Ферромагнетики и доменная структура

Ферромагнетизмом обладают вещества только в кристаллическом состоянии. К числу ярких представителей ферромагнетиков относят: железо, никель, кобальт, соединения марганца и хрома и ряд других. Ферромагнетики относят к сильномагнитным веществам. Их намагниченность зависит от напряжённости внешнего поля нелинейно и достигает насыщения. В связи с этим для ферромагнетиков магнитная восприимчивость ($\varkappa $) и магнитная проницаемость ($\mu $) не являются постоянными. По - прежнему записывают, что:

но тогда $\mu \ и\ \varkappa $ рассматривают как функции от напряженности поля. Эти функции сначала растут при росте напряженности поля, проходят через максимум, в сильных полях, когда достигнуто насыщение, магнитная проницаемость стремится к единице, а магнитная восприимчивость к нулю. Значение $\mu $ в максимуме достигает для большинства ферромагнетиков при обычных температурах сотни тысяч единиц.

Монокристаллы ферромагнетиков анизотропны относительно магнитных свойств. В каждом монокристалле существует одно или несколько направлений, вдоль которых магнитная восприимчивость особенно большая. Существуют направления, в которых кристалл плохо намагничивается. Надо отметить, что если ферромагнитное вещество состоит из мелких поликристаллов, то оно изотропно.

Следующая характерная особенность ферромагнетиков состоит в том, что зависимости $\overrightarrow{B\ }(\overrightarrow{H})$ и $\overrightarrow{J\ }(\overrightarrow{H})$ не однозначны, а определены предшествующей историей. То есть ферромагнетикам присущ магнитный гистерезис.

Для ферромагнетиков существует определенная температура при переходе через которую вещество совершает фазовый переход второго рода. Такая температура называется температурой Кюри ($T_k$) (или точкой Кюри). Вещество при температуре ниже точки Кюри является ферромагнетиком, а при температуре выше точки Кюри становится парамагнетиком. При этом магнитная восприимчивость в окрестности очки Кюри подчиняется закону Кюри -- Вейса:

где $С$ -- постоянная зависящая от рода вещества.

Доменная структура ферромагнетика

Экспериментально было получено Эйнштейном, что ферромагнетизм вызван спинами электронов. Ферромагнетики имеют спонтанную намагниченность, когда нет внешнего поля, но под воздействие внутренних причин спины электронов стремятся ориентироваться в одном общем направлении. Но всему ферромагнетику целиком быть намагниченным энергетически не выгодно.

Первая количественная теория, описывавшая свойства ферромагнетиков была разработана Вейссом в 1907 г. На первый взгляд в его теории спонтанное намагничивание находится в противоречии с фактом, что даже при температуре ниже точки Кюри некоторые ферромагнетики, обычно не намагничены, хотя существуют и постоянные магниты. Вейсс устранил это противоречие, когда ввел гипотезу о том, что ферромагнетики ниже точки Кюри в магнитном отношении распадаются на множество маленьких макроскопических областей. Каждая область спонтанно намагничена. Такие области называются доменами. В обычных условиях направления доменов хаотичны. Тело в целом является не намагниченным. При включении внешнего поля домены, ориентированные по полю растут за счет доменов, которые ориентированы против поля, идет смещение границ доменов. В слабых полях такое смещение обратимо. В сильных полях домены переориентируются в пределах всего домена. Процесс приобретает необратимый характер, возникает явление гистерезиса и остаточное намагничивание.

Доменный «распад» энергетически выгоден. При дроблении ферромагнетика на домены и появлении доменов разной ориентации магнитное поле, которое порождаемое ферромагнетиком ослабляется. Становится меньше соответствующая энергия. Энергия обменного взаимодействия электронов не изменяется для всех электронов за исключением электронов на границах доменов (так называемая поверхностная энергия). Она растет из-за разной ориентации спинов электронов соседних доменов. Дробление доменов заканчивается тогда, когда сумма магнитной и обменной энергии достигает минимума. Условием минимума определен и размер доменов. Доменная структура ферромагнетиков доказана эмпирически.

Границы доменов

Итак, для минимизации энергии магнитного поля является выгодным уменьшение размера домена. Однако, этому препятствует необходимость при этом затрат энергии на образование границ между доменами, так как намагниченность по разные стороны границы имеет разное направление. Граница имеет конечную толщину, в пределах нее намагниченность постепенно изменяет свое направление от ориентации в одном домене к ориентации в соседнем.

Стенки доменов классифицируют по особенностям поворота вектора намагниченности. В том случае, если перпендикулярная (относительно стенки) составляющая вектора намагниченности в процессе поворота не изменяется, то это стенка Блоха. (Говорят, что в стенке Блоха вращение происходит в плоскости параллельной стенке). Если изменение направления вектора намагниченности происходит с изменением перпендикулярной составляющей, то стенка носит имя Нееля.