Все ферромагнетики (як металеві, так і не металеві) - речовини кристалічні. Зазвичай структура матеріалів, використовуваних для сердечників магнітних елементів автоматики, являє собою сукупність зерен - кристалів неправильної форми (кристалітів). Іноді магнітні пристрої виготовляють на одному кристалі, так званому монокристалле.
Ферромагнетики в залежності від температури і матеріалу можуть мати в основному три типи кристалічних решіток. При звичайних температурах роботи елементів залізо має кубічну об'ємно-центрованої грати (рисунок 2.4, а), нікель (при будь-якій температурі) -кубіческую гранецентрированную (рисунок 2.4, б) і кобальт - гексагональну (рисунок 2.4, в).
Кристали феритів також мають структуру кубічної або гексагональної симетрії, але значно складніше, ніж у металевих феромагнетиків. На рисунок 2.4, г наведено структури так званих шпинелей, якими найчастіше користується більшість феритів.
З попереднього відомо, що при температурах нижче точки Кюрі феромагнітний речовина завжди (незалежно від того, є чи ні зовнішнє поле) характеризується незмінною для даної температури спонтанної намагніченістю Js. У той же час навіть монокристал феромагнетика, у якого спини всіх атомів розташовані паралельно, може бути або повністю розмагніченим, або намагніченим в тій чи іншій мірі.
Пояснює це явище доменна теорія феромагнетизму, заснована на положенні, що сталого, станом рівноваги відповідає мінімум енергії. Наприклад, з двох станів рівноваги маятника, при яких центр ваги лежить на вертикалі, що проходить через вісь підвісу, стійким буде стан, коли центр ваги лежить нижче, а не вище точки підвісу, так це стан відповідає мінімуму потенційної енергії маятника. Інший приклад: дві магнітні стрілки мають два стани рівноваги, показані на рисунок 2.5, а і малюнок 2.5, б; проте вони встановляться в стан б, яке відповідає мінімуму магнитостатическое енергії. З цієї ж причини смужка заліза притягається до подковообразно магніту, тому що при замиканні залізом його полюсів магнитостатическое енергія системи буде мінімальною.
Відповідно до цієї теорії кожне зерно (кристаліт) феромагнітного тіла, а в разі монокристалла - весь його обсяг ділиться на області, звані доменами. Величина вектора намагніченості кожного домена дорівнює спонтанної, єдино можливою для даного феромагнетика намагніченості, а напрямок векторів намагніченості сусідніх доменів різному і відповідає характерним для кристала напрямками (наприклад, ребру куба, діагоналі куба).
Малюнок 2.4 Кристалічні решітки ферромагнетиков
Малюнок 2.5 Доменні структури
У повністю розмагніченого ферромагнетике весь обсяг кристалів розділений порівну між доменами з протилежно спрямованими векторами спонтанної намагніченості, тому його загальна намагніченість щодо зовнішнього середовища дорівнює нулю. Такому стану відповідає, наприклад, розподіл монокристалла на домени (рисунок 2.5, г), при якому магнітні потоки замикаються всередині зразка і магнітостатичних енергія системи доменів мінімальна.
При впливі на подібний кристал зовнішнього магнітного поля Н його доменна структура змінюється. Відбувається збільшення обсягу доменів, вектор спонтанної намагніченості яких найбільш близький до напрямку вектора Н, за рахунок скорочення обсягу інших доменів (рисунок 2.5, д). В результаті цього з'являється намагніченість кристала в цілому, зростаюча у міру збільшення поля, і все більша частина магнітного потоку замикається через повітря. Таке зміщення кордонів можливо, очевидно, до тих пір, поки найбільш вигідно орієнтовані домени не поглинуть повністю домени, орієнтовані менш вигідно, і намагніченість J кристала не стане рівною спонтанної намагніченості речовини.
Між сусідніми доменами з різними напрямками намагніченості є перехідні шари, звані межами, або стінками доменів, в яких відбувається поступовий поворот вектора намагніченості від одного напряму до іншого. Процес утворення нових доменів за відсутності зовнішнього поля сприяє створенню структури, в якій магнітні потоки замикаються всередині зразка, і тому супроводжується зменшенням магнитостатическое енергії. Однак цей процес може тривати лише до тих пір, поки зменшення магнитостатическое енергії покриває зростаючу енергію, необхідну для створення в зразку доменних стінок і пропорційну загальної площі стінок. Тому для вельми дрібних частинок і дуже тонких шарів феромагнетика енергетично вигідною може виявитися однодоменних структура, якщо розмір частки або товщина шару нижче деякої критичної величини
Отже, перебудова доменної структури під дією зовнішнього поля призводить до появи і зміни загальної намагніченості феромагнетика, тобто до його намагничиванию.
Дослідження, проведені на монокристалах, показали раз особистий характер залежності J (H) в полях, спрямованих уздовж різних кристалографічних осей, що свідчить про існування магнітної анізотропії феромагнітних кристалів. На малюнок 2.6 наведені ці залежності для заліза (а), нікелю (б) і кобальту (в). У той же час граничне значення намагніченості виявляється однаковим для всіх напрямків поля і рівним спонтанної намагніченості речовини. При намагнічуванні феромагнетика витрачається певна кількість енергії, чисельно визначається площею, заштрихован ної на малюнок 2.6, г. Згідно кривим J (Н) на малюнок 2.6, а енергія на намагнічування уздовж ребра куба [100] (пор. Рисунок 2.4, а) для заліза найменша, а вздовж просторової діагоналі [111] - найбільша. Тому напрямок уздовж ребра куба для заліза називають напрямком легкого намагнічування, а вздовж просторової діагоналі - важкого намагнічування.
Таким чином, залізо має шість напрямків (в обидва боки вздовж кожного з трьох ребер, що перетинаються в одній вершині куба) легкого намагнічування.
У нікелю (пор. Рисунок 2.4, б і 2.6, б) - напрям легкого намагнічування розташоване уздовж просторової діагоналі. Отже, у нікелю вісім (в обидва боки вздовж кожної з чотирьох просторових діагоналей) напрямків легкого намагнічування. Кобальт (пор. Рисунок 2.4, в і 2.6, в) має лише одну вісь (два напрямки) легкого намагнічування уздовж його єдиною гексагональної осі [0001].
Площа, яка знаходиться між кривими легкого і важкого намагічіванія, характеризує енергію магнітної анізотропії.
Якщо осі легкого намагнічування зерен в обсязі матеріалу орієнтовані безладно, то криві намагнічування при різних напрямках поля практично збігаються і лежать між кривими легкого і важкого намагнічування. Такий матеріал в цілому називають магнітоізотропним. Для поліпшення магнітних властивостей деякі матеріали піддають особливої технологічній обробці, при якій однойменні кристалографічні осі окремих зерен розташовуються паралельно. Такі матеріали називають текстурованими. Існує ряд способів створення текстури.