3.2. Магнетизм в веществе. Ферромагнетики

Магнетизм в веществе возникает за счет токов. В любом атоме постоянно существуют внутренние токи (нет, это не вечный двигатель, но для объяснения, почему они текут постоянно без внешнего источника, требуется квантовая механика, забираться в которую мне бы здесь не хотелось).

Интересующие нас токи создаются электронами, вращающимися вокруг собственной оси (это вращение называется спином). Вращение электрона соответствует круговому току (заряд ведь движется), а он рождает магнитное поле.

То есть крутящийся электрон является крохотным электромагнитом (иначе говоря, имеет магнитный момент). Обычно положение осей вращения электронов разных атомов в веществе хаотично и создаваемые ими поля взаимно компенсируют друг друга. Такое вещество (их большинство) не проявляет сколь-нибудь заметных магнитных свойств.

Но некоторые вещества (их немного: железо, никель, кобальт, часть редкоземельных металлов, и некоторые сплавы с участием вышеперечисленных металлов) в определенном кристаллическом состоянии имеют удивительное свойство, называемое ферромагнетизмом (от латинского названия железа ferrum).

Оно состоит в том, что оси вращения электронов у множества разных атомов кристаллической решетки оказываются направленными в одну сторону, т.е. синхронизируются (объяснение причин этого уводит в дебри квантовой механики). Не всех электронов атома, а только некоторых. Например, у атома железа только два электрона из каждого атома участвуют в этой коллективной синхронизации направлений вращения (у никеля – один). При этом взаимной компенсации полей от вращающихся электронов уже не происходит т.к. часть осей вращения синхронизировалась в кристалле, т.е. "электронные магнитики" выстроились в одном направлении.

Синхронизация направлений спинов (электронных "магнитиков") крайне редко распространяется целиком на весь кристалл. Гораздо чаще области с одинаковой ориентацией магнитных моментов (их называют доменами), имеют размер порядка микрона и занимают лишь малую часть кристалла (ответ, почему размер доменов именно таков, знает квантовая механика, но этот ответ вам не понравится своей сложностью). В одном кристалле получается множество таких доменов.

Магнитное поле от вращения одного электрона крайне мало. Но ведь электронов много. В одном микронном домене ферромагнетика миллиарды электронов с совпадающими осями вращения. И их суммарное магнитное поле в домене очень велико (чтобы создать такую же напряженность магнитного поля обычным электромагнитом потребуются большие катушки и огромные токи).

Итак, домен ферромагнетика эквивалентен мощному магниту микронных размеров. Разберемся, как "упаковываются" домены в кристалл. Вы пробовали сложить вместе пару прямоугольных магнитов? Тогда вы помните, что для того чтобы уложить их рядом в одинаковом направлении полюсов надо приложить большую силу: одноименные полюса отталкиваются. А вот разноименными полюсами вместе магниты охотно слипаются сами, и требуется сила, чтобы потом разнять их. С доменами то же самое: соседние домены укладываются в противоположных друг другу направлениях. Так чтобы как можно больше противоположных полюсов разных доменов "слиплось" вместе. Область между двумя доменами называется доменной стенкой. Это не какое-то отдельное образование, а просто очень тонкая (в несколько атомов) область кристалла, в которой происходит переориентация направления (на противоположное) магнитных моментов электронов.

С точки зрения внешнего наблюдателя магнитные поля доменов полностью компенсируют друг друга. Кусок такого вещества не является магнитом, хотя и состоит из огромного числа слипшихся вместе очень сильных магнитов микронного размера. Поэтому просто кусок ферромагнетика (например, железа) не проявляет магнитных свойств, пока его об этом не попросят (просят внешним магнитным полем и займемся мы этим в следующем параграфе).

Отдельные атомы ферромагнитных веществ изолированные друг от друга не имеют ферромагнитных свойств (синхронизации спинов электронов). Ферромагнетизм возникают только при построении этих атомов в кристаллическую решетку. Не любую, а только определенных типов. От ее структуры и размеров зависят магнитные свойства вещества. А на форму кристаллической решетки влияют примеси (количество и тип) и способ приготовления вещества (например, как и с какой скоростью менялась температура).

К примеру, говорить о магнитных свойствах железа совершенно бессмысленно, если не уточнить способ приготовления этого железа, количество и типы примесей в нём. Например, нержавеющая сталь, хотя и состоит большей частью из железа (остальное разные добавки: хром, никель, и т.д.) почти не имеет магнитных свойств. Именно из-за особенностей своей кристаллической решетки.

Ферромагнитные свойства проявляют не только кристаллы вышеупомянутых металлов, но и кристаллы их окислов с дополнительными примесями. Такие вещества называются ферритами. Они не электропроводны, в отличие от металлических ферромагнетиков.

Поскольку ферромагнетизм связан со свойствами кристаллической решетки, то он зависит от температуры. Если решетку хорошенько раскачать тепловыми колебаниями, то ферромагнетизм скачком исчезает выше определенной температуре, называемой точкой Кюри (своя для каждого материала). Но восстанавливается при охлаждении ниже это точки.



На главную - Main page