В чем заключается суть доменной теории ферромагнетизма
2.8 Доменная структура ферромагнетиков
2.8. Доменная структура ферромагнетиков.
В размагниченном образце в отсутствие внешнего магнитного поля каждый домен имеет свою ориентацию, отличную от «соседей». Поскольку в образце в среднем одинаково представлены все направления, результирующая намагниченность образца равна нулю (рис.2.13 а). Домены можно увидеть в микроскоп. Для этого достаточно покрыть поверхность ферромагнетика слоем суспензии, содержащей ферромагнитный порошок, например, тончайшую железную пыль. Из-за неоднородности магнитного поля частицы порошка осядут на границах доменов и обрисуют их контуры (рис.2.13 б).
Доменная структура позволяет объяснить наличие у ферромагнетиков явления гистерезиса. Если на размагниченный образец подействовать внешним магнитным полем, то домены, ориентированные по полю, будут находиться в наиболее выгодном положении. Некоторые домены, которые обладают “благоприятно” ориентированной намагниченностью, т.е. близкой по направлению к напряженности поля 
, в первую очередь будут стремиться принять направление поля и увеличиться за счет невыгодно ориентированных соседних доменов. Таким образом, увеличение вызывает медленное возрастание 
, Это объясняет ход нижней части кривой 0-1, на рис.5.10. Средняя часть кривой соответствует наиболее крутой зависимости от . Здесь наблюдается эффект Баркгаузена, который состоит в скачкообразном изменении намагниченности при монотонном изменении . Эффект Баркгаузена обусловлен тем, что имеющиеся в образце инородные включения и другие дефекты мешают плавному перемещению границ доменов при увеличении напряженности поля. В верхней части кривой 0-1 происходит поворачивание магнитных моментов «грубой силой», т.е. сильным внешним магнитным полем в направлении, параллельном полю. При уменьшении зависимость не идет обратно по тому же пути, потому что движение границ доменов частично необратимо, и мы наблюдаем гистерезис.
Доменная структура хорошо объясняет также наличие точки Кюри у ферромагнетиков. Неудивительно, что практически совершенный порядок в расположении магнитных моментов атомов при увеличении температуры должен нарушаться. Возрастающее тепловое движение атомов стремится разбросать магнитные моменты, что и происходит при температуре Кюри.
Итак, что же заставляет спины электронов ориентироваться в пределах домена в одном направлении и какая сила удерживает их в этом состоянии?
Ферромагнетики широко применяются в различных областях науки, в промышленности, медицине. К примеру, на свойствах ферромагнетиков основано действие семеочистительной машины, служащей для очистки семян с гладкой поверхностью (клевера, льна, люцерны и др.) от семян сорняков с шероховатой поверхностью. Исходный материал смешивают с ферромагнитным порошком, обволакивающим шероховатые семена сорняков, которые благодаря этому притягиваются к электромагнитному барабану машины и затем удаляются.
Доменная структура и магнитная анизотропия ферромагнетиков
Все ферромагнетики (как металлические, так и не металлические) – вещества кристаллические. Обычно структура материалов, используемых для сердечников магнитных элементов автоматики, представляет собой совокупность зерен – кристаллов не правильной формы (кристаллитов). Иногда магнитные устройства изготовляют на одном кристалле, так называемом монокристалле.
Ферромагнетики в зависимости от температуры и материала могут иметь в основном три типа кристаллических решеток. При обычных температурах работы элементов железо имеет кубическую объемноцентрированную решетку (рисунок 2.4,а), никель (при любой температуре)–кубическую гранецентрированную (рисунок 2.4,б) и кобальт – гексагональную (рисунок 2.4,в).
Кристаллы ферритов также имеют структуру кубической или гексагональной симметрии, но значительно сложнее, чем у металлических ферромагнетиков. На рисунок 2.4,г приведены структуры так называемых шпинелей, присущие большинству ферритов.
Из предыдущего известно, что при температурах ниже точки Кюри ферромагнитное вещество всегда (независимо от того, есть или нет внешнее поле) характеризуется неизменной для данной температуры спонтанной намагниченностью Js. В то же время даже монокристалл ферромагнетика, у которого спины всех атомов расположены параллельно, может быть либо полностью размагниченным, либо намагниченным в той или иной степени.
