Рис. 3.13. Петля гистерезиса для за висимости между температурой и магнитной восприимчивостью. При не которых магнитных явлениях намагни ченность, достигаемая при данной конкретной температуре, зависит от предыстории охлаждения или нагрева ния вещества
в единичном объеме вещества, на которое воздействует внешнее магнитное поле с единичной напряженностью. Значения маг нитной восприимчивости различных веществ существенно различаются. На рис. 3.12 иллюстрируется общий характер изменения магнитной восприимчивости для некоторых веществ при изменении температуры (кривые на графике не приведены к единому масштабу). Здесь показаны соотношения между тепловыми силами и силами, требуемыми для упорядочения ориентаций осей магнетонов в зависимости от значения темпера туры. У некоторых веществ соотношение между температурой и магнитной восприимчивостью характеризуется петлей гисте резиса, которая приведена на рис. 3.13.
3.25. ПРЕЛОМЛЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОТОКА
Если ферромагнитное тело, состоящее из двух частей с раз ными магнитными проницаемостями, помещено во внешнее магнитное поле, то результирующие силовые линии изменяют свое направление, переходя через поверхность раздела между двумя частями тела. При переходе из одной ферромагнитной среды в другую отношение тангенсов угла падения и угла пре ломления остается постоянным. Это явление преломления м аг нитного потока отличается от преломления света, поскольку в случае преломления световых лучей сохраняется постоянство отношения синусов углов падения и преломления.
3.26. СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ
Оси всех магнетонов, содержащихся в данном объеме веще ства, могут быть упорядочены по направлению либо за счет обменных сил, либо под воздействием приложенных извне маг нитных полей. Если мгновенно изменить ориентацию одного из упорядоченных магнетонов, то это отклонение не останется лока лизованным в малой области, а начнет распространяться в виде спиновой волны по всей структуре атомной решетки дан ного вещества.
Спиновые волны представляют собой колебания относительных ориентаций осей магнетонов решетки и отличаются от вибраций решетки, которые совершаются относительно равновесных рас-
положений атомов решетки. Эти явления иллюстрируются на рис. 8.7 и 8.9. Вибрации решетки, представленные в квантовой форме, называются фононами, а спиновые волны, представленные в квантовой форме,— магнонами. Последние оказывают влияние на тепловые потоки, электрический ток и на другие процессы переноса энергии.
3.27. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
Магнитоэлектрическими называют вещества, которые намаг ничиваются под действием электрических полей и электрически поляризуются под действием магнитных полей. Такие вещества содержат молекулы, являющиеся асимметричными в смысле неравномерного распределения электрического заряда. Иными
Рис. 3.14. Магнитоэлектрический эф фект. Парамагнитное вещество, со стоящее из асимметричных ядерных магнетонов, электризуется в магнит ном поле и намагничивается в электри ческом поле:
• — электрон; О — ион
Рис. 3.15. Магнитоэлектрическая диаграмма Фойгта. Если вещество одновре менно испытывает действие механической силы, тепла и магнитного и (или) электрического поля, то любой из этих факторов влияет на эффекты, порождае
мые любым другим фактором:
/ — пьезокалорический; 2 — магнитоэлектрический; 3 — термоупругнй; 4 — электро магнитный
словами, каждая асимметричная молекула представляет собой электрический диполь.
Другое проявление асимметрии заключается в том, что спины различных частиц каждой молекулы не полностью уравно вешиваются противоположно направленными спинами соседних частиц. В результате этого каждая молекула обладает неко торым результирующим спином наряду с результирующим распределением электрического заряда. Иначе говоря, магнито электрические вещества содержат электрические диполи со спином. При отсутствии упорядочивающих ориентации сил эти диполи имеют случайное распределение ориентаций, при котором как их электрические поля, так и магнитные спины компенси руются за счет взаимовлияния соседних частиц.
Вещества, в которых сохраняется случайное распределение ориентаций таких частиц, можно назвать парамагнитоэлектрическими. Наблюдались также ферромагнитоэлектрические явления. Не исключена возможность существования и ферримагнитоэлектрических веществ.
Поскольку рассматриваемые асимметричные молекулы со спином порождают соосные поля — электрическое и магнитное, любая сила, способная упорядочивать ориентации таких моле кул, приводит к появлению как электрического, так и магнитного поля во всем объеме магнитоэлектрического вещества (рис. 3.14).
Магнитоэлектрическая диаграмма Фойгта, представленная на рис. 3.15, указывает на одновременное существование пиромагнитного эффекта и пьезомагнитного эффекта, связанных соответствующим образом с пироэлектрическим и пьезоэлектри ческим эффектами, свойственными всем кристаллическим веществам.
