Ферромагнетизм и ферримагнетизм

Ферромагнетизм – магнитоупорядоченное состояние вещества, в котором большинство атомных магнитных моментов параллельны и одинаково направлены, так что вещество обладает самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью. Ферромагнетизм устанавливается в отсутствие внешнего магнитного поля при температуре ниже точки Кюри (Т_C), выше которой спонтанная намагниченность исчезает и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние.

Ферромагнетики – вещества, в которых имеет место ферромагнитное упорядочение магнитных моментов атомов или магнитных моментов коллективизированных электронов (рис.). Векторы атомных магнитных моментов коллинеарны, т.е. лежат на одной или на параллельных прямых.

Антиферромагнетиками называют вещества, в которых соседние атомные моменты расположены антипараллельно. Антиферромагнетизм имеет место в кристаллах Cr и Mn, ряде редкоземельных металлов, а также в многочисленных соединениях и сплавах с участием элементов переходных групп. В магнитном отношении их кристаллическая решётка разбивается на так называемые магнитные подрешётки, векторы самопроизвольной намагниченности Ji которых либо анти-параллельны (коллинеарная антиферромагнитная связь), либо направлены друг к другу под углами, отличными от 0° и 180°.

Если суммарный момент всех магнитных подрешёток в антиферромагнетике равен нулю, то имеет место скомпенсированный антиферромагнетизм. Если же имеется отличная от нуля разностная самопроизвольная намагниченность, то наблюдается нескомпенсированный антиферромагнетизм, или ферримагнетизм, который реализуется главным образом в кристаллах оксидов металлов с кристаллической решёткой типа шпинели, граната, перовскита и других минералов (их называют ферритами). Эти тела (обычно полупроводники и изоляторы) по магнитным свойствам похожи на обычные ферромагнетики.

Ось лёгкого намагничивания (ОЛН) – направление в ферро- или ферримагнитном образце, вдоль которого работа намагничивания образца до насыщения, производимая внешним магнитным полем, минимальна. Если внешнее поле на образец не действует, то намагниченность в каждом домене образца направлена вдоль ОЛН.

В ферромагнитных монокристаллах ОЛН совпадают с главными кристаллографическими осями (например, в железе − с тетрагональными типа [100], в никеле − с тригональными [111], в кобальте − с гексагональной [0001]). При наложении на ферромагнитный монокристалл внешних напряжений (сжатие, растяжение) направления ОЛН могут измениться, а в поликристаллическом образце даже образоваться вновь. Наличие ОЛН является прямым следствием магнитной анизотропии ферромагнитных веществ.

Основные свойства магнитных материалов. Точка Кюри.

Точка Кюри

Точка Кюри, или температура Кюри Т_С – температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества (например, магнитной – в ферромагнетиках, электрической – в сегнетоэлектриках, кристаллохимической – в упорядоченных сплавах). При температуре ниже точки Кюри ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью и определённой магнитно-кристаллической симметрией. В точке Кюри (T = Т_С) интенсивность теплового движения атомов ферромагнетика оказывается достаточной для разрушения его самопроизвольной намагниченности («магнитного порядка») и изменения симметрии, в результате ферромагнетик становится парамагнетиком.

Аналогично у антиферромагнетиков при T = Т_С (в так называемой антиферромагнитной точке Кюри или точке Нееля) происходит разрушение характерной для них магнитной структуры (магнитных подрешёток), и антиферромагнетики становятся парамагнетиками. В сегнетоэлектриках при T = Т_С тепловое движение атомов сводит к нулю самопроизвольную упорядоченную ориентацию электрических диполей элементарных ячеек кристаллической решётки. В упорядоченных сплавах в точке Кюри (называют в случае сплавов точкой Курнакова) степень дальнего порядка в расположении атомов (ионов) компонентов сплава становится равной нулю.

Вблизи точки Кюри в веществе происходят специфические изменения многих физических свойств (например, теплоёмкости, магнитной восприимчивости и др.), достигающие максимума при T = Т_С, что обычно и используется для точного определения температуры фазового перехода.

Выше T_С ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние, а в некоторых случаях (редкоземельные металлы) – в антиферромагнитное. Температурный ход магнитной проницаемости μ (или восприимчивости æ) ферромагнетиков имеет явно выраженный максимум вблизи T_С. При Т > T_С восприимчивость обычно следует закону Кюри–Вейса. При намагничивании ферромагнетиков изменяются их размеры и форма (магнитострикция). Поэтому кривые намагничивания и петли гистерезиса зависят от внешних напряжений. Наблюдаются также аномалии в величине и температурной зависимости упругих постоянных, коэффициентов линейного и объёмного расширения. При адиабатическом намагничивании и размагничивании ферромагнетики изменяют свою температуру (магнитное охлаждение).