Некоторые сведения из теории ферромагнетизма

Ферромагнетизм. Ферромагнитные материалы отличаются от других материалов способностью сильно намагничиваться в слабых магнитных полях. Согласно современным взглядам, причина маг­нитных свойств заключается в электрической природе вещества, а элементарными носителями магнетизма считают электроны и ядра атомов. При движении электрона по орбите возникает орбитальный магнитный момент, а при вращении вокруг собственной оси — спино­вый магнитный момент. Магнитный момент ядра обусловлен находя­щимися в нем протонами и нейтронами.

При намагничивании ферромагнетиков внешнее магнитное поле влияет главным образом на ориентацию спиновых магнитных момен­тов, поэтому элементарными носителями магнетизма в ферромагне­тиках в основном являются спиновые магнитные моменты элект­ронов.

Электроны в атомах имеют различные энергетические уровни и стараются занять места в оболочках и подоболочках, которые нахо­дятся ближе к ядру и более выгодны в энерге­тическом отношении. В зависимости от ориен­тации спинов в электронных оболочках их ус­ловно считают положительными или отрица­тельными. Если число положительных и от­рицательных спинов в данной оболочке одина­ково, то спиновые моменты взаимно компенси­руют друг друга и оболочка в магнитном отно­шении нейтральна. Если оболочка содержит разное число электронов с положительными и отрицательными спинами, то часть их остается нескомпенсированной и, следовательно, атом в целом имеет определенный магнитный момент.

Таким образом, магнитный момент атома опре­деляется не всеми электронами, а лишь частью их. Существование ферромагнетизма в вещест­ве возможно при выполнении следующих двух условий: наличие нескомпенсированных магнитных спиновых моментов, возникающих лишь в атомах с незаполненными оболочками, и взаимодействие между спинами соседних атомов, называемое обменным взаимодействием.

Доменная структура. Ферромагнитное тело состоит из большо­го числа доменов (областей самопроизвольного намагничивания), причем каждый домен намагничен до насыщения. У размагниченно­го ферромагнетика магнитные моменты доменов расположены хаотически и результирующая сумма намагниченностей всех доменов рав­на нулю.

Степень легкости намагничивания ферромагнетика определяется силами, препятствующими повороту магнитных моментов вдоль на­правления поля. Они зависят, главным образом, от магнитного взаи­модействия между атомами в кристаллической решетке, свойственной данному ферромагнетику. Ферромагнетики имеют, в основном, три типа решеток: кубическую гранецентрированную, кубическую объемноцентрированную и гексагональную.

Тип решетки может из меняться в зависимости от температуры. Простейшей формой решет­ки является кубическая. Плоскости куба обозначаются индексами представляющими собой обратные значения длин отрезков, отсекае­мых данной плоскостью на осях х, у и z. Сторона куба ус­ловно принимается равной единице.

Намагничивание в разных направ­лениях монокристалла железа. Кристалл маг­нитноанизотропен; он легко намагничивается в направлении ребер куба, и трудно — в направлении пространственных диагоналей. Ес­ли внешнее поле равно нулю, то кристалл всегда намагничен в од­ном из легких направлений.

Конфигурация и размеры доме­нов определяются минимумом полной магнитной энергии, состоящей из че­тырех составляющих: обменной энер­гии, энергии магнитной анизотропии, магнитоупругой энергии и магнито­статической энергии.

Обменная энергия связана с по­степенным изменением направлений спинов в граничном слое между до­менами.

Энергия магнитной анизотропии способствует установлению векторов намагниченности вдоль направлений легкого намагничивания. Разница в энергиях, необходимых для намагни­чивания кристалла до насыщения в трудном и легком направлениях, на­зывается энергией магнитной кристаллографической анизотропии и характеризуется константой анизотропии. Энергия магнитной анизо­тропии может иметь различную природу и проявляться в различных формах. В большинстве случаев энергия магнитной анизотропии силь­но зависит от температуры.

В некоторых сплавах и ферритах можно создать одноосную маг­нитную анизотропию, подвергая материал отжигу в магнитном поле. При медленном охлаждении в поле до комнатной температуры высо­котемпературное состояние «замораживается», что проявляется в возникновении направления легкого намагничивания, совпадающего с направлением поля при отжиге. Такая анизотропия называется индуцированной.

