Магнитные свойства твердых тел

 

4.2 Особенности ферромагнитного состояния вещества.

 

      Ферромагнитное  состояние вещества характеризуется многими отличительными особенностями:

- кристаллическое  состояние вещества (атомы, например, Fe, Co,Ni – неферромагнитны, ферромагнетизм проявляется только у кристаллов , Fe, Co,Ni);

- аномально  большое значение магнитной проницаемости;

-нелинейный характер зависимости вектора намагничивания от напряженности внешнего магнитного поля;

- существование  насыщения намагничивания;

-гистерезис  магнитных свойств, существование  остаточного намагничивания и  коэрцитивной силы;

-неоднозначность  зависимости вектора намагничивания от напряженности магнитного поля, зависимость от «предыстории» образца;

-зависимость  магнитной проницаемости от температуры,  существование  точки Кюри.

 
 

4.3 Зависимость намагниченности насыщения от температуры.

 
 

      В области существования ферромагнитного состояния рядом особенностей обладают и немагнитные свойства. Рассмотрим переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное. Ферромагнитное состояние - такое, в котором находится вещество в магните. При этом магнитные моменты отдельных атомов имеют преимущественное направление - большинство магнитных моментов расположено вдоль оси магнита. По мере нагревания магнита тепловое движение все больше и больше разбрасывает магнитные моменты по разным направлениям, и при некоторой температуре средний магнитный момент атомов вдоль оси магнита обращается в нуль. Значит, вещество перешло в парамагнитное состояние, в котором магнитные моменты атомов ориентированы беспорядочно. При переходе из ферромагнитного состояния в парамагнитное роль параметра порядка играет среднее значение проекции магнитного момента на ось намагничивания. В точке перехода эта величина обращается в нуль и остается нулем после перехода в парамагнитное состояние.

      Точка Кюри - это температура, соответствующая  переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное. Таким образом, температура Кюри представляет собой температуру перехода из ферромагнитного состояния в парамагнитное или наоборот. Физически это следует трактовать следующим образом: при температуре Кюри тепловое движение атомов становится настолько интенсивным, что компенсирует ориентирующее действие внутреннего поля Вейсса. 
 При нагревании ферромагнитного материала до температуры Кюри происходит переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное. При остывании ферромагнитное состояние восстанавливается. Если вблизи поверхности существовало внешнее магнитное поле, то направление намагниченности определяется направлением этого поля. 
Таким образом, температура Кюри представляет собой температуру перехода из ферромагнитного состояния в парамагнитное или наоборот. Физически это следует трактовать следующим образом: при температуре Кюри тепловое движение атомов становится настолько интенсивным, что компенсирует ориентирующее действие внутреннего поля Вейсса. 
 В 1907 г. была создана теория, утверждавшая, что основным характерным свойством ферромагнитного состояния вещества является наличие в нем самопроизвольной (спонтанной) намагниченности, не зависящей от внешнего магнитного поля. Величина этой самопроизвольной намагниченности зависит от температуры; существует некоторая температура (точка Кюри), выше которой вещество полностью теряет свои ферромагнитные свойства. Ферромагнитное тело при температуре ниже точки Кюри следует представлять себе как комплекс самостоятельных малых по размерам областей, обладающих каждая своей самопроизвольной намагниченностью. 
Будучи искусственно созданы, они неизбежно перестраиваются, переходя в стабильные сегнетоэлектрическое или ферромагнитное состояния. Однако существуют условия, при выполнении которых такой переход оказывается затрудненным, а интересующие нас состояния - достаточно долгоживущими. Именно тогда в макроскопической среде и возникают компактные конфигурации поля и не зависящие от расстояния силы. 
Этот случай имеет место, в частности, для переходов из пара - в ферромагнитное состояние, где параметром порядка является вектор намагниченности кристалла. 
Термин ферромагнетик употребляется также в более узком смысле, когда надо провести различие между разнообразными ферромагнитными состояниями, которые могут существовать, если на-элементарную ячейку приходится несколько магнитных ионов.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5 КВАНТОВАЯ  ПРИРОДА ФЕРРОМАГНЕТИЗМА

5.1 Из истории исследования ферромагнетики

 

      Выяснение природы ферромагнетизма началось давно, и ведущая роль в этом принадлежала русским физикам, начиная с работ А.Г.Столетова.

      Первая  попытка объяснения причин сильного намагничивания ферромагнетиков принадлежит советскому физику Б. Л. Розингу, который еще в 1892 году указал, что в ферромагнетике действуют особые обменные силы, приводящие к сильному намагничиванию. Природу этих сил можно раскрыть только на основании квантово-механических представлений, ибо природа ферромагнетизма квантовая.

