Ферромагнетики и доменная структура

В статье ниже рассмотрим такой вид магнетиков как ферромагнетики. Разберём их основные свойства и доменную структуру.

Основные свойства ферромагнетиков

Отметим, что ферромагнетизм присущ веществам лишь в кристаллическом состоянии. Самыми известными примерами ферромагнетиков являются: железо, кобальт, соединения хрома и другие. Ферромагнетики относятся к сильномагнитным веществам, при этом их намагниченность находится в зависимости от напряженности внешнего поля нелинейно и достигает насыщения. Учитывая сказанное, магнитная восприимчивость $\left(\chi \right)$ и магнитная проницаемость $\left(\mu \right)$ для ферромагнетиков непостоянны. Так же имеет место запись:

$\overrightarrow{J}=\chi \overrightarrow{H}$ и $\overrightarrow{B}=\mu {\mu }_0\overrightarrow{H}$,

но при этом $\mu$ и $\chi$ рассматриваются как функции от напряженности поля. С ростом напряжённости поля данные функции также получают рост, проходят через максимум, а в сильном поле (при достижении насыщения) $\mu$ стремится к единице, а $\chi$ – к нулю. Значение $\mu$ в максимуме достигает сотни тысяч единиц для большинства ферромагнетиков в условиях обычной температуры.

Монокристаллы ферромагнетиков являются анизотропными по отношению к магнитным свойствам. Каждый монокристалл содержит одно или несколько направлений, вдоль которых магнитная восприимчивость особо значима. Также имеются направления, в которых кристалл плохо намагничивается. Заметим, что, если вещество, являющееся ферромагнетиком, состоит малых поликристаллов, то оно является изотропным.

Рассмотрим еще одну отличительную черту ферромагнетиков: зависимости $\overrightarrow{B}$ $\left(\overrightarrow{H}\right)$ и $\overrightarrow{J}$$\left(\overrightarrow{H}\right)$ являются неоднозначными, определенными предшествующей историей – для ферромагнетиков характерен магнитный гистерезис.

Когда значение температуры ниже точки Кюри, вещество проявляется как ферромагнетик; когда температура становится выше точки Кюри, вещество приобретает свойства парамагнетика. Вокруг точки Кюри магнитная восприимчивость ϰ отвечает закону Кюри-Вейса:

$\chi =\frac{C}{T-T_k}$.

Доменная структура ферромагнетиков

Эйнштейн в ходе эксперимента показал, что ферромагнетизм вызывается спинами электронов. Как уже указывалось выше, ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью при отсутствии внешнего поля, но под влиянием внутренних причин спины электронов начинают выстраиваться в одном общем направлении. При этом стоит отметить, что энергетически не оптимально для ферромагнетика целиком обладать намагниченностью.

Впервые теорию о свойствах ферромагнетиков сформулировал Вейсс в $1907$ году. Поверхностный взгляд может отметить, что в данной теории существует противоречие между спонтанным намагничиванием и фактом, что даже, когда значение температуры ниже точки Кюри, некоторые ферромагнетики не намагничены, хоть и имеются постоянные магниты. Данное противоречие было устранено сформулированной Вейссом гипотезой.

Домены направлены хаотично при обычных условиях. Тело в общем не является намагниченным. Включение внешнего поля вызывает рост доменов, имеющих ориентацию по полю, за счет доменов, имеющих ориентацию против поля; происходит смещение доменных границ. Если поле слабое, подобное смещение является обратимым. Если поле сильное, домены изменяют ориентацию в пределах всего домена; процесс приобретает необратимый характер, появляется явление гистерезиса и остаточное намагничивание.

Подобный доменный «распад» энергетически выгоден. Когда ферромагнетик дробится на домены, и появляются домены различной ориентации, наблюдается ослабление магнитного поля, порождаемого ферромагнетиком; сопутствующая энергия становится меньше. Энергия обменного взаимодействия электронов не изменяется для всех электронов за исключением электронов на границах доменов (так называемая поверхностная энергия). Ее рост обусловлен различной ориентацией спинов электронов соседних доменов. Дробление доменов получает окончание при достижении минимума суммы магнитной и обменной энергии. Условием минимума определяется также размер доменов. Доменная структура ферромагнетиков имеет эмпирическое доказательство.

Границы доменов

Резюмируя вышесказанное: чтобы минимизировать энергию магнитного поля, оптимально создать условия для уменьшения размера домена. При этом имеется препятствие, выраженное неизбежностью энергетических затрат на образование границ между доменами, поскольку намагниченность по разные стороны границы обладает разной направленностью. Граница имеет определенную толщину, в ее пределах намагниченность постепенно изменяет свое направление от ориентации в одном домене к ориентации в соседнем.

Стенки доменов имеют классификацию по особенностям поворота вектора намагниченности:

• когда перпендикулярная (относительно стенки) составляющая вектора намагниченности в процессе поворота неизменна, то речь идет о стенке Блоха (в стенке Блоха вращение происходит в плоскости, параллельной стенке);
• когда изменение направления вектора намагниченности происходит с изменением перпендикулярной составляющей, речь идет о стенке Нееля.