Магнитоупругая энергия обусловлена анизотропией, вызывае­мой упругими напряжениями. Для недеформированной решетки маг­нитоупругая энергия равна нулю.

Домены отделены друг от друга переходными слоями — грани­цами, внутри которых отдельные спины имеют все промежуточные направления и отклонены от направления легкого намагничивания. Это приводит к возрастанию обменной энергии н энергии магнитной анизотропии. Обменное взаимодействие стремится сделать границу возможно толще, но этому препятствует энергия кристаллографиче­ской анизотропии. Таким образом, энергия границ состоит из обмен­ной энергии и энергии кристаллографической анизотропии и опреде­ляется равновесием между силами обмена и анизотропии.

Если ферромагнетик состоит из мелких частиц, распределенных в неферромагннтном материале, то, начиная с некоторого критичес­кого размера частиц, образование границ между доменами делается энергетически невыгодным, так как при этом слишком большая часть объема частицы будет занята независящей от ее размера границей. В этом случае граница не образуется, и каждая частица представля­ет собой отдельный домен.

Критический размер частиц, ниже которого они становятся однодоменными, зависит от их объемной концентрации в ферромагнетике. С увеличением объемной концентрации критический размер увеличи­вается и частицы становятся однодоменными при большем размере. При размерах частиц значительно меньше критического они могут потерять ферромагнитные свойства н превратиться в парамагнитные.

Домены ферромагнетика обладают самопроизвольной намагни­ченностью лишь вплоть до некоторой определенной температуры, на­зываемой точкой Кюри. При всех температурах выше’ точки Кюри самопроизвольная намагниченность разрушается и вещество теряет ферромагнитные свойства. Причиной разрушения самопроизвольной намагниченности является тепловое движение, уменьшающее взаи­модействие между спинами.

Ферромагнитные материалы условно могут быть разделены на две основные группы: магнитно-мягкие н магнитно-твердые. К пер­вой группе относятся технически чистое железо, электротехнические стали, пермаллой и некоторые другие материалы. Характерной осо­бенностью магнитно-мягких материалов являются малая коэрцитив­ная сила и большая магнитная восприимчивость. Ко второй группе относятся сплавы и порошки для постоянных магнитов и носителей записи. Характерной особенностью магнитно-твердых материалов является большая коэрцитивная сила п малая магнитная восприим­чивость.

При помещении ферромагнетика в магнитное поле в нем про­исходит перераспределение магнитных моментов, в результате чего намагниченность тела в целом возрастает. Возрастание результиру­ющей намагниченности под действием внешнего магнитного поля может происходить в результате двух процессов: увеличения объема доменов, имеющих выгодную относительно направления внешнего по­ля ориентацию, за счет доменов с невыгодной ориентацией (процесс смещения границ) и поворота векторов намагниченности доменов в направлении внешнего поля (процесс вращения).

Процессы намагничивания могут быть как обратимые, так и не­обратимые. При обратимых процессах уменьшение внешнего магнит­ного поля от некоторого значения до нуля вызывает восстановление первоначального состояния, например, размагниченного. При необра­тимых процессах уменьшение внешнего поля до нуля не приводит к восстановлению первоначального состояния и вызывает изменение намагниченности.

Кривая начального намагничивания. В общем случае намагни­ченность ферромагнетика зависит не только от напряженности воз­действующего магнитного поля, но и от магнитной предыстории об­разца. Если исходным является размагниченное состояние образца, то зависимость его намагниченности от напряженности поля графиче­ски изображается кривой начального намагничивания. Если размаг­нитить ферромагнетик нагревом до точки Кюри с последующим ох­лаждением в отсутствии магнитных полей, то полученное состояние ферромагнетика называется абсолютным нулевым состоянием, а кри­вая начального намагничивания, снятая от такого исходного состоя­ния, называется абсолютной нулевой кривой намагничивания. Если размагнитить ферромагнетик каким-либо другим способом, напри­мер, воздействием плавноубывающего переменного магнитного поля, то он также будет приведен в состояние, в котором средняя намаг­ниченность будет равна нулю, однако это состояние отличается от абсолютного нулевого.

Кривая начального намагничивания, типич­ная для большинства ферромагнетиков. С точки зрения процессов намагничивания эту кривую в общем случае можно разделить на пять областей.