      Основы  квантовой теории ферромагнетизма  начали разрабатываться в 1928 году советским физиком Я. И. Френкелем и немецким физиком В. Гейзенбергом.

      Природа ферромагнетизма пока до конца не раскрыта. Наиболее развитой моделью ферромагнетизма является s-d- обменная модель советских физиков С.В. Вонсовского и С.П. Шубина.

 

5.2 Условия  существования ферромагнетизма

 

      Ферромагнитические  свойства связаны с особенностями  строения атомов и кристаллической  структуры вещества. Ферромагнитными  свойствами обладают только такие вещества, в атомах которых имеются незаполненные  внутренние уровни, т.е. ферромагнетизм может проявляться только у переходных элементов.

      Чтобы существовал ферромагнетизм необходимо и достаточно, чтобы:

1). атомы  имели незаполненные внутренние  слои радиуса R;

2). расстояние  между атомами в кристаллической  решетке d должно быть таким, чтобы d/2R больше 1,5.

      Если  оба требования ферромагнетизма  выполнены, то собственные магнитные  моменты электронов в незаполненных  внутренних слоях атомов выстраиваются  параллельно. Эти нескомпенсированные  спины создают суммарный магнитный момент атома  и в результате возникает сильное намагничивание вещества в целом.

      Итак, причиной ферромагнетизма является параллельная ориентация спинов электронов в незаполненных внутренних слоях  атомов кристаллов. Таким образом, ферромагнетизм имеет квантовую природу. Согласно квантовой теории по s-d-обменной модели  ферромагнетизма состояние сильного намагничивания веществ обусловлено параллельной ориентацией спинов электронов в незаполненных слоях атомов кристалла. Причиной параллельной ориентации спинов являются обменные электрические силы, при рода которых до конца пока не раскрыта.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6 ДОМЕННАЯ  СТРУКТУРА ФЕРРОМАГНЕТИКОВ. КРИВАЯ  НАМАГНИЧИВАНИЯ. МАГНИТНЫЙ ГИСТЕРЕЗИС.

6.1 Доменная структура ферромагнетиков

   В ферромагнетике при температурах, не превышающих точку Кюри ( ), спиновые моменты атомов с недостроенными d и f-оболочками ориентируются параллельно друг другу. При этом намагниченность должна стремиться к насыщению. Однако опыт показывает, что намагниченность ферромагнитного образца часто оказывается нулевой и только при помещении его во внешнее магнитное поле намагниченность возрастает и быстро достигает насыщения уже в достаточно слабых полях.

         Вейсс предположил, что макроскопический образец ферромагнетика разбивается на множество областей, называемых доменами, каждый из которых намагничен до насыщения. Однако направления векторов суммарной намагниченности отдельных доменов ориентированы по-разному, и результирующая намагниченность образца ферромагнетика оказывается нулевой (рис. 1).

   Друг  от друга домены отделены слоями, в  которых происходит поворот спинов от ориентации, свойственной одному домену, к ориентации, свойственной соседнему. Такие слои называются стенками Блоха (рис. 2). В железе их толщина достигает приблизительно 300 постоянных решетки (около 1000 Å).

 

 

 

 

Рассмотрим  кратко причину возникновения стенок Блоха. Полный переворот спинов соседних доменов не осуществляется скачком в одной области, как это показано на рис. 2. Согласно теории, обменная энергия при скачкообразном повороте спинов на между двумя соседними доменами должна измениться на величину .  Если же полный переворот спина на осуществляется за n шагов, то на это потребуется затрата энергии . Тогда, с учетом того, что для достаточно больших значений n косинус можно разложить в ряд, ограничившись двумя первыми членами разложения , затраты обменной энергии на такой процесс составят

.

Это значение в  меньше, чем изменение энергии, имеющее место при скачкообразном перевороте спина.

   Доменные  границы по своему поведению во многом сходны с границами зерен в  поликристаллах. Они обладают повышенной энергией и при стремлении системы к уменьшению общей энергии способны перемещаться в сторону домена с более высокой энергией, уменьшая тем самым суммарный объем доменов с высокой энергией. Этот процесс играет важнейшую роль при намагничивании ферромагнетиков, которое будет рассмотрено ниже.

   Толщина стенок Блоха обычно на порядок меньше размера домена. В тонких магнитных  пленках можно организовать упорядоченное  движение доменов и даже отдельных  фрагментов доменной границы, создавая тем самым управляющие магнитные  поля. На этом принципе основаны запоминающие устройства с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД ЗУ) и ряд магнитооптических приборов для управления световым лучом.

