2.7. Феромагнетики

Як видно з попереднього, діа- і парамагнетики – слабкі магнітні речовини. Поряд з ними є група речовин, які здатні сильно намагнічуватися навіть у слабких магнітних полях. Вони дістали назву феромагнетиків. Цей термін походить від латинської назви основного їх представника – заліза. До них відносяться три 3d-метали: залізо, кобальт і нікель та шість 4f-металів: гадоліній, диспрозій, тербій, гольмій, ербій і тулій, велика кількість сплавів цих металів між собою і з неферомагнітними металами, а також сплави марганцю, срібла, алюмінію і деяких інших металів.

Для феромагнетиків є характерними:

1. Кристалічна будова.

2. Велике позитивне значення магнітної сприйнятливості і складна її залежність від температури і напруженості магнітного поля (рис. 2.14, в).

3. Здатність намагнічуватися до насичення за звичайних температур у відносно слабких полях.

4. Наявність точки Кюрі – температури, при досягненні і перевищенні якої речовина поводить себе як парамагнетик.

5. Магнітний гістерезис (за температур, менших температури Кюрі) – залежність магнітних характеристик від попередньої історії зразка.

2.7.1.Природа феромагнетизму

Прямі досліди засвідчують, що магнітні моменти атомів феромагнітних речовин мають такий самий порядок величини, що і атоми парамагнетиків, і вимірюються декількома магнетонами Бора . Звідси випливає, що феромагнітні властивості не зумовлені лише наявністю магнітного моменту атома загалом.

Феромагнетики утворюються атомами з нескомпенсованими спіновими магнітними моментами (які часто називають спінами). Однак внаслідок розорієнтуючої теплової дії для намагнічування до насичення таких речовин начебто необхідні були б досить сильні магнітні поля, що протирічить результатам дослідів. Намагнічування до насичення феромагнетиків у відносно слабких полях зумовлене доменною структурою кристалу феромагнетика, фізична сутність якої полягає в наступному.

За гіпотезою російського фізика Б.Л. Розінга (1892), розвинутої в подальшому (1907) французьким фізиком П. Вейсом, у об’ємі феромагнетика наявні внутрішні магнітні поля, які забезпечують упорядковану взаємну орієнтацію (так званий магнітний порядок) нескомпенсованих спінів, утворюючи мікрообласті речовини, самочинно (спонтанно) намагнічені майже до насичення (рис.2.13,а). Ці області називають доменами (областями Вейса).

Радянські фізики Я. Дорфам (1927) і Я. Френкель (1928) та, незалежно від них, німецький фізик В. Гейзенберг (1928) показали, що енергію внутрішнього молекулярного поля можна визначити на підставі квантово-механічних розрахунків, припустивши наявність „обміну електронами” між сусідніми атомами внаслідок перекриття енергетичних рівнів зовнішніх електронів (перекриття електронних орбіталей). Енергія системи двох сусідніх атомів, що взаємодіють між собою, залежить від енергії електростатичної взаємодії К (К<0) і обмінної енергії А, причому ‌‌‌‌‌‌‌ ‌‌‌ ‌‌‌‌. Енергія такої системи

(2.52)

де — енергія атомів до взаємодії. У формулі (2.52) перед А знак „+” відповідає антипаралельній орієнтації спінів електронів атомів, що взаємодіють, знак „—” паралельній. Оскільки будь-яка система в стаціонарному і квазістаціонарному стані прагне до мінімального запасу енергії, то при А>0 вигідною є паралельна орієнтація спінів сусідніх атомів, що відповідає феромагнітному стану. Знак обмінної енергії А (її ще називають обмінним інтегралом) залежить від розмірів періоду кристалічної решітки і радіуса недобудованої електронної оболонки атома (рис.2.9). Якщо, наприклад, неферомагнітному марганцю надати домішки, які призведуть до збільшення періоду , то він стане феромагнітним.

Лінійні розміри доменів 10^-3—10^-2мм, магнітний момент домену в середньому в 10¹⁵ разів більший від магнітного моменту атома.

Розміри і форма доменів у монокристалі і в полікристалічному тілі

Рис.2.9 різні. У монокристалі є напрямки найменшого намагнічення , і домени мають правильну форму, наприклад

таку, як умовно показано на рис. 2.10. Форма доменів у полікристалічному зразку залежить від випадкового розміщення і форми окремих монокристалів (рис. 2.11).

Мінімум повної енергії кристала досягається тоді, коли домени

Рис.2.10 Рис.2.11 Рис.2.12

утворюють замкнені магнітні кола (рис.2.10). Безпосередній дотик доменів з дуже різною магнітною орієнтацією є енергетично не вигідним. Тому домени розділені між собою граничними шарами з поступовою переорієнтацією магнітних моментів атомів (рис.2.12). Ці шари називають стінками Блоха.

Товщина цих шарів для заліза (0,25—0,35)∙10^-4мм.

Доменну структуру можна спостерігати експериментально під металографічним мікроскопом (мікроскопом на відбивання світла), нанісши на поліровану поверхню феромагнетика колоїдну суспензію з тонко подрібленого феромагнітного матеріалу. Магнітні порошинки осідають переважно на межах доменів, окреслюючи їхні розміри і форму.