В начальной области намагничивание магнитно-мягких ма­териалов происходит в основном вследствие обратимых процессов, связанных с упругим смещением границ между доменами. В этой области начальная магнитная восприимчивость и начальная маг­нитная проницаемость — величины постоянные и не зависят от напряженности поля. У магнитно-твердых материалов процессы сме­щения границ могут практически отсутствовать. У этих материалов начальная восприимчивость очень мала н обусловлена только процес­сом вращения.

Область Релея характеризуется квадратичной зависимостью намагниченности от напряженности поля. Процесс намагничивания в области Релея происходит, главным образом, вследствие ступенча­того изменения направления намагниченности доменов и в меньшей степени из-за упругого смещения границ. Этот процесс не является полностью обратимым. Для многих ферромагнетиков область Релея соответствует сравнительно большому диапазону полей, однако су­ществуют и такие ферромагнетики, у которых этой области нет.

Область наибольшей магнитной восприимчивости характе­ризуется быстрым возрастанием намагниченности, связанным со сме­щением границ между доменами. В магнитно-твердых материалах значительную роль, кроме того, играют ступенчатые изменения на­правления намагниченности (скачки Баркгаузена). Оба процесса в значительной мере необратимы.

В области, близкой к насыщению, основную роль играюi обратимые процессы вращения.

В области очень сильных полей, когда можно считать за­конченными все процессы смещения и вращения, наблюдаются лишь ничтожно малые приращения намагниченности.

Необходимо иметь в виду, что описанное выше разграничение участков кривой начального намагничивания весьма условно. В дей­ствительности процесс смещения границ и процесс вращения могут протекать одновременно.

График зависимости энергий Границы от ее Положений называется энергетической кривой. Эта кривая имеет ряд минимумов и максимумов (потенциальные ямы и барьеры). Если внешнее поле равно нулю, то граница находится и положении, соот­ветствующем минимуму энергии. При наложении внешнего поля граница начнет смещаться до достижения максимального гра­диента энергии. Этому положению соответствует так на­зываемое критическое поле.

Если уменьшить внешнее поле до нуля раньше, чем оно достиг­нет критического значения, то граница обратимо сместится в исход­ное положение. Ес­ли при увеличении внешнего поля оно достигнет критическо­го значения, то граница уже без дальнейшего увеличения поля переместится в точку, имеющую тот же градиент энергии. При этом произойдет так назы­ваемый скачок Баркгаузена. Если теперь уменьшить до нуля внеш­нее поле, то граница не вернется в исходное состояние, а «застря­нет» в ближайшей потенциальной яме, т. е. произойдет необратимое смещение границы.

При рассмотрении кривых начального намагничивания часто пользуются понятиями начальной инормальной, дифферен­циальной и максимальной восприимчивости.

Начальная магнитная восприимчивость определяется как тан­генс угла наклона касательной на начальном участке кривой намаг­ничивания.

Максимальная восприимчивость определяется как тангенс угла наклона касательной к кривой намагничивания в точке ее верхнего перегиба.

Кривая остаточной намагниченности представляет собой зависи­мость намагниченности, остающейся в ферромагнитном теле после воздействия магнитного поля, от напряженности этого поля. По сво­ей форме кривая остаточной намагниченности подобна рассмотрен­ной выше кривой начально­го намагничивания. Харак­терными точками кривой остаточной намагниченности являются точка перегиба, расположенная в середине линейного участка, и точка, соответствующая полю на­сыщения.

Гистерезис. Процесс на­магничивания за исключени­ем начальной и конечной областей является необратимым. Поэтому ес­ли после достижения неко­торой величины намагничен­ности начать уменьшать на­пряженность поля, то на­магниченность будет изме­няться по кривой, отличной от кривой начального намагничивания. Это явление называется магнитным гистерезисом

При увеличении максимальной напряженности намагничиваю­щего поля площадь петли гистерезиса увеличивается и при некотором его значении достигает максимума. Эта максимальная петля на­зывается предельной петлей гистерезиса и имеет большое значение для определения свойств ферромагнитного материала. При дальней­шем увеличении напряженности поля форма и размеры петли не изменяются, а лишь увеличиваются ее безгистерезисные участки.

