Феримагнетики. При неоднаковій спонтанній намагніченості підрешіток речовини (підрешітки складаються з неоднакових сор-тів магнітних іонів) настає неповна компенсація магнітних моментів у межах кожного домена і, отже, спостерігається результуюча

спонтанна намагніченість. Такі речовини називають нескомпенсо-ваними антиферомагнетиками, або феримагнетиками. За зовніш-німи ознаками магнітні властивості цих речовин майже не відріз-няються від магнітних властивостей феромагнетиків. Однак іншою є температурна залежність магнітної сприйнятливості і вони, як правило, мають низьку температуру фазового переходу (точку Кюрі). Якщо феримагнетики мають ще й напівпровідникові вла-стивості, то їх називають феритами. До феримагнетиків належать MgO, Fe2O3: NiO * Fe2O3, МпО * Fe2O3, СІЮ * Fe?O3 та ін. Вони широко застосовуються в радіотехніці (магнітні схеми, осердя тощо), в обчислювальній техніці (магнітні комірки пам'яті).

Підсумовуючи, зазначимо, що феромагнетики характеризуються переважно кристалічною будовою, великим додатним значенням магнітної сприйнятливості (магнітної проникності), нелінійною її залежністю від напруженості зовнішнього магнітного поля та тем-ператури, здатністю намагнічуватись до насичення при звичайних температурах у порівняно слабких полях, гістерезисом, залежністю магнітних властивостей від попереднього магнітного стану (попе-редньої магнітної історії), точкою Кюрі, тобто температурою, вище від якої речовина втрачає феромагнітні властивості.

§ 9.8. Елементарна теорія феромагнетизму

Як зазначалось, першу напівфеноменологічну кількісну теорію феромагнетизму розробив М. Вейсс. Він виходив з того, що атоми феромагнетиків, як і парамагнетиків, мають магнітні моменти, які взаємодіють між собою з силою, що залежить від кута між напря-мами їхніх моментів. Ці сили намагаються зорієнтувати магнітні моменти атомів у певному напрямі, в результаті чого феромагнетик намагнічується. За Вейссом сили взаємодії між магнітними момен-тами атомів зводяться до певного ефективого магнітного поля, яке складається з макроскопічного поля в речовині В та молекулярного поля. На основі таких уявлень феромагнетик повинен бути спон-танно намагніченим навіть тоді, коли зовнішнього магнітного поля немає, оскільки паралельна орієнтація магнітних моментів «енер-гетично вигідна» через взаємодію між атомами. Справді, якщо в певний момент часу всі магнітні моменти атомів орієнтовані хао-тично, але внаслідок флуктуацій випадково магнітні моменти двох атомів набудуть паралельної орієнтації в певному напрямі, то з'являється локальний надлишок вейссівського молекулярного поля, яке змушує магнітні моменти інших атомів прийняти таку са-му орієнтацію. Завдяки наявності магнітної анізотропії кристалів спонтанне намагнічення відбувається в напрямі осей легкого намаг-нічення. Змінити переважаючу орієнтацію магнітні диполі само-стійно не можуть, оскільки їм при цьому потрібно було б пройти ряд менш «енергетичне вигідних» станів. Протидіє такій орієнтації теп-ловий рух. Однак при температурі нижче від точки Кюрі енергії теп-лового руху недостатньо для руйнування спонтанного намагнічен-ня. В точці Кюрі відбувається фазовий перехід і феромагнетик

переходить з упорядкованого в неупорядкований стан. Отже, теорія Вейсса формально пояснює спонтанну намагніченість, існування температури Кюрі, закон Кюрі — Вейсса. Молекулярне поле Вейс-са, здавалось, зумовлене специфічною взаємодією магнітних дипо-лів атомів за аналогією з електричною взаємодією диполів діелект-риків. Однак розрахунки показали, що магнітні поля, необхідні для спонтанної намагніченості феромагнетиків, у 103—104 разів більші від полів, які можуть створити зорієнтовані магнітні моменти ато-мів цих речовин. Отже, поле Вейсса не можна звести до магнітної вза-ємодії елементарних магнітних моментів. Цей висновок був підтверд-жений прямими дослідами, які в 1927 р. провів радянський фізик Я. Г. Дорфман. Між полюсами сильного магніту поміщали нікельо-ву фольгу товщиною ~20 мкм. Через фольгу пропускали пучок швидких електронів ф-променів) від радіоактивних елементів. Після проходження через фольгу слід пучка електронів реєстрував-ся на фотоплівці. Цей слід під дією магнітного поля зміщувався. Розрахунки показували, що зміщення пучка повинне бути порядку 10 мм, якщо припустити, що молекулярне поле Вейсса має магнітну природу і зміщення зумовлене дією ефективного поля, яке склада-ється з зовнішнього і молекулярного полів. Експеримент, однак, показав зміщення порядку 0,3 мм, що забезпечувалось дією лише зовнішнього магнітного поля. Це протиріччя поставило питання про фізичну природу молекулярних сил Вейсса і про природу намагні-чування феромагнетиків.

Природу магнітного поля Вейсса пояснили у 1927 р. Я. І. Френ-кель і В. Гейзенберг на основі квантової механіки. З'ясуємо суть цих питань, не вдаючись до викладу самої теорії. Якщо розглянути рух електронів на основі квантової теорії, а їхню взаємодію за за-коном Кулона, то результат буде таким самим, як і при описанні руху електронів на основі класичної механіки. Виявилось, що для характеристики взаємодії електронів, крім сил Кулона, необхідно ввести ще деякі додаткові сили, які називають обмінними. Обмінні сили короткодіючі (діють на відстанях атомних розмірів), і вони є силами електричного, а не магнітного походження. Справді, енер-гія електростатичної взаємодії елементарних зарядів достатня для самодовільного намагнічування. Але класична фізика не могла пояс-нити, яким чином електростатичне поле може впливати на магнітні властивості речовини. Це питання було вирішене на основі кванто-вої фізики. Електрони різних атомів тотожні. Отже, атоми можуть обмінюватись ними без змін. Енергію обміну електронами називають обмінною. При певних забудовах електронних оболонок атомів або структурах кристалічних решіток обмінні сили намагаються встано-вити спіни електронів сусідніх атомів паралельно між собою, що й приводить до спонтанного намагнічення феромагнетиків. Обмінна взаємодія може бути замінена еквівалентним молекулярним полем Вейсса. Отже, теорія Вейсса на основі поняття обмінних сил набу-ває фізичного обгрунтування.

Теорія молекулярного поля добре узгоджується