Феромагнетики. Магнітний гістерезис.

Закон Кюрі — Вейсса. Антиферомагнетики. Феримагнетики

Сильномагнітні властивості спостерігаються в речовинах лише в твердому стані, які складаються переважно з атомів із незабудо-ваними внутрішніми електронними оболонками. Це в першу чергу феромагнітні матеріали: залізо (Fe), кобальт (Co), нікель (Мі) та їхні сплави. При низьких температурах феромагнітні властивості ма-ють також чисті хімічні елементи групи лантанідів (гадоліній, тер-бій, диспрозій, гольмій, ербій і тулій). Атоми феромагнетиків мають нескомпенсовані власні магнітні моменти, які внаслідок внутріш-ніх взаємодій можуть набувати певної впорядкованої просторової орієнтації, тобто намагніченості. Речовини, які за певних умов мають самодовільну (спонтанну) намагніченість, а величина магніт-ної сприйнятливості залежить від напруженості зовнішнього маг-нітного поля та попередньої історії, називають феромагнетиками. Цей термін походить від латинської назви основного їх представ-ника — заліза. Особливістю феромагнетиків є те, що вони можуть мати макроскопічну намагніченість без зовнішнього магнітного поля. В цьому відношенні магнітні властивості феромагнетиків значною мірою подібні до електричних властивостей сегнетоелектри-ків. Тому і загальнотеоретичні уявлення про ці два класи речовин подібні. Проте необхідно мати на увазі, що феромагнітні власти-вості речовин почали вивчатись значно раніше сегнетоелектричних і теорія сегнетоелектриків розроблялась подібно до теорії феромаг-нетиків. Магнітна сприйнятливість феромагнетиків х>0 і може досягати значень 10а—105. Зовнішнє магнітне поле всередині феро-магнетиків підсилюється в сотні і тисячі разів.

Дослідження феромагнетиків почалося з експериментальних ро-біт, які провів, починаючи з 1871 p., російський фізик О. Г. Столе-тов. Перпі ідеї про механізм намагнічування висловлював ще в 1892 р. російський фізик Б. Л. Розінг, однак першу напівфеномено-логічну кількісну теорію розробив французький фізик П. Вейсс у 1907 р. Явище гістерезису відкрив у 1880 р. Варбург.

Розглянемо основні властивості феромагнетиків та механізм намагнічування їх на основі феноменологічних уявлень. Як зазна-чалося, намагнічування діамагнетиків полягає у виникненні мікро-скопічних індукційних струмів і відповідно додаткових магнітних моментів частинок речовини, напрямлених проти зовнішнього маг-нітного поля. У парамагнетиках хаотично орієнтовані власні мо-менти частинок речовини в зовнішньому магнітному полі набувають переважаючої орієнтації в напрямі поля. Значно складніший меха-нізм намагнічування феромагнетиків. За гіпотезою Вейсса, яка пізніше підтвердилася експериментальне, завдяки наявності внут-рішнього молекулярного поля в стані повного розмагнічення феро-мегнетики розпадаються на велику кількість малих, розмірами від тисячних до десятих долей міліметра, мікроскопічних областей спонтанного намагнічення (доменів або областей Вейсса), кожна з яких намагнічена до насичення. Магнітний момент доменів в се-редньому в 1016 разів більший від магнітного момента атома. Якщо немає зовнішнього магнітного поля, магнітні моменти різних доме-нів напрямлені в просторі хаотично. Тому феромагнетик в цілому ненамагнічений. Розпад феромагнетика на домени енергетичне вигідний. Наявність доменів підтверджується експериментально за допомогою магнітних порошків, які після нанесення на поліро-вану поверхню феромагнетика осідають переважно на межах доме-нів, окреслюючи їхні розміри і форму. Намагнічення феромагнети-ків у зовнішньому полі полягає в переорієнтації векторів намагні-ченості доменів у напрямі прикладеного поля, яке включає змі-щення, обертання і парапроцес (рис. 9.5).

Зміщення полягає у зміні меж між доменами. Ті домени, напрям орієнтації магнітного моменту яких близький до напряму зовніш-нього магнітного поля, починають збільшуватись за рахунок доме-нів, енергетичне менш вигідних. При такому зміщенні домени мо-жуть змінювати розміри, форму і власну енергію. Перешкоджають процесу зміщення дислокації, дефекти кристалічної решітки, до-мішки, макротріщини та ін. Процес обертання полягає в повороті

вектора намагнічення М. окремих доменів у напрямі поля. Фактором протидії таким поворотам може бути магнітна анізотропія феромаг-нетика, яка полягає в залежності магнітних властивостей кристалів від напряму намагнічення. Спочатку магнітні моменти доменів

напрямлені вздовж осей легкого намагнічення, які взагалі можуть не збігатися з напрямом зовнішнього поля. Поворот намагніченості доменів пов'язаний з затратою енергії за рахунок енергії зовніш-нього поля. Парапроцес (або справжнє намагнічування) полягає

у збільшенні абсолютної величини спонтанної намагніченості Ms феромагнетиків під дією зовнішнього магнітного поля Н. Парапро-цес настає при Н >Я5 і зумовлений орієнтацією в полі Н елемен-тарних носіїв магнетизму (спінових і орбітальних магнітних момен-тів атомів або іонів), які залишились незорієнтованими в напрямі зовнішнього магнітного поля внаслідок дії теплового руху. Пара-процес є завершальним у намагнічуванні феромагнетиків, на якому

із збільшенням Я намагнічення Ms прямує до абсолютного наси-чення /И0, тобто до намагніченості, яку мав би феромагнетик при абсолютному нулі температури, коли всі носії магнетизму повністю зорієнтовані. Взагалі парапроцес дає малий вклад у намагнічуван-ня феромагнетиків.

При внесенні ненамагніченого феромагнетика в наростаюче зов-нішнє магнітне поле Н його вектор намагнічення М змінюється не-лінійно (рис. 9.5). Криву М (Н) називають кривою першого намагні-чення. На ній можна виділити п'ять ділянок. Ділянка / — це область

оборотного намагнічення, для якої М = %Я. Вона зумовлена пруж-ним зміщенням меж доменів. Ділянка// —зумовлена оборотним і необоротним зміщенням меж доменів. Для неї спостерігається квад-ратична залежність М (Н). Ділянка /// — зумовлена лише необо-ротним зміщенням меж доменів і тут спостерігається швидкий ріст

М. (Н), що відповідає найбільшій магнітній проникності феромаг-нетика. В області IV відбувається перехід до насичення намагні-чення. Ця область зумовлена переважно обертанням магнітних моментів доменів. Область V називають областю парапроцесу, в

якій спостерігається дуже слабке наростання кривої М (Н). Отже, намагнічення феромагнетиків не збільшується безмежно при збіль-шенні напруженості поля, а має межу, яку називають намагніче-ністю насичення. Існування такої межі свідчить проте, що намагні-ченість феромагнетиків, як і парамагнетиків, пов'язана з пере-орієнтацією магнітних моментів структурних одиниць речовини.

Аналогічно до М(Н) одержують криву В (Н). Оскільки В = = \*-<>Н + \**0М, то крива В(Н) не досягає насичення