Феромагнетіки. Магнітний гістерезис. Закон Кюрі — Вейсса. Антіферомагнетіки. Ферімагнетіки

Сильномагнітні властивості спостерігаються в речовинах лише в твердому стані, які складаються переважно з атомів із незабудо-ваними внутрішніми електронними оболонками. Це в деру чергу феромагнітні матеріали: залізо (Fe), кобальт (Co), нікель (Мі) та їхні сплави. При низьких температурах феромагнітні властивості мають також чисті хімічні елементи групи лантанідів (гадоліній, тербій, диспрозій, гольмій, ербій і тулій). Атомі феромагнетиків мають нескомпенсовані власні магнітні моменти, які внаслідок внутрішніх взаємодій можуть набувати певної впорядкованої просторової орієнтації, тобто намагніченості. Речовіні, які за певних розуму мають самодовільну (спонтанну) намагніченість, а величина магнітної сприйнятливості залежить від напруженості зовнішнього магнітного поля та попередньої історії, називають феромагнетиками. Цей термін бути схожим від латинської назви основного їх представника — заліза. Особливістю феромагнетиків є ті, що сморід можуть мати макроскопічну намагніченість без зовнішнього магнітного поля. В цьому відношенні магнітні властивості феромагнетиків значною мірою подібні до електричних властивостей сегнетоелектриків. Тому і загальнотеоретичні уявлення про ці два класи речовин подібні. Проте необхідно мати на увазі, що феромагнітні властивості речовин почали вивчатись значно раніше сегнетоелектричних і теорія сегнетоелектриків розроблялась подібно до теорії феромагнетиків. Магнітна сприйнятливість феромагнетиків х>0 і може досягати значень 10а—105. Зовнішнє магнітне поле всередині феромагнетиків підсилюється в сотні і тисячі разів.

Дослідження феромагнетиків почалося з експериментальних робіт, які провів, починаючи з 1871 г., російський фізик Про. Г. Столетов. Перпі ідеї про механізм намагнічування висловлював ще в 1892 г. російський фізик Би. Л. Розінг, однак деру напівфеномено-логічну кількісну теорію розробив французький фізик П. Вейсс в 1907 г. Явіще гістерезису відкрив в 1880 г. Варбург.

Розглянемо основні властивості феромагнетиків та механізм намагнічування їх на основі феноменологічних уявлень. Як зазначалося, намагнічування діамагнетиків полягає у виникненні мікроскопічних індукційних струмів і відповідно додаткових магнітних моментів частинок речовини, напрямлених проти зовнішнього магнітного поля. В парамагнетиках хаотичне орієнтовані власні моменти частинок речовини в зовнішньому магнітному полі набувають переважаючої орієнтації в напрямі поля. Значно складніший механізм намагнічування феромагнетиків. За гіпотезою Вейсса, яка пізніше підтвердилася експериментальне, завдяки наявності внутрішнього молекулярного поля в стані повного розмагнічення феро-мегнетики розпадаються на велику кількість малих, розмірами від тисячних до десятих часток міліметра, мікроскопічних областей спонтанного намагнічення (доменів або областей Вейсса), кожна з яких намагнічена до насичення. Магнітний момент доменів в середньому в 1016 разів більший від магнітного моменту атома. Якщо немає зовнішнього магнітного поля, магнітні моменти різних доменів напрямлені в просторі хаотичне. Тому феромагнетик в цілому ненамагнічений. Розпад феромагнетика на домени енергетичне вигідний. Наявність доменів підтверджується експериментально за допомогою магнітних порошків, які після нанесення на поліровану поверхню феромагнетика осідають переважно на межах доменів, окреслюючи їхні розміри і форму. Намагнічення феромагнетиків в зовнішньому полі полягає в переорієнтації векторів намагніченості доменів в напрямі прикладеного поля, яку включає зміщення, обертання і парапроцес (мал. 9.5).

Зміщення полягає в зміні між між доменами. Ті домени, напрям орієнтації магнітного моменту яких близький до напряму зовнішнього магнітного поля, починають збільшуватись за рахунок доменів, енергетичне менш вигідних. При такому зміщенні домени можуть змінювати розміри, форму і власну енергію. Перешкоджають процесу зміщення дислокації, дефекти кристалічної решітки, домішки, макротріщини та ін. Процес обертання полягає в повороті

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

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

в збільшенні абсолютної величини спонтанної намагніченості Ms феромагнетиків під дією зовнішнього магнітного поля Н. Парапроцес настає при Н >Я5 і зумовлений орієнтацією в полі Н елементарних носіїв магнетизму (спінових і орбітальних магнітних моментів атомів або іонів), які залишились незорієнтованими в напрямі зовнішнього магнітного поля внаслідок дії теплового руху. Парапроцес є завершальним в намагнічуванні феромагнетиків, на якому

із збільшенням Я намагнічення Ms прямує до абсолютного насичення /И0, тобто до намагніченості, яку мав би феромагнетик при абсолютному нулі температури, коли всі носії магнетизму повністю зорієнтовані. Взагалі парапроцес дає малий внесок в намагнічування феромагнетиків.

При внесенні ненамагніченого феромагнетика в наростаюче зовнішнє магнітне полі Н його вектор намагнічення М змінюється нелінійно (мал. 9.5). Кріву М (Н) називають кривою першого намагнічення. На ній можна виділити п'ять ділянок. Ділянка / — це область

оборотного намагнічення, для якої М = %Я. Вона зумовлена пружним зміщенням між доменів. Ділянка// —зумовлена оборотним і необоротним зміщенням між доменів. Для неї спостерігається квадратична залежність М (Н). Ділянка /// — зумовлена лише необоротним зміщенням між доменів і тут спостерігається швидкий ріст

М. (Н), що відповідає найбільшій магнітній проникності феромагнетика. В області IV відбувається перехід до насичення намагнічення. 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 збільшенні напруженості поля, а має межу, яку називають намагніченістю насичення. Існування такої межі свідчить проте, що намагніченість феромагнетиків, як і парамагнетиків, пов'язана з переорієнтацією магнітних моментів структурних одиниць речовини.

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