Ферромагнетики и точка Кюри

Среди парамагнетиков существует класс веществ, которые при не слишком высоких температурах обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, способной сильно изменяться под влиянием внешних воздействий (магнитного поля, деформации, изменении температуры). Такие вещества называются ферромагнетиками. К ним относятся образцы как правило твердых тел переходных металлов (железо, кобальт, никель), некоторых редкоземельных элементов, металлических стекол и ряда сплавов. Внутреннее магнитное поле в ферромагнетиках может в десятки, сотни и даже тысячи раз превосходить внешнее поле. Если представить зависимость в виде (7), то величина будет не постоянной, и ее поведение при изменении будет иметь вид, представленный на Рис. 5.

рис. 5

Классическая теория ферромагнетизма была разработана Вейсом (1907г.). Согласно этой теории, весь объем ферромагнитного образца при нормальных условиях разбит на небольшие области – домены, которые самопроизвольно (спонтанно) намагничены до насыщения. Линейные размеры доменов порядка 10^-3–10^{-2 см. В размагниченном образце в отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы так, что результирующая намагниченность образца в целом равна нулю. На рис. 6 схематически изображен процесс намагничивания ферромагнитного образца, содержащего четыре домена. Начальное состояние обозначено рис. 6а. При} включении внешнего магнитного поля энергия доменов, у которых вектор составляет с направлением острый угол, меньше, чем у доменов, имеющих тупой угол между и . Поэтому возникает процесс смещения границ доменов, при котором объем доменов с меньшей энергией возрастает, а с большей – уменьшается (рис.6б). В случае очень слабых полей эти смещения границ обратимы. Однако при увеличении смещения границ доменов делаются необратимыми и энергетически невыгодные домены исчезают совсем (рис. 6в).

рис. 6

Если увеличивать еще больше, то возникает новый тип процесса намагничивания, при котором изменяется направление магнитного момента внутри домена (намагничивание вращения) и магнитные моменты всех доменов устанавливаются параллельно внешнему полю. В этом состоянии весь образец намагничен до насыщения.

Обычно в образце ферромагнетика имеется большое количество доменов. Причиной этого является то, что при образовании доменных структур энергия ферромагнетика уменьшается. Если ферромагнетик состоит из одного домена (рис. 7а), то во внешнем пространстве возникает магнитное поле, заключающее в себе определенную энергию. Если в образце имеются два домена с противоположным направлением намагничивания, то энергия, заключенная в во внешней среде, уменьшается (рис. 7б). На рис. 7в, изображен случай, когда во внешнем пространстве магнитного поля совсем нет. Здесь имеются «замыкающие» домены в форме трехгранных призм, боковые поверхности которых везде составляют угол 45⁰ с вектором намагничивания. Вследствие этого магнитный поток проходит исключительно внутри образца. Это состояние наиболее выгодно, и поэтому ферромагнетик, находящийся, например, в состоянии 7а, будет стремиться перейти в состояние 7в.

Классическая физика не смогла объяснить причин возникновения доменов. Такое объяснение было дано Френкелем и Гейзенбергом с позиций квантовой физики. Эксперименты показали, что ферромагнетизм имеет спиновую природу, т. е. обусловлен спиновыми (собственными) , а не орбитальными , магнитными моментами электронов атомов ферромагнетика. Согласно квантовой теории в атоме электроны распределяются по оболочкам, каждая из которых соответствует определенному квантовому значению энергии (n – порядковый номер оболочки).

рис. 7

На каждой из таких оболочек может находиться 2n² электронов. В свою очередь оболочка содержит n² траекторий, на каждой из которых, согласно принципу Паули, может находиться только 2 электрона, спиновые моменты которых направлены в противоположные стороны. Это приводит к тому, что в целиком заполненной оболочке результирующие спиновые и орбитальные магнитные моменты атомов равны нулю.

Атомы элементов, обладающих ферромагнитными свойствами (например, железо Fe, кобальт Co, никель Ni) принадлежат к числу переходных атомов периодической системы химических элементов Менделеева. В этих атомах нарушается последовательность заполнения электронами мест на траекториях и оболочках: прежде чем полностью «застроится» нижний слой, начинается заполнение вышерасположенного слоя. Например, в атоме железа 26 его электронов распределены по 4 оболочкам: первая и вторая оболочка целиком заполнены и содержат соответственно 2 и 8 электронов, на третьей оболочке находится14 электронов (вместо 18), на четвертой – 2. В заполненных двух первых оболочках спиновые магнитные моменты электронов взаимно компенсируются. В третьей оболочке 8 электронов движутся по траекториям попарно, так что их спиновые магнитные моменты компенсируют друг друга, а из шести оставшихся электронов пять имеют спин, ориентированный в одном направлении, и лишь один электрон имеет спин, ориентированный противоположно. Таким образом, каждый атом железа имеет собственный магнитный момент, обусловленный некомпенсированными спиновыми магнитными моментами четырех электронов третьей энергетической оболочки. При образовании железа в виде образца твердого тела, содержащего много атомов, между электронами соседних атомов возникает особый вид квантового взаимодействия, называемый «обменным взаимодействием», аналогов которому в классической физике нет. Это обменное взаимодействие приводит к тому, что в соседних атомах электроны с нескомпенсированными магнитными моментами располагаются так, чтобы их спиновые моменты были ориентированы параллельно друг другу, что и приводит к созданию внутреннего магнитного поля и образованию доменов.

При повышении температуры образца, вследствие усиления теплового движения атомов (и самих доменов) намагниченность образца уменьшается. Резкое уменьшение намагниченности начинается при некоторой температуре, называемой точкой Кюри. При этой температуре происходит нарушение ориентации спиновых магнитных моментов внутри домена, т.е. нарушается магнитная структура самого домена. Этот процесс не сопровождается выделением тепла и потому является т.н. фазовым переходом 2-го рода. При температуре выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. Если образец вновь охладить до температуры, меньшей точки Кюри, то он восстанавливает свои ферромагнитные свойства. Определение точки Кюри для заданного образца и является целью настоящей работы.