Ферромагнетизм — это свойство некоторых материалов (например, железа ), которое приводит к значительной, наблюдаемой магнитной проницаемости , а во многих случаях и к значительной магнитной коэрцитивной силе , что позволяет материалу образовывать постоянный магнит . Ферромагнитные материалы заметно притягиваются к магниту, что является следствием их значительной магнитной проницаемости.
Магнитная проницаемость описывает индуцированную намагниченность материала из-за присутствия внешнего магнитного поля. Например, эта временная намагниченность внутри стальной пластины объясняет притяжение пластины к магниту. Приобретет ли эта стальная пластина затем постоянную намагниченность, зависит как от силы приложенного поля, так и от коэрцитивной силы этого конкретного куска стали (которая меняется в зависимости от химического состава стали и любой термической обработки, которой она могла подвергнуться).
В физике различают несколько типов материального магнетизма . Ферромагнетизм (вместе с похожим эффектом ферримагнетизма ) является самым сильным типом и отвечает за распространенное явление повседневного магнетизма. [1] Примером постоянного магнита, образованного из ферромагнитного материала, является магнит на холодильнике . [2]
Вещества слабо реагируют на три других типа магнетизма — парамагнетизм , диамагнетизм и антиферромагнетизм , — но силы обычно настолько слабы, что их можно обнаружить только с помощью лабораторных приборов.
Постоянные магниты (материалы, которые могут быть намагничены внешним магнитным полем и остаются намагниченными после снятия внешнего поля) являются либо ферромагнитными, либо ферримагнитными, как и материалы, которые притягиваются к ним. Относительно немногие материалы являются ферромагнитными. Они, как правило, представляют собой чистые формы, сплавы или соединения железа , кобальта , никеля и некоторых редкоземельных металлов .
Ферромагнетизм имеет жизненно важное значение в промышленных приложениях и современных технологиях, составляя основу для электрических и электромеханических устройств, таких как электромагниты , электродвигатели , генераторы , трансформаторы , магнитные запоминающие устройства (включая магнитофоны и жесткие диски ), а также для неразрушающего контроля черных металлов.
Ферромагнитные материалы можно разделить на магнитно-мягкие материалы (например, отожженное железо ), которые не склонны оставаться намагниченными, и магнитно-жесткие материалы, которые остаются намагниченными. Постоянные магниты изготавливаются из жестких ферромагнитных материалов (например, алнико ) и ферримагнитных материалов (например, феррит ), которые подвергаются специальной обработке в сильном магнитном поле во время производства для выравнивания их внутренней микрокристаллической структуры, что затрудняет их размагничивание. Чтобы размагнитить насыщенный магнит, необходимо применить магнитное поле. Порог, при котором происходит размагничивание, зависит от коэрцитивной силы материала. Магнитно-жесткие материалы имеют высокую коэрцитивную силу, тогда как магнитно-мягкие материалы имеют низкую коэрцитивную силу.
Общая сила магнита измеряется его магнитным моментом или, альтернативно, его полным магнитным потоком . Локальная сила магнетизма в материале измеряется его намагниченностью .
Исторически термин ферромагнетизм использовался для любого материала, который мог проявлять спонтанную намагниченность : чистый магнитный момент в отсутствие внешнего магнитного поля; то есть, любой материал, который мог стать магнитом . Это определение до сих пор широко используется. [3]
В эпохальной работе 1948 года Луи Неель показал, что два уровня магнитного выравнивания приводят к такому поведению. Один из них — ферромагнетизм в строгом смысле, где все магнитные моменты выровнены. Другой — ферримагнетизм , где некоторые магнитные моменты указывают в противоположном направлении, но имеют меньший вклад, поэтому присутствует спонтанная намагниченность. [4] [5] : 28–29
В особом случае, когда противоположные моменты полностью уравновешиваются, такое выравнивание известно как антиферромагнетизм ; антиферромагнетики не обладают спонтанной намагниченностью.
