5.8. Доменная структура и механизм намагничивания ферромагнетиков

Измерения гиромагнитного отношения для ферромагнетиков показали, что элементарными носителями магнетизма в них является спиновые магнитные моменты электронов ().

Согласно современным представлениям сущность ферромагнетизма заключается в сильной параллельной ориентировке спиновых магнитных моментов электронов независимо от внешнего магнитного поля. Сильная ориентировка электронных спинов вызывается силами обменного взаимодействия. Эти силы имеют чисто квантовую природу и необъяснимы в классической физике. В ферромагнетике возникают целые области самопроизвольного (спонтанного) намагничивания. Эти области имеют размеры 10^-5 ÷10^-3 см и называются доменами.

Размеры доменов зависят от размеров образца или кристаллита, его внутренней структуры (деформированный или отожённый и т. д.) и составляют для железа 10^-2 - 10^-3 см. Между соседними доменами имеются границы, ширина которых исчисляется долями микрона. Вектор намагниченности в граничном слое постепенно поворачивается от направления, совпадающего с направлением намагниченности в одном домене к направлению намагниченности в другом домене.

В пределах каждого домена ферромагнетик самопроизвольно намагничен до насыщения. Но направления намагниченности в отдельных доменах различна и средняя намагниченность ферромагнитного образца может быть равна нулю.

Экспериментально существование доменов доказано с помощью ферромагнитного порошка, оседающего на хорошо отполированной поверхности кристалла в местах расположения границ доменов. Под микроскопом в этом случае хорошо просматривается доменная структура. Этот метод исследования называется методом порошковых фигур; используя его можно наблюдать смещение границ доменов, если ферромагнитный образец поместить в медленно возрастающее магнитное поле.

Метод порошковых фигур обладает рядом недостатков. Он не позволяет проследить за быстрыми изменениями доменной структуры, которые происходят, например, в переменном магнитном поле. Кроме того, использование в этом методе жидкой суспензии ограничивает интервал температур, в котором можно наблюдать порошковые фигуры.

Существуют также методы, позволяющие в поляризованном свете видеть поверхностную доменную структуру хорошо отполированных ферромагнетиков и сквозную доменную структуру в очень тонких прозрачных магнитных плёнках.

Последняя методика основана на эффекте Фарадея (вращение плоскости поляризации светового луча в магнитном поле). Ферромагнитная плёнка помещается между поляризатором и анализатором; поляризованный свет, проходя через домены, испытывает разное вращение плоскости поляризации^. После прохождения через анализатор лучи света, прошедшие через домены с разной ориентацией магнитного поля, будут иметь различную интенсивность. Доменная структура наблюдается в виде тёмных и светлых полос (или других фигур).

Рассмотрим действие магнитного поля на домены на разных стадиях процесса намагничивания. Разобьём кривую намагничивания на три условных области (рис. 5.11).

При увеличении магнитного поля намагничивание будет осуществляться за счёт последовательного вращения магнитных моментов в междоменной границе, приводящего к её движению. В результате происходит смещение границ доменов. Домены, магнитные моменты которых составляют острый угол θ с направлением внешнего поля, растут за счёт доменов, неблагоприятно ориентированных. В очень слабых магнитных полях этот процесс обратим, он соответствует области I. Процесс смещения продолжается до тех пор, пока домены с меньшими θ не поглотят полностью неблагоприятно ориентированные домены (область II).

На следующей стадии (область III) происходит одновременный поворот магнитных моментов доменов в направлении поля. Наступает состояние так называемого «технического насыщения».

Процессы намагничивания (за исключением слабых полей) является необратимыми. Причина необратимости – существование в реальных кристаллах дефектов типа дислокаций, примесей и т.д., которые задерживают движение междоменных границ. Необратимость процессов приводит к явлению гистерезиса.

При нагревании ферромагнетика при температуре Кюри происходит разрушение доменной структуры, и ферромагнетик теряет свои свойства.