одно из магнитных состояний кристаллических, как правило, веществ, характеризуемое параллельной ориентацией магнитных моментов (См.
Магнитный момент) атомных носителей магнетизма. Параллельная ориентация магнитных моментов (
рис. 1) устанавливается при температурах
Т ниже критической Θ (см.
Кюри точка) и обусловлена положительным значением энергии межэлектронного обменного взаимодействия (См.
Обменное взаимодействие) (см.
Магнетизм)
. Ферромагнитная упорядоченность магнитных моментов в кристаллах (атомная
магнитная структура - коллинеарная или неколлинеарная) непосредственно наблюдается и исследуется методами магнитной нейтронографии (См.
Нейтронография)
. Вещества, в которых установился ферромагнитный порядок атомных магнитных моментов, называют ферромагнетиками (См.
Ферромагнетики)
. Магнитная восприимчивость (ферромагнетиков положительна (χ > 0) и достигает значений 10
4-10
5 гс/э, их
Намагниченность J (или индукция
В =
Н +
4π
J) растет с увеличением напряжённости магнитного поля
Н нелинейно (
рис. 2) и в полях 1-100
э достигает предельного значения
Js - магнитного насыщения. Значение
J зависит также от "магнитной предыстории" образца, это делает зависимость
J от
Н неоднозначной (наблюдается магнитный
Гистерезис)
.
Проявления Ф. в монокристаллах и поликристаллах могут существенно различаться. В ферромагнитных монокристаллах наблюдается
Магнитная анизотропия (
рис. 3) - различие магнитных свойств по разным кристаллографическим направлениям. В поликристаллах с хаотическим распределением ориентаций кристаллических зёрен анизотропия в среднем по образцу отсутствует, но при неоднородном распределении ориентаций она может наблюдаться (магнитная текстура).
Магнитные и другие физические свойства ферромагнетиков обладают специфической зависимостью от температуры Т. Намагниченность насыщения Js имеет наибольшее значение при Т = 0 К и монотонно уменьшается до нуля при Т = Θ (рис. 4).
Выше Θ ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние (см.
Парамагнетизм)
, а в некоторых случаях (редкоземельные металлы) - в антиферромагнитное. При
Н = 0 этот переход, как правило, является фазовым переходом (См.
Фазовый переход)
2-го рода. Температурный ход магнитной проницаемости (См.
Магнитная проницаемость) μ (или восприимчивости χ) ферромагнетиков имеет явно выраженный максимум вблизи Θ. При
Т >
Θ восприимчивость (обычно следует Кюри - Вейса закону (См.
Кюри - Вейса закон)
. При намагничивании ферромагнетиков изменяются их размеры и форма (см.
Магнитострикция)
. Поэтому кривые намагничивания и петли гистерезиса зависят от внешних напряжений. Наблюдаются также аномалии в величине и температурной зависимости упругих постоянных, коэффициентов линейного и объёмного расширения. При адиабатическом намагничивании и размагничивании ферромагнетики изменяют свою температуру (см.
Магнитное охлаждение)
. Специфические особенности немагнитных свойств ферромагнетиков наиболее ярко проявляются вблизи
Т =
Θ.
Поскольку самопроизвольная намагниченность ферромагнетиков сохраняется до
Т =
Θ
, а в типичных ферромагнетиках температура (может достигать Ферромагнет
изм 10
3 К, то
kΘ ≈ 10
-13 эрг (
k - Больцмана постоянная)
. Это означает, что энергия взаимодействия, которая ответственна за существование ферромагнитного порядка атомных магнитных моментов в кристалле, тоже должна быть порядка 10
-13эрг на каждую пару соседних магнитно-активных атомов. Такое значение энергии может быть обусловлено только электрическим взаимодействием между электронами, ибо энергия магнитного взаимодействия электронов двух соседних атомов ферромагнетика не превышает, как правило, 10
-16 эрг, и поэтому может обеспечить температуру Кюри лишь Ферромагнет
изм 1 К (такие ферромагнетики с т. н. дипольным магнитным взаимодействием тоже существуют). В общем случае магнитные взаимодействия в ферромагнетиках определяют их магнитную анизотропию. Классическая физика не могла объяснить каким образом электрическое взаимодействие может привести к Ф. Только
Квантовая механика позволила понять тесную внутреннюю связь между результирующим магнитным моментом системы электронов и их электростатическим взаимодействием, которое принято называть обменным взаимодействием.
