Ферромагнетики
В отличие от тел парамагнитных и диамагнитных для ферромагнетиков величина М = Ф/Фо не остается постоянной, а зависит от напряженности внешнего намагничивающего поля Н. Эта зависимость для магнитного сплава (пермаллоя) и для мягкого железа показана на рис.10. Как мы видим, данная величина имеет малые начальные значения в слабых полях, затем нарастает до максимального значения и при дальнейшем увеличении поля в катушке снова уменьшается.
Важно отметить, что при достижении определенной температуры магнитная проницаемость ферромагнитных тел резко падает до значения, близкого к 1. Эта температура, характерная для каждого ферромагнитного вещества, носит название точки Кюри. {Речь идет не о том нагревании под действием вихревых токов Фуко, которое испытывают все металлы, помещенные в переменное магнитное поле, но о нагревании ферромагнитных тел, обусловленном их перемагничиванием и связанном со своеобразным внутренним трением в перемагничиваемом веществе.}
При температурах выше точки Кюри все ферромагнитные тела становятся парамагнитными. У железа точка Кюри равна 767°С, у никеля 360°С, у кобальта около 1130°С. У некоторых ферромагнитных сплавов точка Кюри лежит вблизи 100°С.
Рис. 10. Зависимость от Н у магнитного сплава пермаллоя (1) и у мягкого железа (2).
Периодическое перемагничивание ферромагнитного образца связано с затратой энергии на его нагревание. Площадь петли гистерезиса пропорциональна количеству теплоты, выделяющейся в единице объема ферромагнетика за один цикл перемагничивания.
При температурах ниже точки Кюри ферромагнитный образец разбит на малые области самопроизвольной (спонтанной) однородной намагниченности, называемые доменами. Линейные размеры доменов порядка (10-5 — 10-4 м). Внутри каждого домена вещество намагничено до насыщения .
В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы в пространстве так, что результирующий магнитный момент размагниченного образца равен нулю.
Намагничивание ферромагнитного образца во внешнем магнитном поле состоит, во-первых, в смещении границ доменов и росте размеров тех доменов, векторы магнитных моментов которых близки по направлению к магнитной индукции В поля, и, во-вторых, в повороте магнитных моментов целых доменов по направлению поля В. В достаточно сильном магнитном поле достигается состояние магнитного насыщения, когда весь образец намагничен по полю и его намагниченность J не изменяется при дальнейшем увеличении В.
Измерения гиромагнитного отношения для ферромагнетиков показали, что элементарными носителями магнетизма в них являются спиновые магнитные моменты электронов . В современной квантово-механической теории ферромагнетизма объяснена природа самопроизвольной намагниченности ферромагнетиков и природа возникновения сильного внутреннего поля .
Ферромагнитными свойствами могут обладать кристаллы веществ, атомы которых имеют не заполненные электронами внутренние оболочки , так что проекция результирующего спинового магнитного момента на направление магнитного поля отлична от нуля. При определенных условиях благодаря обменному взаимодействию между электронами соседних атомов, имеющему особую квантово-механическую природу, оказывается устойчивым такое состояние ферромагнетика, когда спины электронов всех атомов в пределах одного домена ориентированы одинаково. Таким образом возникает спонтанное намагничивание доменов до насыщения. При нагревании ферромагнетика до точки Кюри тепловое движение разрушает области спонтанной намагниченности и вещество теряет свои особые магнитные свойства.
При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотически и компенсируют друг друга, поэтому результирующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю и ферромагнетик не намагничен. Внешнее магнитное поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов, как это имеет место в случае парамагнетиков, а целых областей спонтанной намагниченности. Поэтому с ростом Н намагниченность J и магнитная индукции В уже в довольно слабых полях растут очень быстро. Этим объясняется также увеличение м ферромагнетиков до максимального значения в слабых полях. Эксперименты показали, что зависимость В от Н не является такой плавной, а имеет ступенчатый вид. Это свидетельствует о том, что внутри ферромагнетика домены поворачиваются по полю скачком.
При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ферромагнетики сохраняют остаточное намагничение, так как тепловое движение не в состоянии быстро дезориентировать магнитные моменты столь крупных образований, какими являются домены. Поэтому и наблюдается явление магнитного гистерезиса. Для того чтобы .ферромагнетик размагнитить, необходимо приложить коэрцитивную силу; размагничиванию способствуют также встряхивание и нагревание ферромагнетика. Точка Кюри оказывается той температурой, выше которой происходит разрушение доменной структуры.
