Материал: Фейнмановские лекции по физике. Вып. 7 Физика сплошных сред

может передвинуться в сторону (направо) и уменьшить энергию.

Она перемещается таким образом, чтобы область направления «вверх» стала больше области направления «вниз». Элементар­ ных магнитиков, направленных по полю, становится больше, а это приводит к понижению энергии. Таким образом, в куске железа в слабых магнитных полях с самого начала намагничива­ ния доменная стенка начнет двигаться и «съедать» области, на­ магниченные противоположно полю. По мере того как поле продолжает увеличиваться, весь кристалл постепенно превра­ щается в один большой домен, в котором внешнее поле помогает

сохранять направление «вверх». В сильном магнитном поле кри­ сталлы намагничиваются в одну сторону как раз потому, что

их энергия в приложенном поле уменьшается. Внешнее магнит­ ное поле кристаллов теперь уже не так существенно.

А что если геометрия кристалла не так проста? Что если ка­

кая-то ось кристалла и его спонтанная намагниченность направ­ лены в одну сторону, а мы прилагаем поле, направленное в другую,

скажем под углом 45°? Можно думать, что домены повернутся так, чтобы их намагниченность стала параллельной полю, а за­

тем они, как и прежде, смогут слиться в один домен. Но сделать это для железа нелегко, ибо энергия, необходимая для намагничи­ вания кристалла, зависит от направления намагничивающего поля относительно кристаллической оси. Намагнитить железо

в направлении, параллельном кристаллической оси, относитель­ но легко, но для того чтобы намагнитить его в каком-то другом направлении, скажем под углом 45° к направлению оси, энер­ гии требуется больше. Следовательно, если в таком направлении

приложить магнитное поле, то сначала происходит рост доменов, намагниченных в одном из избранных направлений, близких

к направлению приложенного поля, пока в эту сторону не будет направлена намагниченность всех областей. Затем при гораздо больших полях общая намагниченность постепенно поворачива­

ется к направлению поля, как это показано на фиг. 37.5.

На фиг. 37.6 показаны полученные из опыта кривые намагни­ чивания монокристаллов железа. Чтобы вы поняли их, я пред­ варительно должен объяснить кое-какие обозначения, исполь­ зуемые для описания направлений в кристалле. Существует много способов расслоения кристалла на плоскости, в которых распо­ ложены атомы. Каждый из вас, кто в прошлом работал или бывал всаду или на винограднике, знаком с этим любопытным зрели­ щем. Посмотрев в одну сторону, вы видите линию деревьев, а если посмотрите в другую,— вам откроется совсем другой ряд и т.д. Так и в кристалле — там есть определенные семейства плоско­ стей, содержащие много атомов; у таких плоскостей есть важная особенность (для простоты рассмотрим кубический кристалл).

Если мы отметим, где эти плоскости пересекаются с тремя осями координат, то окажется, что обратные величины расстоянии

171

Фиг. 37.5. Намагничивающее поле Н, направлен­

ное под некоторым углом к кристаллической оси, постепенно изменяет направление намагниченности М, не изменяя ее величины.

трех точек пересечения от начала отно­ сятся как целые числа. Эти три целых числа и принимаются для обозначения плоскостей. На фиг. 37.7, а, например,

показана плоскость, параллельная пло­ скости yz. Она называется плоскостью

(100), так как обратные величины отрезков, отсекаемых этой плоскостью по осям у

и г, равны нулю. Направление, перпенди­ кулярное этой плоскости (в кубическом кристалле), задается тем же самым набо­

ром чисел, но записывается в квадратных скобках: [100]. Основ­ ную идею в случае кубического кристалла понять очень легко,

Фиг. 37.6. График компоненты М, параллельной полю Н, при раз­ личных направлениях Н по отношению к осям кристалла. (По оси

ординат отложена величина M/eQc2.)

172

ибо символ [100] обозначает вектор, который имеет единичную компоненту в направлении оси х и нулевые в направлениях осей

гонали куба (фиг. 37,7, в).

