1.3. Природа ферромагнетизма

Возникновение магнитных свойств у ферромагнетиков связывается с их строением. Домены - это области самопроизвольной намагниченности, возникающие даже в отсутствии внешнего магнитного поля, в которых магнитные моменты атомов ориентированы параллельно.

Атомы или ионы приобретают магнитный момент, как правило, если они имеют нескомпенсированные спины электронов. Например, в атомах железа на внутренней 3d-электронной оболочке имеется четыре нескомпенсированных спина. Так как самопроизвольная намагниченность относится к внутриатомным явлениям, то ее природа может быть установлена только на основе квантово-механических понятий.

Согласно Я. И. Френкелю и В. Гейзенбергу, главную роль в возникновении ферромагнитного состояния играют силы обменного взаимодействия между атомами, имеющие квантовый характер и по происхождению являющиеся электростатическими.

Энергия, возникающая в результате обмена электронами тождественных атомов, называют обменной энергией или интегралом обменной энергии. При положительном интеграле обменной энергии А (рис. 1.1 б), что соответствует минимуму электростатической энергии, возникает параллельная ориентация спинов. При отрицательном знаке энергетически выгоднее антипараллельное расположение спинов. Численное значение и знак интеграла А зависит от степени перекрытия электронных оболочек, т. е. зависит от расстояния между атомами. На рис. 1.1 б показано изменение интеграла обменной энергии в функции от отношения межатомного расстояния "а" к диаметру незаполненной электронной оболочки. При а/d > 1,5 происходит переход от антиферромагнитного состояния к ферромагнитному. Эта зависимость позволила обнаружить ферромагнетизм у сплавов марганца с неферромагнитными висмутом, сурьмой, серой и др.

Хотя механизм обменного взаимодействия в металлах носит более сложный характер, чем это следует из теории Френкеля-Гейзенберга, данная теория позволяет качественно объяснить причину самопроизвольной намагниченности, т.е. критерием ферромагнетизма в этом случае являются: 1) существование незаполненных внутренних электронных оболочек; 2) радиус этих оболочек должен быть мал по сравнению с расстоянием между ядрами в решетке.