Навигация
Сучасна теорія феромагнетиків. Домени
22517
знаков
0
таблиц
5
изображений
2. Сучасна теорія феромагнетиків. Домени
Сучасна теорія феромагнетиків спирається на такі основні дослідні факти. По-перше, в деяких феромагнетиках можна змінювати намагніченість від початкового нульового значення до величезного значення насичення під дією незначного намагнічуючого поля. Ця обставина характерна для феромагнетиків і різко відрізняє їх від парамагнетиків. Укажемо для порівняння, що нормальна парамагнітна сіль, наприклад FeSO4, при кімнатній температурі під дією поля в 10 А/м збільшує свою намагніченість у сотні мільйонів разів менше, ніж деякі магнітно-м'які феромагнітні сплави.
Друга особливість стосується магнітного моменту атомів феромагнітних речовин. Прямі досліди показують (досліди Штерна і Герлаха), що магнітні моменти атомів феромагнітних речовин мають той же порядок величини, що й атоми парамагнетиків, і вимірюються декількоми магнетонами Бора mв. Звідси випливає, що феромагнетизм не можна пояснити за допомогою теорії, подібної теорії парамагнетизму, і що феромагнітні властивості не обумовлені наявністю магнітного моменту атома в цілому.
Третій важливий дослідний факт зв'язаний з величиною гіромагнітного відношення Г. В феромагнетиках вона виявляється приблизно у два рази більшою, ніж очікуване теоретично значення для електронних орбіт, і відповідає відношенню власних магнітного і механічного моментів електрона. Ця обставина вказує на те, що намагнічування феромагнетиків обумовлюється дуже сильною оріентацією власних магнітних моментів електронів (електронних спінів), а не магнітними моментами атомів у цілому.
Відповідно до сучасних представлень, надійно обґрунтованих на досліді, сутність феромагнетизму полягає в тому, що сильне орієнтування елементарних магнітних моментів виникає у феромагнетиках незалежно від зовнішнього магнітного поля, так що феромагнетик намагнічений до насичення, що відповідає даній температурі, вже без усякого поля (рис. 2а). Наявність такого самовільного, або спонтанного, намагнічування є найбільш характерною властивістю феромагнетиків.
Рис. 2. Схематичні зображення розташування електронних спінів при самовільному намагнічуванні (низька температура) (а) і напрямку намагніченості в окремих доменах (б)
Зазначені уявлення були висловлені в роботах Б.Л. Розинга ще в 1892 р. Однак вони не одержали в той час належного розвитку і були висунуті знову в 1907 р. Вейссом. Так як дослід показує, що феромагнетики при відсутності зовнішнього поля можуть бути і не намагнічені, то для пояснення цього удаваного протиріччя Вейсс висунув другу основну гіпотезу, відповідно до якої феромагнетик розбивається на велике число малих (але макроскопічних) областей, або доменів. Кожна з цих областей при температурах нижче температури Кюрі намагнічена досить сильно, але напрямки намагнічування в окремих доменах різні, а саме такі, що повний магнітний момент феромагнетика дорівнює нулю (рис. 2б).
Питання про фізичну причину самовільного намагнічування був принципово пояснений у 1928 р. Я. І. Френкелем і потім Гейзенбергом, які показали, що сильне орієнтування електронних спінів викликається силами обмінної взаємодії. Наявність цього нового класу сил, непоясненого в класичній фізиці, було з'ясовано лише з розвитком квантової фізики атома.
Існування доменів у феромагнетиках у даний час доведено різними дослідами. Найбільш прямий метод полягає в одержанні так званих порошкових фігур. Якщо на добре відполіровану поверхню феромагнетика помістити шар рідини, у якій змулені дрібні крупинки феромагнітного порошку (наприклад, Fe2O3), то ці крупинки будуть осідати переважно на ті місця, поблизу яких магнітне поле неоднорідне. Але саме поблизу границь доменів і виникають неоднорідності поля, і тому крупинки порошка обрисують границі областей самодовільного намагнічування. На рис. 3 приведені фотографії порошкових фігур, видимих у мікроскоп при невеликому. збільшенні. Особливо слід зазначити, що домени дійсно спостерігаються і під час відсутності зовнішнього магнітного поля. Порошкові фігури були використані в численних дослідженнях феромагнетиків і дозволили визначити розміри, форму і розташування доменів, а також зміни доменів у зовнішньому магнітному полі.