Ферромагнетизм — необычное свойство, которое встречается только у нескольких веществ. Наиболее распространенными являются переходные металлы железо , никель и кобальт , а также их сплавы и сплавы редкоземельных металлов . Это свойство не только химического состава материала, но и его кристаллической структуры и микроструктуры. Ферромагнетизм возникает из-за того, что эти материалы имеют много неспаренных электронов в своем d- блоке (в случае железа и его родственников) или f-блоке (в случае редкоземельных металлов), что является результатом правила максимальной множественности Хунда . Существуют ферромагнитные металлические сплавы, компоненты которых сами по себе не являются ферромагнитными, называемые сплавами Гейслера , названными в честь Фрица Гейслера . И наоборот, существуют немагнитные сплавы, такие как типы нержавеющей стали , состоящие почти исключительно из ферромагнитных металлов.
Аморфные (некристаллические) ферромагнитные металлические сплавы могут быть получены путем очень быстрой закалки (охлаждения) сплава. Они имеют то преимущество, что их свойства почти изотропны (не выровнены вдоль оси кристалла); это приводит к низкой коэрцитивной силе , низким потерям на гистерезис , высокой проницаемости и высокому электрическому сопротивлению. Одним из таких типичных материалов является сплав переходного металла с металлоидом , состоящий примерно из 80% переходного металла (обычно Fe, Co или Ni) и металлоидного компонента ( B , C , Si , P или Al ), который снижает температуру плавления.
Относительно новым классом исключительно сильных ферромагнитных материалов являются редкоземельные магниты . Они содержат лантаноиды , которые известны своей способностью переносить большие магнитные моменты в хорошо локализованных f-орбиталях .
В таблице приведен ряд ферромагнитных и ферримагнитных соединений, а также их температура Кюри ( TC ), выше которой они перестают проявлять спонтанную намагниченность.
Большинство ферромагнитных материалов являются металлами, поскольку проводящие электроны часто отвечают за посредничество в ферромагнитных взаимодействиях. Поэтому разработка ферромагнитных изоляторов, особенно мультиферроидных материалов, которые являются как ферромагнитными, так и сегнетоэлектрическими , является сложной задачей . [8]
Ряд соединений актинидов являются ферромагнетиками при комнатной температуре или проявляют ферромагнетизм при охлаждении. Pu P является парамагнетиком с кубической симметрией при комнатной температуре , но который претерпевает структурный переход в тетрагональное состояние с ферромагнитным порядком при охлаждении ниже его T C = 125 K. В ферромагнитном состоянии легкая ось PuP находится в направлении ⟨100⟩. [9]
В Np Fe 2 легкая ось — ⟨111⟩. [10] Выше T C ≈ 500 K NpFe 2 также парамагнитен и кубичен. Охлаждение ниже температуры Кюри приводит к ромбоэдрическому искажению, при котором ромбоэдрический угол изменяется с 60° (кубическая фаза) до 60,53°. Альтернативное описание этого искажения заключается в рассмотрении длины c вдоль уникальной тригональной оси (после начала искажения) и a как расстояния в плоскости, перпендикулярной c . В кубической фазе это уменьшается до c / a = 1,00 . Ниже температуры Кюри решетка приобретает искажение
что является самой большой деформацией среди всех соединений актинидов . [11] NpNi 2 претерпевает аналогичное искажение решетки ниже T C = 32 K с деформацией (43 ± 5) × 10 −4 . [11] NpCo 2 является ферримагнетиком ниже 15 K.
В 2009 году группа физиков Массачусетского технологического института продемонстрировала, что литий , охлажденный до температуры менее одного кельвина , может проявлять ферромагнетизм. [12] Группа охладила фермионный литий-6 до температуры менее 150 нК (150 миллиардных долей одного кельвина) с помощью инфракрасного лазерного охлаждения . Эта демонстрация является первым случаем, когда ферромагнетизм был продемонстрирован в газе.
