§ 266. Ферромагнетизм

Домен.

Заметными (с помощью грубых средств наблюдения) магнитными свойствами обладает небольшое число веществ. К ним принадлежат: железо, кобальт, никель, гадолиний, соединения этих элементов, а также некоторые соединения марганца и хрома. Так как железо в этом семействе играет главную роль, то вещества получили название ферромагнитных.

Рис. 291.

Атомы ферромагнетиков обладают магнитным моментом и притом спинового происхождения (во всяком случае в основном). Однако не это является особенностью, выделяющей их среди парамагнетиков. Главная особенность ферромагнетиков — их доменное строение. Домен — это область, намагниченная до насыщения, т. е. такая область, внутри которой все атомы выстроены параллельно своими магнитными моментами. Линейные размеры доменов бывают обычно порядка поэтому домены можно видеть в обычном микроскопе.

Домены в ферромагнетике существуют и при наличии, и при отсутствии поля. Чтобы увидеть домены, на полированную поверхность ферромагнитного монокристалла наносят каплю коллоидной суспензии — тщательно раздробленного ферромагнитного вещества типа магнетита Коллоидные частички концентрируются вблизи границ доменов, так как вдоль этих границ существуют сильные магнитные локальные поля (как у любого стержневого магнита); они и притягивают порошинки магнетита (рис. 291).

Рассмотрим сначала вопросы, возникающие в отношении одного домена, далее остановимся на взаимном расположении доменов в кристаллах и уже после этого изучим процесс намагничения ферромагнетика.

Направления, в которых устанавливаются магнитные моменты атомов, образующих один домен, не являются произвольными: в каждом кристалле ферромагнетика существует одно кристаллографическое направление легчайшего намагничения. В гексагональном кобальте это единственное направление — его гексагональная ось. В кубическом железе этим направлением является ребро куба. Значит, в железе имеются три направления легчайшего намагничения и соответственно три направления магнитных моментов доменов. В кубическом никеле осями легкого намагничения являются пространственные диагонали куба, т. е. имеются четыре возможных направления магнитных моментов.

Почему же в ферромагнетиках атомы выстраиваются параллельно своими магнитными моментами? Причиной является специфическое явление — обмен электронов местами. Как говорилось по поводу химической связи, перекрытие волновых функций влечет за собой понижёние энергии. Электроны получают при этом общее пространство и становятся способными обмениваться местами. Стремление обменной энергии к минимуму является причиной стабильности большинства химических соединений. Аналогичную роль играет обменная энергия и в создании домена. В случае химической связи минимальное значение обменной энергии достигается при условии, когда спины обменивающихся электронов антипараллельны. Однако общий вывод квантовой механики более широк: обменная энергия может быть в некоторых случаях минимальна при параллельной, а в иных случаях при антипараллельной ориентации спинов. В ферромагнетиках спины атомов, входящих в состав домена, ориентированы параллельно. Сравнительно недавно открыт новый класс соединений — антиферромагнетиков, в которых устойчивые состояния домена возникают при антипараллельной ориентации спинов.

Измеряя величину намагниченности домена, можно подсчитать число спинов на атом, участвующих в ферромагнетизме. При этом целые числа не получаются (для железа 2,2, для кобальта 1,7, для гадолиния 7,1 и т. д.). Отсюда следует, что в какой-то мере в создании ферромагнетизма принимают участие и электроны, образующие электронный газ. Однако в основном за ферромагнетизм отвечают электроны, связанные с атомами. В железе электроны проводимости

берутся в основном с верхней оболочки в то время как ферромагнитные электроны находятся на оболочке

Прямое доказательство отсутствия какой бы то ни было связи между свойствами проводимости и ферромагнетизма дает факт существования замечательных материалов — ферритов. Эти материалы представляют собой полупроводники с удельным сопротивлением на 10—11 порядков большим, чем у железа. Электроны проводимости, разумеется, не играют роли в магнетизме этих веществ. Ферриты представляют собой смешанные окислы, например, феррит марганца — это соединение окислов марганца и железа в пропорции феррит никеля — аналогичное соединение окиси железа и окиси никеля. Окись железа содержит два атома железа, а окись никеля — один атом никеля. Кристалл смеси представляет собой плотную упаковку атомов кислорода. В пустоты входят атомы никеля и два атома железа. Мы знаем (см. стр. 572), что пустоты плотной, упаковки бывают двух сортов: тетраэдрическйе и октаэдрические. Атом, попавший в пустоту первого сорта, окружен четырьмя соседями, а атом в октаэдрической пустоте — шестью соседями. Оказывается, что атомы железа распределяются по пустотам обоих сортов. Магнитные моменты атомов железа устанавливаются вполне упорядоченно, но моменты атомов железа, сидящих в тетраэдрических пустотах, смотрят в одну сторону, а моменты атомов железа, сидящих в октаэдр ических пустотах, — в противоположную. В результате действия этих двух систем моментов уничтожаются, и магнитные свойства подобной смешанной окиси обеспечиваются магнетизмом никеля, моменты атомов которого направлены все в одну сторону.

Наличие обменной энергии делает понятным стремление атомов установиться так, чтобы их спины были параллельны или антипараллельны. Очевидно, обменная энергия взаимодействия у ферромагнетиков выходит на первый план и диктует веществу такое расположение спинов, которое приводит к ее минимальному значению. Видимо, у остальных парамагнитных веществ другие слагаемые энергии взаимодействия не дают проявиться обменной энергии.

