Зміст
Вступ
I Розділ
Загальна характеристика феромагнетизму
Молекулярне поле
Закон Кюрі – Вейсса
Феромагнітні домени. Стінки Блоха
Спінові хвилі
Коерцитивна сила та гістезис
Магнітострикція
Антиферомагнетизм
II Розділ
План – конспект уроку тему «Феромагнетики»
Висновки
Список використаної літератури
Вступ
Феромагнетизм, один з магнітних станів кристалічних, як правило, речовин, що характеризується рівнобіжною орієнтацією магнітних моментів атомних носіїв магнетизму. Рівнобіжна орієнтація магнітних моментів установлюється при температурах Т нижче критичної Q і обумовлена позитивним значенням енергії межэлектронного обмінної взаємодії. Феромагнітна упорядкованість магнітних моментів у кристалах (атомна магнітна структура – коллінеарна або неколлинеарна) безпосередньо спостерігається і досліджується методами магнітної нейтронографії. Речовини, у яких встановився феромагнітний порядок атомних магнітних моментів, називають ферромагнетиками. Магнітна сприйнятливість (ферромагнетиків позитивна (c > 0) і досягає значень 104-105 гс/э, їхня намагніченість J (або індукція В = Н +4p) росте зі збільшенням напруженості магнітного поля Н нелінійно і в полях 1-100 э досягає граничного значення Js – магнітного насичення. Значення J залежить також від “магнітної передісторії” зразка, це робить залежність J від Н неоднозначної (спостерігається магнітний гистерезис). У магнітному відношенні всі речовини можна розділити на слабомагнітні (парамагнетики й діамагнетики) і сильнонамагнічені (феромагнетики). Пара- і діамагнетики при відсутності магнітного поля ненамагнічені і характеризуються однозначною залежністю J від H. Ферромагнетиками називають речовини (тверді), що можуть мати спонтанну намагніченість, тобто намагнічені вже при відсутності зовнішнього магнітного поля. Типові представники ферромагнетиків – це залізо, кобальт і багато їхніх сплавів
Мета роботи: розглянути явище феромагнетизму та його теоретичне пояснення, а також проаналізувати можливість ознайомлення учнів вказаним явищем.
Завдання курсової роботи:
• Розглянути такі питання:
Загальна характеристика феромагнетизму
Молекулярне поле
Температурна залежність спонтанної намагніченості
Феромагнітні домени
Коерцитивна сила та гістерезис
Магнітострикція
Стінка Блоха
Антиферомагнетизм
Спінові хвилі
• Розробити план-конспект відповідного уроку або факультативного заняття, на якому учні отримують уявлення про явище феромагнетизму.
I Розділ
Загальна характеристика феромагнетизму
Феромагнети́зм — явище такого впорядкування частинок (атомів, йонів, молекул) макроскопічного середовища, за якого їхні власні магнітні моменти (спіни) виявляються орієнтованими паралельно та однаково, що зумовлює скінчену величину його магнітного моменту — намагніченості М.
Намагніченість виникає спонтанно, за відсутності зовнішнього магнітного поля,— як результат самоорганізації системи спінів та внаслідок обмінної взаємодії між ними. За температури Т=0 намагніченість є максимальною і при зростанні Т поступово зменшується до нуля (відбувається при досягненні температурою точки Кюрі ТС, вище якої речовина переходить у парамагнітний стан). При цьому відсутня не тільки макроскопічна намагніченість, а й середнє значення спіну кожної частинки також дорівнює нулеві, тобто обмінна енергія практично не дає внеску до загальної енергії системи.
Магнітне, зокрема феромагнітне, впорядкування і формування великого магнітного моменту в деяких речовинах має квантову природу, а поява спонтанної намагніченості відображається на їхніх властивостях. Змінюються механічні, електричні, оптичні та інші матеріальні характеристики, причому найбільші зміни спостерігаються поблизу ТС, де відбувається перехід ІІ-го роду між магнітним і немагнітним станами.
Теоретичний опис феромагнітного стану, на відміну від антиферомагнітного, можна здійснювати на основі уявлень, близьких до класичних, оперуючи не з окремими спінами, а макроспічною намагніченістю, вектор якої може змінювати свій напрямок відносно кристалографічних осей чи здійснювати обертальний рух (прецесію) при збереженні величини (модуля). Це, зокрема, зумовлює існування у магнітовпорядкованому стані т. зв. феромагнітного резонансу — вибіркового поглинання електромагнітних хвиль, що звичайно належать до радіодіапазону.
