ферромагнетизм

ФЕРРОМАГНЕТИЗМ - магнитоупорядоченное состояние вещества, в к-ром большинство атомных магнитных моментов параллельны друг другу, так что вещество обладает самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью. Ф. устанавливается при темп-ре Т ниже Кюри точки Т_C в отсутствие внеш. магн. поля Н. В более широком смысле Ф. наз. совокупность физ. свойств вещества в указанном состоянии. Вещества, в к-рых возникает ферро-магн. упорядочение магн. моментов (рис. 1), наз. ферромагнетиками ,к их числу относятся как твёрдые кри-сталлич. вещества (см., напр., Магнитные диэлектрики, Магнитные полупроводники, Редкоземельные магнетики), так и нек-рые аморфные магнетики и металлические стёкла, а также магнитные жидкости .Ответственным за Ф. является обменное взаимодействие в м а г н е т и з м е, стремящееся установить спины (а следовательно, и магн. моменты) соседних атомов или ионов параллельно друг другу; в этом случае обменный интеграл имеет положит. значение.

Рис. 1. Ферромагнитная коллинеарная атомная структура в гранецентрированной кубической решётке ниже точки Кюри Т_C; стрелками обозначены направления атомных магнитных моментов.

Ф. обычно наблюдается в трёхмерных системах, однако возможно его возникновение и в реальных квазиодномерных и квазидвумерных системах (см., напр., Слоистые магнетики)без нарушения Мёрмина-Вагнера теоремы. Ферромагн. атомный порядок можно непосредственно наблюдать методом магнитной нейтронографии, к-рый позволяет также определить величины атомных магн. моментов в узлах кристаллич. решёток разл. типов и пространственное распределение плотности магн. момента вблизи них. Кроме нейтронов аналогичную информацию (в т. ч. о внутр. полях на ядрах) могут дать ядерный магнитный резонанс, а также мюонной спиновой релаксации метод и мёссбауэровская спектроскопия.

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков может достигать значений 10⁴-10⁵ Гс/Э; их намагниченность М, возникающая во внеш. магн. поле H, растёт с его величиной нелинейно (см. Намагничивание)и в полях может достигать магнитного насыщения, характеризуемого значением Величина М зависит также от "магн. предыстории" образца, что приводит к неоднозначности ф-ции M(H), или к гистерезису магнитному. При намагничивании и перемагничивании ферромагнетика происходит изменение. размеров и формы образца (см. Магнитострикция; )благодаря этому кривые намагничивания и петли гистерезиса зависят от внеш. напряжений. Наблюдаются также аномалии в величине и температурной зависимости упругих постоянных ферромагнетиков - т. н. DE-эффект и др. (см. Механострикция, Магнитомеха-нические явления), а также коэф. линейного и объёмного расширения. При адиабатич. намагничивании или размагничивании ферромагнетики изменяют свою темп-ру (см. Магнитокалорический эффект, Магнитное охлаждение). В ферромагн. монокристаллах наблюдается обычно резкая магнитная анизотропия (рис. 2). В поликрйсталлах с хаотич. распределением ориентации зёрен анизотропия в среднем по образцу отсутствует, но при однородном распределении этих ориентации она может возникать (см. Магнитная текстура). В результате конкуренции обменного и магн. дипольного взаимодействий происходит разбиение конечного ферромагн. образца на ферромагнитные домены (см. также Магнитная доменная структура ).Магн. и др. физ. свойства (в т. ч. электрич., тепловые, гальваномагн., магнитооптические) ферромагнетиков обладают ярко выраженной зависимостью от темп-ры, особенно вблизи Т_C. Спонтанная (при H=0) намагниченность M_s имеет максимум при 0 К и монотонно стремится к нулю при(рис. 3). Выше Т_C ферромагнетик переходит в парамагн. состояние, а в нек-рых случаях (редкоземельные металлы)-в антиферромагнитное, что представляет собой частный случай магнитного фазового перехода 2-го рода. Магнитная проницаемость (или магн. восприимчивость) ферромагнетиков имеет резко выраженный максимум вблизи Т_C; при Т> Т_C уд. восприимчивость c обычно следует Кюри - Вепса закону. В более общих случаях в ферромагнетиках могут происходить ориентаци-онные фазовые переходы, при к-рых перестраивается магнитная атомная структура и изменяется магнитная симметрия ферромагнетика. Важный класс ферромагнетиков представляют собой магнитные сверхпроводники, в к-рых достигается сосуществование явлений Ф. и сверхпроводимости.

