Учебник - Электричество - Калашников С.Г. (1238776), страница 57
Текст из файла (страница 57)
Это обстоятельство указывает, что намагничивание ферромагнетиков обусловливается очень сильной ориентировкой собственных магнитных моментов электронов (электронных спинов), но не магнитных моментов атомов в целом. Согласно современным представлениям, надежно обоснованным на опыте, сущность ферромагнетизма заключается в том, что сильная ориентировка элементарных магнитных моментов мА!'Иетики гл х! возникает в ферромагнетиках независимо от внешнего магнитного поля, так что ферромагнетик намагничен до насыщения, отвечающего данной температуре, уже без всякого поля !рис.
189 а). Наличие такого самопроизвольного, или спонтанного, Ф1 намагничивания является наиболее характерным свойством ферромагнетиков. Ф11 Указанные представления были высказаны в работах Б.Л. Розина б га еще в 1892 г. Однако они не по- лучили в то время должного разРис. !89. Схематические изо- вития и были выдвинуты вновь в сражения расположения алек- 1997 г.
Вейссом. Так как опыт потронпых спинов при самонрогж- называет, что ферромагнетики в вольном намагничивании (низ- отсутствие внешнего поля могут ления намагниченности в ет- быть и не намагничены, то для дельных доменах (о) объяснения этого кажущегося про- тиворечия Вейсс выдвинул вторую основную гипотезу, согласно которой ферромагнетик разбивается на большое число малых (но макроскопических) областей, или доменов. Каждая из этих областей при температурах ниже температуры Кюри намагничена весьма сильно, но направления намагничивания в отдельных доменах различны, а именно таковы, что полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю (рис.
189 б). Вопрос о физической причине самопроизвольного намагничивания был принципиально разрешен в 1928 г. Я.И. Френкелем и затем Гейзенбергом, которые показали, что сильная ориентировка электронных спинов вызывается силами обменного взаимодействия. Наличие этого нового класса сил, необъяснимого в классической физике, было выяснено лишь с развитием квантовой физики атома.
Существование доменов в ферромагнетиках в настоящее время доказано различными опытами. Наиболес прямой метод заключается в получении так называемых порошковых фигур. Если на хорошо отполированную поверхность ферромагнетика поместить слой жидкости, в которой взвешены мельчайшие крупинки ферромагнитного порошка (например, Рег08), то эти крупинки будут оседать преимущественно на те места, вблизи которых магнитное поле неоднородно. Но как раз вблизи границ доменов и возникают неоднородности поля, н поэтому осевший порошок обрисует границы областей самопроизвольного намагничивания. На рис.
190 приведены фотографии порошковых фигур, видимых в микроскоп при небольшом увеличении. Особенно следует отметить, что домены действительно наблюдаются 267 1 119 Овъяснение Фе!'РОМАГнетизмА и в отсутствие внешнего магнитного поля. Порошковые фигуры были использованы в многочисленных исследованиях ферромаг- Рис. 190. Домены в деформированной кремнистой стали (увеличение 80): а — без поля: 6 — магяитное поле перпендикуляряо к плоскости чертежа; в — магнитное поле той же напряженности, ио противоположного направления нетиков и позволили определить размеры, форму и расположение доменов, а также изменения доменов во внешнем магнитном поле.
Рассмотрим теперь подробнее, почему в ферромагнетиках обычно возникают многочисленные домены. Будем считать для простоты, что ферромагнетик весьма анизотропен и что его ось легкого намагничивания перпендикулярна к поверхности образ- 6А1А, 88ви 8У5 г Рис. 191. К объяснению возникновения доменов ца. На рис. 191 а изображен ферромагнетик, состоящий из одного домена. В этом случае во внешнем пространстве возникает магнитное поле, которое заключает в себе определенную энергию. На риг.
191б имеются два домена с противоположным направлением намагниченности. Внешнее магнитное поле здесь убывает с увеличением расстояния быстрее, чем в случае и, н энергия, заключенная в поле, оказывается меньше. В случае, показанном на рис. 191 о, магнитное поле практически существует только в непосредственной близости от поверхно- 268 Гл Х! мАГнвтики сти магнетика и энергия поля еще уменьшается. На рис. 191 г изображен случай, когда во внешнем пространстве магнитного поля вовсе нет. Здесь имеются «замыкающие» домены в форме трехгранных призм, боковые поверхности которых везде составляют угол 45' с вектором намагниченности. Вследствие этого магнитный поток проходит исключительно внутри ферромагнетика, он замыкается граничными доменами, чем и обусловлено их название — замыкающие домены.