В редких случаях ферромагнетизм можно наблюдать в соединениях, состоящих только из s- и p-блочных элементов, таких как полутораоксид рубидия . [13]
В 2018 году группа физиков из Университета Миннесоты продемонстрировала, что объемно-центрированный тетрагональный рутений проявляет ферромагнетизм при комнатной температуре. [14]
Недавние исследования показали, что ферромагнетизм может быть вызван в некоторых материалах электрическим током или напряжением. Антиферромагнитные LaMnO 3 и SrCoO были переведены в ферромагнитные состояния током. В июле 2020 года ученые сообщили об индуцировании ферромагнетизма в распространенном диамагнитном материале железном колчедане («золоте дураков») с помощью приложенного напряжения. [15] [16] В этих экспериментах ферромагнетизм был ограничен тонким поверхностным слоем.
Теорема Бора-Ван Лиувена , открытая в 1910-х годах, показала, что классические физические теории не способны объяснить никакую форму материального магнетизма, включая ферромагнетизм; объяснение скорее зависит от квантово-механического описания атомов . Каждый из электронов атома имеет магнитный момент в соответствии со своим спиновым состоянием, как описано квантовой механикой. Принцип исключения Паули , также являющийся следствием квантовой механики, ограничивает занятость спиновых состояний электронов на атомных орбиталях , как правило, заставляя магнитные моменты электронов атома в значительной степени или полностью нейтрализоваться. [17] Атом будет иметь чистый магнитный момент, когда эта нейтрализация неполная.
Одним из фундаментальных свойств электрона ( помимо того, что он несет заряд) является то, что он имеет магнитный дипольный момент , т. е. он ведет себя как крошечный магнит, создавая магнитное поле . Этот дипольный момент возникает из более фундаментального свойства электрона: его квантово-механического спина. Из-за своей квантовой природы спин электрона может находиться в одном из двух состояний, при этом магнитное поле либо направлено «вверх», либо «вниз» (для любого выбора вверх или вниз). Спин электрона в атомах является основным источником ферромагнетизма, хотя есть также вклад от орбитального углового момента электрона вокруг ядра . Когда эти магнитные диполи в куске материи выровнены (указаны в одном направлении), их индивидуально крошечные магнитные поля складываются, создавая гораздо большее макроскопическое поле.
Однако материалы, состоящие из атомов с заполненными электронными оболочками, имеют полный дипольный момент, равный нулю: поскольку все электроны существуют в парах с противоположным спином, магнитный момент каждого электрона компенсируется противоположным моментом второго электрона в паре. Только атомы с частично заполненными оболочками (т. е. неспаренными спинами ) могут иметь чистый магнитный момент, поэтому ферромагнетизм возникает только в материалах с частично заполненными оболочками. Из-за правил Хунда первые несколько электронов в иным образом незанятой оболочке, как правило, имеют одинаковый спин, тем самым увеличивая полный дипольный момент.
Эти неспаренные диполи (часто называемые просто «спины», хотя они также обычно включают орбитальный угловой момент) имеют тенденцию выстраиваться параллельно внешнему магнитному полю, что приводит к макроскопическому эффекту, называемому парамагнетизмом . Однако в ферромагнетизме магнитное взаимодействие между магнитными диполями соседних атомов достаточно сильное, чтобы они выстраивались друг с другом независимо от любого приложенного поля, что приводит к спонтанной намагниченности так называемых доменов. Это приводит к большой наблюдаемой магнитной проницаемости ферромагнетиков и способности магнитно-жестких материалов образовывать постоянные магниты .
Когда два соседних атома имеют неспаренные электроны, то то, являются ли спины электронов параллельными или антипараллельными, влияет на то, могут ли электроны делить одну и ту же орбиту в результате квантово-механического эффекта, называемого обменным взаимодействием . Это, в свою очередь, влияет на местоположение электрона и кулоновское (электростатическое) взаимодействие и, следовательно, на разницу энергий между этими состояниями.
Обменное взаимодействие связано с принципом исключения Паули, который гласит, что два электрона с одинаковым спином не могут также находиться в одном и том же пространственном состоянии (орбитали). Это является следствием теоремы о спиновой статистике и того, что электроны являются фермионами . Поэтому при определенных условиях, когда орбитали неспаренных внешних валентных электронов соседних атомов перекрываются, распределения их электрического заряда в пространстве находятся дальше друг от друга, когда электроны имеют параллельные спины, чем когда они имеют противоположные спины. Это уменьшает электростатическую энергию электронов, когда их спины параллельны, по сравнению с их энергией, когда спины антипараллельны, поэтому состояние с параллельными спинами более стабильно. Эта разница в энергии называется обменной энергией . Проще говоря, внешние электроны соседних атомов, которые отталкиваются друг от друга, могут перемещаться дальше друг от друга, выстраивая свои спины параллельно, поэтому спины этих электронов имеют тенденцию выстраиваться в линию.