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 lO-4—lO-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. Их существование теоретически было предсказано Л. Д. Ландау. Антиферромагнетиками являются некоторые соединения марганца (MnO, MnF2),железа (FeO, FeC2) 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.
В последнее время большое значение приобрели полупроводниковые ферромагнетики—ферриты, химические соединения типа MeO*Fe2O3, где Me—ион двухвалентного металла (Мn, Со, Ni, Сu, Mg, Zл, Cd, Fe). Они отличаются заметными ферромагнитными свойствами и большим удельным электрическим сопротивлением (в миллиарды раз большим, чем у металлов). Ферриты применяются для изготовления постоянных магнитов, ферритовых антенн, сердечников радиочастотных контуров, элементов оперативной памяти в вычислительной технике, для покрытия пленок в магнитофонах и видеомагнитофонах и т. д.
Основы теории ферромагнетизма.
В отличие от диамагнетизма и парамагнетизма, которые являются свойствами отдельных атомов или молекул вещества, ферромагнитные свойства вещества объясняются особенностями его кристаллической структуры. Атомы железа, если взять их, например, в парообразном состоянии, сами по себе диамагнитны или лишь слабо парамагнитны. Ферромагнетизм есть свойство железа в твердом состоянии, т. е. свойство кристаллов железа.
В этом нас убеждает ряд фактов. Прежде всего на это указывает зависимость магнитных свойств железа и других ферромагнитных материалов от обработки, изменяющей их кристаллическое строение (закалка, отжиг). Далее оказывается, что из парамагнитных и диамагнитных металлов можно изготовить сплавы, обладающие высокими ферромагнитными свойствами. Таков, например, сплав Гойслера, почти не уступающий по своим магнитным свойствам железу, хотя он состоит из таких слабо магнитных металлов, как медь (60%), марганец (25%) и алюминий (15%). С другой стороны, некоторые сплавы из ферромагнитных материалов, например сплав из 75% железа и 25% никеля, почти не магнитны. Наконец, самым веским подтверждением является то, что при достижении определенной температуры (точка Кюри) все ферромагнитные вещества теряют свои ферромагнитные свойства.
Ферромагнитные вещества отличаются от парамагнитных не только весьма большим значением магнитной проницаемости и ее зависимостью от напряженности поля, но и весьма своеобразной связью между намагничиванием и напряженностью намагничивающего поля. Эта особенность находит свое выражение в явлении гистерезиса со всеми его следствиями: наличием остаточного намагничивания и коэрцитивной силы.
В чем причина гистерезиса? Вид кривых рис. 8 и 9, - различие между ходом нарастания намагничивания ферромагнетика при увеличении поля Н и ходом его размагничивания при уменьшении Н,- показывает, что при изменении намагничивания ферромагнетика, т. е. при увеличении или уменьшении напряженности внешнего поля, ориентация и дезориентация элементарных магнитов не сразу следует за полем, а происходит с известным отставанием. Подробное изучение процессов намагничивания и размагничивания железа и других ферромагнитных веществ показало, что ферромагнитные свойства вещества определяются не магнитными свойствами отдельных атомов или молекул, которые сами по себе парамагнитны, а намагничиванием целых областей, называемых доменами,- небольших участков вещества, содержащих очень большое количество атомов.
Взаимодействие магнитных моментов отдельных атомов ферромагнетика приводит к созданию чрезвычайно сильных внутренних магнитных полей, действующих в пределах каждой такой области и выстраивающих, в пределах этой области, все атомные магнитики параллельно друг другу, как показано на рис. 11. Таким образом, даже при отсутствии внешнего поля ферромагнитное вещество состоит из ряда отдельных областей, каждая из которых самопроизвольно намагничена до насыщения. Но направление намагничивания для разных областей различно, так что вследствие хаотичности распределения этих областей тело в целом оказывается в отсутствии внешнего поля ненамагииченным.
Под влиянием внешнего поля происходит перестройка и перегруппировка таких «областей самопроизвольного намагничивания», в результате которой получают преимущество те области, намагничивание которых параллельно внешнему полю, и вещество в целом оказывается намагниченным.
Один из примеров такой перестройки областей самопроизвольного намагничивания показан на рис. 11. Здесь схематически изображены две смежные области, направления намагничивания которых перпендикулярны друг к другу.
