Магнитные свойства материалов. Носители магнетизма. Диамагнетизм электронного газа. Намагничивание ферромагнетиков. Магнитные свойства гетерогенных сплавов, страница 9

                                                                (5.32)

где Δn – количество перевернутых спинов; р – импульс; m – масса электрона.

Тогда магнитный момент насыщения  при какой-либо температуре будет

                                      (5.33)

Выражение (3.33) примет окончательный вид

                                                                            (3.34)

где α – коэффициент, связанный с обменным интегралом и зависящим от типа кристаллической решетки.

Уравнение (5.34) носит название закона Блоха или закона температурной зависимости спонтанной намагниченности.

5.8.  Структура и свойства ферромагнетиков

Как было показано, при выполнении условий, необходимых для существования ферромагнетизма, спины должны устанавливаться параллельно друг другу, придавая намагниченность, равную намагниченности насыщения. Однако в обычных условиях большинство ферромагнетиков являются немагнитными даже при температуре намного ниже температуры Кюри. Это объясняется тем, что параллельное установление спинов электронов происходит в небольших объемах ферромагнетика, которые являются областями спонтанной намагниченности и называются доменами.

Согласно доменной теории строения ферромагнетиков, при Т = ) любой ферромагнитный материал состоит из небольших объемов, внутри которых все магнитные моменты строго ориентированы в одном направлении, причем внутри каждого домена намагниченность равна намагниченности насыщения, а суммарный магнитный момент имеет вполне определенную ориентацию в пространстве.  Ориентация магнитных моментов каждого домена может быть различной, вследствие чего намагниченность тела в целом будет представлять векторную сумму намагниченностей отдельных доменов, величина вклада которых в общую намагниченность пропорциональна их объему. Результирующая намагниченность тела при этом может принимать  разные значения: от нуля до некоторого максимального значения, когда тело в целом можно считать одним доменом, в котором все атомные магнитные моменты ориентированы в одном направлении.

На рис. 5.5.а  схематически показано расположение доменов в монокристаллическом образце с результирующей нулевой намагниченностью, а на рис. 5.5.б приведена доменная структура поликристалла, когда каждый кристаллит представляет отдельный домен.

Рис. 5.5. Схематичное изображение доменных структур

Образование доменной структуры в ферромагнетиках связывается с наличием в них различных видов взаимодействий, которые вносят определенный вклад в формирование магнитной структуры: это энергия обменного взаимодействия, магнитная энергия и энергия анизотропии.

Обменное взаимодействие относят к ближнедействующим. Под его влиянием спиновые магнитные моменты атомов стремятся к параллельной ориентации по отношению друг к другу, стараясь превратить весь кристалл в единые домен. Однако такое состояние связано с образованием внешних полюсов и внешнего магнитного поля вокруг кристалла, и отвечает значительной величине магнитной энергии, что приводит к резкому  возрастанию свободной энергии ферромагнетика. Стремление системы к минимальной свободной энергии обуславливает более энергетически выгодное состояние ферромагнетика – переход от конфигурации магнитного насыщения в его целом объеме к раздробленной, доменной конфигурации с меньшей свободной энергией. Дробление ферромагнетика на домены связывается с совместным взаимодействием обменной и магнитной энергией.

Сравнение численных значений энергий обменного взаимодействия и магнитной двух магнитных диполей, находящихся на расстоянии ~ 10^-8 см в теле ферромагнетика, показывает, что обменная энергия хотя в сотни раз превышает энергию магнитного взаимодействия, но она значительно быстрее убывает в зависимости от межатомного расстояния, обеспечивая параллельную ориентацию спинов только на небольших расстояниях. Энергия магнитного взаимодействия, наоборот, является дальнедействующей, ее влияние проявляется на расстояниях на несколько порядков больших, чем влияние обменной энергии. При таком соотношении обменной и магнитной энергий термодинамически выгодным является дробление ферромагнетика на отдельные области с антипараллельной ориентацией моментов по отношению друг  к другу. Это приводит к  понижению магнитной и свободной энергий системы. Результирующий магнитный момент такого тела будет равен нулю.