ФЕРРОМАГНЕТИ́ЗМ

ФЕРРОМАГНЕТИ́ЗМ (от фер­ро... и маг­не­тизм), од­но из маг­ни­то­упо­ря­до­чен­ных со­стоя­ний ве­ще­ст­ва, в ко­то­ром боль­шин­ст­во ло­каль­ных маг­нит­ных мо­мен­тов ато­мов (ио­нов) ори­ен­ти­ро­ва­ны па­рал­лель­но друг дру­гу за счёт об­мен­но­го взаи­мо­дей­ст­вия; в бо­лее ши­ро­ком смыс­ле – со­во­куп­ность свойств маг­не­ти­ка в этом со­стоя­нии. Ве­ще­ст­ва, в ко­то­рых воз­ни­ка­ет фер­ро­маг­нит­ное упо­ря­до­че­ние, на­зы­ва­ют фер­ро­маг­не­ти­ка­ми. К фер­ро­маг­не­ти­кам от­но­сят­ся как твёр­дые кри­стал­лич. и аморф­ные ве­ще­ст­ва, так и маг­нит­ные жид­ко­сти. Бес­ко­неч­ный изо­троп­ный фер­ро­маг­не­тик в от­сут­ст­вие внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля об­ла­да­ет са­мо­про­из­воль­ной (спон­тан­ной) на­маг­ни­чен­но­стью $\boldsymbol M_s$. Не­об­хо­ди­мым ус­ло­ви­ем су­ще­ст­во­ва­ния Ф. яв­ля­ет­ся на­ли­чие от­лич­ных от ну­ля маг­нит­ных мо­мен­тов элек­трон­ных обо­ло­чек ато­мов или ио­нов. Как пра­ви­ло, это пе­ре­ход­ные (Fe, Co, Ni) и ред­ко­земель­ные (Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm) ме­тал­лы, со­дер­жа­щие ато­мы или ио­ны с не­до­стро­ен­ны­ми внутр. элек­трон­ны­ми обо­лоч­ка­ми, их спла­вы друг с дру­гом и нор­маль­ны­ми ме­тал­ла­ми. От­вет­ст­вен­ным за фер­ро­маг­нит­ное упо­ря­до­че­ние маг­нит­ных мо­мен­тов яв­ля­ет­ся по­ло­жи­тель­ное элек­тро­ста­тич. об­мен­ное взаи­мо­дей­ст­вие, имею­щее кван­то­во­ме­ха­нич. при­ро­ду (пря­мое или кос­вен­ное). В фер­ро­маг­нит­ных ме­тал­лах и спла­вах кос­вен­ное об­мен­ное взаи­мо­дей­ст­вие осу­ще­ст­в­ля­ет­ся че­рез элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти (РККИ-об­мен­ное взаи­мо­дей­ст­вие), в не­ме­тал­лич. со­еди­не­ни­ях пе­ре­ход­ных и ред­ко­зе­мель­ных ме­тал­лов – че­рез элек­тро­ны внеш­них замк­ну­тых обо­ло­чек маг­нит­но-ней­траль­ных ио­нов, рас­по­ло­жен­ных ме­ж­ду маг­нит­но-ак­тив­ны­ми ио­на­ми.

Ф. на­блю­да­ет­ся при темп-ре ни­же Кю­ри точ­ки T_C. Ве­ли­чи­на M_s мак­си­маль­на при T=0 К и мо­но­тон­но умень­ша­ет­ся до ну­ля при T=T_C. При Т>T_C фер­ро­маг­не­тик пе­ре­хо­дит в па­ра­маг­нит­ное со­стоя­ние, при­чём маг­нит­ный фа­зо­вый пе­ре­ход, как пра­ви­ло, яв­ля­ет­ся фа­зо­вым пе­ре­хо­дом 2-го ро­да. Мо­гут на­блю­дать­ся и спин-пе­ре­ори­ен­та­ци­он­ные маг­нит­ные фа­зо­вые пе­ре­хо­ды, при ко­то­рых про­ис­хо­дит из­ме­не­ние маг­нит­ной атом­ной струк­ту­ры и маг­нит­ной сим­мет­рии фер­ро­маг­не­ти­ка. Вбли­зи T_C на тем­пе­ра­тур­ных за­ви­си­мо­стях маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­сти χ=M/H и маг­нит­ной про­ни­цае­мо­сти μ=B/H (H и B – со­от­вет­ст­вен­но на­пря­жён­ность и ин­дук­ция маг­нит­но­го по­ля, M – мо­дуль на­маг­ни­чен­но­сти фер­ро­маг­не­ти­ка) на­блю­да­ют яв­но вы­ра­жен­ный мак­си­мум, а так­же ано­ма­лии др. маг­нит­ных и не­маг­нит­ных ха­рак­те­ри­стик (напр., те­п­ло­ём­ко­сти, ко­эф­фи­ци­ен­тов уп­ру­го­сти и те­п­ло­во­го рас­ши­ре­ния). При Т>T_C маг­нит­ная вос­при­им­чи­вость фер­ро­маг­не­ти­ков обыч­но под­чи­ня­ет­ся Кю­ри – Вей­са за­ко­ну.