Объясняет это явление доменная теория ферромагнетизма, основанная на положении, что устойчивому, состоянию равновесия соответствует минимум энергии. Например, из двух состояний равновесия маятника, при которых центр тяжести лежит на вертикали, проходящей через ось подвеса, устойчивым будет состояние, когда центр тяжести лежит ниже, а не выше точки подвеса, так это состояние соответствует минимуму потенциальной энергии маятника. Другой пример: две магнитные стрелки имеют два состояния равновесия, показанные на рисунок 2.5,а и рисунок 2.5,б; однако они установятся в состояние б, которое соответствует минимуму магнитостатической энергии. По этой же причине полоска железа притягивается к подковообразному магниту, потому что при замыкании железом его полюсов магнитостатическая энергия системы будет минимальной.
Согласно этой теории каждое зерно (кристаллит) ферромагнитного тела, а в случае монокристалла – весь его объем делится на области, называемые доменами. Величина вектора намагниченности каждого домена равна спонтанной, единственно возможной для данного ферромагнетика намагниченности, а направление векторов намагниченности соседних доменов различно и соответствует характерным для кристалла направлениям (например, ребру куба, диагонали куба).
 а) |  б) |  в) |
Рисунок 2.4 Кристаллические решетки ферромагнетиков
 а) |  б) |  г) |  д) |
Рисунок 2.5 Доменные структуры
В полностью размагниченном ферромагнетике весь объем кристаллов разделен поровну между доменами с противоположно направленными векторами спонтанной намагниченности, поэтому его общая намагниченность относительно внешней среды равна нулю. Такому состоянию соответствует, например, деление монокристалла на домены (рисунок 2.5,г), при котором магнитные потоки замыкаются внутри образца и магнитостатическая энергия системы доменов минимальна.
При воздействии на подобный кристалл внешнего магнитного поля Н его доменная структура изменяется. Происходит увеличение объема доменов, вектор спонтанной намагниченности которых наиболее близок к направлению вектора Н, за счет сокращения объема других доменов (рисунок 2.5,д). В результате этого появляется намагниченность кристалла в целом, возрастающая по мере увеличения поля, и все большая часть магнитного потока замыкается через воздух. Такое смещение границ возможно, очевидно, до тех пор, пока наиболее выгодно ориентированные домены не поглотят полностью домены, ориентированные менее выгодно, и намагниченность J кристалла не станет равной спонтанной намагниченности вещества.
Между соседними доменами с различными направлениями намагниченности имеются переходные слои, называемые границами, или стенками доменов, в которых происходит постепенный поворот вектора намагниченности от одного направления к другому. Процесс образования новых доменов в отсутствие внешнего поля способствует созданию структуры, в которой магнитные потоки замыкаются внутри образца, и поэтому сопровождается уменьшением магнитостатической энергии. Однако этот процесс может продолжаться лишь до тех пор, пока уменьшение магнитостатической энергии покрывает возрастающую энергию, необходимую для создания в образце доменных стенок и пропорциональную общей площади стенок. Поэтому для весьма мелких частиц и очень тонких слоев ферромагнетика энергетически выгодной может оказаться однодоменная структура, если размер частицы или толщина слоя ниже некоторой критической величины
Итак, перестройка доменной структуры под действием внешнего поля приводит к появлению и изменению общей намагниченности ферромагнетика, т.е. к его намагничиванию.
Исследования, проведенные на монокристаллах, показали раз личный характер зависимости J(H) в полях, направленных вдоль различных кристаллографических осей, что свидетельствует о существовании магнитной анизотропии ферромагнитных кристаллов. На рисунок 2.6 приведены эти зависимости для железа (а), никеля (б) и кобальта (в). В то же время предельное значение намагниченности оказывается одинаковым для всех направлений поля и равным спонтанной намагниченности вещества. При намагничивании ферромагнетика расходуется некоторое количество энергии, численно определяемое площадью, заштрихован ной на рисунок 2.6,г. Согласно кривым J(Н) на рисунок 2.6,а энергия на намагничивание вдоль ребра куба [100] (ср. рисунок 2.4,а) для железа наименьшая, а вдоль пространственной диагонали [111] – наибольшая. Поэтому направление вдоль ребра куба для железа называют направлением легкого намагничивания, а вдоль пространственной диагонали — трудного намагничивания.
