§21.8. Ферромагнетики

Характерной особенностью диамагнетиков и парамагнетиков является то, что их магнитная восприимчивость не зависит от внешнего поля . Поэтому эти магнетики называютсялинейными. С микроскопической точки зрения можно сказать, что магнитные моменты микрочастиц линейных магнетиков (наведённые или уже существующие) не взаимодействуют друг с другом по причине сравнительно малых значений этих моментов. Но кроме линейных магнетиков есть магнетики со значительными магнитными моментами частиц. Для них характерно сильное взаимодействие между отдельными микроскопическими моментами. Природа этого взаимодействия отнюдь не проста и не сводится к хорошо известному притягиванию разных полюсов магнитов друг к другу. На самом деле, наиболее существенное слагаемое магнитного взаимодействия имеет квантовомеханическую природу. Для нас сейчас важно то, что величина его прямо пропорционально зависит от произведения взаимодействующих моментов. Поэтому-то в линейных магнетиках, где величина микроскопических магнитных моментов невелика, энергия взаимодействия между ними мала по сравнению с энергией тепловых возбуждений kT вплоть до самых низких температур. В результате атомные моменты при любых температурах «не чувствуют» друг друга.

В кристаллах магнетиков с сильным магнитным взаимодействием магнитные моменты «чувствуют» друг друга и при температурах ниже критического значения «выстраиваются» относительно друг друга так, что их направления регулярно повторяются в пространстве, то есть образуется магнитная структура. При температурах выше критической тепловые возбуждения «разбивают» эту структуру, и магнитный порядок теряется.

Опыт показывает, что поведение макроскопических характеристик «сильных» магнетиков значительно сложнее, чем линейных. Их магнитные восприимчивость и проницаемость зависят от внешнего поля :

Поэтому эти магнетики называются нелинейными.

Во всех нелинейных магнетиках при температурах ниже критической возникает магнитное упорядочение в отсутствие магнитного поля. Но квантовомеханическое взаимодействие в разных магнетиках приводит к разным результатам. В одних упорядоченные атомные магнитные моменты направлены в противоположные стороны. Поэтому намагниченность равна 0. В других атомные моменты направлены в одну сторону. В результате, в отсутствие внешнего поля возникает спонтанная намагниченность очень большой величины. Такие вещества называются ферромагнетиками. Температура, при которой в ферромагнетике устанавливается ферромагнитное упорядочение и связанная с ним спонтанная намагниченность, называется температурой Кюри (Т_К).

Ярким примером ферромагнетика является Fe, Т_К которого равна 770^оС. Многие предметы вокруг нас сделаны из этого материала, в том числе и постоянные магниты, демонстрирующие спонтанную намагниченность. Но гораздо больше мы видим ненамагниченных железных тел при температурах значительно более низких, чем Т_К. В чем же дело?

Металлические тела большого размера представляют собой поликристаллы, то есть состоят из большого количества монокристаллов маленького размера (10^-310^-2 см), называемых кристаллитами. Можно было бы думать, что спонтанная намагниченность ферромагнетика в определенном направлении устанавливается в пределах одного кристаллита, и взаимная разупорядоченность направлений между кристаллитами приводит к отсутствию намагниченности всего поликристалла. На самом деле, монокристалл железа тоже будет демонстрировать отсутствие намагниченности.

Дело в том, что вместе с квантовомеханическим взаимодействием между атомными моментами имеет место и классическое взаимодействие, аналогичное отталкиванию одинаковых полюсов магнитов. Выстроенные в ряд одинаковые магниты постараются через один перевернуться так, чтобы между двумя красными оказался синий полюс. Таким образом, внутри ферромагнетика возникает «противоборство» между квантовым и классическим межатомным взаимодействием, которое разрешается путем разбиения объема кристалла на множество мелких объемов, называемых доменами, размер которых составляет 10^-510^-4 см . Спонтанная ферромагнитная намагниченность устанавливается только в пределах одного домена (рис.21.7), и отсутствие намагниченности в масштабах всего ферромагнетика объясняется разупорядоченностью не кристаллитов, а доменов, которые имеют существенно меньший размер.

Рис.21.7

При рассмотрении воздействия внешнего поля на ферромагнетик нужно принять во внимание, что спонтанная намагниченность , возникающая в пределах домена, во много раз больше внешнего поля. Тем не менее, существование этого внешнего фактора делает домены, ориентированные в направлении внешнего поля, немного более выигрышными, чем остальные. Фактически, воздействие внешнего поля начинает «бороться» против классического магнитного взаимодействия. Сначала с увеличением величиныН увеличивается объем «правильно» ориентированных доменов путем передвижения междоменных границ. А затем внешнее поле заставляет переориентироваться «неправильно» ориентированные домены. Таким образом, внешнее поле Н оказывает управляющее воздействие на внутренние, гораздо большие по величине, поля М, подобно тому, как полководец руководит массами людей, значительно превосходящими его по суммарной физической силе. В результате, при возникновении заметной намагниченности в масштабах всего ферромагнетика

.

Поэтому , то естьферромагнетик «работает» как мощный усилитель поля.