Значение напряженности магнитного поля на предельной петле гистерезиса, при котором намагниченность или индукция равны ну­лю, называется соответственно коэрцитивной силой по намагничен­ности или коэрцитивной силой по индукции. Для магнит­но-твердых материалов значение коэрцитивной силы по намагничен­ности может быть значительно выше значения коэрцитивной силы по индукции.

Значение напряженности магнитного поля, при котором равна нулю остаточная намагниченность, называется соответственно коэр­цитивной силой по остаточной намагниченности.

Коэрцитивная сила однодоменных частиц определяется кристал­лографической анизотропией, анизотропией формы частиц и анизо­тропией механических напряжений. Практически для создания мате­риалов с большой коэрцитивной силой используются кристаллографи­ческая анизотропия и анизотропия формы частиц. При этом следует иметь в виду, что в первом случае имеет место значительная температурная зависимость коэрцитивной силы.

Важными характеристиками магнитно-твердых материалов яв­ляются также коэффициент прямоугольности петли гистерезиса и коэффициент выпуклости размагничивающей ветви петли гистерези­са.

Размагничивающий фактор, Кривая намагничивания является характеристи­кой вещества. Она может быть получена при намагничивании образ­ца тороидальной формы. Если во внешнем намагничивающем поле  находится образец разомкнутой формы, то на его концах образуются магнитные полюсы, создающие внутри образца размагничивающее поле, направленное навстречу внешнему полю. Для однородно на магниченных тел (например, элипсоидов вращения) размагничиваю­щее поле пропорционально намагниченности образца

Коэффициент пропорциональности называется размагничива­ющим фактором. Внутреннее поле в ферромагнетике равно разности внешнего и размагничивающего полей.

Если размагничивающий фактор не постоянен, а за­висит от намагниченности, то необходимо вычислить его величи­ну для всех интересующих нас значений. Подобным же образом по петле гистерезиса, измеренной для тела, может быть построена петля гистерезиса для вещества. Следует отметить, что коэрцитивная сила по намагниченности не зависит от формы образца и имеет оди­наковое значение для вещества и тела. Коэрцитивная сила по индук­ции зависит от формы образца, и ее значение для тела меньше, чем для вещества.

Идеальное намагничивание. Известен способ, позволяющий исключить явление гистерезиса при намагничивании ферромагнетиков. Если одновременно с основным постоянным намагничивающим полем воздействовать на ферромагнетик переменным магнитным по­лем достаточной напряженности и при каждом значении постоянного поля постепенно снижать амплитуду переменного поля до нуля, то вместо кривой начального намагничивания будет получена кривая идеального намагничивания. При уменьше­нии постоянного поля намагниченность будет изменяться по той же кривой, что и при увеличении поля. Характерной особенностью кривой идеального намаг­ничивания является большая крутизна в слабых полях. У со­вершенно однородного ферромагнетика (при отсутствии пустот, включений и других неоднородно­стей) она имела бы вид кривой. Однако внутренние размагничива­ющие поля, возникающие вследствие неоднородностей ферромагне­тика, вызывают некоторый наклон кривой идеального намагничива­ния.

Идеальное намагничивание может наблюдаться также в тех слу­чаях, когда вместо воздействия плавноубывающим переменным маг­нитным полем ферромагнетик подвергается во время намагничивания механической тряске или температурным воздействиям.

Частица с исходным состоянием — намагничивается постоян­ным полем, напряженность которого меньше. На постоян­ное поле наложено переменное поле, амплитуда которого плавно уменьшается от значения, превышающего, до нуля. Постоян­ное поле остается при этом неизменным н выключается лишь после исчезновения переменного поля.

Квазиндеальное намагничивание. Если при уменьшении ампли­туды переменного поля до нуля одновременно уменьшать и постоян­ное поле, то будет иметь место частный случай идеального намагни­чивания — квазиндеальное намагничивание.

При квазнидеальном намагничива­нии ферромагнетика в целом, когда каждая однодоменная частица находится кроме того под влиянием поля взаимодействия, из­меняют свое исходное магнитное состояние только те частицы, у ко­торых поле взаимодействия меньше, чем, как это было при идеальном намагничивании. Вот почему крутизна кривой квазиидеальиого намагничивания меньше, чем у кривой идеального на­магничивания, хотя и больше, чем у кривой начального намагничивания.

В некоторых случаях используется кривая остаточного потока при квазнидеальном намагничивании и крутизна этой кривой.