BADANIE WŁASNOŚCI MAGNETYCZNYCH CIAŁ STAŁYCH
1.Co to są domeny magnetyczne? Rozmiary domen.
W zależności od swojej struktury elektronowej atomy lub jony pewnych substancji mogą mieć trwałe momenty magnetyczne. W ferromagnetykach momenty te porządkują się spontanicznie, bez działania zewnętrznego pola magnetycznego, wzdłuż jednego kierunku, skutkiem czego jest spontaniczne namagnesowanie materiału w dużych makroskopowych obszarach zwanych domenami. Domeny magnetyczne, w których elementarne magnesy mają takie samo ustawienie, posiadają wymiary liniowe rzędu 10-5 - 10-4 m.
Atomowe momenty magnetyczne wewnątrz poszczególnych domen mają ustalony kierunek. Kierunki magnetyzacji poszczególnych domen są różne. Wytworzona struktura domenowa musi zapewnić minimum całkowitej energii próbki. Energia ta jest sumą energii pola magnetostatycznego próbki i energii obszarów granicznych między domenami, tzw. ścianek domenowych. W ściankach odbywa się na odcinku rzędu kilkudziesięciu stałych sieci kryształu nagła zmiana kierunku wektora magnetyzacji, co oznacza pewną dodatkową energię wymienną stanowiącą energię ścianek. Małe rozmiary domen oznaczają dużą ich liczbę, czyli dużą energię ścianek domenowych i związaną z nimi energię. Istnieje wiele typów struktur domenowych. Dla niektórych z nich wypadkowy moment magnetyczny próbki może być bliski zera i pole magnetyczne wytwarzane przez taką próbkę na zewnątrz jest prawie wszędzie bliskie zera.
W zewnętrznym polu magnetycznym próbka ferromagnetyka ulega magnetyzacji, tzn. uzyskuje wypadkowy moment magnetyczny skierowany wzdłuż działającego pola pomimo istnienia struktury domenowej. Magnesowanie próbki odbywa się poprzez dwa procesy. W słabych polach magnetycznych dominuje przesuwanie się ścianek domenowych, objętość domen namagnesowanych zgodnie z polem rośnie kosztem objętości domen o magnetyzacji przeciwnej. W polach silniejszych przemagnesowanie odbywa się głównie poprzez obroty w kierunku przyłożonego pola momentów magnetycznych całych domen. Zależność namagnesowania całej próbki od zewnętrznego pola jest nieliniowa i dla dużych pól osiągane jest nasycenie magnetyczne próbki. Wyłączenie pola przeważnie nie powoduje powrotu próbki do stanu sprzed włączenia pola. Wynika to z faktu, że w danej próbce może istnieć wiele różnych położeń ścianek domenowych i kierunków wektora magnetyzacji w poszczególnych domenach, które odpowiadają różnym minimom energii swobodnej układu.
Po wyłączeniu zewnętrznego pola układ osiąga „ najbliższe” minimum energetyczne, które przeważnie odpowiada innym położeniom ścian domenowych i kierunkom wektora magnetyzacji w domenach, niż to było przed włączeniem zewnętrznego pola. W związku z tym właściwości magnetyczne próbki ferromagnetyka zależą od jej historii, czego dowodem jest pętla histerezy magnetycznej.
2.Temperatura Curie.
Z praw termodynamiki wynika, że układ pozostający w kontakcie cieplnym z otoczeniem o danej temperaturze T jest stabilny, jeśli minimum osiąga jego tzw. energia swobodna F, zdefiniowana jako:
F = U - T S
gdzie:
U - jest energią wewnętrzną
S - entropią układu będącą miarą jego nieuporządkowania
Im więcej atomowych momentów magnetycznych ma kierunek niezgodny z kierunkiem wypadkowej magnetyzacji spontanicznej, tym większe jest nieuporządkowanie i tym większa jest entropia. Istnienie nieuporządkowanych momentów magnetycznych zwiększa (zgodnie ze wzorem) Ewym, a więc zwiększa się również U, które jest równe średniemu Ewym. Dla danej temperatury T ustala się taka średnia liczba nieuporządkowanych momentów magnetycznych, a więc i taka wypadkowa magnetyzacja spontaniczna, aby F osiągnęło minimum. Im wyższa jest temperatura, tym Fmin osiągane jest przy większym S, a więc i przy większym nieuporządkowaniu atomowych momentów magnetycznych. Powyżej pewnej temperatury Tc, zwanej temperaturą Curie, nieuporządkowanie atomowych momentów magnetycznych jest tak duże, że magnetyzacja spontaniczna znika i układ staje się paramagnetykiem. Temperaturę Curie wyznaczmy z wykresu zależności napięcia od temperatury .