 90⁰ (sin 90⁰ = 1), сила Ампера максимальна. Направление силы Ампера перпендикулярно к направлению тока (направление ) и к направлению вектора индукции магнитного поляи подчиняется правилу правого буравчика: при движении рукоятки буравчика откего поступательное движение происходит в направлении. Отсюда следуетправило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор , а четыре вытянутых пальца – по направлению тока, то отогнутый на 90⁰ большой палец покажет направление силы Ампера (рис. 14.1).

Рис. 14.1

Сила Ампера, обусловлена действием магнитного поля на движущиеся заряды проводника, создающие электрический ток. (Этот вывод подтверждается, например, тем, что пучок свободно летящих заряженных частиц, в частности, электронный луч, отклоняется магнитным полем).

Пусть электрический ток в объеме dV элемента тока длиной dl и площадью сечения dS образован заряженными частицами с зарядом q, движущимися со средней скоростью  вдоль элемента тока. Если концентрация носителей тока (движущихся заряженных частиц) равна n, то сила тока в этом элементе равна

где - плотность тока.

Сила Ампера, действующая на этот элемент тока в магнитном поле, равна

(14.3)

Поскольку векторы иимеют одинаковое направление, то в (14.3) значок вектора можно перенести сна. Учитывая, что произведение

определяет число заряженных частиц в объеме элемента тока, можно записать (14.3) в виде:

.

Эта сила действует на N движущихся заряженных частиц. Следовательно, сила, действующая на одну движущуюся заряженную частицу, равна то есть

. (14.4)