14.1.3. Ферромагнетики

Ферромагнетизм является частным случаем парамагнетизма. У ферромагнетиков, как и у парамагнетиков, магнитные моменты ато­мов (ионов) обусловлены нескомпенсированными в них спиновыми магнитными моментами электронов. Однако у ферромагнетиков в отличие от парамагнетиков магнитные моменты атомов располо­жены не беспорядочно, а в результате обменного взаимодейст­вия (см. ниже гл. 14.2.1) ориентированы параллельно друг другу (рис. 14.1, б) с образованием магнитных доменов.

Магнитные домены представляют собой элементарные объемы ферромагнетиков, находящиеся в состоянии магнитного насыщения. В домене нескомпенсированные спиновые магнитные моменты электронов всех атомов выстроены параллельно друг другу. Домен­ная структура образуется в отсутствие внешнего магнитного поля в результате самопроизвольной (спонтанной) намагниченности, кото­рая происходит при температурах ниже некоторой так называемой точкой Кюри Тк. Для чистого железа Тк = 768°С, никеля Тк = 358°С, кобальта T=1131 С. Разбивка всего объема ферромагнетика на множество доменов энергетически выгодна. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов направлены так, что их результирующий магнитный момент равен или близок нулю. До­мены имеют размеры около 0,001 — 10 мм³ при толщине пограничных слоев между ними (границ) в несколько десятков ангстрем. В домен­ных границах происходит постепенное изменение направления век­тора намагниченности от одного домена к направлению вектора на­магниченности в соседнем домене.

Характерная особенность ферромагнетиков — их доменное строение, которое и обусловливает специфику магнитных свойств: магнитное насыщение, гистерезис, магнитострикцию и др.

Магнитная восприимчивость km и магнитная проницаемость μ и

ферромагнетиков имеют большие положительные значения (до 10⁶)

и сильно зависят от напряженности внешнего магнитного поля и

температуры. Ферромагнетики легко намагничиваются уже в слабых магнитных полях.

В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов намагниченности различных доменов не совпадают, и результирую­щая намагниченности всего образца ферромагнетика равна или близка нулю. При приложении магнитного поля магнитные момен­ты доменов начнут ориентироваться по полю, а границы между доменами смещаются, в результате образец намагничивается. Это намагничивание называют техническим намагничиванием и его необ­ходимо отличать от спонтанного намагничивания, которое всегда присутствует внутри доменов. При нагревании ферромагнетика его магнитная проницаемость возрастает, так как облегчаются процессы смещения доменных границ. При температуре, равной и выше Тк, интенсивное тепловое движение ионов, находящихся в узлах кри­сталлической решетки, начнет изменять параметры этой решетки,

Рис.14.2- Зависимость магнитной проницаемости μ ферромагнетиков от температуры Т: Тк — точка Кюри

TKμ=αμ =1/μ •dμ/dT (14.6)

в результате разрушится спонтанная намаг­ниченность, домены перестанут сущест­вовать — материал перейдет из ферро­магнитного состояния в парамагнитное (некоторые редкоземельные элементы пе­реходят в антиферромагнитное состоя­ние), и величина μ приблизится к единице (рис. 14.2). Для характеристики изменения магнитной проницаемости μ при измене­нии температуры на один Кельвин пользу­ются температурным коэффициентом маг­нитной проницаемости ТКμ, К^─1: маг­нитной проницаемости μ

К ферромагнетикам относятся три переходных металла (железо Fe, кобальт Со и никель Ni), имеющих недостроенную 3d-электронную оболочку, и сплавы на их основе; шесть редкоземель­ных металлических элементов (гадолиний Gd, тербий Тb, диспро­зий Dy, гольмий Но, эрбий Еr и тулий Tm, имеющих недостроен­ную 4f-электронную оболочку и очень низкие значения Тк (табл. 14.2), что затрудняет их практическое применение; сплавы системы Мn—Сu—А1 (сплавы Гейслера) и соединения MnSb, MnBi и др., в которых атомы марганца находятся на расстояниях, больших, чем в решетке кристалла чистого марганца.

14.1.4. Антиферромагнетики — это материалы, атомы (ионы) которых обладают магнитным моментом, обусловленным, как у пара- и фер­ромагнетиков, нескомпенсированными спиновыми магнитными мо­ментами электронов. Однако у антиферромагнетиков магнитные мо­менты атомов под действием обменного взаимодействия (у них обменный интеграл отрицательный; см. гл. 14.2.1) приобретают не параллельную ориентацию, как у ферромагнетиков, а антипарал­лельную (противоположную) (см. рис. 14.1, в) и полностью компен­сируют друг друга. Поэтому антиферромагнетики не обладают маг­нитным моментом, и их магнитная восприимчивость km близка по величине к km парамагнетиков. Для антиферромагнетиков, как и для ферромагнетиков, существует определенная температура, назы­ваемая точкой Нееля Тн, при (и выше) которой антиферромагнит­ный порядок разрушается и материал переходит в парамагнитное со­стояние.

К антиферромагнетикам относятся: Mn, Cr, CuO, NiO, FeO, Cr2O3, NiCr, MnO, Mn2O3, MnS, VO2 и довольно большое количество других соединений.

14.1.5. Ферримагнетики имеют доменную структуру, состоящую из двух или более подрешеток, связанных антиферромагнитно (антипарал­лельно). Поскольку подрешетки образованы атомами (ионами) раз­личных химических элементов или неодинаковым их количеством, они имеют различные по величине магнитные моменты, направлен­ные антипараллельно (рис. 14.1, г). В результате появляется отличная от нуля разность магнитных моментов подрешеток, приводящая к спонтанному намагничиванию кристалла.

Таким образом, Ферримагнетики можно рассматривать как не­скомпенсированные антиферромагнетики. Свое название эти материа­лы получили от ферритов — первых нескомпенсированных антифер­ромагнетиков, а магнетизм ферритов назвали ферримагнетизмом. У ферритов доменная структура, как и у ферромагнетиков, образует­ся при температурах ниже точки Кюри. К. ферритам применимы все магнитные характеристики, введенные для ферромагнетиков. В от­личие от ферромагнетиков они имеют меньшую величину индук­ции насыщения, более сложную температурную зависимость индук­ции и в ряде случаев высокое значение удельного сопротивления (ρ= 10^─3 —10¹⁰ Ом•м).

Ферромагнетизм в металлах объясняется наличием обменноговзаимодействия, которое образуется между соприкасающимися атомами, а также вза­имной ориентацией спиновых магнитных моментов (см. гл. 14.2.1). В ферримагнетиках магнитные моменты ионов ориентиро­ваны антипараллельно и обменное взаи­модействие происходит не непосредствен­но, а через ион кислорода О^2─ (рис. 14.3). Такое обменное взаимодействие называют косвенным обменом или сверхобменом. Оно по мере приближения промежуточного угла к 180° усиливается