В рав­но­вес­ном раз­маг­ни­чен­ном со­стоя­нии (H=0) фер­ро­маг­не­тик раз­би­ва­ет­ся на маг­нит­ные до­ме­ны – мак­ро­ско­пич. об­лас­ти, в ко­то­рых реа­ли­зу­ет­ся па­рал­лель­ная ори­ен­та­ция маг­нит­ных мо­мен­тов ато­мов вдоль од­но­го на­прав­ле­ния, и эти на­прав­ле­ния раз­лич­ны для разл. до­ме­нов. Ме­ж­ду до­ме­на­ми су­ще­ст­ву­ют пе­ре­ход­ные об­лас­ти (до­мен­ные стен­ки) ко­неч­ной тол­щи­ны, в ко­то­рых век­тор на­маг­ни­чен­но­сти $\boldsymbol M$ не­пре­рыв­но ме­ня­ет своё на­прав­ле­ние от ори­ен­та­ции в од­ном до­ме­не к ори­ен­та­ции в со­сед­нем до­ме­не. В раз­маг­ни­чен­ном со­стоя­нии сум­мар­ная на­маг­ни­чен­ность фер­ро­маг­не­ти­ка, скла­ды­ваю­щая­ся из на­маг­ни­чен­но­стей до­ме­нов и до­мен­ных сте­нок, рав­на ну­лю. Вслед­ст­вие раз­бие­ния фер­ро­маг­не­ти­ка на до­ме­ны за­ви­си­мость его на­маг­ни­чен­но­сти от Н (кри­вая на­маг­ни­чи­ва­ния) име­ет слож­ный не­ли­ней­ный ха­рак­тер (см. На­маг­ни­чи­ва­ние). В сла­бых внеш­них по­лях на­маг­ни­чи­ва­ние про­ис­хо­дит сна­ча­ла за счёт рос­та раз­ме­ров энер­ге­ти­че­ски вы­год­ных до­ме­нов пу­тём сме­ще­ния до­мен­ных сте­нок (вна­ча­ле об­ра­ти­мого), а с уве­ли­че­ни­ем Н к это­му до­бав­ля­ет­ся вра­ще­ние век­то­ров на­маг­ни­чен­но­сти внут­ри до­ме­нов. В сла­бых маг­нит­ных по­лях вос­при­им­чи­вость, свя­зан­ная со сме­ще­ни­ем до­мен­ных гра­ниц, пре­вы­ша­ет вос­при­им­чи­вость, свя­зан­ную с вра­ще­ни­ем век­то­ров на­маг­ни­чен­но­с­ти внут­ри до­ме­нов, а в силь­ных – на­обо­рот. Макс. маг­нит­ная вос­при­им­чи­вость фер­ро­маг­не­ти­ков мо­жет дос­ти­гать зна­че­ний 10⁴–10⁵. В по­лях на­пря­жён­но­стью 10²–10⁵ А/м на­маг­ни­чен­ность дос­ти­га­ет на­сы­ще­ния; при даль­ней­шем уве­ли­че­нии Н рост M про­ис­хо­дит за счёт па­ра­про­цес­са и ве­ли­чи­на χ ста­но­вит­ся ма­лой, как в па­ра­маг­не­ти­ках (см. Па­ра­маг­не­тизм).