Необходимым условием Ф. является наличие постоянных (независящих от Н) магнитных (спиновых или орбитальных, или обоих вместе) моментов электронных оболочек атомов ферромагнетиков. Это выполняется в кристаллах, построенных из атомов переходных элементов (атомов с недостроенными внутренними электронными слоями). Различают 4 основных случая:
1) металлические кристаллы (чистые металлы, сплавы и интерметаллические соединения) на основе переходных элементов с недостроенными d-cлоями (в первую очередь 3d-cлоем у элементов группы железа); 2) металлические кристаллы на основе переходных элементов с недостроенными f-cлоями (редкоземельные элементы с недостроенным 4f-cлоем); 3) неметаллические кристаллические соединения при наличии хотя бы одного компонента из переходных d- или f-элементов; 4) сильно разбавленные растворы атомов переходных d- или f-металлов в диамагнитной металлической матрице. Появление в этих четырёх случаях атомного магнитного порядка обусловлено обменным взаимодействием.
В неметаллических веществах (случай 3) это взаимодействие чаще всего носит косвенный характер, при котором магнитный порядок электронов недостроенных
d-или
f-cлоев в ближайших соседних парамагнитных ионах устанавливается при активном участии электронов внешних замкнутых слоев магнитно-нейтральных ионов (например, O
2-, S
2-, Se
2- и т.п.), расположенных обычно между магнитно-активными ионами (см.
Ферримагнетизм)
. Как правило, здесь возникает антиферромагнитный порядок, который приводит либо к компенсированному антиферромагнетизму, если в каждой элементарной ячейке кристалла суммарный магнитный момент всех ионов равен нулю, либо к ферримагнетизму - если этот суммарный момент не равен нулю. Возможны случаи, когда взаимодействие в неметаллических кристаллах носит ферромагнитный характер (все атомные магнитные моменты параллельны), например EuO, Eu
2SiO
4, CrBr
3 и др.
Общим для кристаллов типа 1, 2, 4 является наличие в них системы коллективизированных электронов проводимости. Хотя в этих системах и существуют подмагничивающие обменные взаимодействия, но, как правило, магнитного порядка нет, а имеет место парамагнетизм паулевского типа, если он сам не подавлен более сильным
Диамагнетизмом ионной решётки. Если всё же магнитный порядок возникает, то в случаях 1, 2 и 4 он различен по своему происхождению. Во втором случае магнитно-активные 4
f'-cлои имеют очень малый радиус по сравнению с параметром кристаллической решётки. Поэтому здесь невозможна прямая обменная связь даже у ближайших соседних ионов. Такая ситуация характерна и для четвёртого случая. В обоих этих случаях обменная связь носит косвенный характер, осуществляют её электроны проводимости. В четвёртом типе ферромагнетиков (в отличие от случаев 1, 2, 3) магнитный порядок не обязательно связан с кристаллическим атомным порядком. Часто эти ферромагнетики представляют собой в магнитном отношении аморфные системы с неупорядоченно распределёнными по кристаллической решётке ионами, обладающими атомными магнитными моментами (т. н. спиновые стекла).
