40. Феромагнетики

Удев’яти чистих хімічних елементів, а саме залізі(Fе), нікелі (Ni), кобальті (Со) і ланоганидах - гадолінію (Gd), тербію (Tb), диспрозію (Dy), гольмію (Ho), ербію (Er) і тулію (Ty) та їх численних сплавах виявлено властивість миттю намагнічуватися навіть у слабких магнітних полях. Усі вони утворюють групу сильномагнітних речовин - феромагне­тиків. Феромагнетики підсилюють зовнішнє поле в сотні і тисячі разів.

Експериментальне вивчення феро­магнетиків розпочате О.Г. Столєтовим. Він дослідив залеж­ність намагніченості заліза від напруженос­ті магнітного поля.

На рис. 17 по­казано залежність інтенсивності намагніченості заліза від напру­женості Н магнітного поля. Починаючи з деякого числового значення, вектор намагніче­ності залишається постійним і дорівнює J_H. Це явище Столєтов назвав магнітним на­сиченням.

На рис. 18 зображено криву залеж­ності магнітної індукціїB від Н. При H>H_н магнітна ін­дукція зростає за лінійним законом залежно від напруженості поля Н . Це пояснюється тим, що намагніченість при цій напруженості поля вже не зміню­ється і вектор магнітної індукції В зале­жить лише від напруженості .

Відносна магнітна проникність феромагнетика спочатку швидко зростає із збільшенням Н, дося­гає максимуму і потім спадає, прямуючи до одиниці при сильних намагнічувальних полях (рис. 19).

О. Столєтов вивчив явище намагні­чування феромагнетика у змінному за ве­личиною і напрямком зовнішньому магніт­ному полі.Залежність намагніченості від на­пруженості поля Н визначається перед­історією намагнічення феромагнетика (рис. 20). Це явище називається магніт­ним гістерезисом.

В експериментах із залізом П. Кюрі встановив, що при певній температурі воно втрачає властивість феромагнетика і пере­ходить в парамагнітний стан. Цю темпе­ратуру називають точкою Кюрі.

Залежність магнітної сприйнятли­вості феромагнетиків від абсолютної тем­ператури Т речовини у феромагнітному ста­ні наближено описується законом Кюрі:

,

де і набуває різних значень у різних температурних інтервалах. Наприклад, при температурахТ, близьких до точки фазового переходу Т_с, .

Магнітна сприйнятливість феромагетика в парамагнітній фазі змінюється за законом Кюрі-Вейса: .

Класична теорія феромагнетизму була розроблена П. Вейсом. В основу цієї теорії покладено дві гіпотези. Перша гіпотеза поля­гає в тому, що в певній області температур (від Т=0 до Т =Т_с) феромагнетикам власти­ва спонтанна намагніченість, яка не залежить від наявності зовнішнього магнітного поля. Проте досліди показали, що у разі відсутності зовнішнього магнітного поля, якщо не брати до уваги явище магнітного гістерезису, будь-яке феромагнітне тіло буде в цілому розмаг­нічене. Це примусило ввести другу гіпотезу про те, що при Т <Т_с будь-яке феромагнітне тіло розділяється на малі області, яким власти­ва однорідна спонтанна намагніченість. Такі області називаються доменами. Лінійні розмі­ри доменів досягають І0^-2-10^-3см. Межі доменів (доменні стінки) не слід уявляти у вигляді геометричних площин. Фактично це області, що охоплюють сотні атомних шарів, в яких напрямок намагнічення змінюеться монотонно.

Коли зовнішнього магнітного поля немає, вектори магнітних моментів окре­мих доменів орієнтуються в просторі хаотично, так що результуючий магнітний мо­мент усього тіла дорівнює нулю. Зовнішнє магнітне поле, яке діє на феромагнетики, орієнтує магнітні моменти не окремих час­тинок як у парамагнетиках, а цілих облас­тей спонтанної намагніченості, домени по­чинають збільшуватись в об'ємі за рахунок сусідніх доменів, що мають інші орієнтації намагніченості (рис. 21). При досить силь­ному полі Н_н всі домени повертаються в напрямку поля і феромагнетик намагнічу­ється до насичення. Феромагнітні властивості можуть мати лише кристалічні речовини, в атомах яких недобудовані внутрішні електронні оболонки з нескомпенсованими спінами. У цих криста­лах можуть виникати сили, які примушують спінові магнітні моменти електронів орієнту­ватися паралельно один до одного, що і призводить до виникнення областей спонтан­ного намагнічення. Ці сили, що називаються обмінними силами, мають квантову приро­ду - вони зумовлені хвильовими власти­востями електронів.

Лекція №18