Структура ферромагнетиков и природа ферромагнетизма

Изучение этих вопросов связано со значительными трудностями, так как природа ферромагнетизма не раскрывается классической физикой, а объясняется только квантовой физикой, с которой студенты на этапе выполнения работы не знакомы. Поэтому при изучении литературы [1] студентам рекомендуется особое внимание обратить на следующие основные положения.

1. Ферромагнетиками называются кристаллические вещества, состоящие из макроскопических, но небольших по объему (10^-6-10^-3мм^-3) областей спонтанной намагниченности - доменов.

В пределах своих границ каждый домен намагничен однородно и до насыщения. В любом кристаллике поликристаллического ферромагнитного образца (рис.1) магнитные моменты соседних доменов ориентируется по одной из «осей легкого намагничивания» кристаллика во взаимно противоположных направлениях.

В целом же в кристаллическом образце магнитные моменты доменов ориентируются равновероятно по всем направлениям. Образец оказывается ненамагниченным, и это его состояние устойчиво. Оно соответствует минимуму энергии образца, состоящей из энергии магнитного поля всех доменов и энергии взаимодействия электронов соседних атомов кристаллической решетки при ковалентной их связи друг с другом (см. рис.4).

2. Природа спонтанной намагниченности доменов - квантовая, т.е. объясняется квантовой физической теорией.

Все электроны обладают спиновыми (собственными) магнитными моментами , которые способны определенным образом ориентироваться в пространстве, например, вследствие взаимного влияния или под действием внешнего магнитного поля. Отметим, что m_S = 1,6×10^-23Дж/Тл (1 Дж/Тл = 1 А×м²). Атомы ферромагнетиков имеют недостроенную, не полностью занятую электронами внутреннюю оболочку. Так, у атомов железа, содержащих электроны на четырёх оболочках, первая и вторая из них заняты полностью, третья внутренняя оболочка из 18 возможных имеет только 14 электронов, внешняя оболочка содержит два валентных электрона (рис.2). Электроны в каждой оболочке отдельно взятого атома попарно имеют антипараллельную ориентацию собственных магнитных моментов, обеспечивая нулевой результирующий спиновый магнитный момент атомов

В процессе кристаллизации ферромагнетика магнитные моменты части электронов недостроенных внутренних оболочек в результате их взаимодействия ориентируются строго параллельно друг другу и «оси легкого намагничивания» образующегося кристаллика, как показано на рис.2. В итоге возникают результирующие спиновые магнитные моменты атомов кристаллической решетки (рис.3), образующие в совокупности магнитный момент домена , намагниченность которого (где V_Д - объем домена) равна по порядку величины 10⁷ - 10⁹ А/м. Этот процесс протекает спонтанно и одновременно с обобществлением валентных электронов (оболочка 4) соседних атомов кристалла.

Взаимно параллельная ориентация магнитных моментов сопровождается уменьшением энергии взаимодействия электронов соседних атомов («обменной энергии» Е _о). Она тем меньше, чем больше объем V _Д домена. Однако с возрастанием объема домена увеличивается его магнитный момент и, следовательно, энергия магнитного поля Е _м домена. Минимальная суммарная энергия Е _min получается при некотором фиксированном, устойчивом объеме домена V _Д, как показано на рис.4.

Этому же условию способствует деление кристалликов ферромагнетика на домены с антипараллельной ориентацией магнитных моментов (рис.1). Магнитная энергия кристалла при таком делении резко уменьшается, а обменная энергия увеличивается в значительно меньшей степени. Ее увеличение происходит на объемных границах («стенках Блоха») между доменами вследствие постепенной переориентации спиновых магнитных моментов атомов, как показано на рис.5. Еще большему уменьшению свободной энергии поликристаллических ферромагнетиков способствует произвольная ориентация доменов, относящихся к разным монокристалликам образца (рис.1).