Таким образом, железо имеет шесть направлений (в обе стороны вдоль каждого из трех ребер, пересекающихся в одной вершине куба) легкого намагничивания.
У никеля (ср. рисунок 2.4,б и 2.6,б) – направление легкого намагничивания расположено вдоль пространственной диагонали. Следовательно, у никеля восемь (в обе стороны вдоль каждой из четырех пространственных диагоналей) направлений легкого намагничивания. Кобальт (ср. рисунок 2.4,в и 2.6,в) имеет лишь одну ось (два направления) легкого намагничивания вдоль его единственной гексагональной оси [0001].
Площадь, заключенная между кривыми легкого и трудного намагичивания, характеризует энергию магнитной анизотропии.
Если оси легкого намагничивания зерен в объеме материала ориентированы беспорядочно, то кривые намагничивания при различных направлениях поля практически совпадают и лежат между кривыми легкого и трудного намагничивания. Такой материал в целом называют магнитоизотропным. Для улучшения магнитных свойств некоторые материалы подвергают особой технологической обработке, при которой одноименные кристаллографические оси отдельных зерен располагаются параллельно. Такие материалы называют текстурированными. Существует ряд способов создания текстуры.
 а) |  б) |
 в) |  г) |
Рисунок 2.6 Графики зависимости намагниченности монокристаллов ферромагнетиков от напряженности внешнего поля
Один из них заключается в изготовлении листового материала прокаткой в холодном состоянии. При этом способе отдельные кристаллы деформируются и ориентируются в направлении прокатки. После холодной прокатки листы подвергают термической обработке (отжигу при температуре выше точки Кюри). В результате термообработки в материале появляется четко выраженная ориентация кристаллов, при которой направление легкого намагничивания совпадает с направлением прокатки.
Другой способ создания текстуры не требует предварительной ориентации кристаллов методом холодной прокатки: нагретый выше точки Кюри материал охлаждают в постоянном магнитном поле. После охлаждения и удаления материала из поля оси легкого намагничивания кристаллов остаются ориентированными в направлении действовавшего поля.
Ферромагнетики и доменная структура
Вы будете перенаправлены на Автор24
Основные свойства ферромагнетиков
Особый класс магнетиков, которые способны иметь намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля (спонтанную намагниченность), называют ферромагнетиками.
\[\overrightarrow
Монокристаллы ферромагнетиков анизотропны относительно магнитных свойств. В каждом монокристалле существует одно или несколько направлений, вдоль которых магнитная восприимчивость особенно большая. Существуют направления, в которых кристалл плохо намагничивается. Надо отметить, что если ферромагнитное вещество состоит из мелких поликристаллов, то оно изотропно.
Доменная структура ферромагнетика
Экспериментально было получено Эйнштейном, что ферромагнетизм вызван спинами электронов. Ферромагнетики имеют спонтанную намагниченность, когда нет внешнего поля, но под воздействие внутренних причин спины электронов стремятся ориентироваться в одном общем направлении. Но всему ферромагнетику целиком быть намагниченным энергетически не выгодно.
Первая количественная теория, описывавшая свойства ферромагнетиков была разработана Вейссом в 1907 г. На первый взгляд в его теории спонтанное намагничивание находится в противоречии с фактом, что даже при температуре ниже точки Кюри некоторые ферромагнетики, обычно не намагничены, хотя существуют и постоянные магниты. Вейсс устранил это противоречие, когда ввел гипотезу о том, что ферромагнетики ниже точки Кюри в магнитном отношении распадаются на множество маленьких макроскопических областей. Каждая область спонтанно намагничена. Такие области называются доменами. В обычных условиях направления доменов хаотичны. Тело в целом является не намагниченным. При включении внешнего поля домены, ориентированные по полю растут за счет доменов, которые ориентированы против поля, идет смещение границ доменов. В слабых полях такое смещение обратимо. В сильных полях домены переориентируются в пределах всего домена. Процесс приобретает необратимый характер, возникает явление гистерезиса и остаточное намагничивание.