Рис. 2. Зависимость намагниченности М от магнитного поля для трёх главных кристаллографических осей монокристалла Fe (тип решётки - объёмнопентрированная кубическая, направление [100] -ось лёгкого, [110] - ось трудного и [111] - ось труднейшего намагничивания).

Рис. 3. Схематический ход температурной зависимости спонтанной намагниченности ферромагнетика; М_oo - значение M_s в состоянии магнитного насыщения, Т_C - точка Кюри.

Классификация и основные модели ферромагнетиков. Необходимый признак Ф. вещества - наличие постоянных (не зависящих от внеш. магн. полей) магн. (спиновых или орбитальных, либо тех и других вместе) моментов электронных оболочек у составляющих его атомов (ионов) (Fe, Со, Ni и др.). Однако при конденсации магнитно-активных атомов (ионов) в кристалл или аморфное тело их электронные оболочки часто претерпевают такую деформацию, что кристалл или аморфное тело уже не обладает в своих узлах пост. магн. моментами. Наиб. перестройке при конденсации подвергается самый наружный (валентный) слой электронной оболочки. Это обусловлено тем, что волновые ф-ции валентных электронов у соседних атомов в твёрдом теле сильно перекрываются, что приводит к коллективизации бывших валентных электронов. В случае металлов они при этом образуют ферми-газ (или ферми-жидкость)электронов проводимости, а в неметал-лич. веществах - локализованные спин-насыщенные связи. В обоих случаях, как правило, для осн. состояния (T=0 К и H = 0) намагниченность М=0. Если атомы, из к-рых построен образец, не относятся к переходным элементам, то электронная оболочка ионных остовов в соответствии с Паули принципом имеет замкнутый характер и обладает диамагнетизмом .Более детальные исследования с помощью ядерного магнитного резонанса, Мёссбауэра эффекта и ядерной теплоёмкости обнаружили на атомных ядрах (Fe, Co, Ni и др.) очень сильные магн. поля - до 10⁵ - 10⁶ Э, источником к-рых являются "деформированные" внутренние 1s-, 2s- и 3s-слои оболочки ионных остовов. Электроны проводимости, подмагниченные благодаря обменному взаимодействию с d- или f-слоями атомной оболочки, участвуют в спонтанной намагниченности ферромагнетика.

В случае, когда ферромагнетик построен из атомов переходных элементов, в нём возможно сохранение не зависящего от внеш. поля магн. момента. При этом можно различать 4 осн. типа веществ: 1) металлич. вещества (чистые металлы, сплавы и соединения) на основе переходных элементов с недостроенными d-слоями (прежде всего 3d-слоями у атомов группы Fe); 2) металлич. вещества на основе переходных f-элементов [в первую очередь редкоземельных (РЗМ) с недостроенным 4f-слоем]; 3) неме-таллич. соединения при наличии хотя бы одного компонента из переходных d- или f-элементов; 4) сильно разбавленные растворы парамагн. ионов d- или f-элементов в диамагн. веществах. Появление во всех этих веществах атомного магн. порядка обусловлено обменным взаимодействием в магнетике. В неметаллич. веществах (тип 3) это взаимодействие носит косвенный характер (см. Косвенное обменное взаимодействие ),при к-ром магн. порядок электронных магн. моментов недостроенных d- или f-слоев в ближайших соседних парамагн. ионах устанавливается при активном участии электронов внешних замкнутых слоев магн--нейтральных ионов (О^2-, S^2-, Se^2- и т. п.), расположенных между магнитно-активными ионами. В большинстве случаев здесь устанавливается антиферромагн. порядок, к-рый может привести либо к чистому антиферромагнетизму ,если в каждой элементарной ячейке кристалла суммарный магн. момент всех ионов равен нулю, либо к ферримагнетизму или слабому ферромагнетизму, если он отличен от нуля. Есть такие случаи, когда взаимодействие и в неметаллич. веществах носит ферромагн. характер (все магн. моменты в ячейке параллельны). Общим для веществ типа 1, 2 и 4 является наличие в них системы ферми-частиц - коллективизированных (зонных) электронов проводимости. Эта система, хотя в ней существует подмагничивающая тенденция (обменные силы), как правило, не имеет магн. порядка и обладает парамагнетизмом Паули, если он не подавлен диамагнетизмом самих электронов проводимости или системы ионных остовов с замкнутыми оболочками. Парамагнетизм преобладает во всех непереходных металлах и большинстве переходных d-металлов (целиком группы Pd и Pt, а в группе Fe-у Sc, Тi и V).

