Файл: Брагинский, Г. И. Технология магнитных лент.pdf

2.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ФЕРРОМАГНЕТИЗМЕ

ИМАГНИТНОЙ ЗАПИСИ*

%•

2.1. ПРИРОДА ФЕРРОМАГНЕТИЗМА

Процесс записи в широком смысле заключается в преоб­ разовании сигналов информации в пространственное изменение состояния или формы некоторого физического тела с целью сохране­ ния в нем информации и последующего ее воспроизведения. Под магнитной системой записи понимают систему, в которой происхо­ дят изменения магнитного состояния отдельных частей носителя записи в соответствии с поступающими сигналами информации. Магнитная запись основана на способности некоторых веществ, называемых ферромагнитными, приобретать остаточную намагни­ ченность в результате воздействия на них внешнего магнитного поля.

Согласно современным представлениям магнитные свойства ве­ щества определяются движением внутриатомных электрических зарядов, обусловленных орбитальным вращением электронов и вра­ щением электронов вокруг собственных осей (электронные спины). Известно, что в пространстве, окружающем проводник с током, воз­ буждается магнитное поле, величину и направление которого оце­ нивают напряженностью. Но не только электрический ток возбу­ ждает магнитное поле, а также и некоторые предварительно намагни­ ченные тела.

Если в магнитное поле внести проводник (в виде кольца) с током, который может свободно вращаться вокруг оси, лежащей в его плоскости, то кольцо займет положение, при котором его плоскость будет перпендикулярна направлению магнитного поля. Чтобы вы­ вести кольцо из этого устойчивого положения, например повернуть его на 90°, необходимо совершить некоторую работу. Ее величина пропорциональна индукции магнитного поля и магнитному моменту

проводника. Магнитный момент р кольца с током равен произведению тока I на площадь круга S:

р = IS

Направление вектора р совпадает с осью кольца и определяется правилом буравчика: при вращении буравчика по направлению тока его поступательное движение определяет направление вектора

магнитного момента р.

Если взять два таких же кольца, которые могут свободно вра­ щаться вокруг осей, лежащих в их плоскостях, то кольца займут

* Раздел написан доцентом 3. В. Цирулиной.

положение, при котором их магнитные моменты направлены навстречу друг другу. Если магнитные моменты равны, то они взаимно компен­ сируются. Вблизи такой системы магнитное поле отсутствует. Это состояние системы является устойчивым, ему соответствует мини­ мальная внутренняя энергия. Совершив некоторую работу, можно повернуть одно из колец так, чтобы их магнитные моменты совпадали по направлению. В этом, состоянии система будет обладать результи­ рующим магнитным моментом, и в окружающем пространстве воз­ будится магнитное поле.

Атомы всех веществ содержат движущиеся элементарные частицы, несущие электрические заряды, так, электроны атомов движутся вокруг их ядер и вращаются.вокруг своих осей. Каждая движущаяся заряженная частица обладает магнитным моментом. Таким образом, атом любого вещества представляет сложную магнитную систему. Магнитный момент атома определяется векторной суммой магнит­ ных моментов отдельных образующих его частиц. Магнитные мо­ менты протонов и нейтронов примерно в 1000 раз меньше магнитных моментов электронов, поэтому полагают, что магнитные свойства атома определяются в основном орбитальными и спиновыми маг­ нитными моментами его электронной оболочки. Взаимная ориента­ ция спиновых и орбитальных магнитных моментов различна в ато­ мах различных веществ, поэтому различны также и их магнитные свойства. Однако атомы всех веществ подвергаются воздействию магнитного поля, т. е. все они в той или иной степени магнитны.

По магнитным свойствам все вещества делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. В атомах д и а м а г н е т и к о в орбитальные и спиновые магнитные моменты взаимно скомпенсиро­ ваны, поэтому атомы таких веществ не обладают магнитными момен­ тами. Но при воздействии внешнего магнитного поля атомы диамаг­ нетика приобретают магнитные моменты. Эти дополнительные маг­ нитные моменты возникают за счет круговых движений всех элек­ тронов атомов, возникающих под действием магнитного поля. Это движение электронов обусловлено прецессией осей электронных спинов вокруг направления внешнего магнитного поля, подобной прецессии гироскопа (волчка) при воздействии на последний силы, не совпадающей по направлению с его осью (при этом ось волчка совершает круговые движения вокруг направления силы).

Магнитные моменты, приобретаемые всеми атомами диамагнит­ ного вещества, имеют направление, противоположное направлению вектора напряженности внешнего магнитного поля, и все вещество

в целом намагничивается. Намагниченность вещества / оценивается вектором намагниченности, равным векторной сумме магнитных мо­ ментов всех атомов в единице объема:

J = ^~P

где р — магнитный момент отдельного атома.

Поскольку вектор намагниченности, приобретаемой диамагнит­ ным веществом, имеет направление противоположное внешнему

20

полю, последнее ослабляется. Однако намагниченность диамагне­

не скомпенсированы, поэтому результирующий магнитный момент атомов и молекул этих веществ не равен нулю. В отсутствие внеш­ него магнитного поля за счет равновероятной по всем направлениям ориентации магнитных моментов отдельных атомов и молекул про­ исходит их взаимная компенсация. Таким образом, парамагнетики не обладают магнитным моментом, т. е. не являются намагничен­ ными. При воздействии же на парамагнетик внешнего магнитного поля происходят одновременно два явления: прецессия спиновых осей и некоторая ориентация магнитных моментов атомов и молекул

внаправлении внешнего поля.

Содной стороны, беспорядочное тепловое движение частиц не­ прерывно изменяет направление их магнитных моментов, но, с дру­ гой стороны, внешнее магнитное поле оказывает ориентирующее действие, в результате устанавливается некоторое равновесное рас­ пределение магнитных моментов атомов и молекул. Результирующий момент при этом распределении не равен нулю, и тело оказывается намагниченным в направлении внешнего поля. Чем больше напря­ женность внешнего магнитного поля, тем большее число магнитных моментов атомов ориентируется в направлении поля и тем больше намагниченность тела.

Коэффициент пропорциональности между намагниченностью и напряженностью внешнего магнитного поля называют магнитной восприимчивостью. Для диамагнетиков магнитная восприимчивость — величина отрицательная (намагниченность имеет направление про­ тивоположное полю), а для парамагнетиков — положительная. Ве­ личина восприимчивости для парамагнетиков, так же как и для диа­ магнетиков, очень мала (ІО-4—ІО“3), поэтому возникающая в них даже. в сильных полях намагниченность практического значения не имеет.

Имеется сравнительно небольшая группа веществ, которые очень сильно намагничиваются даже в слабых магнитных полях. Эти вещества называют ф е р р о м а г н е т и к а м и , они находят широкое применение в технике и, в частности, в магнитной записи. К ферромагнетикам относятся: железо, никель, кобальт, гадолиний, диспрозий, некоторые их сплавы и сплавы марганца и хрома, а также окислы (например, ферриты).

Магнитные свойства ферромагнетиков обусловлены спецификой их строения. В атомах ферромагнитных веществ имеются незаполнен­ ные внутренние электронные оболочки. В заполненных оболочках как орбитальные, так и спиновые магнитные моменты оказываются взаимно скомпенсированными, т. е. число спинов, ориентирован­ ных в одном направлении, равно числу спинов, ориентирован­ ных в противоположном направлении. Наличие внутренних неза­ полненных оболочек в атомах является необходимым, но еще не

21