§ 150. Основы теории ферромагнетизма.

В отличие от диамагнетизма и парамагнетизма, которые являются свойствами отдельных атомов или молекул вещества, ферромагнитные свойства вещества объясняются особенностями его кристаллической структуры. Атомы железа, если взять их, например, в парообразном состоянии, сами по себе диамагнитны или лишь слабо парамагнитны. Ферромагнетизм есть свойство железа в твердом состоянии, т. е. свойство кристаллов железа.

В этом нас убеждает ряд фактов. Прежде всего на это указывает зависимость магнитных свойств железа и других ферромагнитных материалов от обработки, изменяющей их кристаллическое строение (закалка, отжиг). Далее оказывается, что из парамагнитных и диамагнитных металлов можно изготовить сплавы, обладающие высокими ферромагнитными свойствами. Таков, например, сплав Гейслера, почти не уступающий по своим магнитным свойствам железу, хотя он состоит из таких слабомагнитных металлов, как медь (60 %), марганец (25 %) и алюминий (15%). С другой стороны, некоторые сплавы из ферромагнитных материалов, например сплав из 75 % железа и 25 % никеля, почти не магнитны. Наконец, самым веским подтверждением является то, что при достижении определенной температуры (точки Кюри) все ферромагнитные вещества теряют свои ферромагнитные свойства.

Ферромагнитные вещества отличаются от парамагнитных не только весьма большим значением магнитной проницаемости  и ее зависимостью от напряженности поля, но и весьма своеобразной связью между намагниченностью и напряженностью намагничивающего поля. Эта особенность находит свое выражение в явлении гистерезиса со всеми его следствиями: наличием остаточной намагниченности и коэрцитивной силы.

В чем причина гистерезиса? Вид кривых на рис. 284 и 285 – различие между ходом нарастания намагничивания ферромагнетика при увеличении  и ходом его размагничивания при уменьшении  – показывает, что при изменении намагниченности ферромагнетика, т. е. при увеличении или уменьшении напряженности внешнего поля, ориентация и дезориентация элементарных магнитов не сразу следует за полем, а происходит с известным отставанием.

Подробное изучение процессов намагничивания и размагничивания железа и других ферромагнитных веществ показало, что ферромагнитные свойства вещества определяются не магнитными свойствами отдельных атомов или молекул, которые сами по себе парамагнитны, а намагничиванием целых областей, называемых доменами, – небольших участков вещества, содержащих очень большое число атомов. Взаимодействие магнитных моментов отдельных атомов ферромагнетика приводит к созданию чрезвычайно сильных внутренних магнитных полей, действующих в пределах каждой такой области и выстраивающих в пределах этой области все атомные магнитики параллельно друг другу, как показано на рис. 287. Таким образом, даже в отсутствие внешнего поля ферромагнитное вещество состоит из ряда отдельных областей, каждая из которых самопроизвольно намагничена до насыщения. Но направление намагниченности для разных областей различно, так что вследствие хаотичности распределения этих областей тело в целом оказывается в отсутствие внешнего поля ненамагниченным.

Рис. 287. Схема ориентации молекулярных магнитов в областях самопроизвольного намагничивания 1 и 2: а) внешнее магнитное поле отсутствует; б) под действием внешнего магнитного поля области 1 и 2 перестраиваются

Под влиянием внешнего поля происходит перестройка и перегруппировка таких областей самопроизвольного намагничивания, в результате которой получают преимущество те области, намагниченность которых параллельна внешнему полю, и вещество в целом оказывается намагниченным.

Один из примеров такой перестройки областей самопроизвольного намагничивания показан на рис. 287. Здесь условно изображены две смежные области, направления намагниченности которых перпендикулярны друг к другу. При наложении внешнего поля часть атомов области 2, в которой намагниченность перпендикулярна к полю, на границе ее с областью 1, в которой намагниченность параллельна полю, поворачивается, так что направление их магнитного момента становится параллельным полю. В результате область 1, намагниченная параллельно внешнему полю, расширяется за счет тех областей, в которых направление намагниченности образует большие углы с направлением поля, и возникает преимущественное намагничивание тела по направлению внешнего поля. В очень сильных внешних полях возможны и повороты направления ориентации всех атомов в пределах целой области.

При снятии (уменьшении) внешнего поля происходит обратный процесс распада и дезориентации этих областей, т. е. размагничивание тела. Ввиду больших по сравнению с атомами размеров областей самопроизвольного намагничивания как процесс ориентации их, так и обратный процесс дезориентации происходят с гораздо большими затруднениями, чем установление ориентации или дезориентации отдельных молекул или атомов, имеющее место в парамагнитных и диамагнитных телах. Этим и объясняется отставание намагничивания и размагничивания от изменения внешнего поля, т. е. гистерезис ферромагнитных тел.