Введение
В физике, ферромагнитный материал обладает магнитокристаллической анизотропией, если для намагничивания его в определенных направлениях требуется большая энергия, чем в других. Эти направления обычно соотносятся с главными осями его кристаллической решетки. Это частный случай магнитной анизотропии. Иными словами, превышение энергии, необходимой для намагничивания образца в конкретном направлении, над энергией, необходимой для намагничивания вдоль оси легкого намагничивания, называется энергией кристаллической анизотропии.
In physics, a ferromagnetic material is said to have magnetocrystalline anisotropy if it takes more energy to magnetize it in certain directions than in others. These directions are usually related to the principal axes of its crystal lattice. It is a special case of magnetic anisotropy. In other words, the excess energy required to magnetize a specimen in a particular direction over that required to magnetize it along the easy direction is called crystalline anisotropy energy.
Причины
Взаимодействие спин-орбиты является основным источником магнитокристаллической анизотропии. По сути, это орбитальное движение электронов, которое взаимодействует с кристаллическим электрическим полем, приводя к вкладу первого порядка в магнитокристаллическую анизотропию. Вклад второго порядка возникает вследствие взаимного взаимодействия магнитных диполей. Этот эффект слабее обменного взаимодействия и его сложно вычислить из первых принципов, хотя некоторые успешные расчёты были выполнены.
Практическая значимость
Магнитокристаллическая анизотропия оказывает значительное влияние на промышленное применение ферромагнитных материалов. Материалы с высокой магнитной анизотропией обычно обладают высокой коэрцитивной силой, то есть их сложно размагнитить. Такие материалы называют "твёрдыми" ферромагнетиками и используют для изготовления постоянных магнитов. Например, высокая анизотропия редкоземельных металлов в основном определяет прочность редкоземельных магнитов. В процессе производства магнитов мощное магнитное поле ориентирует микрокристаллические зерна металла таким образом, что их "легкие" оси намагничивания направлены в одном направлении, фиксируя в материале сильное магнитное поле. С другой стороны, материалы с низкой магнитной анизотропией обычно имеют низкую коэрцитивную силу, и их намагниченность легко изменяется. Такие материалы называются "мягкими" ферромагнетиками и применяются для изготовления магнитопроводов для трансформаторов и индукторов. Небольшая энергия, требуемая для изменения направления намагниченности, минимизирует потери в сердечнике, энергию, рассеиваемую в сердечнике трансформатора при изменении направления переменного тока.
Термодинамическая теория
Энергия магнитокристаллической анизотропии обычно представляется в виде разложения в степени направляющих косинусов намагниченности. Вектор намагниченности можно записать как **M** = Ms **m**, где Ms – намагниченность насыщения, а **m** – единичный вектор намагниченности. В силу симметрии относительно обращения времени допускаются только четные степени косинусов. Ненулевые члены в разложении зависят от кристаллической системы (например, кубической или гексагональной). Хотя оси легкого намагничивания часто совпадают с кристаллографическими осями симметрии, важно отметить, что невозможно предсказать направления легкого намагничивания, основываясь только на кристаллической структуре.