Відомо, що магнетизм є ефектом, пов'язаним з рухом електричних зарядів. Це саме електричний струм. Звідки тоді беруться магнітні властивості пруткового магніту, з якими на холодильнику застрягла купюра?
Матеріал магніту, а також будь-яка інша речовина містить усередині протони та електрони, які мають власний рух і різними способами генерують електричні струми.
Дуже спрощена модель передбачає електрон по круговій орбіті навколо ядра, складеного з протонів і нейтронів, утворюючи таким чином крихітну петлю струму. Кожна петля пов'язана з векторною величиною, яка називається "орбітальний магнітний момент", інтенсивність якої задається добутком струму та площею, що визначається петлею: магнетоном Бора.
Звичайно, в цій малій петлі струм залежить від заряду електрона. Оскільки всі речовини містять електрони у своїй глибині, всі вони в принципі мають можливість виражати магнітні властивості. Однак не всі з них це роблять.
Це пояснюється тим, що його магнітні моменти не вирівняні, а навпаки, розташовані хаотично всередині, так що його макроскопічні магнітні ефекти скасовуються.
На цьому історія не закінчується. Продукт магнітного моменту руху електрона навколо ядра не є єдиним можливим джерелом магнетизму в цій шкалі.
Електрон має своєрідний обертальний рух навколо своєї осі. Це ефект, який перетворюється на внутрішній кутовий момент. Ця властивість називається обертатися електрона.
Природно, що він також має пов'язаний магнітний момент і набагато сильніший за орбітальний момент. Насправді найбільший внесок у чистий магнітний момент атома робить спін, проте обидва магнітні моменти: той, що перекладається, плюс власний кутовий момент, вносять свій вклад у загальний магнітний момент атома.
Ці магнітні моменти є тими, які мають тенденцію до вирівнювання за наявності зовнішнього магнітного поля. І вони також роблять це з полями, створеними сусідніми моментами в матеріалі.
Зараз електрони часто з’єднуються в атомах з багатьма електронами. Пари утворюються між електронами з протилежним спіном, в результаті чого магнітний момент спіна припиняється.
Єдиний спосіб, що спін вносить свій внесок у загальний магнітний момент, це якщо один з них неспарений, тобто атом має непарну кількість електронів.
Цікаво, що існує магнітний момент протонів в ядрі. Ну, у них також є момент обертання, але він не вважається суттєвим для магнетизму атома. Це пов’язано з тим, що момент спіну обернено залежить від маси, а маса протона набагато більша, ніж маса електрона.
Молекулярне поле
Головним питанням теорії феромагнетизму є питання про спонтанну намагніченість, тобто про наявність намагніченості у феромагнетиках навіть за відсутності зовнішнього магнітного поля. Відповівши на нього, можна, спираючись на існування феромагнітних доменів, пояснити багато властивостей феромагнетиків.Пояснити феромагнетизм можна тільки у рамках квантової теорії. Класична теорія дає можливість лише описати властивості феромагнетиків і якісно розглянути механізм виникнення феромагнетизму.Перші ідеї щодо кількісної теорії феромагнетизму були висловлені російським фізиком Борисом Розингом ще у 1892 році, але вони на той час не отримали розвитку. Перша напівфеноменологічна теорія феромагнетизму була створена у 1907 році співробітником Поля Ланжевена П’єром Вейссом.
