§ 6.5. О ПРИРОДЕ ФЕРРОМАГНЕТИЗМА
Свойства ферромагнетиков напоминают свойства па-рамагнетиков: те и другие намагничиваются по направлению внешнего поля. При температуре выше температуры Кюри ферромагнетики превращаются в парамагнетики.
Естественно поэтому предположить, что ферромагнетизм обусловлен ориентацией элементарных токов во внешнем поле.Для объяснения ферромагнетизма нужно понять, почему тепловое движение при температурах ниже точки Кюри не разрушает упорядоченную ориентацию элементарных токов. Почему даже слабые поля намагничивают ферромагнетик почти до насыщения? И наконец, почему существует гистерезис? Вопросов немало, и мы сможем ответить на них лишь в общих чертах.
Спин электрона
Основным в объяснении ферромагнетизма является следующий факт. Ферромагнетизм обусловлен не обращением электронов вокруг ядер, как предполагали ученые вначале, а «собственным вращением». Электрон всегда как бы вращается вокруг своей оси и, обладая зарядом, создает вследствие этого магнитное поле наряду с полем, появляющимся за счет орбитального движения вокруг ядра. Собственный враща-тельный момент электрона называют спином.
Добавление «как бы» к слову «вращается» нужно потому, что электрон по своим свойствам не похож на очень маленький шарик. Его движение подчиняется законам механики микрочастиц — квантовой механики, а не классической механики Ньютона.
Что вызывает ориентацию спинов?
На первый взгляд может показаться, что правильная ориентация спинов, не исчезающая после выключения внешнего магнитного поля, вызвана магнитными взаимодействиями. Но это не так. Магнитные силы слишком слабы для того, чтобы противостоять тепловому движению, разрушающему ориентацию.
Парадоксальным оказалось, что эти силы имеют не магнитную, а электрическую природу. Но происхождение их можно понять только в рамках квантовой механики. Называются эти силы обменными. Как и все сугубо квантовые явления, обменные силы не поддаются наглядному истолкованию.
По этой причине мы не будем на них останавливаться. Заметим лишь, что ориентация спинов оказывается возможной только при определенной структуре атомных оболочек и строении кристаллической решетки вещества.Если энергия обменного взаимодействия больше энергии теплового движения, то за счет данного взаимодействия появляется строго определенная ориентация электронных спинов. Только при температуре выше температуры Кюри тепловое движение разрушает эту ориентацию.
Домены
Если все происходит так, как об этом только что было рассказано, то непонятно, почему же любой ферромагнетик при температуре ниже точки Кюри не оказывается намагничен- ным самопроизвольно до насыщения, когда все спины ориен-тированы одинаково. Почему для получения постоянного магнита образец приходится помещать в магнитное поле?
Ответ состоит в том, что кажущийся ненамагниченным кусок ферромагнитного вещества в действительности состоит из небольших областей, намагниченных до насыщения. Эти области называются доменами. В разных доменах индукции магнитных полей имеют различные направления, и в большом кристалле поля взаимно компенсируют друг друга.
Размеры доменов зависят от многих причин: от химического состава вещества, его размеров и формы, дефектов кристаллической структуры, температуры и т. д. Их объем имеет порядок 10 6 см3, а длина может достигать 2—3 мм. Домены — это макроскопические образования, содержащие огромное число атомов.
Причина образования доменов — стремление системы к состоянию с наименьшей потенциальной энергией. Если образец намагничен в одном направлении, то он создает во внешнем пространстве магнитное поле, обладающее значительной энергией (рис. 6.11, а). Эта энергия будет заметно меньше, когда в двух половинах образца индукции противоположны по направлению (рис. 6.11, б). Но при этом образуется поверхность раздела (она называется доменной стенко й), где по соседству друг с другом располагаются электроны с антипараллельными спинами. А это энергетически не выгодно.
Обменная энергия минимальна, когда спины параллельны.
Вот этот эффект и препятствует дроблению доменов на области, все меньшие и меньшие по размерам.Дробление прекращается, когда энергия, необходимая для образования новой доменной стенки, сравнивается с уменьше-нием энергии во внешней области при образовании еще одного
в)
г)
/Зх
а)
XS7 б)
Рис. 6.11 домена. Образец при этом обладает минимальной магнитной энергией.
В монокристаллах домены могут быть ориентированы так, что магнитное поле вне образца вообще не создается (рис. 6.11, в). В поликристаллах ориентация намагниченностей доменов хаотична (рис. 6.11, г).
Границы доменов можно сделать видимыми. Для этого тщательно отшлифованную поверхность ферромагнетика по-крывают тонким слоем коллоидной суспензии, состоящей из частиц оксида железа. Суспензия концентрируется на доменных стенках, где магнитное поле неоднородно.
Объяснение кривой намагничивания и гистерезиса
Теперь выясним, что происходит с ненамагниченным ферромагнетиком при помещении его в магнитное поле.
Когда ферромагнетик помещают в слабое магнитное поле, та это привадит к сдвигу доменных стенок. Домены, направ-ление намагниченности которых наиболее близко к направлению индукции внешнего поля, увеличиваются за счет сокращения размеров доменов с менее выгодным направлением намагниченности. Пока поле невелико, этот процесс обратим, и, уменьшая индукцию, мы вернемся к исходному состоянию.
Но в кристаллах имеется множество разного рода дефектов, примеси и т. д. При движении доменная стенка наталкивается на них и останавливается. Лишь при дальнейшем увеличении индукции намагничивающего поля стенка совершает скачок до следующего препятствия. В результате намагничивание происходит скачкообразно. На кривой намагничивания (см. рис. 6.7) эти скачки сглажены.
Скачки доменных стенок связаны с энергетическими потерями. Они вызывают упругие микроволны в кристаллах и появление микроскопических вихревых токов, нагревающих образец. Именно благодаря этому процесс намагничивания оказывается необратимым.
При уменьшении индукции намагничивающего поля скачки доменных стенок происходят в обратном направлении, но не повторяют в точности скачки при намагничивании образца. Застрявшие на дефектах структуры стенки доменов приводят к появлению остаточной на-магниченности.
Рис. 6.12
После того как движение доменных стенок прекращается, образец еще не достигает насыщения. Остаются домены, у которых намагниченность сильно отличается по направлению от внешнего магнитного поля. При дальнейшем увеличении индукции намагничивающего поля происходит изменение направлений намагниченности доменов в целом. После этого намагниченность достигает насыщения.
Скачкообразный характер намагничивания можно обнаружить достаточно простым способом. На ферромагнитный сердечник надевается катушка, соединенная с громкоговорителем через усилитель (рис. 6.12). При намагничивании стержня, вызванном приближением постоянного магнита, происходят скачки доменных стенок. При каждом скачке в катушке возникает импульс индукционного тока и в динамике слышен щелчок.
Ферромагнетизм определяется собственным вращательным движением электронов — спином. Электрические взаимодействия квантового происхождения ориентируют спины в одном направлении, если энергия теплового движения меньше энергии взаимодействия (температура ниже точки Кюри).