Магн. порядок в металлич. веществах (тип 1, 2 и 4) различен по своему происхождению. Недостроенные 4f-слои ионов РЗМ-элементов (тип 2) имеют очень малый радиус по сравнению с параметром кристаллич. решётки, и поэтому волновые ф-ции этих электронов у соседних узлов в кристалле или у соседей в аморфном теле практически не перекрываются. Следовательно, в таких веществах невозможен сколько-нибудь существенный прямой обмен. Его также нельзя ожидать и между сильно удалёнными друг от друга парамагн. d- или f-ионами в сильно разбавленных сплавах (тип 4). Т. о., следует ожидать, что в веществах типа 2 и 4 энергетич. параметр (обменный интеграл) прямого обмена исчезающе мал. Поэтому в таких веществах обменное взаимодействие, приводящее к магн. атомному порядку, должно носить характер косвенной связи магн. ионов через электроны проводимости, или т. н. РККИ-обменного взаимодействия. Наконец, в веществах типа 1 электроны; принимающие активное участие в атомном магн. порядке, состоят из бывших 3d-и 4s-электронов изолир. атомов. В отличие от 4f-слоев РЗМ-ионов, имеющих очень малый радиус, более близкие к периферии 3d-электроны атомов группы Fe испытывают более существенную коллективизацию и совместно с 4s-электронами образуют общую ферми-жидкость электронов проводимости. Однако в отличие от нормальных (непереходных) металлов, эта система в d-металлах обладает гораздо большей плотностью состояний вблизи поверхности Ферми, что благоприятствует обменным силам в их конкуренции с размагничивающими "тенденциями" фер-ми-газа (см. Паули парамагнетизм)и приводит к Ф. в Fe, Со, Ni и их многочисл. сплавах и соединениях. В последнее время начали интенсивно исследоваться т. н. к о н д о в-с к и е ф е р р о м а г н е т и к и (CeRh₃Be₂, CeSi_x и др.), в к-рых f-электроны (обычно от Се) частично делокализуют-ся за счёт Кондо эффекта .Эти вещества по ряду свойств напоминают РЗМ-ферромагнетики, а по другим - зонные магнетики на основе d-металлов; не совсем обычными свойствами обладают и а к т и н и д н ы е м а г н е т и к и, среди к-рых встречаются ферромагнетики.