Доменный «распад» энергетически выгоден. При дроблении ферромагнетика на домены и появлении доменов разной ориентации магнитное поле, которое порождаемое ферромагнетиком ослабляется. Становится меньше соответствующая энергия. Энергия обменного взаимодействия электронов не изменяется для всех электронов за исключением электронов на границах доменов (так называемая поверхностная энергия). Она растет из-за разной ориентации спинов электронов соседних доменов. Дробление доменов заканчивается тогда, когда сумма магнитной и обменной энергии достигает минимума. Условием минимума определен и размер доменов. Доменная структура ферромагнетиков доказана эмпирически.
Границы доменов
Итак, для минимизации энергии магнитного поля является выгодным уменьшение размера домена. Однако, этому препятствует необходимость при этом затрат энергии на образование границ между доменами, так как намагниченность по разные стороны границы имеет разное направление. Граница имеет конечную толщину, в пределах нее намагниченность постепенно изменяет свое направление от ориентации в одном домене к ориентации в соседнем.
Стенки доменов классифицируют по особенностям поворота вектора намагниченности. В том случае, если перпендикулярная (относительно стенки) составляющая вектора намагниченности в процессе поворота не изменяется, то это стенка Блоха. (Говорят, что в стенке Блоха вращение происходит в плоскости параллельной стенке). Если изменение направления вектора намагниченности происходит с изменением перпендикулярной составляющей, то стенка носит имя Нееля.
Идеализированные структуры доменов в монокристалле изображены на рис.1 Направления намагниченности изображены стрелками.
Природа ферромагнетизма, доменная структура. Техническая кривая намагничевания и петля гистерезиса.
Согласно принципу Паули, в каждом квантовом состоянии могут находиться два электрона с противоположными спинами. У таких электронов результирующая спиновых магнитных моментов равна нулю, и их называют спаренными или обобществленными электронами. В атомах диамагнетиков все электроны спарены и их результирующий спиновой магнитный момент равен нулю.
В атомах ферро-, антиферро-, ферри- и парамагнетиков имеются один или несколько неспаренных электронов, поэтому они обладают магнитным моментом, обусловленным некомпенсированным спиновым магнитным моментом неспаренных электронов (или иначе спиновым магнитным моментом атома). В связи с чем наличие в атомах электронов с нескомпенсированным спиновым магнитным моментом является необходимым, (но недостаточным) условием для возникновения ферромагнетизма.
Возникновение магнитных свойств у ферромагнетиков связано с их доменным строением. Домены — это области самопроизвольной намагниченности, возникающие даже в отсутствие внешнего магнитного поля, в которых магнитные моменты атомов ориентированы параллельно.
Атомы или ионы приобретают магнитный момент, как правило, если они имеют нескомпенсированные спины электронов. Например, в атомах железа на внутренней 3d- оболочке имеется четыре некомпенсированных спина. Так как самопроизвольная намагниченность относится к внутриатомным явлениям, то ее природа может быть установлена только на основе квантово-механических понятий.
По Я. И. Френкелю и В. Гейзенбергу главную роль в возникновении ферромагнитного состояния играют силы обменного взаимодействия между атомами, имеющие квантовый характер и по происхождению являющиеся электростатическими.
Энергию A, возникающую в результате обмена электронами родственных атомов, называют обменной энергией или интегралом обменной энергии. При положительном интеграле обменной энергии A, что соответствует минимуму электростатической энергии, возникает параллельная ориентация спинов. При отрицательном знаке A энергетически выгодно антипараллельное расположение спинов. Численное значение и знак интеграла A зависит от степени перекрытия электронных оболочек, то есть зависит от расстояния между атомами.
На рисунке 9.3 показано изменение интеграла обменной энергии в функции от отношения межатомного расстояния a к диаметру незаполненной электронной оболочки d. При a d >1,5 происходит переход от антиферромагнитного состояния к ферромагнитному. Эта зависимость позволила обнаружить ферромагнетизм у сплавов марганца с неферромагнитным висмутом, сурьмой, серой и т.д.