Наконец, в кристаллах 1-го типа электроны, принимающие участие в создании атомного магнитного порядка, состоят из бывших 3d- и 4s-электронов изолированных атомов. В отличие от 4f'-cлоёв редкоземельных ионов, имеющих очень малый радиус, более близкие к периферии 3d-электроны атомов группы Fe испытывают практически полную коллективизацию и совместно с 4s-электронами образуют общую систему электронов проводимости. Однако в отличие от нормальных (непереходных) металлов, эта система в d-металлах обладает гораздо большей плотностью энергетических уровней, что благоприятствует действию обменных сил и приводит к появлению намагниченного состояния в Fe, Со, Ni и в их многочисленных сплавах.
Конкретные теоретические расчёты различных свойств ферромагнетиков проводятся как в квазиклассическом феноменологическом приближении, так и с помощью более строгих квантовомеханических атомных моделей. В первом случае обменное взаимодействие, приводящее к Ф., учитывается введением эффективного молекулярного поля (Б. Л.
Розинг, 1897; П.
Вейс, 1907), энергия
U которого квадратично зависит от
J:
U = -NA (JslJs0)2
где
N - число магнитно-активных атомов в образце,
А - постоянная молекулярного поля (
А > 0),
Js0 - намагниченность насыщения при абсолютном нуле (См.
Абсолютный нуль) температуры. Уточнение этой трактовки Ф. дала квантовая механика, раскрыв электрическую обменную природу постоянной
А (Я. И.
Френкель, В.
Гейзенберг, 1928). В частности, при низких температурах (
Т < Θ) удалось провести более точный квантовый расчёт (Ф.
Блох, 1930), показавший, что уменьшение самопроизвольной намагниченности
Js0 ферромагнетика с ростом температуры можно в первом приближении описывать как возникновение элементарных магнитных возбуждений - квазичастиц (См.
Квазичастицы)
, носящих название спиновых волн (См.
Спиновые волны) или ферромагнонов. Каждый ферромагнон даёт уменьшение
Js0 на величину магнитного момента одного узла решётки. Число ферромагнонов растет с нагреванием ферромагнетика пропорционально
T3/2, поэтому температурная зависимость
Js имеет вид:
Js = Js0(1 - αT3/2),
где коэффициент (имеет порядок 10-6К-3/2 и зависит от параметра обменного взаимодействия.
В отсутствие внешнего магнитного поля (
Н = 0) термодинамически устойчивому состоянию макроскопического ферромагнитного образца отвечает размагниченное состояние, ибо в противном случае на поверхности образца, как правило, возникают магнитные полюсы, создающие т. н. размагничивающее поле
H0, с которым связана большая положительная энергия. В то же время обменное взаимодействие стремится создать магнитный порядок с
J ≠ 0. В результате борьбы этих противоположных тенденций происходит разбиение ферромагнитного образца на
Домены - области однородной намагниченности. Теория Ф. качественно определяет размеры и форму доменов, которые зависят от конкуренции различных взаимодействий в кристалле ферромагнетика (Л. Д.
Ландау и Е. М.
Лифшиц, 1935). Равновесная структура доменов при
J = 0 отвечает замкнутости магнитных потоков внутри образца. Между доменами существуют переходные слои конечной толщины, в которых
Js непрерывно меняет своё направление. На образование этих слоев затрачивается положительная энергия, но она меньше энергии поля
H0, которая возникла бы в отсутствие доменов. При некоторых критически малых размерах ферромагнитных образцов образование в них нескольких доменов может стать энергетически невыгодным, и тогда такие мелкие ферромагнитные частицы оказываются при
Т < Θ однородно намагниченными (т. н. однодоменные частицы).
Кривые намагничивания и петли гистерезиса в ферромагнетиках определяются изменениями объёма доменов с различными ориентациями
Js в них за счёт смещения границ доменов, а также вращения векторов
Js доменов (см.