В целом квантовая теория Ф. даёт возможность качественно понять возникновение Ф. как результата положит. обменного взаимодействия. Однако количественно она далека от завершения. В последовательной микроскопич. теории прежде всего нужно определить знак осн. энергетич. параметра обменного взаимодействия (e_об, см. в ст. Магнетизм). Для этого необходимо знать энергетич. спектр и волновые ф-ции системы электронов, участвующих в Ф. Однако пока точных сведений об этих величинах нет, и поэтому приходится пользоваться приближёнными подходами. Существуют 3 осн. модели Ф.: а) модель локализованных атомных магн. моментов (см. Гейзенберга модель, а также полярная модель и Хаббарда модель; )б) модель коллективизированных электронов, предложенная Я. И. Френкелем и Э. Стонером (Е. Stoner) (см. Стокера модель, Зонный магнетизм); в) s - d(f )-обменная модель (см. Шубина-Вонсовского модель и Зинера модель ).В модели а) предполагается, что атомные магн. моменты жёстко локализованы около узлов решётки и не принимают участия в процессах переноса в веществе. Эта модель лучше всего подходит для описания магн. порядка в неме-таллич. веществах (тип 3). В модели б) предполагается, что в ферми-системе электронов проводимости сильная обменная связь делает энергетически более выгодным Ф. Эта модель лучше всего подходит для объяснения Ф. d-металлов. Наконец s-d (f)-обменная модель в известном смысле объединяет первые две, допуская подмагничи-вание системы электронов проводимости. Модель в) лучше всего подходит для описания веществ типа 2 и 4. Большое эвристич. значение имеет изучение сильно разбавленных растворов (тип 4), а также Кондо-решёток, поскольку выяснение условий "сохранения", а иногда и резкого увеличения магн. моментов в сплаве (за счёт поляризации окружающей атом примеси электронов проводимости диамагн. матрицы) по сравнению с их значением в изолир. парамагн. ионах может прояснить детали возникновения Ф. в d-металлах, их сплавах и соединениях.

Теория самопроизвольной намагниченности. Конкретные расчёты по всем трём моделям Ф. могут проводиться как в квазиклассич. и феноменологич. приближениях, так и с помощью квантовомеханич. методов, в т. ч. метода функционала спиновой плотности. При квазиклассич. описании Ф. учитывают введением молекулярного поля. В простейшем расчёте для газа из N электронных спинов (на основе Изинга модели)их можно разбить соответственно двум возможным проекциям на r "правых" и N-r = l "левых". Тогда относит. намагниченность системы "впра-во" равна y = (r-l)/N. Энтропия "газа" при пренебрежении взаимодействием между спинами равна S(y) = k]n(N\/rll! (k -Больцмана постоянная ).Если энергия "газа" U не зависит от у, то свободная энергия равна

Из условия минимума (1) следует, что y = 0, т. е. Ф. отсутствует. Для его существования необходимо принять, что U зависит от у. В простейшем случае (гипотеза молекуляр-ного поля Вейса)

где А'>0-постоянная молекулярного поля, отнесённая к одному спину. Из условия минимума F(y)=-NA'y²-TS (у)находим:

где T_C = 2A'/k - точка Кюри. Ф-ла (3) даёт выражение для зависимости М_oo (Т)при H=0, качественно согласующееся с кривой на рис. 3.

В квазиклассич. и феноменологич. подходе были даны многочисл. уточнения приведённого расчёта. В частности, проводился учёт ближнего магн. порядка (м е т о д Б ет е - П а й е р л с а - В е й с а), развита термодинамич. теория ферромагн. превращения (см. Ландау теория), в рамках к-рой был также рассмотрен вопрос о температурной зависимости разл. физ. свойств ферромагнетиков вблизи точки Кюри. Последние обычно описываются степенным законом типа (Т-Т_C)^a, где показатель степени a наз. критическим показателем. Эти показатели для намагниченности, теплоёмкости, восприимчивости вычисляются в рамках моделей Изинга, Гейзенберга и более общих схем по Ландау, а также на основе ренормализационной группы по Вильсону (см. Эпсилон-разложение ).Более строгое уточнение приведённого выше расчёта дала квантовая механика, оправдавшая выбор зависимости (2) и объяснившая физ. природу параметра А' как меры обменной связи, зависящей от взаимной ориентации электронных спинов. Согласно Дираку (см. Обменное взаимодействие и Гейзенберга модель ),оператор обменной энергии системы электронных спинов имеет вид

где -оператор вектора спина атома в узле q; A_qq'-- интеграл обмена между электронами в узлах q и q'. Если A_qq' резко падает с расстояниями между узлами, то можно ограничиться приближением ближайших соседей и, введя обозначение А_q,qb1=А, написать (4) в форме

Квадрат суммарного спина всех N электронов равен

где S-полное спиновое квантовое число системы, a s - одного узла. Число членов парных произведений равно N(N-1). Поэтому ср. значение отд. члена этой суммы равно