4. МАГНИТНЫЙ ГИСТЕРЕЗИС
Намагниченность, обусловленная диамагнетизмом или пара магнетизмом, пропорциональна намагничивающей силе, причем каждому значению этой силы соответствует лишь один уровень намагниченности. В случае ферромагнетизма, однако, для каж дого значения намагничивающей силы существует определенный диапазон уровней намагниченности. Конкретный достигаемый уровень намагниченности зависит от «предыстории» намагни чивания вещества, т. е. от характера предшествующего процесса намагничивания. Любое явление, результат которого зависит от его предыстории, называют гистерезисным.
Магнитный гистерезис определяется характеристиками доменов. Домен представляет собой область, в которой магне тоны ориентированы в одном и том же направлении. Домен
называется насыщенным, если в его пределах не имеется магнетонов, за счет которых можно было бы дополнительно увеличить намагниченность вещества.
Домены самопроизвольно формируются в кристаллах фер ромагнитных веществ, пока их температура не превышает точку Кюри. При температурах выше точки Кюри преобладает слу чайная тепловая активность частиц, домены распадаются, вещество приобретает парамагнитные свойства и утрачивает гистерезисные характеристики.
4.1. МАТРИЦА ДОМЕНОВ
Домены возникают спонтанно, как взаимосвязанные элементы определенных групп доменов. Они ориентированы в различных направлениях, причем магнитное поле каждого из них практи чески нейтрализуется полями соседних доменов. Фактически все домены в пределах одного кристалла организованы таким образом, чтобы минимизировалось магнитное поле вне данного кристалла. Как показано на рис. 4.1, домены кристалла в поликристаллическом веществе ориентированы так, что их поля противодействуют одно другому и способствуют нейтрализации полей соседних кристаллов. Штриховкой на рисунке выделен один кристалл, являющийся составной частью матрицы из множества кристаллов.
Домены имеют очень малые размеры, обычно меньшие, чем отдельный кристалл, поскольку в каждом кристалле должны присутствовать несколько доменов, чтобы обеспечить миними зацию внешнего поля кристалла. Если же частица магнитного вещества настолько мала, что в ней не могут поддерживаться силы, требуемые для стенок доменов, то эта частица существует в форме отдельного домена. На рис. 20.3 иллюстрируются два однодоменных кристалла.
Матрица
срерромагнитных крист аллов
Рис. 4.1. Как в ферромагнитных, так и в ферромагнитных веще ствах магнетоны упорядочивают ся по ориентациям с групповым противодействием в пределах от дельных кристаллов, причем на ориентации групп в каждом кри сталле влияют ориентации групп в соседних кристаллах:
4.2. ВЛИЯНИЕ СЛАБОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Конфигурация доменов в ферромагнитных кристаллах отра жает условия минимальной энергии. Домены организованы так, что минимизируются внешние магнитные поля. Если ферро магнитное вещество помещено в слабое магнитное поле, то те домены, ориентация которых близка к общему направлению приложенного внешнего поля, становятся больше по размерам, а те домены, которые ориентированы иначе, уменьшаются. Эти объемные изменения доменов объясняются тем, что приложенное поле усиливает поля кристалла, в результате чего устанавлива ется новая конфигурация распределения магнетонов, обеспе чивающая минимум энергии.
Благодаря упругости стенок доменов указанные объемные изменения осуществляются довольно легко. Все магнетоны одного домена имеют одну и ту же ориентацию. Однако внутри стенок доменов ориентации магнетонов постепенно изменяются по пространству от направления, соответствующего состоянию насыщения одного домена, до направления, соответствующего состоянию насыщения соседнего домена (см. рис. 3.8). Угловая разность ориентаций соседних магнетонов стенки очень мала и остается практически постоянной для всех магнетонов стенки. Небольшое смещение в одном и том же направлении каждой из этих малых угловых разностей приводит в итоге к смещению стенки Блоха.
Поскольку все смежные магнетоны поворачиваются лишь незначительно, в этих условиях отсутствуют химические силы, которые поддерживали бы определенный угол наклона этих магнетонов. После смещения стенки для каждого магнетона сохраняется один и тот же угол между его направлением и направлениями соседних магнетонов независимо от того, где оказалась стенка. Это справедливо по крайней мере для всех магнетонов стенки, за исключением тех, которые непосредственно примыкают к доменам. Эти граничные магнетоны просто «обме ниваются ориентацией» с соседними магнетонами — на одной стороне стенки магнетоны стенки превращаются в магнетоны домена, а на другой ее стороне, наоборот, магнетоны домена превращаются в магнетоны стенки. Однако при любом сдвиге стенки доменов относительно положения, соответствующего мини мальному внешнему полю кристалла, происходит увеличение этого поля. Если напряженность поля кристалла превысит определен ное значение и не будет поддержана некоторым внешним полем, то домены возвратятся к своей первоначальной конфигурации.
Диапазон возможных устойчивых конфигураций доменов с минимальной энергией иллюстрируется на рис. 4.3. Здесь сим волами 0 |, Ог и 0 4 обозначены три различные комбинации из четырех доменов, которые сами по себе достаточно устойчивы, но допускают плавный переход к другим устойчивым конфигурациям,