Доменная структура

Как известно, железо притягивается магнитом, а, к примеру, нержавеющая сталь, алюминий или медь - нет. Это различие объясняется особенностями структуры железа, магнетита и некоторых других материалов.

Вообще говоря, элементарным носителем магнитных свойств на субатомном уровне являются электроны и ядра атомов. В основном, электроны, поскольку магнитное поле, порождаемое ядрами, экранируется окружающими ядро электронами. Каждый электрон обладает не только элементарным зарядом, равным -1е (-1.602·10^-19 кулонов), но и магнитным "зарядом" - спином, равным 1/2ħ (1/2·6.58·10^-16 эВ·с). Если два электрона в атоме находятся на одной орбитали (очень неточно, настолько грубо, что и писать как-то неудобно, можно сказать, что они "летают" вокруг ядра по одной орбите - только, пожалуйста, никому не говорите, что я так сказал, потому что тогда меня надо немедленно разжаловать из докторов наук и выгнать в младшие помощники дворников) - такие электроны называются спаренными, то у них обязательно должны быть противоположно ориентированные спины. В этом случае порождаемые этими двумя электронами магнитные поля будут замкнуты друг на друга и ни на какое внешнее магнитное поле реагировать не будут. Атомов, в которых все электроны в нормальном состоянии спарены, довольно много, а вещества, в которых нет неспаренных электронов, называются диамагнетиками. Диамагнетики все-таки имеют очень слабые магнитные свойства, которые могут быть зарегистрированы хорошим магнитометром в достаточно сильном поле. Эти свойства возникают исключительно из-за изменений, которые вызывает в веществе внешнее магнитное поле, и направлены против этого поля. Можно смело сказать, что диамагнетик - это вещество, которое в нормальном состоянии не имеет никаких магнитных свойств. Между прочим, человек - диамагнетик. Как и подавляющее большинство других существ и веществ.

Более редким, хотя тоже встречающимся случаем оказываются парамагнетики - вещества, в атомах или молекулах которых имеется хотя бы один неспаренный электрон. Такие вещества (например, кислород, алюминий, платина) обладают собственными магнитными свойствами. Если к ним приложить внешнее магнитное поле, то их собственное поле ориентируется в направлении внешнего и довольно значительно возрастает. Если внешнее магнитное поле убрать, собственное магнитное поле парамагнетиков будет очень слабым.

Совершенно особым случаем являются вещества-ферромагнетики, к которым относятся, например, железо, кобальт или никель. В этих веществах  большие группы атомов (несколько десятков тысяч - несколько десятков миллионов) ориентированы спинами в одном и том же направлении. Каждая такая группа атомов называется доменом. Домены можно увидеть, если использовать некоторые приемы. Например, картинка слева была получена методом Биттера: очень маленькие частички магнитного (ферромагнитного) порошка, например, крохотные железные опилки, взбалтываются с раствором мыла или глицерина и образуют суспензию. В эту суспензию вносится кусочек ферромагнетика (например, железа) побольше. Поскольку у маленьких кусочков ферромагнетика в суспензии очень высокая подвижность и очень низкое трение, то они довольно быстро выстраиваются на поверхности большого куска ферромагнетика в соответствии с ориентацией в нем доменов. Эту картину несложно увидеть в обычный микроскоп.

Каждый домен, как и неспаренный электрон, обладает собственным магнитным полем. Только поле домена намного сильнее, поскольку в нем сочетаются поля большого количества неспаренных электронов. В каждом домене поле направлено в произвольном направлении, поэтому общее магнитное поле ферромагнетика малозаметно. Но если внести ферромагнетик на некоторое время в мощное внешнее поле, то его домены начнут ориентироваться по внешнему полю. После удаления внешнего поля взаимная ориентация доменов сохранится и бывший обычный кусок железа станет магнитом - источником собственного довольно сильного поля, способного притягивать большие куски других ферромагнетиков. На эффекте переориентации доменов под действием приложенного внешнего поля основан принцип записи информации на магнитной ленте. Интересно, кто сегодня еще помнит, что такое магнитофон? Впрочем, представители более молодого поколения все равно вовсю пользуются магнитными доменами, когда покупают что-то или снимают деньги пластиковой картой (с магнитной полоской), открывают электронный замок, снимают электронную пищалку, воруя одежду в модном бутике.

А каковы размеры магнитных доменов? Наверное, вы уже догадались - они лежат в нанометровом диапазоне. Для железа это - порядка 100 нм.