3. Теория ферромагнетизма

Ферромагнетизм может быть рассмотрен только в рамках квантовой теории. В рамках классической теории магнетизма можно лишь описать свойства ферромагнетиков и обсудить качественно механизм его возникновения.

Ферромагнетиками называются кристаллические вещества, состоящие из макроскопических, но небольших по объему (10^-6-10^-3мм³) областейспонтанной намагниченности - домéнов.

В пределах своих границ каждый домен намагничен однородно и до насыщения. В любом кристаллике поликристаллического ферромагнитного образца (рис.4) магнитные моменты соседних доменовориентируется по одной из «осей легкого намагничивания» кристаллика во взаимно противоположных направлениях.

Вцелом же в кристаллическом образце магнитные моменты доменов ориентируются равновероятно по всем направлениям. Образец оказывается ненамагниченным, и это его состояние устойчиво. Оно соответствует минимуму энергии образца, состоящей из энергии магнитного поля всех доменов и энергии взаимодействия электронов соседних атомов кристаллической решетки при ковалентной их связи друг с другом (рис.4).

Природа спонтанной намагниченности доменов – квантовая, т.е. объясняется квантовой физической теорией. Согласно этой теории все электроны обладают собственными неуничтожимыми механическим моментами называемыми спинами.Спин электрона (и всех других микрочастиц) − квантовая величина, у нее нет классического аналога; это внутреннее неотъемлемое свойство электрона, подобное его заряду и массе. Спину соответствуетсобственный магнитный момент ,который способен определенным образом ориентироваться в пространстве, например, вследствие взаимного влияния электронов или под действием внешнего магнитного поля.

Атомы ферромагнетиков имеют недостроенную, не полностью занятую электронами внутреннюю оболочку. Так, у атомов железа, содержащих электроны на четырёх оболочках, первая и вторая из них заняты полностью, третья внутренняя оболочка из 18 возможных имеет только 14 электронов, внешняя оболочка содержит только два валентных электрона.

В процессе кристаллизации ферромагнетика внешние электроны соседних атомов находятся на относительно близких расстояниях, в результате чего происходит интенсивное взаимодействие спиновых моментов внешних электронов, которое называется обменным илиспин-спиновым взаимодействием. В результате этого взаимодействия магнитные моменты электронов оказываются одинаково направленными в значительных по размеру макроскопических областях – доменах. Таким образом, весь объем ферромагнетика разбивается на домены, но ориентация магнитных моментов этих доменов совершенно произвольная (рис.4), так что суммарный момент магнитный момент образца равен нулю.

При помещении ненамагниченного ферромагнетика (поликристаллического образца) во внешнем магнитном поле, например, в поле соленоида с током, происходит его принудительное или «техническое» намагничивание, при котором все домены образца полностью или частично ориентируются в направлении напряженностинамагничивающего поля, как показано на рис.5 (полеН₁<H₂<H₃). Это намагничивание состоит в том, что увеличиваются размеры благоприятных доменов и, соответственно, уменьшаются размеры неблагоприятных доменов. При этом под благоприятными доменами понимаются такие, у которых направление магнитного момента близко к направлению внешнего поля и наоборот. Следовательно, при намагничивании ферромагнетиков происходит изменение физических размеров доменов, перемещение их границ. Когда процесс роста и ориентации благоприятных доменов закончится, происходит так называемое насыщение (Н=H_S, В=В_S, точка 1 на рис. 2). При дальнейшем росте поля рост намагничивания ферромагнетиков не происходит.

При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ферромагнетики сохраняют остаточную намагниченность, так как тепловое движение не в состоянии быстро дезориентировать магнитные моменты столь крупных образований, какими являются домены, поэтому и наблюдается явление 'магнитного гистерезиса. Для возвращения магнитных моментов доменов в первоначальное состояние требуется дополнительная энергия, т.е. величина коэрцитивного поля H_C определяется наибольшим энергетическим барьером, который надо преодолеть в процессе размагничивания ферромагнетика.

Энергия гистерезисных потерь, расходуемая за один полный цикл перемагничивания какого-либо образца, равна произведению объема образца V₀на площадь петли гистерезиса в координатах (В, Н), т.е.

(9)

Она переходит в тепловую энергию образца. При перемагничивании ферромагнетик нагревается.

Магнитные свойства ферромагнетиков в значительной степени зависят от температуры. При некоторой температуре, называемой точкой Кюри, тепловое движение разрушает его доменную структуру и вместе с этим исчезают все особенности ферромагнитного состояния: вещество переходит в парамагнитное состояние. Домены могут существовать в кристалле только при температурах ниже точки Кюри. Для никеля Т_к=633 К, для железа Т_к=1043 К, для кобальта Т_к=1403 К.