Кри­стал­лич. фер­ро­маг­не­ти­ки об­ла­да­ют маг­нит­ной ани­зо­тро­пи­ей. Их кри­вые на­маг­ни­чи­ва­ния и ве­ли­чи­на вос­при­им­чи­во­сти за­ви­сят от ори­ен­та­ции маг­нит­но­го по­ля от­но­си­тель­но осей кри­стал­ла. При на­маг­ни­чи­ва­нии об­раз­ца вдоль од­ной из осей лёг­ко­го на­маг­ни­чи­ва­ния на­маг­ни­чен­ность рас­тёт очень бы­ст­ро и мо­жет дос­ти­гать на­сы­ще­ния в дос­та­точ­но сла­бых по­лях. При на­маг­ни­чи­ва­нии об­раз­ца вдоль оси труд­но­го на­маг­ни­чи­ва­ния зна­че­ние макс. вос­при­им­чи­во­сти мо­жет быть на нес­коль­ко по­ряд­ков мень­ше. В по­ли­кри­стал­лич. об­раз­цах ани­зо­тро­пия в сред­нем по об­раз­цу мо­жет от­сут­ст­во­вать, но при на­ли­чии маг­нит­ной тек­сту­ры мо­жет ос­та­вать­ся. При дос­та­точ­но ма­лых раз­ме­рах фер­ро­маг­не­ти­ки мо­гут не раз­би­вать­ся на до­ме­ны вслед­ст­вие энер­ге­тич. не­вы­год­но­сти та­ко­го раз­бие­ния и ос­та­вать­ся од­но­до­мен­ны­ми.

Для Ф. ха­рак­тер­но на­ли­чие гис­те­рези­са – ср. на­маг­ни­чен­ность за­ви­сит от маг­нит­ной пре­дыс­то­рии об­раз­ца, и связь ме­ж­ду на­маг­ни­чен­но­стью и внеш­ним маг­нит­ным по­лем, темп-рой, дав­ле­ни­ем не яв­ля­ет­ся од­но­знач­ной. Вслед­ст­вие это­го фер­ро­маг­нит­ный об­ра­зец мо­жет об­ла­дать от­лич­ной от ну­ля на­маг­ни­чен­но­стью при H=0 и ис­поль­зо­вать­ся в ка­чест­ве по­сто­ян­но­го маг­ни­та. На­ли­чие в фер­ро­маг­не­ти­ках маг­ни­то­уп­ру­го­го взаи­мо­дей­ст­вия мо­жет при­во­дить к из­ме­не­нию раз­ме­ров и фор­мы об­раз­ца при из­ме­не­нии на­маг­ни­чен­но­сти (маг­ни­то­ст­рик­ция), а так­же к за­ви­си­мо­сти ви­да кри­вых на­маг­ни­чи­ва­ния и пе­тель гис­те­ре­зи­са от внеш­них на­пря­же­ний. При адиа­ба­тич. пе­ре­маг­ни­чи­ва­нии фер­ро­маг­нит­но­го об­раз­ца из­ме­ня­ет­ся его темп-ра (маг­ни­то­ка­ло­ри­че­ский эф­фект).

Для тео­ре­тич. опи­са­ния Ф. ис­поль­зу­ют два под­хо­да – мо­де­ли с ло­ка­ли­зо­ван­ны­ми на ато­мах или ио­нах но­си­те­ля­ми маг­нит­но­го мо­мен­та и мо­де­ли кол­лек­ти­ви­зи­ров. но­си­те­лей маг­нит­но­го мо­мен­та (см. Зон­ный маг­не­тизм). В рам­ках при­бли­же­ния сред­не­го по­ля – это мо­дель мо­ле­ку­ляр­но­го по­ля Вей­са и мо­дель Сто­не­ра. Пер­вая из них луч­ше опи­сы­ва­ет свой­ст­ва спла­вов пе­ре­ход­ных d-ме­тал­лов, вто­рая – свой­ст­ва спла­вов и со­еди­не­ний ред­ко­зе­мель­ных f-ме­тал­лов.

Фер­ро­ма­гне­ти­ки ши­ро­ко при­ме­ня­ют в разл. об­ла­стях тех­ни­ки (см. Маг­нит­ные ма­те­риа­лы, Маг­ни­то­мяг­кие ма­те­риа­лы, Маг­ни­то­твёр­дые ма­те­риа­лы).