Характеристики магнитоупорядоченного состояния

Количественными характеристиками магнитоупорядоченного состояния служат: спонтанная намагниченность [А/м] при температуре К, удельная энергия магнитной кристаллической анизотропии и температура перехода от магнитоупорядоченного состояния к магнитонеупорядоченному (температура Кюри).

Величина спонтанной намагниченности определяется электронной структурой вещества, конкретно эффективным количеством электронов, находящихся на следующей за валентной электронной оболочке и участвующих в обменном взаимодействии между атомам.

Энергия магнитной кристаллографической анизотропии, связанная с взаимодействием спиновых магнитных моментов с орбитальными, в теории ферромагнетизма рассчитывается формально, как функция углов между направлением намагниченности и кристаллическими осями решетки. Магнитный порядок, возникающий в результате действия обменных сил разрушается под действием температуры (тепловой энергии).

Следует отметить, что в случае магнитного превращения кристаллическая структура остается неизменной, а происходит переход от упорядоченного (параллельного) расположения спиновых магнитных моментов электронов к неупорядоченному (хаотическому). На рис. 1 показана зависимость намагниченности насыщения от температуры в приведенных координатах. Такое построение зависимости приводит к тому, что она одинакова для различных элементов.

Рис. 1. Зависимость приведенной намагниченности от приведенной температуры (Т/Θ_С).

Спонтанным магнетизмом обладают следующие элементы: железо, кобальт и никель при комнатной температуре и выше. Все редкоземельные элементы имеют магнигоупорядоченное состояние кроме Yb и Lu . Однако температуры магнитного превращения этих металлов ниже комнатной, кроме Gd ( ⁰C).

Наличие внутри ферромагнитного материала магнитного упорядочения не всегда ощутимо внешне, так как вещество разделено на малые области (домены), внутри которых вещество спонтанно намагничено, но эти области ориентированы друг по отношению к другу под различными углами и результирующий магнитный момент может быть равен нулю. На рисунке 2 представлена схема таких областей и границы между ними.

Рис.2 Схема образования доменов и доменной стенки.

При наложении даже относительно малых магнитных полей границы между доменами смещаются так, что увеличиваются домены, магнитный момент которых направлен вдоль поля за счет своих менее удачно сориентированных соседей. В результате весь объем материала намагничивается, достигая магнитного насыщения , когда все магнитные моменты выстроены вдоль поля. На рис. 3представлена кривая намагничивания и кривая размагничивания, на различных участках которой нанесена схема изменения доменной структуры.

Рис. 3.Кривая намагничивания и размагничивания ферромагнетика с нанесенной на нее схемой изменения доменной структуры при намагничивании.

Ферромагнитный материал как бы обладает способностью запоминать свою магнитную историю. Если после намагничивания убрать магнитное поле, то результирующий магнитный момент не будет равен нулю. Это связано с тем, что не во всех доменах магнитные моменты займут прежнее направление, в некоторых из них моменты будут сориентированы ближе к ранее приложенному полю. Оставшийся результирующий магнитный момент (остаточная намагниченность) создает в ферромагнетике источник магнитного поля.

Для достижения нулевого результирующего магнитного момента необходимо наложить магнитное поле противоположного направления. Это поле называется коэрцитивной силой ( ). Увеличивая обратное поле, а затем, уменьшая его до нуля и наложив вновь положительное поле мы получим петлю гистерезиса.

Получить различие в контрасте между участками с различными направлениями векторов спиновых магнитных моментов методами металлографического травления нельзя, так как химическая активность этих участков одинакова. Поэтому используются методы, основанные на различной реакции индикатора на магнитное поле. Одним из первых методов наблюдения магнитных доменных структур был метод мелкодисперсной магнитной взвеси (коллоида).

Иная идея заложена в метод наблюдения доменной структуры с помощью поляризованного света. В этом случае от доменов, имеющих различное направление векторов магнитного момента, плоскость поляризации света при отражении света поворачивается на различные углы (эффект Керра).

а

б

Рис. 4. Полидоменные кристаллиты на базисной (а) и призматической (б) плоскости спечённого магнита (Nd_0.8Tb_0.2)₁₆(Fe_0.8Co_0.2)₇₆B₈ в состоянии размагничивания нагревом выше температуры Кюри

На рис. 4 представлены магнитные доменные структуры, наблюдаемые методом, использующим эффект Керра, на сплаве состава (Nd_0.8Tb_0.2)₁₆(Fe_0.8Co_0.2)₇₆B₈.

Причинами магнитного гистерезиса магнитных материалов являются необратимые процессы изменения магнитного состояния при намагничивании. В настоящее время выделяют три основных причины магнитного гистерезиса:

1. Задержка смещения границ доменов,

2. Задержка образования устойчивого зародыша перемагничивания,

3. Необратимые процессы вращения вектора намагниченности в однодоменных частицах.

Каждый из этих механизмов различным образом определяет величину коэрцитивной силы _IH_c материала. По характеру перемагничивания и параметрам петли гистерезиса магнитные материалы делятся на две сильно различающиеся группы: магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Основа деления представлена на схеме.

Промежуточной группой по магнитным свойствам являются магнитные материалы для магнитной записи информации.