Ферромагнетики (стр. 5 из 8)
При температурах вище точки Кюрі усі феромагнітні тіла стають парамагнітними. У заліза точка Кюрі дорівнює 767°С, у нікелю 360°С, у кобальту близько 1130°С. У деяких феромагнітних сплавів точка Кюрі лежить поблизу 100°С.
Мал. 10. Залежність від Н у магнітного сплаву пермаллоя (1) і в м'якого заліза (2).
Періодичне перемагнічування феромагнітного зразка зв'язано з витратою енергії на його нагрівання. Площа петлі гистерезиса пропорційна кількості теплоти, що виділяється в одиниця об'єму ферромагнетика за один цикл перемагнічування.
При температурах нижче точки Кюрі феромагнітний зразок розбитий на малі області мимовільної (спонтанної) однорідної намагніченості, називані доменами. Лінійні розміри доменів порядку (10-5 — 10-4 м). Усередині кожного домена речовина намагнічена до насичення .
Під час відсутності зовнішнього магнітного поле магнітні моменти доменів орієнтовані в просторі так, що результуючий магнітний момент розмагніченого зразка дорівнює нулю.
Намагнічування феромагнітного зразка в зовнішнім магнітному полі складається, по-перше, у зсуві границь доменів і росту розмірів тих доменів, вектори магнітних моментів яких близькі в напрямку до магнітної індукції В поле, і, по-друге, у повороті магнітних моментів цілих доменів по напрямку поле В. У досить сильному магнітному полі досягається стан магнітного насичення, коли весь зразок намагнічений по полю і його намагніченість J не змінюється при подальшому збільшенні В.
Виміру гіромагнітного відношення для ферромагнетиків показали, що елементарними носіями магнетизму в них є спінові магнітні моменти електронів . У сучасній квантово-механічній теорії феромагнетизму пояснена природа мимовільної намагніченості ферромагнетиків і природа виникнення сильного внутрішнього поле .
Феромагнітними властивостями можуть володіти кмалтали речовин, атоми яких мають не заповнені електронами внутрішні оболонки , так що проекція результуючого спінового магнітного моменту на напрямок магнітного поле відмінна від нуля. За певних умов завдяки обмінній взаємодії між електронами сусідніх атомів, що має особливу квантово-механічну природу, виявляється стійким такий стан ферромагнетика, коли спини електронів всіх атомів у межах одного домена орієнтовані однаково. У такий спосіб виникає спонтанне намагнічування доменів до насичення. При нагріванні ферромагнетика до точки Кюрі тепловий рух руйнує області спонтанної намагніченості і речовина утрачає свої особливі магнітні властивості.
При відсутності зовнішнього магнітного поле магнітні моменти окремих доменів орієнтовані хаотично і компенсують один одного, тому результуючий магнітний момент ферромагнетика дорівнює нулю і ферромагнетик не намагнічений. Зовнішнє магнітне поле орієнтує по полю магнітні моменти не окремих атомів, як це має місце у випадку парамагнетиків, а цілих областей спонтанної намагніченості. Тому з ростом Н намагніченість J і магнітна індукції У вже в досить слабких полях ростуть дуже швидко. Цим порозумівається також збільшення м ферромагнетиків до максимального значення в слабких полях. Експерименти показали, що залежність У від Н не є такий плавний, а має східчастий вид. Це свідчить про те, що усередині ферромагнетика домени повертаються по полю стрибком.
При ослабленні зовнішнього магнітного поле до нуля ферромагнетики зберігають залишкове намагничение, тому що тепловий рух не в змозі швидко дезорієнтувати магнітні моменти настільки великих утворень, якими є домени. Тому і спостерігається явище магнітного гистерезиса. Для того щоб .ферромагнетик розмагнітити, необхідно прикласти коэрцитивную силу; розмагнічуванню сприяють також струшування і нагрівання ферромагнетика. Точка Кюрі виявляється тією температурою, вище якої відбувається руйнування доменної структури.
Існування доменів у ферромагнетиків доведено експериментально. Прямим експериментальним методом їхнього спостереження є метод порошкових фігур. На ретельно відполіровану поверхню ферромагнетика наноситься водяна суспензія дрібного феромагнітного порошку (наприклад, магнетиту). Частки осідають переважно в місцях максимальної неоднорідності магнітного поле, тобто на границях між доменами. Тому осілий порошок окреслює границі доменів і подібну картину можна сфотографувати під мікроскопом. Лінійні розміри доменів виявилися рівними lO-4—lO-2 див.
Подальший розвиток теорії феромагнетизму Френкелем і Гейзенбергом, а також ряд експериментальних фактів дозволили з'ясувати природу елементарних носіїв феромагнетизму. В даний час установлено, що магнітні властивості ферромагнетиків визначаються спіновими магнітними моментами електронів. Установлено також, що феромагнітними властивостями можуть володіти тільки кмалталічні речовини, в атомах яких маються недобудовані внутрішні електронні оболонки з нескомпенсованими спинами. У подібних кмалталах можуть виникати сили, що змушують спінові магнітні моменти електронів орієнтуватися паралельно один одному, що і приводить до виникнення областей спонтанного намагнічення. Ці сили, називані обмінними силами, мають квантову природу — вони обумовлені хвильовими властивостями електронів.
