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.
Домен (магнетизм)
Домен — макроскопическая область в магнитном кристалле, в которой ориентация вектора спонтанной однородной намагниченности [1] или вектора антиферромагнетизма [2] (при температуре ниже точки Кюри или Нееля соответственно) определенным образом повернута или сдвинута относительно направлений соответствующего вектора в соседних доменах. Домены существуют в ферро- и антиферромагнитных, сегнетоэлектрических кристаллах и других веществах, обладающих спонтанным дальним порядком.
Содержание
Доменная теория
Применения на практике
См. также
Примечания
Ссылки
Полезное
Смотреть что такое «Домен (магнетизм)» в других словарях:
Магнетизм — Классическая электродинамика … Википедия
магнитные свойства веществ — магнетизм. магнетик. диамагнетизм. диамагнетик. диамагнитный. парамагнетизм. парамагнетик. парамагнитный. ферромагнетизм. ферромагнетик. ферромагнитный. антиферромагнетизм. антиферромагнетик. домен. магнон. магнитная проницаемость. коэрцитивная… … Идеографический словарь русского языка
МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА — Простейшие проявления магнетизма известны очень давно и знакомы большинству из нас. Однако объяснить эти, казалось бы, простые явления на основе фундаментальных принципов физики удалось лишь сравнительно недавно. Существуют магниты двух разных… … Энциклопедия Кольера
Франция — (France) Французская Республика (République Française). I. Общие сведения Ф. государство в Западной Европе. На С. территория Ф. омывается Северным морем, проливами Па де Кале и Ла Манш, на З. Бискайским заливом… … Большая советская энциклопедия
Магнитодвижущая сила — Единицы измерения СИ А СГС Гб Примечания … Википедия
МИКРОЧАСТИЦЫ — (от греч. μικρός – малый) – частицы очень малой массы (в частности, нулевой), для движения и взаимодействия к рых существенна дискретность (атомизм) действия. К М. относятся элементарные частицы, атомные ядра, атомы, молекулы, квазичастицы.… … Философская энциклопедия
НАМАГНИЧИВАНИЕ — процессы установления намагниченности, протекающие в в ве при действии на него внеш. магн. полем. В диамагнетиках Н. состоит в возникновении микроскопических индукц. токов, создающих намагниченность, направленную против внеш. магн. поля. В… … Физическая энциклопедия
МАГНИТНАЯ ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА — совокупность макроскопич. областей ( доменов )магнитоупорядоченного вещества, отличающихся, в зависимости от конкретного типа магн. упорядочения, направлением намагниченности М, вектора антиферромагнетизма L или направлениями М и L одновременно… … Физическая энциклопедия
МАГНИТНАЯ ПЛЕНКА — слой магн. вещества (обычно ферро или ферримагнетика) толщиной от долей нанометра до неск. микрометров с рядом особенностей атомно кристаллич. структуры, магн., электрич. и др. физических свойств, отличающих плёнку от массивных магнетиков. М. п.… … Физическая энциклопедия
Ферриты (оксиферы) — У этого термина существуют и другие значения, см. Феррит. Стиль этой статьи неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка. Статью следует исправить согласно стилистическим правилам Википедии. Ферриты (оксиферы) химич … Википедия
Домен (магнетизм)
Домены — это образования, состоящие из огромного числа атомов и видимые иногда невооружённым глазом (размеры порядка 10−2 см3).
Домены существуют в ферро- и антиферромагнитных, сегнетоэлектрических кристаллах и других веществах, обладающих спонтанным дальним порядком.
Связанные понятия
Магнитосопротивление (магниторезистивный эффект) — изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Впервые эффект был обнаружен в 1856 Уильямом Томсоном. В общем случае можно говорить о любом изменении тока через образец при том же приложенном напряжении и изменении магнитного поля. Все вещества в той или иной мере обладают магнетосопротивлением. Для сверхпроводников, способных без сопротивления проводить электрический ток, существует критическое магнитное поле, которое разрушает.
