15.6. Природа ферромагнетизма.

Главным представителем ферромагнетиков является железо. В атоме железа первые две электронные оболочки заполнены полностью, в третьей оболочке полностью заполнены два слоя – 3s и - 3p, а третий слой - 3d содержит вместо десяти только шесть электронов. Помимо этого, у атома железа есть еще два электрона – в первом слое четвертой оболочки - 4s. Аналогичным строением обладают атомы других ферромагнетиков - кобальта, никеля и некоторых редкоземельных элементов. Ферромагнетизм железа и других ферромагнетиков обусловлен именно электронами незаполненной третьей оболочки.

В кристаллической решетке электронные оболочки соседних атомов перекрываются, то есть атомы обмениваются электронами. В результате возникает сильное взаимодействие между атомами. Оно имеет чисто квантовомеханическую природу и называется обменным взаимодействием, т.е. возникают условия, при которых, вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов, энергетически выгодной становится их параллельная ориентация. В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области. Энергия взаимодействия соседних атомов в решетке кристалла минимальна при параллельных направлениях спинов электронов и связанных с ними магнитных моментов. Обменное взаимодействие приводит к созданию областей спонтанного, то есть самопроизвольного намагничивания, которые называются доменами. Размеры доменов составляют величину порядка 1-10 мкм. Если домен представить в виде кубика и учесть, что расстояние между атомами в твердом теле ~ 10-10 м, то сторона кубика будет включать ~ 104 атомов, а весь домен будет содержать ~ 1012 атомов.

Рис. 84. Перестройка доменов под действием внешнего магнитного поля.

При помещении образца во внешнее магнитное поле В₀ происходят следующие процессы.

1. Домены, ориентированные в направлении внешнего поля, увеличиваются за счет доменов, ориентированных против поля. Этот механизм преобладает в слабых полях

2. Магнитные моменты поворачиваются, ориентируясь вдоль линий поля. Этот механизм преобладает в сильных полях.

3. В еще более сильных полях возможен процесс, заключающийся в восстановлении ориентации спиновых магнитных моментов атомов, кото нарушена их тепловым движением. Этот процесс дает незначительную с практической точки зрения добавку в намагниченность вещества. В сильных полях намагниченность становится постоянной, то есть не зависящей от внешнего поля. Это явление называется насыщением.

Исчезновение внешнего поля не приводит к исчезновению намагниченности, поскольку для дезориентации доменов необходима определенная энергия, а энергии теплового движения для этого недостаточно, то и наблюдается явление гистерезиса. Размагничивание ферромагнетиков происходит:

1) при приложении противоположного по направлению внешнего магнитного поля определенной величины (коэрцитивной силы);

2) нагреванию до точки Кюри;

3) встряхивание или постукивание.

В этих случаях происходит нарушение порядка ориентации доменов, но структура отдельных доменов сохраняется. Поэтому при внесении размагниченного ферромагнетика снова во внешнее магнитное поле он снова намагничивается.

Существование доменов в ферромагнетиках доказано экспериментально. Прямым экспериментальным методом их наблюдения является метод порошковых фигур. На тщательно отполированную поверхность ферромагнетика наносится водная суспензия мелкого ферромагнитного порошка (например, магнетита). Частицы оседают преиму­щественно в местах максимальной неоднородности магнитного поля, т. е. на границах между доменами. Поэтому осевший порошок очерчивает границы доменов и подобную картину можно сфотографировать под микроскопом. Линейные размеры доменов оказались равными 10^–4 — 10^–2 см.

Дальнейшее развитие теории ферромагнетизма Френкелем и Гейзенбергом, а также ряд экспериментальных фактов позволили выяснить природу элементарных носителей ферромагнетизма. В настоящее время установлено, что магнитные свойства ферромагнетиков определяются спиновыми магнитными моментами элект­ронов. Установлено также, что ферромагнитными свойствами могут обладать только кристаллические вещества, в атомах которых имеются недостроен­ные внутренние электронные оболочки с нескомпенсированными спинами. В подо­бных кристаллах могут возникать силы, которые вынуждают спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно друг другу, что и приводит к возникновению областей спонтанного намагничения. Эти силы, называемые обменными силами, имеют квантовую природу — они обусловлены волновыми свойствами электронов.

Так как ферромагнетизм наблюдается только в кристаллах, а они обладают анизотропией, то в монокристаллах ферромагнетиков должна иметь место анизотропия магнитных свойств (их зависимость от направления в кристалле). Дейст­вительно, опыт показывает, что в одних направлениях в кристалле его намагничен­ность при данном значении напряженности магнитного поля наибольшая (направление легчайшего намагничения), в других — наименьшая (направление трудного намагничения). Из рассмотрения магнитных свойств ферромагнетиков следует, что они похожи на сегнетоэлектрики.

Существуют вещества, в которых обменные силы вызывают антипараллельную ориентацию спиновых магнитных моментов электронов. Такие тела называются антиферромагнетиками. Антиферромагнетиками являются некоторые соединения марганца (MnO, MnF₂), железа (FeO, FeCl₂) и многих других элементов. Для них также существует антиферромагнитная точка Кюри (точка Нееля*), при которой магнитное упорядочение спиновых магнитных моментов нарушается и антиферромагнетик превращается в парамагнетик, претерпевая фазовый переход II рода.

ЛЕКЦИЯ № 16.