Намагничивание)
. Магнитную восприимчивость ферромагнетиков можно приближённо представить в виде суммы: χ =
χ
смещ + χ
вращ. анализ кривых намагничивания
J (
H) показывает, что в слабых полях χ
смещ > χ
вращ, а В сильных (после крутого подъёма кривой) χ
вращ > χ
смещ. Особый характер имеют процессы намагничивания и распределение намагниченности в магнитных тонких плёнках (См.
Магнитная тонкая плёнка)
. Из-за чувствительности доменной структуры и процессов намагничивания к строению кристаллов общая количественная теория кривых намагничивания ферромагнетиков пока находится в незавершённом состоянии. Обычно для определения зависимости
J (
Н)
пользуются качественными физическими представлениями, лишь в случае идеальных монокристаллов в области, где χ
вращ > χ
смещ., возможен строгий количественный расчёт (Н. С. Акулов, 1928).
Теория кривых намагничивания и петель гистерезиса важна для разработки новых и улучшения существующих магнитных материалов (См.
Магнитные материалы)
.
Связь Ф. с многими немагнитными свойствами вещества позволяет по данным измерений магнитных свойств получить информацию о различных тонких специфических особенностях электронной структуры кристаллов. Поэтому Ф. интенсивно исследуют на электронном и ядерном уровнях, применяя электронный
Ферромагнитный резонанс, Ядерный магнитный резонанс, Мёссбауэра эффект, рассеяние на ферромагнитных кристаллах различного типа корпускулярных излучений (с учётом влияния магнитных моментов взаимодействующих частиц) и т.д. В 70-е гг. 20 в. возникли интересные контакты Ф. с физикой элементарных частиц и астрофизикой. Здесь следует упомянуть об изучении в ферромагнетиках явлений аннигиляции позитронов, образования мюония (См.
Мюоний)
и позитрония (см.
Позитрон)
, рассеяния мюонов, а в астрофизике - о проблеме магнетизма нейтронных звёзд (пульсаров (См.
Пульсары))
.
Лит.: Акулов Н. С., Ферромагнетизм, М. - Л., 1939; Бозорт Р., Ферромагнетизм, пер. с англ., М., 1956; Вонсовский С. В., Шур Я. С., Ферромагнетизм, М. - Л., 1948; Дорфман Я. Г., Магнитные свойства и строение вещества, М., 1955; Туров Е. А., Физические свойства магнитоупорядоченных кристаллов, М., 1963; Теория ферромагнетизма металлов и сплавов. Сб., пер. с англ., М., 1963; Ахиезер А. И., Барьяхтар В. Г., Пелетминский С. В., Спиновые волны, М., 1967: Туров Е. А., Петров М. П., Ядерный магнитный резонанс в ферро- и антиферромагнетиках, М., 1969; Сверхтонкие взаимодействия в твердых телах, пер. с англ., М., 1970; Вонсовский С. В., Магнетизм. М., 1971; Becker R., Doring W., Ferromagnetismus, B., 1939; Kneller E., Ferromagnetismus, B., 1962; Magnetism, v. 1-4, N. Y. - L., 1963-66; Amorphous magnetism, L. - N. Y., 1973; Goodenough J. B., Magnetism and the Chemical Bond, N. Y. - L., 1963.
С. В. Вонсовский.
Рис. 1. Ферромагнитная (коллинеарная) атомная стуктура гранецентрированной кубической решётки ниже точки Кюри Θ; стрелками обозначены направления атомных магнитных моментов; Js - вектор суммарной намагниченности.
Рис. 2. Кривая безгистерезисного намагничивания (0 Вm) и петля гистерезиса поликристаллического железа. Значению индукции Вm соответствует намагниченность насыщения Js.
Рис. 3. Зависимость намагниченности J от напряжённости магнитного поля Н для трёх главных кристаллографических осей монокристалла железа (тип решётки - объёмно-центрированная кубическая, [100] - ось лёгкого намагничивания).
Рис. 4. Схематическое изображение температурной зависимости намагниченности насыщения Js ферромагнетика, Θ - точка Кюри.