Состояние г энергетически более выгодно, нежели предыдущие состояния, и поэтому ферромагнетик, находящийся, например, в состоянии а, будет стремиться перейти в состояние а Наконец, на рис. 191 д показана целая совокупность доменов совместно с замыкающими их доменами, у которой также нет внешнего поля.
Подобная форма доменов действительно наблюдается на опыте. Таким образом, разбиение ферромагнетика на домены происходит потому, что при образовании доменных структур энергии ферромагнетика уменьшается (Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц). Выше мы рассматривали ферромагнетик в отсутствие внешнего магнитного поля и учитывали только его собственную магнитную энергию Если бы имелись еше и другие источники энергии, например, механические напряжения или внешнее магнитное поле, то форма доменов определялась бы полной энергией системы Поэтому при наличии механических напряжений и внешнего поля доменная структура изменяется При возникновении самопроизвольного намагничивания (ориентировки электронных спинов) магнетик деформируется.
Если при температуре более высокой, чем температура Кюри, вырезать из монокристалла ферромагнетика шар, то при охлаждении ниже температуры Кюри шар превратится в эллипсоид. Форма и размеры доменов изменяются и при перемагничивании. Поэтому ферромагнетик, в целом не намагниченный, при намагничивании деформируется. Явление деформации при намагничивании было открыто в середине прошлого столетия Джоулем и получило название магнишосгпракции. Возникающие при этом деформации весьма малы: относительные удлинения образца Ы/1 в полях порядка 10б А/м обычно имеют порядок 10 б — 10 б. Магнитострикцию используют, подобно обратному пьезоэлектрическому эффекту (э 52), для устройства мощных излучателей ультразвуковых волн и для других целей. Силы обменного взаимодействия вызывают в ферромагнетиках параллельную ориентировку электронных свинов. Однако обменные силы зависят от структуры тела, и поэтому характер вызываемой им ориентировки спинов может быть различен.
Оказывается, что существуют вещества, в которых также возникает сильная ориентировка электрогшых спинов, но, в отли- 269 Овъяонение ФБРРОмлгггетнзмл 1 ыэ чие от фсрромагнетиков, электронные спины ориентированы в них попарно антипараллельно. В простейшем случае электронные спины образуют как бы две пространственные подрешетки, вставленные друг в друга н па- магниченные в противоположных направлениях (рис. 192).
Вещества, в которых намагниченность обеих подрешеток одинакова по модулю, получили название аннгиферромагиенгиков. Их существование было предсказано теоретически Л.Д. Ландау в 1933 г. Антиферромагнетиками являются некоторые соединения марганца (МпО, МпЯ), хрома (%Сг> СгзОБ), ванадия (ЧО2) Рис гэз характер намагннч ва и др. Подобные вещества при в антнферромагнстнках (а) и ферри- низких температурах имеют тах (9) (схематически) ничтожно малую магнитную восприимчивость. При повышении температуры строгая непарная антипарэллельность электронных спинов нарушается и магнитная восприимчивость увеличивается. Прн некоторой температуре (антиферромагнитная температура Кюри или температура Несли) области самопроизвольной ориентировки электронных спинов разрушаются и антиферромагнетик превращается в парамагнетик Прн дальнейшем повышении температуры магнитная восприимчивость, как у всякого парамагнетика, уменьшается, а следовательно, при антиферромагнитной температуре Кюри магнитная восприимчивость имеет максимум.
Если намагниченность обеих подрешеток неодинакова по модулю, то появляется некомпенсированный антиферромагнетнзм и вещество может приобрести значительный магнитный момент. Такой характер намагничивания имеет место в ферритах (ср. 3 112). Процессы намагничивания ферромагнетика. Одной нз основных задач теории ферромагнетизма является объяснение технической кривой намагничивания, т.е. зависимости намагниченности ( от напряженности намагничивающего поля. В результате многочисленных исследований была установлена следующая общая картина процесса намагничивания ферромагнетиков В отсутствие внешнего поля ферромагнетнк разбивается на домены таким образом, что Рго результирующий магнитный момент близок к нулю Это схематически показано на рис. 193 а, где изображены четыре домена одинакового объема, намагни- 270 гл х~ мА1нетики чснные до насыщения и обладающие магнитным моментом 1,(4, равным четверти полного момента всего магнетика в состоянии насыщения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