Эта разница в энергии может быть на порядки больше, чем разница в энергии, связанная с магнитным диполь-дипольным взаимодействием из-за дипольной ориентации, [18] которая имеет тенденцию выстраивать диполи антипараллельно. В некоторых легированных полупроводниковых оксидах было показано, что взаимодействия RKKY приводят к периодическим магнитным взаимодействиям на большем расстоянии, явлению, имеющему значение в изучении спинтронных материалов . [19]
Материалы, в которых обменное взаимодействие намного сильнее конкурирующего диполь-дипольного взаимодействия, часто называют магнитными материалами . Например, в железе (Fe) обменная сила примерно в 1000 раз сильнее дипольного взаимодействия. Поэтому ниже температуры Кюри практически все диполи в ферромагнитном материале будут выровнены. Помимо ферромагнетизма, обменное взаимодействие также отвечает за другие типы спонтанного упорядочения атомных магнитных моментов, происходящих в магнитных твердых телах: антиферромагнетизм и ферримагнетизм. Существуют различные механизмы обменного взаимодействия, которые создают магнетизм в различных ферромагнитных, [20] ферримагнитных и антиферромагнитных веществах — эти механизмы включают прямой обмен , обмен РККИ , двойной обмен и суперобмен .
Хотя обменное взаимодействие удерживает спины выровненными, оно не выравнивает их в определенном направлении. Без магнитной анизотропии спины в магните случайным образом меняют направление в ответ на тепловые флуктуации , и магнит является суперпарамагнитным . Существует несколько видов магнитной анизотропии, наиболее распространенным из которых является магнитокристаллическая анизотропия . Это зависимость энергии от направления намагниченности относительно кристаллографической решетки . Другой распространенный источник анизотропии , обратная магнитострикция , индуцируется внутренними деформациями . Однодоменные магниты также могут иметь анизотропию формы из-за магнитостатических эффектов формы частиц. По мере повышения температуры магнита анизотропия имеет тенденцию к уменьшению, и часто существует блокирующая температура, при которой происходит переход к суперпарамагнетизму. [21]
Спонтанное выравнивание магнитных диполей в ферромагнитных материалах, казалось бы, предполагает, что каждый кусок ферромагнитного материала должен иметь сильное магнитное поле, поскольку все спины выровнены; однако железо и другие ферромагнетики часто находятся в «ненамагниченном» состоянии. Это происходит потому, что объемный кусок ферромагнитного материала разделен на крошечные области, называемые магнитными доменами [22] (также известные как домены Вейсса ). Внутри каждого домена спины выровнены, но если объемный материал находится в своей конфигурации с самой низкой энергией (т. е. «не намагниченный»), спины отдельных доменов указывают в разных направлениях, и их магнитные поля компенсируются, поэтому объемный материал не имеет чистого крупномасштабного магнитного поля.
Ферромагнитные материалы спонтанно делятся на магнитные домены, поскольку обменное взаимодействие является силой короткого действия, поэтому на больших расстояниях многих атомов тенденция магнитных диполей уменьшать свою энергию, ориентируясь в противоположных направлениях, побеждает. Если все диполи в куске ферромагнитного материала выровнены параллельно, это создает большое магнитное поле, простирающееся в пространство вокруг него. Это содержит много магнитостатической энергии. Материал может уменьшить эту энергию, разделившись на множество доменов, указывающих в разных направлениях, поэтому магнитное поле ограничивается небольшими локальными полями в материале, уменьшая объем поля. Домены разделены тонкими доменными стенками толщиной в несколько молекул, в которых направление намагниченности диполей плавно вращается от направления одного домена к другому.