Число членов в сумме (5) равно (l/2)zN, где z-число ближайших соседей у узла решётки. Т. о., ср. значение гамильтониана системы равно

Поскольку s~ 1, a S-порядка намагниченности всей системы M=Ny (в единицах магнетона Бора m_B), то в ферромагнетике с точностью до членов ~1/N

Этот расчёт проведён в т. н. п р и б л и ж е н и и э н е р г е т и ч е с к и х ц е н т р о в т я ж е с т и [4]. Из сравнения (6) и (2) видно, что параметр А' квазиклассич. теории определяется обменной энергией А, т. е. A' = zsA. Для определения величины и знака А нужна более точная теория, к-рую дают, напр., микроскопич. расчёты обменных взаимодействий в металлах методом функционала спиновой плотности, исходя лишь из кристаллич. структуры и порядкового номера в таблице Менделеева [11]. Используются также нек-рые усложнения гейзенберговского гамильтониана, напр. с помощью учёта неск. типов обменных интегралов между разл. соседями в узлах решётки (подробнее см. Спиновый гамильтониан ).При низких Т, используя метод вторичного квантования, удалось провести более точный расчёт энергетич. спектра ферромагнетика. Ограничиваясь состояниями, близкими к основному (при О К), в к-ром спины всех магнитно-активных электронов взаимно параллельны, можно найти собств. значения оператора (5), имеющие вид суммы энергий отд. элементарных возбуждений (квазичастиц) - спиновых волн, или ф е р р о-м а г н о н о в. Каждый ферромагнон несёт с собой магн. возбуждение системы и уменьшает на величину магн. момента одного узла решётки. С ростом Т возбуждается всё больше спиновых волн. Пока их мало, они образуют идеальный газ бозевских квазичастиц (см. Бозоны; )с ростом Т их число растёт ~T^3/2; поэтому температурная зависимость вблизи 0 К имеет вид

где -предельное значение при 0 К (см. Блоха закон ).Знание спектра спиновых волн важно для изучения явления ферромагнитного резонанса, распространения упругих колебаний в ферромагнетике и всего комплекса физ. свойств при низких темп-рах.

Применение квантово-статистич. методов (см. Грина функция, Матрица плотности)открывает новые возможности для построения более точной микроскопич. теории Ф. В частности, в рамках локализов. модели из этой теории следует, что при 0 К ср. атомный магн. момент, приходящийся на один узел, должен быть кратен m_B. Однако опыт показывает, что особенно в d-металлах, сплавах и соединениях эта величина заметно меньше момента изо-лир. атома (иона) и, кроме того, она существенно дробная (в единицах m_B). Это противоречие модели локализов. спинов с опытом связано с пренебрежением коллективизацией 3d-электронов в металле, а также обменным s - d (f)-взаимодействием.

Рис. 4. Схематическое изображение смещения на кривых плотностей электронных состояний пb()для "правых" ( + ) и "левых" ( -) спинов, обусловленного обменным взаимодействием, в энергетической полосе проводимости d-металла; - ферми-энергия.

В рамках зонной модели Ф. эта трудность в принципе исчезает (см. Зонный магнетизм ).Ф. в ферми-газе возможен при спонтанном "сдвиге" на энергии уровней в подполосе для "правых" и "левых" спинов, обусловленном обменным взаимодействием (рис. 4). При таком сдвиге, для того чтобы в равновесии ферми-энергия в подполосах была одинаковой, надо v электронов на атом перенести из левой подполосы в правую. Это увеличивает кинетич. энергию на атом на величину (если число v не очень велико). Обменная энергия определяется связью пар электронов; она пропорц. квадрату числа электронов в каждой подполосе (числа электронов в единице объёма в правой и левой подполосах равны п₊ и п_). В парамагн. состоянии п₊=п_=п/2. Изменение энергии системы при переходе из пара- в ферромагн. состояние равно

где e_об-ср. обменная энергия на пару электронов. Отношение определяет плотность электронных уровней (рис. 4) около ферми-энергии. Если ввести безразмерный параметр , то из (7) следует, что при h> 1 в равновесии имеет место Ф., а при h<1-парамагнетизм. Условие, или критерий, для Ф. (h>1) легче выполняется в металлах с большими плотностями состояния при и большей энергией e_об. Из рис. 4 видно, что ср. атомный момент отнюдь не должен быть целочисленным в единицах m_B и равняться его значению для изолир. атома (иона).

