Природа ферромагнетизма

Природа ферромагнетизма весьма сложна и связана с квантовомеханическим описанием свойств твердых тел. В кристаллах ферромагнетиков между атомами возникает специфическое обменное взаимодействие, которое стремится установить магнитные моменты атомов в одном направлении жесткому выстраиванию магнитных моментов противостоит тепловое движение, которое вносит хаос в распределение магнитных моментов атомов по направлениям. С понижении температуры (напомним, что при высоких температурах ферромагнетик находится в парамагнитном состоянии) при определенной температуре (температуре Кюри), характерной для кристаллов данного состава, обменное взаимодействие начинает преобладать. Магнитные моменты атомов ферромагнетика выстраиваются в определенном направлении, кристалл самопроизвольно намагничивается. Этот процесс называют возникновением спонтанной намагниченности.

Реально описанный процесс не наблюдается. Это связано с тем, что при выстраивании в определенном направлении всех магнитных моментов атомов, образец кристалла создавал вы в окружающем пространстве сильное магнитное поле. С полем связана энергия, и такое состояние оказывается энергетически невыгодным. Поэтому кристалл разбивается на небольшие области, в пределах которых магнитные моменты атомов действительно параллельны, и намагниченность максимальна. Эти область называются доменами.

Разбиение кристалла на домены происходит хаотично, но таким образом, что магнитные силовые линии расположенных вблизи доменов замыкаются так, что область существования магнитного поля становится минимальной. Уменьшается и энергия, связанная с ним. Таким образом, разбиение на домены означает переход в энергетически более выгодное состояние. Идеализировано эта ситуация представлена на рисунке 19.9.

Однако с границами доменов связана дополнительная энергия, и состояние с очень маленькими доменами оказывается энергетически невыгодным. Поэтому кристалл переходит в энергетически оптимальное состояние, в котором размеры доменов составляют от одного до десяти микрон. Важно при этом, что в пределах домена кристалл предельно намагничен. Поэтому внешнему полю достаточно сместить границы доменов, и возникнет очень большая намагниченность. Смещение границ доменов с увеличение напряженности внешнего поля схематически показано на рисунке. В больших полях кристалл переходит в монодоменное состояние. Вблизи насыщения основной кривой намагнничения намагниченность одного домена поворачивается в направлении внешнего поля. После завершения этого процесса дальнейшее существенное увеличение намагниченности оказывается невозможным, зависимость насыщается.

При повышении температуры кристалла до температуры Кюри, т.е. температуры возникновения спонтанной намагниченности, тепловое движение разрушает магнитную упорядоченность, разрушается спонтанная намагниченность, исчезают домены, кристалл становится парамагнетиком. В этом состоянии магнитная восприимчивость продолжает уменьшаться с ростом температуры по закону Кюри-Вейсса:

,

где – характерная для вещества константа Кюри-Вейсса, а – температура Кюри.