Магнитные свойства конденсированных веществ, страница 6

Рис.2.5.5. Зависимость обменного интеграла от отношения параметра решетки “a” кристалла к диаметру “d” внутренних недостроенных оболочек некоторых химических элементов

При < 0 энергетически выгодна антипараллельная ориентация

спиновых моментов, что характерно для антиферромагнетиков. Примером такого вещества является окись марганца MnO, кристалл которой можно рассматривать как две спиновые подрешетки встречной ориентации вставленные одна в другую (рис.2.5.6,б). Когда магнитные моменты подрешеток неодинаковы, например, из-за  разной природы атомов, образующих подрешетки, или их неодинакового количества, то появляется отличная от нуля разность магнитных моментов подрешетки и возникает спонтанная намагниченность кристаллов  (рис.2.5.6,в). Такой некомпенсированный антиферромагнетизм называется  ф е р р и м а г н е т и з м о м.

Здесь следует обратить внимание на очень важный факт – ферримагнитные вещества являются, как правило,  д и э л е к т р и к а м и. Сюда относятся диа- и парамагнитные кристаллы солей и оксидов; высоким электрическим сопротивлением отличаются также и керамические феррошпинели или ферриты с общей для этого класса веществ формулой   МeО×Fe₂O₃, где Me означает двухвалентный металл

Рис.2.5.6.Ориентация спиновых моментов атомов в ферромагнетиках различных классов: а - простой ферромагнетик, б - антиферромагнетик; в - ферримагнетик, г - магнетит FeO×Fe₂O₃

 Примером ферримагнетика является магнетит FeO×Fe₂O₃  и другие вещества, где ионы Fe⁺² замещены на ионы других, в том числе неферромагнитных элементов (Mg, Cu, Ni, Co, Zn, Ba и др.). Они получили общее название  ф е р р и т ы, изделия из них получают на основе керамической технологии - спекание с прессованием. Решетка магнетита представляет собой шпинель, элементарная кубическая ячейка которой содержит 8 ионов Fe⁺² и 16 ионов Fe⁺³, занимающих соответственно тетраэдрические и октаэдрические узлы. Направления магнитных моментов соответствующих ионов схематически показаны на рис. 2.5.6,г, откуда следует, что магнитные моменты ионов Fe⁺³ попарно антипараллельны и компенсируются. Результирующий магнитный момент решетки обеспечивается некомпенсированными магнитными моментами ионов Fe⁺².

Смешивая в различных соотношениях оксиды различных металлов – Ni₂O₃ и ZnO, МnО и МgО, MgO и ZnO - получают смешанные ферриты, свойства которых можно варьировать в широких пределах: от магнитомягких для различных магнитопроводов до магнитожестких для постоянных магнитов.

2.5.4.2. Ферромагнитные домены

Сильное ориентирующее влияние обменного взаимодействия приводит к выстраиванию магнитных моментов атомов при температуре ниже точки Кюри в процессе получения ферромагнитного материала. Формируются небольшие области - домены - в пределах которых вещество намагничено до насыщения. Однако, как правило, в целом ферромагнитное тело не проявляет заметных магнитных свойств (не притягивает другие ферромагнитные тела), если на него не подействовать внешним магнитным полем.

Фундаментальный принцип природы - каждая система стремится к состоянию с минимальной свободной энергией - обусловливает такую взаимную ориентацию магнитных доменов, чтобы за пределы макроскопического образца не выходили силовые линии магнитного поля, что минимизирует потенциальную энергию тела.

На рис.2.5.7 схематически изображено ферромагнитное тело в намагниченном (в) и ненамагниченном (б) состояниях. В намагниченном состоянии все макроскопическое тело представляет собой один домен, вектор намагниченности которого  точно или приблизительно совпадает по ориентации с вектором  намагничивающего поля. Отметим, что строго параллельная ориентация спинов наблюдается лишь при 0К.

Выключение намагничивающего поля приводит к делению ферромагнитного объема на домены. Установлено, что доменная структура и перестройка доменов характерны не только для кристаллических тел, но и для аморфных металлов, в частности, для аморфных сплавов (Fe, Со, Ni) - металлоид ( Р, Si, B, С, Ge), однако природу ферромагнетизма в аморфных сплавах пока нельзя считать окончательно выясненной.

Рис.2.5.7. Схема доменного строения ферромагнетика: в намагниченном (а) и ненамагниченном (б) состояниях

Рис.2.5.8. Структура доменных границ (стенок): а - стовосьмидесятиградусных, б – стенок Блоха, в - стенок Нееля

Деление ферромагнитного кристалла или аморфной ленты на домены является следствием стремления системы понизить свою свободную

 (магнитную) энергию, но оно не может идти беспредельно. Появление междоменных границ с разориентацией спинов на угол q = 180^o приводит к увеличению обменной энергии. Магнитострикция - изменение размеров тел, в том числе доменов, под действием магнитного поля - приводит к росту потенциальной энергии упругой деформации. Суммарное влияние всех этих факторов плюс влияние формы образца и его кристаллического или аморфного внутреннего строения и определяют параметры равновесной доменной структуры. Выяснено, что междоменные границы (доменные стенки) не обязательно представляют собой скачкообразное изменение ориентации спинов на угол q до 180^о, возможна также постепенная перестройка (рис.2.5.8).

Постепенная перестройка снижает энергию границы и увеличивает степень подвижности стенки во внешнем магнитном поле, толщина стенок ограничивается магнитной анизотропией кристалла, различием в энергии намагничивания в различных направлениях решетки. Рассчитано и измерено экспериментально, что толщина стенки Блоха составляет около 300 параметров решетки. В заключение отметим, что доменное строение ферромагнетиков можно наблюдать с помощью фигур Биттера-Акулова - фигур, которые образует суспензия из тонкомолотого ферромагнитного материала, нанесенная на полированную поверхность образца.