Недостатком зонной модели является неучёт корреляц. энергии, к-рая может существенно изменить все количеств. и даже качеств. оценки приведённого расчёта (напр., критерий Ф.). Получены и более точные результаты, напр. при использовании метода расчёта с функционалом спиновой плотности. Помимо этого, зонная модель Ф. получила существ. развитие в работах, начатых Мория [22], в к-рых был произведён учёт спиновых флуктуации в ферромагн. системе электронов проводимости металлов и сплавов.

s - d(f)-обменная модель позволяет учесть не только пассивную роль электронов проводимости (напр., их под-магничивание со стороны "магнитных" f-слоев в РЗМ-ме-таллах), но и их активное участие в самом процессе установления Ф. благодаря косвенному РККИ-взаимодейст-вию. Качественно это можно описать так. Если ср. относит. намагниченность d(f)-электронов на узел равна m_d(f), а электронов проводимости-m_s, то энергия s - d(f)-обмена на узел равна , где A_sd(f) - параметр s -d(f)-связи. Добавка к ферми-энергии, связанная с намагниченностью электронов проводимости, равна (1/2)А_Фт_s², где и - спиновая парамагн. восприимчивость (см. Паули парамагнетизм ).При квадратичном законе дисперсии электронов , так что . Полная энергия на узел, зависящая от m_d(f) и m_s, равна

Энтропия сильно вырожденного газа электронов проводимости в металлах очень мала; поэтому равновесные значения m_d(f) и m_s находят из условия минимума энергии (8) при условиях: и . Одно из возможных решений имеет вид

Отношение ; m_s составляет от . Подстановка (9) в (8) даёт

Т. о., эфф. параметр косвенного обмена типа РККИ между внутренними d(f)-электронами, взаимодействующими с электронами проводимости, равен

В данном приближении он всегда >0, т. е. способствует Ф. Более точный расчёт (10) показывает, что обмен типа РККИ сравнительно дальнодействующий (~ 1/r³) и носит осциллирующий знакопеременный характер.

Обменная s - d(f)-модель позволяет также установить связь между электронами проводимости РЗМ-металлов и особенностями их атомной магн. структуры, к-рая имеет вид неколлинеарных винтовых структур. Эта модель, если её дополнить учётом магн. (спин-орбитального) взаимодействия, позволяет также объяснить в принципе все аномалии электронных свойств ферромагнетиков, связанных с существованием в них спонтанной намагниченности. Учёт магн. (релятивистских) взаимодействий позволяет объяснить природу магн. анизотропии и магнитострикции.

Ещё в 1947 Ж, М. Латтинжер и Л. Тисса [12] высказали гипотезу о возможности существования "дипольного ферромагнетизма" в системе свободно вращающихся магн. диполей даже в отсутствие обменного взаимодействия или при весьма слабом обменном взаимодействии. Экспериментально такой Ф. обнаружен в 1990 [13] в образце ГЦК-структуры РЗМ-соли Cs₂NaR(NO₂)₆ (где R = Dy, Er, Gd, Nd), в к-рой магн. ионы находятся на достаточно удалённом расстоянии и поэтому обменная связь (~10 мК) на порядок меньше дипольной энергии (~100 мК), а точки Кюри расположены в интервале К.

Теория кривой намагничивания ферромагнетиков.

Из опыта известно, что при H=0 термодинамическому устойчивому состоянию макрообразца (минимуму термодинамич. потенциала) отвечает размагниченное состояние, ибо в противном случае на поверхности образца, как правило, образуются магн. полюса, создающие размагничивающее поле, с к-рым связана большая положит. энергия. Т. о., возникает тенденция размагничивания конечных образцов, хотя обменные силы стремятся их "намагнитить".

