Ферромагнетизм

В ферромагнетиках между атомами и ионами, обладающими постоянными магнитными моментами, устанавливается взаимодействие, которое приводит к тому, что магнитные диполи выстраиваются определенным образом параллельно какому-то одному направлению. В результате этого отдельные области ферромагнетика самопроизвольно намагничиваются. Эти области, называемые доменами, обладают постоянным магнитным моментом и при отсутствии внешнего магнитного поля. Спиновые моменты атомов данного домена сохраняют параллельную ориентацию до некоторой критической температуры, называемой температурой Кюри, выше которой взаимодействие между магнитными ионами разрушается тепловыми колебаниями и ферромагнетик превращается в парамагнетик.

Как уже отмечалось, для образования ферромагнитного состояния атомы должны обладать постоянными (не зависимыми от Н) магнитными моментами. Однако при конденсации магнитных атомов или ионов в кристалл их электронные оболочки часто претерпевают такие деформации, что кристалл уже не обладает в своих узлах постоянными магнитными моментами. Наибольшую перестройку испытывают слои валентных электронов, образуя в металлах ферми-газ электронов проводимости, а в неметаллических кристаллах – локализованные спин-насыщенные связи. В обоих случаях намагниченность при отсутствии внешнего поля, как правило, равна нулю. Если атомы решетки кристалла не относятся к переходным элементам, то решетка имеет замкнутый характер и обладает диамагнитными свойствами. В том случае, когда кристалл образован атомами переходных элементов, в нем возможно сохранение не зависящего от внешнего поля магнитного момента. Сближение магнитных ионов в кристалле приводит к перераспределению электронов в самых электронных оболочках и между ними. Например, в кристаллах железа увеличивается электронная плотность в и уменьшается в оболочке.

Спиновый магнитный момент электронов оболочки приводит к возникновению постоянного магнитного момента атома, а между атомами может возникнуть так называемое обменное взаимодействие. Энергия взаимодействия двух атомов со спинами и может быть представлена в виде

. (5.50)

где – обменный интеграл, характеризующий степень перекрывания электронных оболочек этих двух атомов. Согласно принципу Паули[10] два электрона с одинаковой ориентацией спинов не могут занимать один энергетический уровень, поэтому атомам приходится «обмениваться» электронами. Так как величина волновой функции (следовательно, и вероятность пребывания электрона) экспоненциально уменьшается с ростом расстояния электрона от центра иона, то обменные силы относятся к числу короткодействующих. Поэтому величина обменного интеграла чувствительна к расстоянию между незаполненными электронными оболочками ионов, и немногие вещества обнаруживают ферромагнитные свойства.

На рис. 5.16 показана зависимость величины обменного интеграла от отношения постоянной решетки к диаметру незаполненной оболочки.

Из рисунка видно, что при обменный интеграл является положительным и, следовательно, из переходных металлов группы железа ферромагнетизмом должны обладать железо, кобальт и никель, что и наблюдается в действительности.

Если , то обменный интеграл становится отрицательным, а это означает, что магнитным моментам соседних атомов энергетически выгодно располагаться антипараллельно. Такие вещества являются антиферромагнетиками. При больших расстояниях величина обменного интеграла становится пренебрежимо малой, и такие вещества являются парамагнетиками.

Рис.5.16. Зависимость величины обменного интеграла от соотношения между диаметром оболочки и параметром решетки

Большинство ферромагнитных материалов макроскопических размеров не обнаруживает намагниченности в отсутствие внешнего магнитного поля. Это объясняется тем, что обычно образец состоит из большого числа малых областей – доменов, намагниченных до насыщения, но векторы намагниченности этих областей ориентированы хаотически (рис. 5.17). Полная намагниченность такой системы, как правило, оказывается равной нулю, потому что векторы намагниченности доменов компенсируют друг друга при суммировании по всему образцу.

Рис. 5.17. Доменная структура ферромагнетика

Домены возникают как в поликристаллических, так и в монокристаллических образцах (рис. 5.18). В монокристаллах домены располагаются более регулярно: их расположение зависит от структуры кристалла.

а б в

Рис. 5.18. Доменная структура монокристалла

Если размагниченный образец поместить в слабое магнитное поле, то в нем появится результирующая намагниченность, направленная вдоль поля. Намагничивание будет происходить за счет сдвига границ доменов (рис. 5.18, б) и поворота векторов намагниченности доменов в направлении внешнего поля (рис.5.18, в). Рост намагниченности за счет сдвига границ доменов происходит уже при сравнительно слабых полях. Этот процесс в малых полях обратим. Рост намагниченности за счет вращения наблюдается в сравнительно сильных полях. Типичная кривая намагничивания представлена на рис. 5.19.

Рис. 5.19. Типичная кривая намагничивания

В ферромагнитных материалах образуется та доменная структура, для которой полная магнитная энергия минимальна. Магнитную энергию можно представить в виде четырех составляющих: обменной энергии, энергии магнитной анизотропии, магнитострикционной и магнитостатической энергии.

Магнитостатическая энергия связана с наружным магнитным полем, окружающим образец. С увеличением числа доменов в образце снижается наружное поле и уменьшается магнитостатическая энергия (на рис. 5.20, а, б, в показаны соответственно однодоменный, двухдоменный и четырехдоменный образцы). Однако этот процесс не может продолжаться бесконечно, поскольку на образование стенок, разделяющих домены, требуется энергия. Равновесие устанавливается, когда магнитостатическая энергия становится равной энергии границ доменов. Это определяет размеры и число доменов.

а б в г

Рис. 5.20. Домены в образце

Возможно такое расположение доменов, когда полюсы на поверхности образца отсутствуют. Вдоль поверхности располагаются так называемые замыкающие домены, которые имеют форму трехгранных призм (рис. 5.21, г). Эти домены замыкают магнитную цепь, и поэтому наружное магнитное поле, связанное с намагниченностью, отсутствует.

Обменная энергия связана с существованием в образце границ (стенок Блоха), разделяющих домены. Она минимальна, когда соседние спины параллельны и одинаково направленны. Кроме того, векторы намагниченности доменов стремятся располагаться вдоль некоторых кристаллографических осей. Для области внутри границы (стенки Блоха) эти оба требования не могут быть выполнены одновременно, так как внутри стенки происходит поворот вектора намагниченности на 180⁰ (рис. 5.21).

Рис. 5.21. Стенка Блоха

В кристаллах существуют направления, по которым образец намагничивается легко – оси легкого намагничивания, и такие направления, магнитное насыщение которых требует наибольших полей, – оси трудного намагничивания (рис. 5.22). Энергия магнитной анизотропии определяется как разность энергий намагничивания в трудном и легком направлениях. Она влияет на многие свойства магнитных материалов, применяемых в радиоэлектронике.

Магнитоупругая (магнитострикционная) энергия связана с возрастанием энергии кристалла в результате взаимодействия намагниченности с деформацией кристалла. При намагничивании ферромагнитного кристалла его размеры изменяются, и величина этого изменения зависит от намагниченности. Это явление называется магнитострикцией. Внутрикристаллические деформации оказывают существенное влияние на высокочастотные свойства ферритов, в частности, на величину магнитных потерь.