Природа ферромагнитного состояния

Свойства ферромагнетиков обусловлены их доменным строением. Домены самопроизвольно намагничены до насыщения в отсутствие внешнего магнитного поля. Намагниченность доменов обусловлена параллельной ориентацией магнитных моментов атомов.

Условия, благоприятные для возникновения ферромагнетизма:

1) Наличие в атомах электронов с нескомпенсированным спиновым магнитным моментом. На одном энергетическом уровне могут находиться два электрона с противоположно направленными спинами (принцип Паули). Суммарный магнитный момент спаренных электронов равен нулю. В атомах ферромагнетиков имеются неспаренные электроны, результирующий магнитный момент не равен нулю. У атомов железа на недостроенной 3 d -оболочке имеется 4 неспаренных электрона, у кобальта – три, у никеля – два.

2) Положительный обменный интеграл. В образовании связи между атомами главную роль играют магнитные и электрические силы. Спиновые магнитные моменты взаимодействуют между собой как две близкорасположенные магнитные стрелки. Однако магнитные силы слишком слабы, чтобы противодействовать тепловому разупорядочению. Ферромагнитное состояние возникает за счет электрических сил.

Ковалентная связь между соседними атомами осуществляется при обобществлении электронов. Результатом обменного (электростатического) взаимодействия электронов с ядром является антипараллельная ориентация спиновых магнитных моментов двух электронов.

Когда атомы ферромагнетика образуют кристаллическую решетку, волновые функции электронов недостроенных оболочек (3 d или 4 f) соседних атомов перекрываются, возникает обменное взаимодействие. Большая плотность электронных состояний в этих оболочках необходима для того, чтобы увеличение кинетической энергии, связанное с заполнением электронами высоких свободных уровней (принцип Паули), не превысило уменьшения энергии за счет обменного взаимодействия.

Спиновые магнитные моменты атомов выстраиваются параллельно (ферромагнетик) или антипараллельно (антиферромагнетик) относительно друг друга. Энергия обменного взаимодействия:

,

где А – обменный интеграл; S ₁ и S ₂ – результирующие спиновые магнитные моменты взаимодействующих атомов.

Таким образом, обменный интеграл характеризует влияние магнитной упорядоченности на энергию системы. Его численное значение и знак определяются степенью перекрытия электронных оболочек, т. е. зависят от расстояния между атомами.

На рис. 11.3 приведена зависимость обменного интеграла (энергии обменного взаимодействия) от степени перекрытия электрон­ных оболочек соседних атомов, характеризуемой отношением a / d, где а – расстояние между атомами, d – диаметр оболочки, со­держащей нескомпенсированные спины. При a / d < 1,5 обменный интеграл имеет отрицательное значение: спиновые магнитные моменты атомов ориентируются антипараллельно. При a / d > 1,5 обменный интеграл имеет положительное значение: энергетически выгодна параллельная ориентация магнитных моментов атомов. В результате возникнет самопроизвольная намагниченность, образуются домены, которые намагничены до насыщения. Если расстояние между атомами в 3–4 раза больше диаметра электронной оболочки, то энергия обменного взаимодействия оказывается слишком незначительной. Обменные силы не могут противодействовать тепловому движению атомов, упорядоченное расположение спинов не образуется. Такие вещества проявляют свойства парамагнетиков.

Ферромагнетиками являются сплавы, состоящие из неферромагнитных металлов (сплавы Гейслера), а также химические соединения, в которых атомы находятся на больших расстояниях. При добавлении примесей постоянная решетки неферромагнитного металла увеличивается. Отношение a / d растет, обменный интеграл принимает положительное значение, сплав проявляет ферромагнитные свойства.

Явление ферромагнетизма имеет место в аморфных веществах. Для его возникновения необходимо наличие лишь ближнего порядка в расположении атомов (ионов).