   Одной из важнейших проблем, связанных  с доменной структурой ферромагнетиков, является вопрос о зависимости их намагниченности от величины и направления намагничивающего поля. Намагничивание ферромагнитного образца, имеющего нулевой результирующий магнитный момент в отсутствии внешнего поля, происходит за счет изменения формы и ориентации доменов (рис. 3). При нулевом поле суммарному объему доменов, намагниченных в одном направлении, соответствует равный ему объем доменов, намагниченных в противоположном направлении, и поэтому результирующая намагниченность равна нулю. Это равновесие, однако, нарушается при наложении внешнего магнитного поля .

 

 

 

 

   Весь  процесс намагничивания ферромагнетика во внешнем поле можно разделить на несколько этапов:

   1). В слабых полях наблюдается увеличение объема «выгодно» расположенных относительно внешнего поля доменов за счет доменов с «невыгодной» ориентацией Если внешнее поле снять, то домены восстановят исходную форму и размеры. Эти процессы называют обратимым смещением границ доменов. 2). Если внешнее поле продолжает увеличиваться, то происходят необратимые процессы, которые возникают за счет препятствий, создаваемых дефектами кристаллической структуры. Чтобы преодолеть их действие, граница домена должна получить от внешнего поля достаточно большую энергию. Если снять внешнее поле, то дефекты помешают границам домена вернуться в исходное положение. Этот этап носит название необратимого смещения .

   2). Если внешнее поле продолжает увеличиваться, то происходят необратимые процессы, которые возникают за счет препятствий, создаваемых дефектами кристаллической структуры. Чтобы преодолеть их действие, граница домена должна получить от внешнего поля достаточно большую энергию. Если снять внешнее поле, то дефекты помешают границам домена вернуться в исходное положение. Этот этап носит название необратимого смещения .

   3). В области высоких полей намагничивание происходит за счет поворота намагниченности доменов по направлению поля. При этом намагниченность выходит на насыщение (техническое).

   4). После этого наблюдается очень медленный рост намагниченности, т. к. при T » 0 К тепловое движение не дает всем спинам доменов ориентироваться строго параллельно. В сильных полях наблюдается так называемый парапроцесс, который заключается в достижении параллельной ориентации спинов. Если после достижения намагниченности насыщения отключить внешнее поле ( ), то ферромагнетик не размагничивается полностью, а сохраняет остаточную намагниченность . Для достижения нулевой намагниченности требуется приложить размагничивающее поле H_c, называемое коэрцитивной силой.

   Полный  цикл перемагничивания ферромагнитного  образца представляется петлей гистерезиса Характерной особенностью этой кривой является то, что она наглядно показывает отставание процесса размагничивания от уменьшающегося намагничивающего поля. Это отставание показывает, что энергия, приобретенная ферромагнетиком при намагничивании, не полностью отдается при размагничивании, а часть ее теряется. Величина магнитной энергии, потерянной в течение полного цикла, пропорциональна площади, охватываемой петлей гистерезиса. Потери магнитной энергии связаны, главным образом, с преодолением препятствий движению доменных границ, т. е. с величиной коэрцитивной силы H_c, которая чрезвычайно структурно-чувствительна: она резко возрастает с уменьшением размера зерна, при наличии искажений решетки, дислокаций, частиц других фаз и других факторов, препятствующих смещению доменных границ. Величина коэрцитивной силы H_c может меняться от сотен тысяч до нескольких единиц ампер на метр.

   Таким образом, кривая, описывающая зависимость намагниченности от напряженности поля , является весьма важной характеристикой магнитных материалов, поскольку она позволяет рассчитать энергетические потери в устройствах, где эти материалы используются. По виду этой петли все ферромагнетики подразделяются на две группы: ферромагнетики с узкой петлей гистерезиса и низкой коэрцитивной силой ( ) относятся к магнитомягким материалам. Ферромагнетики, имеющие высокую коэрцитивную силу ( ) и широкую петлю гистерезиса, называются магнитотвердыми. При необходимости максимального снижения магнитных потерь коэрцитивная сила H_c не должна превышать нескольких десятков ампер на метр. Магнитомягкие ферромагнетики применяют для изготовления сердечников трансформаторов. Магнитотвердые – для получения постоянных магнитов. В зависимости от химического и фазового составов магнитных материалов и технологии их изготовления петли гистерезиса могут иметь различную форму (рис. 4). Материалы с прямоугольной и квадратной формой петли гистерезиса используют в элементах памяти электронных схем.