Тому що феромагнетизм спостерігається тільки в кмалталах, а вони мають анізотропію, то в монокмалталлах ферромагнетиків повинна мати місце анізотропія магнітних властивостей (їхня залежність від напрямку в кмалталі). Дійсно, досвід показує, що в одних напрямках у кмалталі його намагніченість при даному значенні напруженості магнітного поле найбільша (напрямок легчайшего намагнічення), в інші — найменша (напрямок важкого намагнічення). З розгляду магнітних властивостей ферромагнетиків випливає, що вони схожі на сегнетоэлектрики .
Існують речовини, у яких обмінні сили викликають антипаралельну орієнтацію спінових магнітних моментів електронів. Такі тіла називаються антиферромагнетиками. Їхнє існування теоретично було передвіщено Л. Д. Ландау. Антиферромагнетиками є деякі з'єднання марганцю (Mn, Mn2),заліза (Fe, Fe2) і багатьох інших елементів. Для них також існує антиферомагнітна точка Кюрі (точка Нееля*), при якій магнітне упорядкування спінових магнітних моментів порушується й антиферромагнетик перетворюється в парамагнетик.
Останнім часом велике значення придбали напівпровідникові ферромагнетики-феррити, хімічні сполуки типу Me*Fe2O3, де Me—ион двовалентного металу (Мn, З, Ni, Сu, Mg, Zл, Cd, Fe). Вони відрізняються помітними феромагнітними властивостями і великим питомим електричним опором (у мільярди раз більшим, ніж у металів). Феррити застосовуються для виготовлення постійних магнітів, ферритових антен, сердечників радіочастотних контурів, елементів оперативної пам'яті в обчислювальній техніці, для покриття плівок у магнітофонах і відеомагнітофонах і т.д.
Властивості ферромагнетиків і якісні основи природи феромагнетизму
Особливий клас магнетиків утворюють речовини, у яких магнітна проникність у сотні і тисячі разів перевищує магнітну проникність звичайних матеріалів. Ці речовини одержали назва ферромагнетиків. До них відносяться залізо, нікель, кобальт і їхні з'єднання і сплави. Іншою відмінною рисою ферромагнетиков є те, що їхня намагніченість J залежить від Н нелінійно, причому при великих полях настає стан магнітного насичення (мал.2). Оскільки залежність J від Н нелинійна, то і магнітна сприйнятливість m залежить від напруженості (мал.2). Крім нелінійної залежності між J і Н (або між В и Н) для ферромагнетиків характерно також наявність явища гистерезиса (мал.3). Це явище полягає в тім , що процес намагничения ферромагнетика необоротний у більшій своїй частині, тому крива намагничения не збігається з кривій размагничения. Якщо спочатку розмагнічений зразок намагнітити в поступово зростаючому магнітному полі по кривій 0-1 (крива первісного намагничения), а потім зменшити напруженість магнітного поля, то індукція У випливає не по первісній кривій 0-1, а змінюється відповідно до кривій 1-2.
Коли напруженість полючи стане рівної нулеві (крапка 2), намагничення не зникає і характеризується величиною Вr (відрізок 0-2 на мал.3), що називається залишковою індукцією. Намагніченість має при цьому значення Jr, називане залишковою намагніченістю. Намагніченість звертається в нуль лише під дією полючи Нc (відрізок 0-3 на мал. 3) зворотні напрямки . Величина напруженості полючи Нс називається коерцитивной силою ферромагнетика. Існування залишкової намагніченості уможливлює виготовлення постійних магнітів. Постійний магніт тим краще зберігає свої властивості, чим більше величина коерцитивної сили матеріалу, з якої він виготовлений.
Дослідами Эйнштейна і ДЕ Гааза було доведено, що відповідальним за магнітні властивості ферромагнетиків є власні (спінові ) магнітні моменти електронів (а не орбітальні , як у диа- і парамагнетиков). Атоми елементів, що володіють феромагнітними властивостями (Fe, Co, Nі), мають деяку особливість. У них порушується послідовність заповнення місць в оболонках і шарах: перш ніж цілком "забудується" нижня оболонка, починається заповнення вище розташованої оболонки. У результаті електронні спіни деяких внутрішніх оболонок виявляються нескомпенсиро- ванними. Таким чином, феромагнітними властивостями можуть володіти тільки такі речовини, в атомах яких маються недобудовані внутрішні електронні оболонки. Крім того, дослідження феромагнітних кристалів дозволили виявити в них області з мимовільної (спонтанної ) намагніченістю - так називані домени, лінійні розміри яких 1-10 мкм (мал.).