Главная | Обратная связь

Ферромагнитные домены.

При температурах ниже точки Кюри магнитные моменты электронов ферромагнетика в пределах микроскопически малых объемов выстроены в основном параллельно. У образца в целом намагниченность отсутствует, либо значительно меньше чем намагниченность насыщения. Вейсс предположил, что вещество состоит из доменов, в каждом из которых намагниченность равна намагниченности насыщения. Домены – это микроскопические области спонтанной намагниченности. Однако в отсутствии внешнего магнитного поля намагниченности доменов направлены в разные стороны и общая намагниченность образца равна нулю или мала. Домены также образуются в антиферромагнетиках, сегнетоэлектриках, антисегнетоэлектриках, ферромагнетиках, сверхпроводниках, а иногда и в обычных металлах. Возрастание магнитного момента образца под действием внешнего магнитного поля связано с двумя независимыми процессами:

1. в слабых внешних полях домены, векторы намагниченности которых ориентированных благоприятно относительно поля, растут за счет неблагоприятно ориентированных доменов.
2. в сильных внешних полях векторы намагниченности поворачиваются в направлении внешнего поля.

(1) (2)

 

Техническая кривая намагниченности:

– намагниченность насыщения

коэрцитивная сила остаточная намагниченность индукция насыщения, определяемая как предельное значение при большом значении

 

Практическое применение ферромагнетиков связано с использованием доменной структуры. Для сердечников, трансформаторов и дросселей нужен ферромагнетик с высокой магнитной проницаемостью, то есть материал, у которого границы легко смещаются. Для этого необходим достаточно чистый, однородный и достаточно упорядоченный материал. Для постоянных магнитов необходим ферромагнетик с большой коэрцитивной силой, то есть материал, у которого затруднена или ограничена возможность смещения доменных границ. Практически это осуществляется путем использования очень мелких ферромагнитных частиц.

Энергия анизотропии.

В ферромагнитном кристалле имеются взаимодействия, которые ориентируют вектор намагниченности вдоль определенных кристаллографических направлений, которые называются осями легкого намагничивания. Энергия, связанная с этими взаимодействиями называется энергией магнитной анизотропии. Одна из причин магнитной анизотропии в то, что намагниченность кристалла «чувствует» кристаллическую решетку благодаря перекрытию электронных орбит. Спиновые моменты взаимодействуют с орбитальными из – за наличия спин – орбитальной связи. В свою очередь орбитальные моменты взаимодействуют с кристаллической решеткой за счет существующей в ней электростатических полей и перекрытие волновых функций.

Доменная стенка.

Пусть – это обменная энергия для двух соседних спинов с малым углом она равна: Если поворот на спинах Общая энергия для пар:   (2.45)

Блоховская стенка или граница в кристалле представляет собой переходный слой, разделяющий соседние домены с направлениями вектора намагниченности. Полное изменение направления спина не может произойти скачком, поворот должен быть постепенным и охватывать много атомных плоскостей. Когда изменение направления распространяется на много спинов, то обменная энергия у каждой соседней пары не велика. При этом общая энергия значительно меньше, чем в случае резкого изменения направления.

Доменная граница

 

 

Отсюда видно, что доменная стенка стремится бесконечно возрастать по толщине, однако этому препятствует анизотропия, которая ограничивает ширину переходного слоя. Спины, составляющие Блоховскую стенку в основном ориентированны не вдоль осей легкого намагничивания, следовательно, доля энергии анизотропии связанная со стенкой приближенно пропорциональна ее толщине.

Рассмотрим случай стенки параллельной грани куба в простой кубической решетке.

Пусть стенка разделяет домены, направленные в противоположных направлениях. Определим число атомных плоскостей внутри стенки. Энергия единицы площади стенки равна сумме вкладов от обменной энергии и энергии анизотропии.

Из (2.45): , где – число цепочек, количество цепочек пересекающих единичную площадку. Энергия анизотропии по порядку величины равна произведению константы анизотропии на толщину стенки. . Тогда:

(2.46)

 

Константа анизотропии показывает плотность энергии анизотропии, то есть плотность энергии в единице объема.

(2.47)

Полная энергия единичной площади:

(2.48)

Происхождение доменов.

Образование доменной структуры является естественным следствием наличия различных конкурирующих вкладов в полную энергию тела: обменной энергии, энергии анизотропии и магнитной энергии. Рассмотрим это происхождение.

Пусть есть моно кристалл, состоящий из одного домена. Магнитные полюсы, образующиеся на противоположных гранях, приводят к большой величине магнитной энергии: . Плотность магнитной энергии при этом:

Все поле внутри

магнитная энергия в 2 раза меньше

 

Если два домена замыкающие, то магнитная энергия равна нулю. Компоненты намагниченности в направлении нормально к границе не представляют разрыва и никаких магнитных полей связанных с намагниченностью не возникает.

Коэрцитивная сила и гистерезис.

Коэрцитивная сила – поле , необходимое для уменьшения магнитной индукции до 0. Величина относится к наиболее структурно чувствительным свойствам ферромагнитных материалов, управление которой связано с применением. При использовании магнитных материалов в качестве сердечников трансформаторов нужно, чтобы потери на гистерезис были как можно меньше (малая коэрцитивная сила). Коэрцитивная сила уменьшается при понижении концентрации примесей и при снятии внутренних напряжений путем отжига (медленное охлаждение).

Высокое магнитных материалов, состоящих из мелких зерен или тонких порошков, в том, что малые магнитные частицы являются однодоменными намагниченными до насыщения. Поэтому перемагничивание за счет смещения невозможно. Возможен только поворот вектора намагниченности всей частицы, что требует больших полей и зависит от магнитной анизотропии материала и формы частицы.