Рис. 292.

Дальний порядок в расположении атомов разрушается при некоторой определенной температуре: кристалл плавится. Так же точно влияет температура и на расположение магнитных моментов. На рис. 292 схематически показано, как ведут себя магнитные моменты

атомов при повышении температуры. Сначала колебания в такт, затем начало расстройки и, наконец, «плавление» магнитного порядка. Начиная от некоторой определенной температуры, которая носит название точки Кюри, в честь выдающегося французского ученого Пьера Кюри, порядок в расположении стрелок исчезает и вещество теряет свои магнитные свойства, ферромагнетик становится парамагнитным веществом. У железа точка Кюри лежит при кобальта при никеля при гадолиния при

Рис. 293.

В антиферромагнетиках спины атомов стремятся расположйться в, порядке, но антипараллельно. Структура домена окиси марганца, являющейся антиферромагнетиком, изображена на рис. 293. Стрелочка, символизирующая момент, принадлежит марганцу. Из рисунка видно, что химический период повторения структуры в два раза меньше магнитного. При абсолютном нуле каждый атомный магнит антиферромагнетика окружен атомами с противоположно направленными моментами. Так же как у ферромагнетиков, этот порядок разрушается при определенной температуре Кюри и выше этрй температурной точки вещество ведет себя как парамагнетик.

Косвенным доказательством антиферромагнитных свойств является установление различных аномалий в поведении свойств тела при прохождении через точку Кюри. Так как точка Кюри есть точка фазового, перехода второго рода, то ряд свойств терпит в ней скачок или излом.

Прямое доказательство стало возможным методами нейтронной дифракции. Рассеяние нейтронов решеткой, показанной на рис. 293, чувствительно не к химическому, а к магнитному периоду повторяемости структуры.

Расположение доменов в кристалле.

Рассматривая описанным выше порошковым методом доменную структуру монокристаллов

ферромагнитных веществ, мы обнаруживаем, что домены никогда не охватывают слишком больших областей, они обычно не превосходят линейных размеров порядка Мы находим, кроме того, у кубических ферромагнетиков чрезвычайно симметричные сочетания разнонаправленных доменов. Оба обстоятельства требуют объяснения, поскольку легкость намагничения казалось бы, должна была привести к тому, чтобы весь монокристалл превратился в один домен.

Рис. 294.

Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц показали, что доменная структура такого типа, как было представлено на рис. 291, является естественным результатом существования различных форм энергии ферромагнитного тела. Идею теории иллюстрирует рис. 294. Первая из схем соответствует одному домену, он обладает значительной магнитной энергией Но уже на второй схеме эта энергия понижена вдвое. В случае параллельных доменов энергия уменьшится примерно в раз. Однако процесс деления будет выгоден до известного предела. В конце концов энергия пограничных слоев превысит уменьшение энергии, связанное с делением кристалла на домены. Вполне понятна выгода конфигураций с замыкающими доменами. В этом случае образуется замкнутый магнитный поток и энергия поля вне кристалла равна нулю.

В случае кобальта, имеющего направление намагничения вдоль оси, мы встретимся с доменами, у которых моменты расположены только вдоль гексагональной оси. Нулевой магнитный момент тела в отсутствие внешнего поля будет достигнут тем, что половина

доменов будет иметь одно направление, а другая половина — противоположное.

Несколько слов о границе между доменами. Этот пограничный слой схематически представлен на рис. 295: в нем магнитные моменты постепенно меняют свое направление. Толщина слоя определится требованием минимума энергии. Здесь две противоположные тенденции.

Рис. 295.

С одной стороны, желательно растянуть невыгодный процесс переворачивания спинов на большую толщину, это будет выгоднее в отношении обменной энергии. С другой стороны, лучше этот процесс провести поскорее, так как в переходном слое спины направлены под углом к легким направлениям намагничения.

Рис. 296.

Теперь рассмотрим, что происходит в ферромагнетике при наложении внешнего поля. За процессом намагничения можно следить с помощью порошкового метода. Оказывается, что основной механизм намагничения заключается в росте домена, смотрящего в «нужном» направлении, путем смещения границ. Домены, ориентированные своим моментом под острым углом к полю, «поедают» домены, ориентированные к полю под тупыми углами. В начальный период намагничения смещение границ доменов носит обратимый характер (когда поле будет убрано, восстановятся домены в прежних границах). Далее смещение границ доменов становится необратимым. Наконец, при наибольших степенях намагничения начинается переворачивание направления намагничения доменов. Рис. 296 иллюстрирует сказанное.

В поликристаллических веществах дело обстоит совершенно таким же образом (если только кристаллики не очень малы, так как при размерах меньше см домены не образуются), каждое зерно может состоять из нескольких доменов. Однако, поскольку кристаллики разбросаны в теле своими кристаллографическими осями как угодно, постольку и магнитные моменты доменов принимают в пространстве любые направления. Таким образом, элементарные картинки намагничения, идущие еще со времен Ампера, правильно рисуют картину в случае поликристаллических веществ.

Гистерезисные явления, свойственные всем ферромагнитным материалам, возникают вследствие необратимого характера смещения доменных границ при намагничении.