В результате происходит разбиение фсрромагн. образца на макрообласти однородной намагниченности. Эту гипотезу высказал ещё в 1907 П. Вейсс (P. Weiss), а количественно обосновали впервые в 1935 Л. Ландау и Е. Лифшиц (см. Ферромагнитные домены и Магнитная доменная структура). Теория Ф. качественно определяет размеры и форму доменов, к-рые зависят от конкуренции разл. взаимодействий внутри ферромагнетика. Равновесная структура доменов при Н=0 имеет вид совокупности связанных замкнутых магн. потоков внутри образца. Наряду с осн. доменами могут возникать и вторичные, т. н. з а м ы к а ю щ и е, домены. Магн. доменная структура является весьма структурно чувствительной. Между доменами образуются промежуточные слои, или стенки (см. Доменная стенка, Блоха стенка, Нееля стенка), конечной толщины, в к-рых вектор непрерывно меняет своё направление от ориентации, отвечающей вектору в одном домене, до ориентации, отвечающей направлению его соседа. На образование этих стенок затрачивается положит. энергия, но её величина по всему образцу меньше энергии поля , к-рая возникла бы в отсутствие доменов. При нек-рых критически малых размерах ферромагн. образцов возникновение в них неск. доменов может стать энергетически невыгодным, тогда частицы остаются при Т<Т_C однородно намагниченными (см. Однодоменные частицы ).Этим объясняются особые свойства тонких ферромагн. порошков и изделий из них (см. Магнитно-твёрдые материалы ).Среди них получили довольно широкое распространение коллоидные растворы однодоменных ферромагн. частиц, образующих магн. жидкости, имеющие перспективные области применения в технике и медицине. Весьма специфич. характер носит ферромагн. доменная структура в гонкой магнитной плёнке (см. также Цилиндрические магнитные домены). Кривые намагничивания и петли гистерезиса в ферромагнетиках, т. е. все процессы перемагничивания, определяются, в первую очередь, изменениями доменной структуры во внеш. магн. поле H, т. е. путём изменения объёма доменов с разл. ориентацией векторов в них за счёт смещения границ доменов (см. Доменной стенки динамика, Доменопродвигаюшая структура). Кроме того, играет роль и вращение векторов в направлении внеш. поля. В размагниченном состоянии (с точностью до объёма, занятого доменными стенками) имеем

, где суммирование идёт по всем i-м доменам; u_i - объём i-го домена; q_i-угол между вектором в i-м домене и любой фиксир. осью в образце, напр. совпадающей с ориентацией намагничивающего поля. При включении поля вдоль этой оси в направлении поля появляется отличная от нуля намагниченность:

Первое слагаемое в (11) обусловлено ростом объёмов доменов, в к-рых направлены относительно Н энергетически более выгодно, за счёт объёмов доменов, намагниченных менее выгодно; всё это осуществляется путём процессов смещения доменных стенок. Второе слагаемое в (11) обусловлено процессами вращения векторов . Уд. магн. восприимчивость ферромагнетиков, т. о., приближённо равна сумме Анализ реальных кривых показывает, что в слабых полях а в более сильных (после крутого подъёма кривой) При размагничивании ферромагнетика из состояния магн. насыщения происходит восстановление доменной структуры путём возникновения з а р о д ы ш е й п е р е м а г н и ч и-в а н и я - областей с обратной (по отношению к первоначальной) намагниченностью. В. Дёрингом (W. Doring) в 1939 была разработана достаточно строгая и общая теория роста таких зародышей, к-рая хорошо подтверждена экспериментально [9, 4].

Из-за структурной чувствительности доменной структуры и процессов намагничивания и перемагничивания количеств. теория кривых намагничивания и петель гистерезиса ферромагнетиков находится в нач. стадии развития. Лишь в случае расчёта кривых намагничивания идеальных монокристаллов определ. формы в области, где [1 ], можно развить строгую количеств. теорию для образцов простой формы (напр., эллипсоидов), допускающей однородность намагниченности при их структурной и хим. однородности. Теория кривых намагничивания и петель гистерезиса имеет важное значение для разработки новых и улучшения существующих магнитных материалов, играющих весьма важную и всё возрастающую роль в совр. технике (напр., в магн. дефектоскопии и структурном анализе, а также при конструировании элементов памяти ЭВМ, ускорительных секций, накопительных колец и т. п.).

