Лекция 8

Лекция 8.

План:

1. Доменная структура ферромагнетиков;

2. Теория кривой намагничивания;

3. Антиферромагнетизм и ферримагнетизм.

§3.8.1. Доменная структура ферромагнетиков.

Первым непосредственным подтверждением существования доменов был открытый в 1919г. эффект Баркгаузена. Эффект состоит в том, что при монотонном увеличении намагничивающего поля намагниченность в ферромагнетике возрастает не плавно, а скачкообразно. Это объясняется увеличением размеров доменов, векторы намагниченности  которых совпадают (или близки по направлению) с полем  за счет доменов с антипараллельными или расположенными под 90° по отношению к полю направлениями намагниченности.

В 1931 г. Н. С. Акуловым (и независимо от него Биттером) был разработан метод, позволивший наблюдать домены. Метод состоит в том, что отполированную электролитическим способом поверхность размагниченного ферромагнитного образца покрывают коллоидным раствором тонкого порошка железа и наблюдают под микроскопом образующиеся при этом фигуры (фигуры Акулова — Биттера), являющиеся границами доменов. Концентрация частиц железа на границах объясняется тем, что они притягиваются образующимися в этих местах потоками рассеяния.

Домены имеют линейные размеры от тысячных до десятых долей миллиметра и магнитный момент, приблизительно в  раз больший магнитного момента отдельного атома.

Рекомендуемые материалы

Итак, ферромагнетик в ненамагниченном состоянии состоит из доменов, которые намагничены под действием обменных сил почти до насыщения, разделены граничными слоями и расположены по отношению друг к другу таким образом, что результирующий магнитный момент тела равен нулю.

§3.8.2. Теория кривой намагничивания и петли гистерезиса.

Рассмотрим ход кривой намагничивания, т. е. зависимость  макрообъекта ферромагнетика, состоящего из совокупности отдельных кристаллитов. Схематически ход такой кривой для ферромагнетика с кубической кристаллической структурой изображен на рис.5 (в прямоугольниках показаны направления намагничивания доменов при различных значениях намагничивающего поля). Исходное состояние соответствует размагниченному образцу (), т.е. равновероятному расположению доменов, намагниченных в легком направлении (по ребрам куба).

Слабым полям соответствует участок обратимого смещения границ. На этом участке происходит увеличение объема доменов, векторы намагниченности (магнитных моментов) которых образуют наименьший угол с направлением внешнего поля за счет «антипараллельных» доменов. Процесс практически является обратимым, т. е. после удаления внешнего поля образец возвращается в исходное состояние.

На участке необратимого смещения границ происходят повороты доменов на 90 и 180°, что соответствует крутому ходу кривой намагничивания. Изменение намагниченности на этом участке скачкообразно (эффект Баркгаузена).

В области сильных полей на участке вращения направление векторов намагниченности из легкого постепенно переходит в более трудное, параллельное полю .

Когда все магнитные мо­менты расположатся парал­лельно внешнему полю, насту­пает техническое насыщение, т. е. считается, что дальнейшее увеличение Н не вызывает увеличения В.

Если для точки с координатами  и  удалить внешнее поле (), то индукция будет равна остаточной индукции , т. е. будет иметь место гистерезис. Для того чтобы получить в образце , на него надо воздействовать размагничивающим полем, равным коэр­цитивной силе Н_с.

Приведенный анализ хода кривой намагничивания является упро­щенным. Практически процесс происходит значительно сложнее; например, явления смещения границ и вращения частично перекры­вают друг друга.

§3.8.3. Антиферромагнетизм и ферримагнетизм.

Для ферромагнетиков характерно параллельное расположение спинов и положительное значение интеграла обменной энергии (ферромагнитный атомный дорядок). Существуют вещества, для которых энергетически выгодным является антипараллельная ориентация спинов, чему соответствует отрицательное значение обменной энергии (антиферромагнитный атомный порядок). Эти вещества называют антиферромагнетиками.

Различают скомпенсированные и нескомпенсированные антиферро­магнетики. Первые являются собственно антиферромагнетиками и имеют суммарный магнитный момент, равный нулю, у вторых этот момент отличен от нуля. Нескомпенсированный антиферромагнетизм называют ферримагнетизмом. Многие свойства ферримагнетиков, например зависимости , качественно аналогичны свойствам ферромагнетиков, но между этими группами веществ имеются и принципиальные различия.

Рассмотрим зависимости намагниченности насыщения ферро- и ферримагнетиков от температуры.

Для ферромагнетиков наиболее характерным является существование точки Кюри, т. е. температуры, выше которой вещество становится парамагнитным.