Вернемся теперь к фиг. 37.6. На ней мы видим кривые на­ магничивания монокристалла в различных направлениях. Прежде всего заметьте, что для очень слабых полей, столь сла­ бых, что в нашем масштабе их трудно изобразить, намагничен­ ность чрезвычайно быстро возрастает до весьма больших значе­ ний. Если приложить поле в направлении [100], т. е. в одном из направлений легкого намагничивания, то кривая идет вверх до еще большего значения, затем несколько закругляется и насту­ пает насыщение. Происходит это потому, что домены, которые уже там есть, ликвидируются очень легко. Чтобы передвинуть доменные стенки и «проглотить» все «неправильные» домены, требуется совсем слабое поле. Монокристаллы железа облада­ ют огромной проницаемостью (в магнитном смысле), гораздо большей, чем поликристаллическое железо. Совершенный крис­ талл намагничивается очень легко. Почему же его кривая все же закругляется? Почему она не идет прямо до насыщения? Точно не известно. Быть может, вам когда-нибудь удастся изучить это явление. Мы понимаем, почему при больших полях она плоская. Когда весь кубик становится единым доменом, то добавочное магнитное поле не может создать большей намагниченности, она уже равна Мшас— значит, спины всех электронов направлены

вверх.

Что получится, если мы попытаемся повторить то же самое для направления [110], которое лежит в плоскости ху под углом

45° к оси х? Мы включаем небольшое поле, и намагниченность за счет роста домена резко увеличивается. Если затем мы продол­ жаем увеличивать поле, то выясняется, что для достижения насыщения поле должно быть довольно большим, ибо вектор на­ магниченности нужно повернуть всторону от направления легко­

го намагничивания. Если это объяснение правильно, то при экс­ траполяции кривой [ПО] точка пересечения с вертикальной осью должна будет давать значение намагниченности, составляющее

1/]^2 от намагниченности насыщения. Оказывается, что так оно на самом деле и происходит. Эго отношение очень-очень близко

к 1/J/2. Аналогично для направления [111], которое идет по диа­ гонали куба, мы находим, как и ожидали, что при экстраполя­ ции кривая пересекает вертикальную ось на расстоянии, состав­

ляющем 1 //3 от значения, соответствующего насыщению. На фиг. 37.8 показано соответствующее поведение двух дру­

гих ферромагнетиков: никеля и кобальта. Никель отличается от железа. Оказывается, что направлением легкого намагничн-

173

вания у него будет направление [111]. Кобальт имеет гексаго­ нальную кристаллическую структуру; для этого случая система обозначений была изменена. Здесь в основании шестиугольника располагают три оси и еще одну ось, перпендикулярную к ним, так что здесь используется четыре числа. Направление [0001]— его направление гексагональной оси, а [1010]—направление, перпендикулярное к этой оси. Вы видите, что кристаллы различ­ ных металлов устроены по-разному.

Теперь мы рассмотрим такой поликристаллический материал, как обычный кусок железа. Внутри него содержится огромное

множество маленьких кристалликов, кристаллические оси ко­ торых направлены во все стороны. Но это не то же самое, что домены. Вспомните, все домены были частью одного кристалла,

а в куске железа, как видно из фиг. 37.9, содержится множество различных кристаллов с разной ориентацией. В каждом из этих

кристаллов, вообще говоря, содержится несколько доменов. Когда к куску поликристаллического материала мы прилагаем слабое магнитное поле, доменные барьеры в кристалликах на­ чинают смещаться, и домены, направление намагниченности ко­ торых совпадает с направлением легкого намагничивания, рас­ тут все больше и больше. До тех пор пока поле остается очень малым, этот рост обратим; если мы выключим поле, намагничен­ ность снова вернется к нулю. Этот участок кривой намагничи­ вания обозначен на фиг. 37.10 буквой а.

Для больших полей в области, обозначенной буквой Ь, все

становится гораздо более сложным. В каждом маленьком кри­ сталле материала встречаются напряжения и дислокации, там есть примеси, грязь и дефекты. И при всех полях, за исключе­ нием лишь очень слабых, стенки доменов при своем движении наталкиваются на них. Между доменной стенкой и дислокацией (или границей зерна или примесью) возникают взаимодействия. В результате, когда стенка наталкивается на препятствие, она как бы приклеивается и держится там, пока поле не достигнет

175