Вейсс виходив з того, що у феромагнетиках магнітні моменти сусідніх атомів достатньо сильно взаємодіють один з одним і орієнтуються паралельно. Виникає спонтанне намагнічування, аналогічне спонтанній поляризації сегнетоелектриків. Сили взаємодії сусідніх магнітних моментів в теорії Вейсса можуть бути зведені до деякого гіпотетичного ефективного поля 
, яке пропорційне вектору намагнічування 
, і називається молекулярним полем Вейсса. Якщо на магнетик діє зовнішнє поле 
, то на кожний магнітний момент діє вектор
,де
деяка додатня стала, що характризує властивості різних феромагнетиків і має назву – стала Вейсса. Тут знову ж таки напрошується аналогія з локальним електричним полем в діелектриках
,де діюче (локальне) електричне поле еквівалентно ефективному молекулярному полю Вейсса, вектор намагнічування
еквівалентний вектору поляризації для діелектрика, а стала Вейсса еквівалентна множнику 
і становить кілька одиниць. Наявність локального поля в сегнетоелектрику приводить до спонтанної поляризації, аналогічно молекулярне поле Вейсса в феромагнетиках веде до спонтанної намагніченості. Тепловий рух перешкоджатиме паралельній орієнтації магнітних моментів подібно до того, як це має місце в парамагнетиках. Для врахування дезорієнтуючого впливу теплового руху Вейсс скористався теорією Ланжевена, використавши в ній замість величину . Розглянемо наступну задачу. Зовнішнє магнітне поле відсутнє 
. У феромагнетику існує спонтанна намагніченість за відсутності намагнічуючого поля, тому
.Скористаємось готовим розв’язком – теорією Ланжевена. За нею вектор намагнічування визначається як
,Тут
функція Ланжевена, 
магнітний момент одиниці об’єму при намагнічуванні до насичення (нагадую, маємо спонтанну намагніченість). Перепишемо аргумент фенкції Ланжевена у вигляді
.Знайдемо з цього рівняння відношення
і домножимо і розділимо відношення на 3. Введемо деяку температуру
Тоді рівняння для вектору намагнічування набуває вигляду
.Оскільки за теорією Ланжевена
,Вейсс записав систему трансцендентних рівнянь
,яку можна вирішити графічно, побудувавши для кожного рівняння
в залежності від 
і визначивши точку перетину.Розв’язавши цю систему рівнянь, ми зараз покажемо, що введена нами таким чином температура є не що інше, як температура Кюрі, при перевищенні якої феромагнетики втрачають свої феромагнітні властивості, перетворюючись на парамагнетики.
Рисунок із графічним розв’язком системи рівнянь Вейсса дає можливість побудувати залежність спонтанної намагніченості феромагнетику від температури. На рисунку наведені експериментально одержані точки, які задовільно узгоджуються з теоретичною кривою. Належить не забувати, що теорія Ланжевена базується на класичній фізиці.
Відповідність теорії і експерименту поліпшується, якщо замінити функцію Ланжевена функцією Бриллюена, одержаною підсумовуванням дискретних проекцій магнітних моментів на напрям магнітного поля.
Одержання температурної залежності спонтанної намагніченості від температури – величезний успіх теорії Вейсса, незважаючи на її класичний характер.
Закон Кюрі-Вейcса
Отже, при температурі, вищій за температуру Кюрі , феромагнетик перетворюється на парамагнетик, а якщо це так, то магнітна сприйнятливість повинна підпорядковуватись закону Кюрі-Вейсса
.Теорія Вейсса дозволяє одержати цей закон. При спонтанна намагнічуваність відсутня, і необхідне магнітне поле для намагнічення парамагнетику. Тоді
,
так само користуємось теорією Ланжевена
,
але тепер
,в останньому доданку скористались розв’язком попереднього випадку для спонтанного намагнічування. Звідси
,або знову записуємо систему рівнянь
Можна вирішити графічно і цю систему. Але тоді система має і аналітичний розв’язок. Дійсно, при T→Tc змінна x<1 , отже
L (x) ≈
. Тоді
; 
,звідки
.Остаточно маємо закон Кюрі-Вейсса
.Отже, теорія Вейсса дозволяє одержати спонтанну намагніченість для феромагнетиків, пояснити температурну залежність намагніченості як нижче, так і вище точки Кюрі. Однак, походження молекулярного струму поля Вейсса в теорії не розкривається.
Самому Вейссу було зрозуміло, що взаємодія магнітних моментів сусідніх атомів у феромагнетику занадто слабка, щоб забезпечити спонтанну намагніченість до точки Кюрі, яка для заліза дорівнює 1043 К, для нікелю – 627 К. За теорією Вейсса стала Вейсса b повинна складати кілька одиниць. Візьмемо температуру Кюрі.
Всі величини у ній можна визначити з експерименту. Розрахована таким чином стала Вейсса виявилась b≈4000…3000 . Така неузгодженість наводила на думку, що треба розбиратись із природою поля молекулярних струмів Вейсса.
1 2 3 4