Для некоторых ферримагнетиков при повышении температуры интенсивность насыщения постепенно уменьшается, переходит через нуль, начинает возрастать, а потом снова падает до нуля. При дальнейшем нагреве ферримагнетик остается немагнитным, т. е. температура второго обращения интенсивности насыщения в нуль является точкой Кюри, которую для антиферромагнетиков принято называть точкой Нееля.

Температуру первого перехода через нуль называют точкой компенсации. Объяснить появление точки компенсации и ряда других явлений, возникающих в ферримагнетиках, с позиций ферромагнетизма невозможно. Потребовалось создание теории ферримагнетизма, основные положения которой разработал Л. Неель.

Применяемые в технике ферримагнетики называются ферритами. Ферриты представляют собой двойные окислы, образуемые окисью железа  с окислами двухвалентных металлов, и имеют химическую формулу  где  — двухвалентный металл (железо, никель, марганец, цинк, кобальт, медь, кадмий, магний и др.). Это так называемые простые, или однокомпонентные, ферриты (моноферриты). Некоторые из них, например никелевый  или марганцевый , являются магнитными; другие, такие, как  и ,— немагнитными. Применяют в технике также смешанные ферриты, представляющие собой твердые растворы двух или нескольких простых ферритов.

Магнитные свойства ферритов впервые были изучены в 1878 г.  В 1909 г. немецкому ученому Хильперту был выдан патент на их изготовление. Одновременно в России исследованиями ферритов как магнитного материала занимался В. П. Вологдин. Однако в  то  время ферриты не получили практического применения. В  дальнейшем, особенно в послевоенные годы, проблема ферритов получила большое развитие. Свойства ферритов в значительной степени определяются кристаллической структурой. В настоящее время применяют ферриты, имеющие кристаллическую структуру, подобную структуре природных минералов: шпинели, магнетоплумбита, граната и др. Основные положения теории Нееля рассмотрим на примере ферритов со структурой шпинели. Элементарная ячейка шпинели представляет собой куб с ребром . Для удобства этот куб можно разделить на восемь более мелких кубиков с ребрами , называемыми октантами (рис. 6).

Структура заштрихованных и светлых октантов различна. Всего элементарная ячейка шпинели содержит восемь «молекул» , т. е. 32 иона кислорода, 16 ионов железа и 8 ионов двухвалентного металла . Ионы кислорода образуют гранецентрированную кубическую решетку. В промежутках между ионами кислорода находятся ионы металлов, окруженные четырьмя или шестью ионами кислорода.

Рекомендуем посмотреть лекцию "15 Визуализация трехмерных изображений".

Неель рассматривал кристаллическую решетку шпинели, состоящую из двух подрешеток: одной из магнитных ионов металлов, находящихся в тетраэдрических промежутках (подрешетка А), и другой — из ионов в октаэдрических промежутках (подрешетка В).

В элементарной ячейке шпинели имеется всего 64 тетраэдрических и 32 октаэдрических места (пустот). Из них заняты 8 тетраэдрических (Л–узлы) и 16 октаэдрических (В–узлы) мест; 72 места остаются свободными. Ближайшие соседи какого-либо магнитного иона в подрешетке А принадлежат подрешетке В.

Неель распространил теорию молекулярного поля Вейсса на кристаллическую решетку шпинели. При этом он предположил, что между магнитными ионами подрешеток А и В имеет место сильное отрицательное взаимодействие типа АВ, приводящее к антипараллельному расположению спинов (магнитных моментов) подрешеток. Взаимодействие типов АА и ВВ по сравнению с АВ мало. При равенстве магнитных моментов подрешеток А и В имеет место скомпенсированный антиферромагнетизм. Если магнитные моменты А и В не равны между собой, существует ферримагнетизм.

Теория ферримагнетизма значительно сложнее, чем было показано. Например, взаимодействие ионов подрешеток А и В в ферритах происходит не непосредственно, а через магнитные ионы кислорода, электронные оболочки которых «возбуждаются» и принимают участие в «сверхобмене»; не учитывалось взаимодействие типа АА и ВВ и т.д.

Аналогичным образом можно исследовать ферриты и с другой структурой.

В электрическом отношении ферриты относятся к классу полупроводников и имеют удельное электрическое сопротивление, в миллиарды раз превышающее сопротивление металлических ферромагнетиков. Это практически исключает возникновение в ферритах вихревых токов при воздействии на них переменных магнитных полей, что в свою очередь позволяет расширить область применения ферритов как магнитного материала в диапазоне частот до сотен мегагерц вместо нескольких десятков килогерц для металлических материалов.