При a > d в 3–4 раза обменные силы не могут противодействовать тепловому движению и вызывать упорядоченное расположение спинов, и вещество является парамагнетиком.
Хотя максимум обменного взаимодействия в металлах носит более сложный характер, чем это следует из теории Френкеля-Гейзенберга, данная теория позволяет качественно объяснить причину самопроизвольной намагниченности, то есть критерием ферромагнетизма является существование незаполненных внутренних электронных оболочек, радиус которых должен быть мал по сравнению с расстоянием между ядрами в решетке.
Ферромагнетизм в металлах объясняется наличием обменного взаимодействия, которое образуется между соприкасающимися атомами, а также взаимной ориентацией спиновых магнитных моментов.
Рис. 9.3. Зависимость интеграла обменной энергии А от отношения межатомного расстояния a к диаметру незаполненной электронной оболочки d
Доменная структура
Каждый реальный магнитный материал разделен по всему объему на множество замкнутых областей — доменов, в каждом из которых самопроизвольная намагниченность однородна и направлена по одной из осей легкой намагниченности.
Такое состояние энергетически выгодно и кристалл в целом немагнитен, так как магнитные моменты доменов ориентированы в пространстве равновероятно. Между соседними доменами возникают граничные слои (стенки Блоха). Внутри доменных стенок векторы намагниченности плавно поворачиваются (рисунок 9.4). Объем доменов может колебаться в широких пределах (10-1 ¸10-6 см3). Рис. 9.4. Стенка Блоха
Ширина границы между антипараллельными доменами для железа 13. 10-8 м, то есть около 500 элементарных ячеек. Толщина границы зависит главным образом от соотношения энергий: обменной, магнитной анизотропии и магнитоупругой. Размеры самих доменов зависят от неметаллических включений, границ зерен, скоплений дислокаций и других неоднородностей. Обычно домены имеют правильную форму.
На рисунках 9.5 и 9.6 показаны: идеализированная доменная структура кристаллического ферромагнетика и доменная структура поликристалла.
В магнитных материалах, предназначенных для устройств записи и хранения информации, создаются изолированные цилиндрические магнитные домены (ЦМД). На рисунке 9.7 показаны ЦМД в тонкой магнитной пленке. Емкость отдельного ЦМД- элемента может достигать 105 бит. В отсутствие внешнего магнитного поля смещения в ЦМД-материалах доменная структура имеет вид либо ЦМД-решетки, либо полосовой структуры.
Рис. 9.5. Идеализированная доменная структура кристаллического ферромагнетика по индукции и поле насыщения
Намагничивание магнитных материалов (кривая намагничивания) Если образец был размагничен, то зависимость индукции от напряженности внешнего магнитного поля называется кривой намагничивания. В процессе намагничивания образца основную роль играют два процесса — смещение доменных границ и вращение векторов намагниченности доменов. На рисунке приведена кривая намагничивания.
Дата добавления: 2015-12-10 ; просмотров: 4955 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Ферромагнетики и доменная структура
В статье ниже рассмотрим такой вид магнетиков как ферромагнетики. Разберём их основные свойства и доменную структуру.
Ферромагнетики – это особый класс магнетиков, способных обладать намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля (спонтанная намагниченность).
Основные свойства ферромагнетиков
Отметим, что ферромагнетизм присущ веществам лишь в кристаллическом состоянии. Самыми известными примерами ферромагнетиков являются: железо, кобальт, соединения хрома и другие. Ферромагнетики относятся к сильномагнитным веществам, при этом их намагниченность находится в зависимости от напряженности внешнего поля нелинейно и достигает насыщения. Учитывая сказанное, магнитная восприимчивость ( χ ) и магнитная проницаемость ( μ ) для ферромагнетиков непостоянны. Так же имеет место запись:
но при этом μ и χ рассматриваются как функции от напряженности поля. С ростом напряжённости поля данные функции также получают рост, проходят через максимум, а в сильном поле (при достижении насыщения) μ стремится к единице, а χ – к нулю. Значение μ в максимуме достигает сотни тысяч единиц для большинства ферромагнетиков в условиях обычной температуры.
