7.4. Ферромагнетизм

Как отмечалось выше, ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Термин ферромагнетизм происходит от латинского Ferrum − железо, поскольку впервые сильно выраженные магнитные свойства были обнаружены именно в железной руде и железе. К ферромагнетикам относятся только кристаллы девяти химических элементов: железа (Fe), кобальта (Co), никеля (Ni), гадолиния (Gd), диспрозия (Dy), тербия (Tb), гольмия (Ho), эрбия (Er), тулия (Tm). Ферромагнитные свойства последних пяти редкоземельных элементов становятся заметны при весьма низких температурах. Но, кроме них, имеется большое число сплавов и соединений, обладающих ферромагнитными свойствами. При этом такими свойствами обладают как сплавы ферромагнитных элементов друг с другом, так и сплавы ферромагнетика с неферромагнитным веществом и даже сплавы из неферромагнитных элементов (гейслеровы сплавы).

Наличие спонтанной намагниченности в ферромагнитных материалах свидетельствует о том, что магнитные моменты атомов в них ориентированы не случайным образом, а упорядочены параллельно друг другу. Из перечисленных химических элементов три первых имеют незаполненные 3d оболочки, а шесть последних – 4f оболочки. Но орбитальные магнитные моменты атомов в этом случае скомпенсированы. Русским ученым Розингом в 1892 году была высказана гипотеза об упорядочении спиновых моментов. Она нашла подтверждение в опытах Эйнштейна и де Гааза (рис. 7.11). Они наблюдали вращение ферромагнитного образца (т. е. возникновение механического момента) при изменении магнитного момента.

 

Рис. 7.11. Опыт Эйнштейна и де Гааза [74]

 

Изменение магнитного момента достигалось за счет изменения тока I в соленоиде (3). При этом образец, представляющий собой железный стержень (4), поворачивался и закручивал тонкую кварцевую нить (1), на которой было закреплено зеркало (2). Луч света от источника О, падая на зеркало, отражался под различными углами, соответствующими углам закручивания нити. По максимальному углу закручивания нити определялся момент количества движения электронов P, а, измеряя намагниченность железного цилиндра, определяли суммарный магнитный момент атомов M. Оказалось, что отношение магнитного и механического моментов , т. е. совпадает гиромагнитным соотношением (7.8) для спиновых моментов электрона.

Такая же величина гиромагнитного соотношения была получена в опытах Иоффе и Капицы (1917). Идея их эксперимента заключалась в том, что железный стержень подвешивался на нити и быстро нагревался до температуры, при которой состояние намагниченности исчезает (эта температура называется точкой Кюри). В намагниченном стержне электронные магнитные моменты ориентированы вдоль оси стержня, и, следовательно, стержень должен обладать некоторым суммарным моментом количества движения P. При размагничивании за счет нагревания происходит дезориентация осей «электронных волчков» и, следовательно, суммарный момент количества движения становится равным нулю. По закону сохранения момента количества движения железный стержень при размагничивании приобретает вращающий импульс, соответствующий величине P, что и обнаруживалось в эксперименте.

Еще одним доказательством связи ферромагнетизма со спиновым магнитным моментом электронов служит механомагнитный опыт Барнетта (1909 г.). Небольшой железный стержень приводился в быстрое (более 100 об/с) вращение вокруг своей оси. При этом наблюдалось слабое намагничивание стержня, и на том его конце, где вращение происходило по часовой стрелке, возникал северный полюс, а на противоположном − южный. Причиной эффекта Барнетта является тот факт, что электроны в атомах, обладая магнитным моментом, обладают и определенным моментом количества движения. Как было показано ранее, оба этих момента связаны друг с другом гиромагнитным соотношением, поэтому при вращении цилиндра «электронные волчки» будут стремиться, подобно гироскопам, ориентироваться так, чтобы их моменты количества движения были параллельны оси вращения цилиндра. Такая упорядоченная ориентация моментов количества движения неизбежно приводит к упорядочению магнитных моментов, а значит, к намагничиванию железного стержня.