При наложении поля Н часть атомов области В, в которой намагничивание перпендикулярно к полю, на границе ее с областью А, в которой намагничивание параллельно полю, поворачивается, так что направление их магнитного момента становится параллельным полю. В результате область А, намагниченная параллельно внешнему полю, расширяется за счет тех областей, в которых направление намагничивания образует большие углы с направлением поля, и возникает преимущественное намагничивание тела по направлению внешнего поля. В очень сильных внешних полях возможны и повороты направления ориентации всех атомов в пределах целой области.
При снятии (уменьшении) внешнего поля происходит обратный процесс распада и дезориентации этих областей, т. е. размагничивание тела. Ввиду больших по сравнению с атомами размеров «областей самопроизвольного намагничивания» как процесс ориентации их, так и обратный процесс дезориентации происходит с гораздо большими затруднениями, чем установление ориентации или дезориентации отдельных молекул или атомов, имеющее место в парамагнитных и диамагнитных телах. Этим и объясняется отставание намагничивания и размагничивания от изменения внешнего поля,
т. е. гистерезис ферромагнитных тел.
Рис. 11. Схема, иллюстрирующая ориентацию молекулярных магнитов в
«областях самопроизвольного намагничивания» А и В.
а) Внешнее магнитное поле отсутствует;
б) под действием внешнего магнитного поля Н области А и В
перестраиваются.
В последнее время в связи с микроминиатюризацией радиоэлектронной аппаратуры проявляется большой интерес к изучению и использованию для обработки информации специфических доменных структур- полосовых, цилиндрических доменов (ЦМД) и ряда других. Долгое время микроминиатюризация магнитных элементов и устройств значительно отставала от микроминиатюризации полупроводниковых устройств. Однако, в последние годы здесь достигнуты большие успехи. Они связаны с возможностью использования единичного магнитного домена в качестве элементарного носителя информации. Обычно таким носителем информации является ЦМД. Он формируется при определенных условиях в монокристаллических пластинках или пленках некоторых ферритов.
Доменная структура таких тонких ферритовых пленок весьма специфична. Характер доменов и границ между ними существенно зависит от толщины пленки. При малой толщине из-за того, что размагничивающий фактор в плоскости пленки на много порядков меньше, чем в направлении нормали к ней, намагниченность располагается параллельно плоскости пленки. В этом случае образования доменов с противоположными направлениями намагничивания по толщине пленки не происходит. В пленках, толщина которых больше некоторой критической, возможно образование доменов полосовой конфигурации. Пленка разбивается на длинные узкие домены шириной от долей микрометра до нескольких микрометров, причем соседние домены намагничены в противоположных направлениях вдоль нормали к поверхности. Такие магнитные пленки получили название «закритических», их толщина находится в пределах 0,3-10 мкм
Приложение внешнего магнитного поля, направленного перпендикулярно плоскости пленки с полосовыми доменами, приводит к изменению размеров и формы доменов. При увеличении поля происходит уменьшение длины полосовых доменов, а затем наименьший домен превращается в цилиндрический. В некотором интервале значений внешнего магнитного поля в пленке могут существовать как полосовые домены, так и ЦДМ. Дальнейшее увеличение поля приводит к тому, что ЦДМ уменьшается в диаметре, а оставшиеся полосовые домены превращаются в цилиндрические. ЦДМ могут исчезнуть (коллапсировать) при достижении некоторого значения поля и, таким образом, вся пленка намагнитится однородно. Впервые ЦДМ наблюдались в пленках ортоферритов – веществах, имеющих химическую формулу
RfeO3, где R- редкоземельный элемент.
ЦДМ могут использоваться для создания запоминающих и логических устройств. При этом наличие домена в данной точке пленки соответствует значению «1», а отсутствие –значению «0». Для хранения и передачи информации с помощью ЦДМ нужно уметь формировать домены, хранить их, перемещать в заданную точку, фиксировать их присутствие или отсутствие (т.е. считывать информацию), а также разрушать ненужные ЦДМ.
Список использованной литературы:
Иродов И.Е. «Электромагнетизм». Основные законы
М. ; Лаборатория базовых знаний, 2000
Павлов П.В., Хохлов А.Ф. “Физика твердого тела”
М. – Высшая школа, 2000
3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. “Справочник по физике”
М. –Наука.Физматлит, 1996
Элементарный учебник физики под ред. Ландсберга Г.С. “Электричество и магнетизм”
М. – Наука, 1975
Трофимова Т.И. “Курс физики”
М. – Высшая школа, 1999