ФЕРРОМАГНИТНЫЕ ДОМЕНЫ

В ферромагнетике при все спиновые моменты атомов с недостроенными d- или f-оболочками ориентируются параллельно друг другу. В результате этого намагниченность макроскопического образца должна быть близка к намагниченности насыщения. Опыт показывает, однако, что намагниченность случайно взятого куска ферромагнетика часто оказывается равной нулю. При помещении этого образца в магнитное поле результирующий магнитный момент возрастает и в достаточно слабых полях достигает насыщения.

Первое качественное объяснение такого поведения ферромагнетиков было дано в 1910 г. П. Вейссом на основе высказанной им гипотезы о существовании в ферромагнетике областей спонтанной намагниченности – доменов. Теоретическое обоснование гипотезы Вейсса было дано Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшицем.

Вейсс предположил, что макроскопический образец ферромагнетика разбивается на множество доменов, каждый из которых намагничен до насыщения, но намагниченности отдельных доменов ориентированы различным образом. Намагниченность тела как целого представляет собой векторную сумму намагниченностей отдельных доменов. На рис. 9.12 изображены доменные структуры, соответствующие нулевой результирующей намагниченности.

Намагничение ферромагнитного образца, имеющего нулевой результирующий магнитный момент при = 0, происходит за счет измене­ния формы и ориентации доменов (рис. 9.13).

В слабых полях наблюдается увеличение объема «выгодно» расположенных относительно внешнего поля доменов, за счет доменов с «невыгод­ной» ориентацией, т. е. имеет место процесс смещения границ до­менов. Процесс намагничения в слабых полях обратим. Если внеш­нее поле снять, то домены восстановят исходную форму и размеры. Увеличение поля приводит к тому, что рост выгодно ориентирован­ных доменов осуществляется тоже за счет необратимых процес­сов. Обратимому смещению границ доменов могут, например, пре­пятствовать дефекты кристаллической структуры. Чтобы преодо­леть их действие, граница домена должна получить от внешнего поля достаточно большую энергию. Если снять намагничивающее поле, то дефекты помешают границам доменов вернуться в исход­ное положение. Процессы необратимого смещения границ доменов обусловливают эффект Баркгаузена, заключающийся в том, что при плавном увеличении напряженности поля значение возрас­тает в ферромагнетике не плавно, а скачкообразно (рис.9.13,г). В области высоких полей намагничение осуществляется за счет поворота намагниченностей доменов по направлению поля. При этом постепенно намагниченность выходит на так называемое техническое насыщение (участок III). После достижения техниче­ского насыщения наблюдается очень медленное возрастание на­магниченности. Оно обусловлено тем, что при Т=0 К не все спи­ны внутри доменов ориентированы строго параллельно. В сильных полях достигается параллельная ориентация магнитных моментов. Этот процесс получил название парапроцесса. Теория процессов смещения была разработана в 1938 г.. Е. И. Кондорским, а теория процессов вращения Н. С. Акуловым.

Предположим, что образец намагничен до насыщения. Попы­таемся размагнитить его, уменьшая постепенно внешнее поле до нуля. Изменение намагниченности не будет теперь описываться той кривой, которая наблюдалась при намагничении образца (рис. 9.13,г). Из-за того, что произошло необратимое смещение границ доменов при =0, сохранится некоторая намагниченность , получившая название остаточной. Для достижения нулевой на­магниченности требуется приложить размагничивающее поле , называемое коэрцитивной силой. Когда поле достигает боль­ших отрицательных значений, образец намагничивается до на­сыщения в противоположном направлении. Полный цикл перемагничения при изменении поля от -до -описывается петлей ги­стерезиса, изображенной на рис. 9.2.

Рис. 9.13,г, на котором изображена часть петли гистерезиса, наглядно показывает, что процесс размагничения отстает от уменьшающего поля. Это значит, что энергия, полученная ферро­магнетиком при намагничении, не полностью отдается в процессе размагничения. Часть энергии теряется. Найдем значение потерян­ной энергии. Пусть при = 0 образец был ненамагничен (т. е. J=0). Магнитная энергия, накапливаемая образцом при увеличении поля от Н=0 до Н=Н, определяется выражением

.

Здесь — намагниченность, достигаемая при поле Н₁

По виду петли гистерезиса все ферромагнитные материалы можно разделить на две большие группы — магнитомягкие и магнитотвердые. К магнитомягким относят материалы, имеющие низ­кие значения коэрцитивной силы (Н_с<800 А/м), к магнитотвердым — материалы с большой коэрцитивной силой (Н_с>4 кА/м). Магнитомягкие материалы применяются в основном для изготов­ления сердечников трансформаторов, магнитотвердые — для изго­товления постоянных магнитов.

Почему образуются ферромагнитные домены? Ответ на этот вопрос дали Ландау и Лифшиц. Они по­казали, что образование доменной структуры является следствием существования в ферромагнитном образце конкурирующих вкла­дов в полную энергию тела. Полная энергия Е ферромагнетика складывается из: 1) обменной энергии Е; 2) энергии кристалло­графической магнитной анизотропии Е_к: 3) энергии магнитострикционной деформации ; 4) магнитоупругой энергии Е; 5) магнитостатической энергии Е₀; 6) магнитной энергии Е_м. Таким обра­зом,

Е=Е_обм+Е+Е+Е+Е₀+Е.

