Участник:Dargon/Ферромагнетики

Ферромагнетики — класс материалов, обладающих сильными магнитными свойствами за счет спонтанной намагниченности.

Их особенность заключается в способности к спонтанному магнитному упорядочению: атомы или ионы внутри материала выстраиваются таким образом, что их магнитные моменты направлены в одну сторону, образуя домены с суммарным отличным от нуля магнитным моментом. Свойства ферромагнетиков зависят от их химического состава, структуры и внешних условий, таких как температура, магнитное поле и т.д. В отличие от диамагнетиков и парамагнетиков, ферромагнетики обладают собственным магнитным полем, которое не исчезает при отсутствии внешнего магнитного поля.

Ферромагнитики отличаются высокой магнитной восприимчивостью (>> 1), то есть легко намагничиваются, демонстрируя нелинейную зависимость этой восприимчивости от силы внешнего магнитного поля и температуры. Ферромагнетики способны намагничиваться до насыщения, достигая максимального уровня намагниченности даже в слабых магнитных полях.

Важно отметить, что магнитные свойства ферромагнетиков не являются неизменными, а зависят от их предшествующего магнитного состояния – это явление называется гистерезисом. Кроме того, ферромагнетики имеют точку Кюри – критическую температуру, выше которой материал теряет свои ферромагнитные свойства.

Основные свойства

• Магнитная восприимчивость: Ферромагнетики имеют положительную магнитную восприимчивость, которая достигает значений $10^{4}$−$10^{5}$.
• Нелинейная зависимость намагниченности от поля: Намагниченность ($J$) и магнитная индукция ($B$) в ферромагнетиках растут с увеличением напряженности магнитного поля ($H$) нелинейно.
• Насыщение намагниченности: В полях ~8·10³ А/м намагниченность ферромагнетиков достигает предельного значения $Jm$, а вектор магнитной индукции растет линейно с $H$:

$B=Jm*H+H_{0}$,
где $Jm$ — намагниченность насыщения, $H$ — напряженность магнитного поля, а $H_{0}$ — собственная намагниченность ферромагнетика.

• Самопроизвольная намагниченность: Ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. Это означает, что электронные спины и магнитные моменты атомных носителей магнетизма ориентированы в веществе упорядоченным образом.
• Высокая магнитная проницаемость: Ферромагнетики характеризуются магнитной проницаемостью, значительно превышающей единицу, внутреннее магнитное поле в них может в сотни раз превосходить внешнее поле. Для железа она составляет порядка 1000.
• Зависимость от внешних факторов: Самопроизвольная намагниченность ферромагнетиков сильно изменяется под влиянием внешних воздействий — магнитного поля, деформации, температуры.

Особенности

• Твердое состояние: Ферромагнитные свойства материалов проявляются только у веществ в твердом состоянии.
• Атомы с недостроенными оболочками: Ферромагнетики характеризуются атомами с недостроенными внутренними электронными оболочками.
• Переходные металлы: Типичными ферромагнетиками являются переходные металлы, такие как железо ($Fe$), никель ($Ni$) и кобальт ($Co$), а также редкоземельные элементы $Gd$, $Tb$, $Dy$, $Ho$, $Er$, $Tm$.
• Соединения ферромагнетиков: Соединения ферромагнитных материалов с неферромагнитными также могут обладать ферромагнитными свойствами: $Fe_{3}Al$, $Ni_{3}Mn$, $ZnCMn_{3}$ и др.

Механизм ферромагнетизма

Ферромагнетизм обусловлен спинами электронов — их собственным угловым моментом. Электроны в атомах не только вращаются вокруг ядра, но и вращаются вокруг собственной оси, создавая магнитный момент. В ферромагнетиках существуют области, называемые доменами, где спины электронов ориентированы параллельно друг другу. Размер доменов порядка 0,5 мкм. Такая параллельная ориентация обеспечивает доменам минимальную потенциальную энергию.

Литература

• Генденштейн Л. Э. Физика. 11 класс. В 2 ч. Ч. 1 : учебник для учащихся общеобразовательных организаций (базовый и углублённый уровни). — Москва: Мнемозина, 2014. — 384 с. — ISBN 978-5-346-02898-7.
• Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные свойства вещества. — Москва: Мир, 1983. — 304 с.
• Кузнецов С. И. Курс физики с примерами решения задач. Ч. II. Электричество и магнетизм. Колебания и волны: учебное пособие. — 4. — Томск: ТПУ, 2014. — 370 с.