ФЕРРОМАГНЕТИ́ЗМ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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 TC. Величина Ms максимальна при T=0 К и монотонно уменьшается до нуля при T=TC. При Т>TC 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 TC 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>TC 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).