Минимуму обменной энергии в ферромагнетике соответствует со­стояние однородной намагниченности.

Энергия кристаллографической магнитной анизотропии. Ана­лиз кривых намагничения ферромагнитных монокристаллов пока­зывает (рис9.14), что в ферромагнитном монокристалле существуют на­правления (или оси) легкого и трудного намагничения. Физическую природу магнитной анизотропии впервые установил Н. С. Акулов. В ферромагнитном кристалле имеются взаимодействия, которые ориентируют намагниченности вдоль определенных кристаллографических направлений (осей легкого намагничения). К этому приводит перекрытие электронных орбит: спиновые моменты взаимодействуют с орбитальными из-за наличия спин-орбитальной связи, а орбитальные моменты, в свою очередь, взаимодействуют с кристаллической решеткой за счет существующих в ней электростатических полей и перекрытия волновых функций соседних атомов.

Энергия магнитострикционной деформации. Магнитострикция— это изменение размеров тела при намагничении. Например, никель при намагничении до насыщения сжимается в направлении на­магничения и увеличивается в размерах в поперечном направлении. Железо, наоборот, в слабых полях удлиняется в направлении на­магничения. Величина получила название константы магнитострикции (здесь — изменение длины образца при намаг­ничении до насыщения, — его исходная длина). Энергия магни­тострикционной деформации

где Е— модуль Юнга. Магнитострикционный эффект является обратимым. Это означает, что если размеры ферромагнитного об­разца изменяются при намагничении, то при изменении размеров под действием упругих напряжений изменяется его намагничен­ность.

Магнитостатическая энергия. Она определяется выражением

,

где — величина, называемая размагничивающим фактором. По­явление энергии связано с тем, что при наличии свободных по­люсов возникает размагничивающее поле. Магнитостатическая энергия уменьшается, если образец разбивается на анипараллельно намагниченные домены (рис.9.15). Значение может быть уменьшено практически до нуля при образовании доменов, замыкающих маг­нитные потоки внутри ферромагнитного вещества.

Магнитная энергия. Эта энергия ферромагнетика во внешнем магнитном поле :

.

Минимуму полной энергии ферромагнетика соответству­ет не насыщенная конфигурация, а некоторая доменная струк­тура.

Домены отделены друг от друга границами, в которых осуще­ствляется изменение ориентации спинов. Структура границы, на­зываемой также стенкой Блоха, играет важную роль в процессах намагничивания. Полный переворот спинов от направления в од­ном домене к направлению в соседнем домене не может осуществ­ляться скачком в одной плоскости . Образование такой резкой границы привело бы к очень большому проигрышу в обменной энергии. Если же поворот спинов происходит постепенно и захватывает много атомных плоскостей, то проиг­рыш в обменной энергии меньше (рис.9.16).

Пусть переворот спина распределен между п плоскостями. То­гда при переходе через доменную границу направления соседних спинов отличаются на угол /п. Обменная энергия двух соседних спинов имеет не минимальное значение — AS², а равна — AS¹ cos. Так как полный переворот спина на 180° осуществляется за n шагов, то на это потребуется энергия

При достаточно больших п имеем cos. Тогда Это значение в 2n /² раз меньше, чем проигрыш в энергии при скачкообразном перевороте спинов. Толщина стенки Блоха увеличивалась бы беспредельно, если бы не магнит­ная анизотропия, препятствующая этому. Спины в доменной гра­нице ориентированы в подавляющем большинстве не вдоль осей легкого намагничения. Поэтому доля энергии анизотропии, связан­ная со стенкой Блоха, увеличивается примерно пропорционально ее толщине. Баланс между обменной энергией и энергией анизо­тропии определяет толщину доменной стенки. В железе эта толщи­на составляет примерно 300 постоянных решетки.

Доменная структура тонких ферромагнитных пленок весьма специфична. Характер доменов и границ между ними существенно зависит от толщины пленки. При малой толщине из-за того, что размагничивающий фактор в плоскости пленки на много порядков меньше, чем в направлении нормали к ней, намагниченность рас­полагается параллельно плоскости пленки. В этом случае образо­вания доменов с противоположными направлениями намагничива­ния по толщине пленки не происходит. Доменная структура в этом случае может быть подобна изображенной на рис.9.17. В пленках, толщина которых больше некоторой критической , воз­можно образование доменов полосовой конфигурации. Пленка раз­бивается на длинные узкие домены шириной от долей, микрометра до нескольких микрометров, причем соседние домены намагничены в противоположных направлениях вдоль нормали к поверхности (рис.9.17). Такие магнитные пленки получили название «закритических». Толщина находится в пределах 0,3—10 мкм.

Приложение внешнего магнитного поля, направленного перпен­дикулярно плоскости пленки с полосовыми доменами, приводит к изменению размеров и формы доменов. При увеличении поля происходит уменьшение длины полосовых доменов, а затем наи­меньший домен превращается в цилиндрический. В некотором ин­тервале значений внешнего магнитного поля в пленке могут суще­ствовать как полосовые домены, так и ЦМД (цилиндрические магнитные домены). Дальнейшее увели­чение поля приводит к тому, что ЦМД уменьшается в диаметре, а оставшиеся полосовые домены превращаются в цилиндрические. ЦМД могут исчезнуть (коллапсировать) при достижении некото­рого значения поля и, таким образом, вся пленка намагнитится однородно.