Монокристаллы ферромагнетиков являются анизотропными по отношению к магнитным свойствам. Каждый монокристалл содержит одно или несколько направлений, вдоль которых магнитная восприимчивость особо значима. Также имеются направления, в которых кристалл плохо намагничивается. Заметим, что, если вещество, являющееся ферромагнетиком, состоит малых поликристаллов, то оно является изотропным.
Рассмотрим еще одну отличительную черту ферромагнетиков: зависимости B → H → и J → H → являются неоднозначными, определенными предшествующей историей – для ферромагнетиков характерен магнитный гистерезис.
Для рассматриваемого класса магнетиков имеет место определенная температура, при которой вещество осуществляет фазовый переход второго рода. Такая температура носит название температуры Кюри ( T k ) или иначе: точки Кюри.
Когда значение температуры ниже точки Кюри, вещество проявляется как ферромагнетик; когда температура становится выше точки Кюри, вещество приобретает свойства парамагнетика. Вокруг точки Кюри магнитная восприимчивость ϰ отвечает закону Кюри-Вейса:
Доменная структура ферромагнетиков
Эйнштейн в ходе эксперимента показал, что ферромагнетизм вызывается спинами электронов. Как уже указывалось выше, ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью при отсутствии внешнего поля, но под влиянием внутренних причин спины электронов начинают выстраиваться в одном общем направлении. При этом стоит отметить, что энергетически не оптимально для ферромагнетика целиком обладать намагниченностью.
Впервые теорию о свойствах ферромагнетиков сформулировал Вейсс в 1907 году. Поверхностный взгляд может отметить, что в данной теории существует противоречие между спонтанным намагничиванием и фактом, что даже, когда значение температуры ниже точки Кюри, некоторые ферромагнетики не намагничены, хоть и имеются постоянные магниты. Данное противоречие было устранено сформулированной Вейссом гипотезой.
Ферромагнетики при температуре ниже точки Кюри в магнитном отношении распадаются на множество маленьких макроскопических областей, и каждая из них является спонтанно намагниченной. Эти области получили название доменов.
Домены направлены хаотично при обычных условиях. Тело в общем не является намагниченным. Включение внешнего поля вызывает рост доменов, имеющих ориентацию по полю, за счет доменов, имеющих ориентацию против поля; происходит смещение доменных границ. Если поле слабое, подобное смещение является обратимым. Если поле сильное, домены изменяют ориентацию в пределах всего домена; процесс приобретает необратимый характер, появляется явление гистерезиса и остаточное намагничивание.
Подобный доменный «распад» энергетически выгоден. Когда ферромагнетик дробится на домены, и появляются домены различной ориентации, наблюдается ослабление магнитного поля, порождаемого ферромагнетиком; сопутствующая энергия становится меньше. Энергия обменного взаимодействия электронов не изменяется для всех электронов за исключением электронов на границах доменов (так называемая поверхностная энергия). Ее рост обусловлен различной ориентацией спинов электронов соседних доменов. Дробление доменов получает окончание при достижении минимума суммы магнитной и обменной энергии. Условием минимума определяется также размер доменов. Доменная структура ферромагнетиков имеет эмпирическое доказательство.
Границы доменов
Резюмируя вышесказанное: чтобы минимизировать энергию магнитного поля, оптимально создать условия для уменьшения размера домена. При этом имеется препятствие, выраженное неизбежностью энергетических затрат на образование границ между доменами, поскольку намагниченность по разные стороны границы обладает разной направленностью. Граница имеет определенную толщину, в ее пределах намагниченность постепенно изменяет свое направление от ориентации в одном домене к ориентации в соседнем.
Стенки доменов имеют классификацию по особенностям поворота вектора намагниченности:
Рисунок 1 демонстрирует идеализированные структуры доменов в монокристалле. При помощи стрелок обозначены направления намагниченности.
Необходимо определить, какое свойство дает возможность использовать ферромагнетики для создания сильных полей.
Указанная отличительная черта намагничивания ферромагнетиков объясняет эффективное использование этих материалов для создания сильных магнитных полей в области, далекой до насыщения. В сильных полях наступает насыщение, и применение ферромагнетиков практически бесполезно.