Таким образом, кусок железа в состоянии наименьшей энергии («не намагниченный») обычно имеет малое или нулевое чистое магнитное поле. Однако магнитные домены в материале не зафиксированы на месте; это просто области, где спины электронов выровнялись спонтанно из-за их магнитных полей, и, таким образом, могут быть изменены внешним магнитным полем. Если к материалу приложено достаточно сильное внешнее магнитное поле, стенки доменов будут двигаться посредством процесса, в котором спины электронов в атомах вблизи стенки в одном домене поворачиваются под влиянием внешнего поля, чтобы быть обращенными в том же направлении, что и электроны в другом домене, таким образом переориентируя домены так, чтобы больше диполей были выровнены с внешним полем. Домены останутся выровненными, когда внешнее поле будет удалено, и будут суммироваться, чтобы создать собственное магнитное поле, простирающееся в пространство вокруг материала, таким образом создавая «постоянный» магнит. Домены не возвращаются к своей первоначальной конфигурации минимальной энергии, когда поле удаляется, потому что стенки доменов имеют тенденцию становиться «закрепленными» или «зацепленными» за дефекты в кристаллической решетке, сохраняя свою параллельную ориентацию. Это показано эффектом Баркгаузена : при изменении намагничивающего поля намагниченность материала изменяется тысячами крошечных прерывистых скачков, поскольку стенки доменов внезапно «защелкиваются» мимо дефектов.
Эта намагниченность как функция внешнего поля описывается кривой гистерезиса . Хотя это состояние выровненных доменов, обнаруженное в куске намагниченного ферромагнитного материала, не является конфигурацией с минимальной энергией, оно метастабильно и может сохраняться в течение длительных периодов, как показывают образцы магнетита с морского дна, которые сохраняли свою намагниченность в течение миллионов лет.
Нагревание и последующее охлаждение ( отжиг ) намагниченного материала, воздействие на него вибрации путем ударов молотком или приложение быстро осциллирующего магнитного поля от размагничивающей катушки, как правило, освобождает доменные стенки из закрепленного состояния, и границы доменов имеют тенденцию возвращаться в конфигурацию с более низкой энергией и меньшим внешним магнитным полем, тем самым размагничивая материал.
Коммерческие магниты изготавливаются из «жестких» ферромагнитных или ферримагнитных материалов с очень большой магнитной анизотропией, таких как альнико и ферриты , которые имеют очень сильную тенденцию к намагничиванию, направленному вдоль одной оси кристалла, «легкой оси». В процессе производства материалы подвергаются различным металлургическим процессам в мощном магнитном поле, которое выравнивает кристаллические зерна так, что их «легкие» оси намагничивания все указывают в одном направлении. Таким образом, намагниченность и результирующее магнитное поле «встроены» в кристаллическую структуру материала, что делает его очень трудным для размагничивания.
По мере повышения температуры материала тепловое движение, или энтропия , конкурирует с ферромагнитной тенденцией к выравниванию диполей. Когда температура поднимается выше определенной точки, называемой температурой Кюри , происходит фазовый переход второго рода , и система больше не может поддерживать спонтанную намагниченность, поэтому ее способность намагничиваться или притягиваться к магниту исчезает, хотя она все еще реагирует парамагнитно на внешнее поле. Ниже этой температуры происходит спонтанное нарушение симметрии , и магнитные моменты выстраиваются в линию со своими соседями. Сама температура Кюри является критической точкой , где магнитная восприимчивость теоретически бесконечна, и, хотя нет чистой намагниченности, доменно-подобные спиновые корреляции флуктуируют на всех масштабах длины.
Изучение ферромагнитных фазовых переходов, особенно с помощью упрощенной спиновой модели Изинга , оказало важное влияние на развитие статистической физики . Там впервые было ясно показано, что подходы теории среднего поля не смогли предсказать правильное поведение в критической точке (которая, как было обнаружено, подпадает под класс универсальности , включающий многие другие системы, такие как переходы жидкость-газ), и должны были быть заменены теорией ренормгруппы . [ необходима цитата ]
Медиа, связанные с ферромагнетизмом на Wikimedia Commons