Лит.: 1) Акулов Н. С, Ферромагнетизм, М.- Л., 1939; 2) Бо-зорт Р., Ферромагнетизм, пер. с англ., М., 1956; 3) Вонсов-ский С. В., Шур Я. С., Ферромагнетизм, М.- Л., 1948; 4) Вон-совский С. В., Магнетизм, М., 1971; 5) Д орфман Я. Г., Магнитные свойства и строение вещества, М., 1955; 6) Туров Е. А., Физические свойства магнитоупорядоченных кристаллов, М,, 1963; 7) Вонсовский С. В., Изюмов Ю. А., Электронная теория переходных металлов, "УФН", 1962, т. 77, в. 3, с. 377; 1962, т. 78, в. 1, с. 3; 8) Теория ферромагнетизма металлов и сплавов. Сб. ст., пер. с англ., М., 1963: 9) Becker R., Doring W., Ferromagnetismus, В., 1939; 10) Kneller E., Ferromagnetismus, В.-[u.a.], 1962; 11) Magnetism, A treatise on modern theory and materials, ed. by G. T. Rado, H. Suhl, v. 1. Magnetic ions in insulators, their interactions, resonances and optical properties, N. Y.- L., 1963; v. 2A. Statistical models, magnetic symmetry, hyperfme interactions and metals, N. Y.-L., 1965; v. 2B. Interactions and metals, N. Y.-L., 1966; v. 3. Spin arrangements and crystal structure, domains and micromagnetics, N. Y.- L., 1963; v. 4; Herring С. (сост.), Exchange interactions among itinerant electrons, N. Y.- L., 1966; 12) Luttinger J. M., Tisza L., Theory of dipole interaction in crystals, "Phys. Rev.", 1946, v. 70, p. 954; 1947, v. 72, p. 257; 13) Roser M. R., Corruccini L. R., Dipolar ferromagnetic order in a cubic system, "Phys. Rev. Lett.", 1990, v. 65, p. 1064; 14) Тябликов С. В., Методы квантовой теории магнетизма, 2 изд., М., 1975; 15) Нагаев Э. Л., Физика магнитных полупроводников, М., 1979; 16) Уайт Р., Квантовая теория магнетизма, пер. с англ., 2 изд., М., 1985; 17) Тикадзуми С., Физика ферромагнетизма. Магнитные свойства вещества, пер. с япон., М., 1983; 18) Никитине. А., Магнитные свойства редкоземельных металлов и их сплавов, М., 1989; 19) Куркин М. И., Туров Е. А., ЯМР в магнитоупорядоченных веществах и его применения, М., 1990; 20) Тикадзуми С., Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения, пер. с япон., М., 1987; 21) Изюмов Ю. А., Скрябин Ю. Н., Статистическая механика магнитоупорядоченных систем, М., 1987; 22) Мория Т., Спиновые флуктуации в магнетиках с коллективизированными электронами, пер. с англ., М., 1988; 23) Анисимов В. И. и др., Зонная теория магнетизма металлов и сплавов, "УФН", 1988, г. 155, в. 4, с. 721; 24) Ирхин В. Ю., Каднельсон М. И., Проблема кондовских магнетиков, "Физ. мет. и металловед.", 1991, № 1, с. 16; 25) Вон-совский С. В., Изюмов Ю. А., Курмаев Э. 3., Сверхпроводимость переходных металлов, их сплавов и соединений, М., 1977; 26) Вонсовский С. В., Кацнельсон М. И., Трефилов А. В., Локализованное и делокализованное поведение электронов в металлах, "Физ. мет, и металловед.", 1993, т. 76, в. 3, с. 3; в. 4, с. 3.

С. В. Вонсовский.

   <<      Предметный указатель      >>