Упоминания в литературе
Связанные понятия (продолжение)
Эта статья — об энергетическом спектре квантовой системы. О распределении частиц по энергиям в излучении см. Спектр, Спектр излучения. Об энергетическом спектре сигнала см. Спектральная плотность.Энергетический спектр — набор возможных энергетических уровней квантовой системы.
109—1010 Гц) в однородном многодолинном полупроводнике при приложении к нему сильного электрического поля. Впервые этот эффект наблюдался Джоном Ганном в 1963 г. на арсениде галлия, затем явление осцилляций тока было обнаружено в фосфиде индия, фосфиде галлия и ряде других полупроводниковых соединений.
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.
Ферромагнетики. Домены (№1)
Для большинства людей вполне обычным представляется явление притягивания стальных предметов к магниту. К полюсам магнита притягиваются железные опилки, гвозди, гайки и т. п. Причем интенсивность взаимодействия настолько велика, что ее можно наблюдать даже в повседневной жизни.
Вещества, сильно взаимодействующие с магнитным полем, назвали ферромагнетиками.
Ферромагнетики аномально сильно взаимодействуют с магнитным полем.
Из простых веществ четко выраженные ферромагнитные свойства имеют лишь железо, никель, кобальт и гадолиний. Тем не менее, существует очень много искусственных ферромагнетиков, в состав которых часто входят неферромагнитные вещества. Среди них особенно распространены ферриты.
Наиболее распространены ферромагнетики, которые имеют практическое применение: железо, сталь, никель, кобальт, ферриты, специальные сплавы.
Отличительной особенностью ферромагнетиков является их очень большая магнитная проницаемость. Так, чистое железо, отожженное в водороде, имеет магнитную проницаемость до 340 000.
Высокая магнитная проницаемость ферромагнетиков объясняется особенностями их кристаллической структуры. Благодаря определенным особенностям в строении электронных оболочек, атомы ферромагнетика объединяются так, что все вещество делится на домены.
Домены — это области ферромагнетика, в которых атомы размещены упорядоченно.
Такая область напоминает маленький постоянный магнитик. Он имеет собственное магнитное поле как результат сложения магнитных полей всех атомов, которые входят в домен.
Домены можно наблюдать, применив метод порошковых фигур (рис. 6.29). Поверхность ферромагнетика полируют, а на полированную поверхность наносят суспензию мелкого железного порошка в минеральном масле. Частицы порошка собираются на границах доменов и образуют фигуры, хорошо заметные при наблюдении в металлографический микроскоп. Материал с сайта http://worldofschool.ru
Магнитные поля доменов в ненамагниченном ферромагнетике направлены так, что компенсируют друг друга. Если же ферромагнетик внести в магнитное поле, то начинается перестройка доменов. При этом смещаются границы доменов, и скачкообразно изменяется направление магнитной индукции их полей. На рис. 6.30 показаны фотографии порошковых фигур ферромагнетика, находящегося в магнитном поле, магнитная индукция которого постепенно увеличивается. Одни домены уменьшаются, а другие — увеличиваются. Уменьшаются домены, магнитная индукция полей которых образует тупой угол с магнитной индукцией «внешнего» поля, а увеличиваются те, в которых этот угол острый или вообще равняется нулю. При определенном значении магнитной индукции «внешнего» поля наступает так называемое насыщение: все домены сливаются в один большой домен, магнитная индукция которого совпадает по направлению с магнитной индукцией «внешнего» поля.
Процесс намагничивания ферромагнетиков имеет одну особенность, которая опосредствованно подтверждает существование доменов. Эта особенность проявляется в эффекте Баркгаузена.
В катушку с большим количеством витков, которая подключена к электронному усилителю с громкоговорителем, вводят несколько никелевых проволок, обработанных определенным образом. Если после этого к катушке поднести постоянный магнит, то громкоговоритель воспроизведет звук, похожий на шум падающего гороха или камешков. Это доказывает существование доменов. Эффект Баркгаузена можно наблюдать при намагничивании и других ферромагнетиков.
