Процессы намагничивания

Микроскопические механизмы намагничивания

Намагничивание ферромагнитного вещества представляет собой процесс установления ориентации магнитных моментов атомов или ионов в определённом направлении под действием внешнего магнитного поля. В основе лежит взаимодействие между спинами электронов, обусловленное обменным взаимодействием, которое стремится упорядочить магнитные моменты параллельно или антипараллельно.

В ферромагнетиках ниже температуры Кюри магнитные моменты атомов образуют области с одинаковой ориентацией — домены. При отсутствии внешнего поля направления намагниченности доменов упорядочены так, чтобы результирующий магнитный момент всего образца был равен нулю. При приложении магнитного поля происходит смещение и переориентация доменов, что приводит к увеличению намагниченности.

Доменная структура и её роль в намагничивании

Внутри каждого домена магнитные моменты атомов ориентированы строго параллельно, что обеспечивает максимальную внутреннюю намагниченность. Границы между доменами — доменные стенки — представляют собой области, где ориентация магнитных моментов изменяется постепенно, чтобы снизить обменную и магнитостатическую энергию системы.

При намагничивании под действием внешнего поля происходит:

Смещение доменных границ — домены, ориентированные вдоль поля, увеличиваются в объёме за счёт доменов с противоположной ориентацией.
Поворот намагниченности внутри доменов — при достижении определённого предела смещения стенок дальнейшее увеличение намагниченности достигается за счёт поворота магнитных моментов внутри доменов в направлении поля.

Энергетические соотношения при намагничивании

Полная энергия ферромагнетика при намагничивании складывается из нескольких вкладов:

Энергия обменного взаимодействия — стремится упорядочить магнитные моменты и максимизировать их параллельность.
Анизотропная энергия — связана с кристаллографической анизотропией, определяющей «лёгкие» и «трудные» оси намагничивания.
Магнитостатическая энергия — обусловлена полями размагничивания, стремящимися снизить внешнюю намагниченность.
Энергия взаимодействия с внешним полем — прилагаемое поле стремится повернуть магнитные моменты в своём направлении.

Процесс намагничивания можно рассматривать как последовательное преодоление энергетических барьеров: сначала смещение стенок, затем поворот моментов против анизотропных сил.

Кривые намагничивания

Зависимость намагниченности M от напряжённости магнитного поля H носит нелинейный характер и описывается кривыми намагничивания.

Выделяют:

Начальная кривая намагничивания — характеризует рост намагниченности при первом приложении поля к размагниченному образцу.
Петля гистерезиса — замкнутая кривая при циклическом изменении магнитного поля, отражающая наличие остаточной намагниченности и коэрцитивной силы.

При малых H процесс идёт за счёт смещения доменных стенок (крутой участок), при больших — за счёт вращения моментов (участок насыщения).

Гистерезис и магнитная память

Гистерезис связан с наличием энергетических барьеров, препятствующих самопроизвольному возврату магнитных моментов в исходное состояние. В результате:

После снятия поля в образце остаётся остаточная намагниченность M_r.
Для её устранения необходимо приложить коэрцитивное поле H_c, противоположно направленное.

Петля гистерезиса служит важным параметром для классификации материалов:

Мягкие магнитные материалы — узкая петля, малое H_c, легко намагничиваются и размагничиваются.
Жёсткие магнитные материалы — широкая петля, большое H_c, сохраняют намагниченность, используются в постоянных магнитах.

Динамика намагничивания

Процесс намагничивания во времени зависит от скорости изменения магнитного поля и включает:

Квазистатическое намагничивание — при медленном изменении поля успевают перестроиться все доменные структуры.
Динамическое намагничивание — при быстром изменении поля возникает задержка реакции доменов, что приводит к дополнительным потерям энергии (вихревые токи, магнитная вязкость).

В тонких плёнках и наноструктурах доменная структура может быть существенно изменена или полностью подавлена, что приводит к преобладанию механизмов вращательного типа даже при малых полях.

Особенности намагничивания в различных материалах

Ферромагнетики — демонстрируют сильный гистерезис, насыщение намагниченности при сравнительно малых полях.
Ферримагнетики — процессы аналогичны, но с учётом разных подрешёток с противоположной ориентацией моментов.
Антиферромагнетики — внешнее поле влияет через механизм слабого ферромагнетизма или спин-флоп переходы.

Влияние температуры на намагничивание

С ростом температуры тепловые колебания уменьшают степень упорядоченности спинов, что ведёт к снижению намагниченности. При достижении температуры Кюри исчезает спонтанная намагниченность, и материал переходит в парамагнитное состояние. Ниже этой температуры процесс намагничивания сохраняет доменный характер, однако энергетические барьеры для смещения стенок снижаются.