Рис. 3. Домени в деформованій кремнистій сталі (збільшення 80): а) безполя; б) магнітне поле перпендикулярне до площини рисунка; в) магнітне поле тієї ж напруженості, але протилежного напрямку.
Розглянемо докладніше, чому у феромагнетиках виникають численні домени. Будемо вважати для простоти, що феромагнетик досить анізотропний і що його вісь легкого намагнічування перпендикулярна до поверхні зразка.
Рис. 4. До пояснення виникнення доменів
На рис. 4а зображений феромагнетик, що складається з одного домена. У цьому випадку в зовнішньому просторі виникає магнітне поле, що містить в собі певну енергію. На рис. 4б зображені два домени з протилежним напрямком намагніченості. Зовнішнє магнітне поле тут зменшується зі збільшенням відстані швидше, ніж у випадку а, і енергія, що міститься в полі, виявляється меншою. У випадку, показаному на рис. 4в, магнітне поле практично існує тільки в безпосередній близькості від поверхні магнетика й енергія поля ще менша. Накінець, на рис. 4г зображений випадок, коли в зовнішньому просторі магнітного поля зовсім немає. Тут існують «замикаючі» домени у формі тригранних призм, бічні поверхні яких складають кут 45° з вектором намагніченості. У наслідок цього магнітний потік проходить винятково всередині феромагнетика, він замикається граничними доменами, чим і обумовлена їхня назва – замикаючі домены. Стан г енергетично більш вигідний, ніж попередні стани, і тому феромагнетик, що знаходиться, наприклад, у стані а, буде прагнути перейти в стан г. Нарешті, на мал. 4д показана ціла сукупність доменів разом із замикаючими їх доменами, де також немає зовнішнього поля. Подібна форма доменів дійсно спостерігається на досліді. Таким чином, розбивка феромагнетика на домени відбувається тому, що при утворенні доменних структур енергія феромагнетика зменшується (Л.Д. Ландау й Е.М. Лифшиц).
Вище ми розглядали феромагнетик у відсутністі зовнішнього магнітного поля і враховували тільки його власну магнітну енергію. Якщо врахувати ще й інші джерела енергії, наприклад, механічні напруги або зовнішнє магнітне поле, то форма доменів визначалася б повною енергією системи. Тому при наявності механічних напруг і зовнішнього поля доменна структура змінюється.
При виникненні самовільного намагнічення (орієнтування електронних спінів) магнетик деформується. Якщо при температурі більш високій, ніж температура Кюрі, вирізати з монокристалла феромагнетика кулю, то при охолодженні нижче температури Кюрі куля перетвориться в еліпсоїд. Форма і розміри доменов змінюються і при перемагнічуванні. Тому феромагнетик, у цілому не намагнічений, а при намагнічуванні деформується.
Явище деформації при намагнічуванні було відкрито в середині минулого сторіччя Джоулем і одержало назву магнітострикції. Деформації, які виникають при цьому досить малі: відносні видовженні зразка Dl/l у полях порядку 105 А/м звичайно мають порядок
10-5 – 10-6. Магнітострикцію використовують, подібно зворотному п'єзоелектричному ефекту для пристроїв потужних випромінювачів ультразвукових хвиль і для інших цілей.
Сили обмінної взаємодії викликають у феромагнетиках паралельну орієнтацію електронних спінів. Однак обмінні сили залежать від структури тіла, і тому характер оріентації спінів може бути різний. Виявляється, що існують речовини, у яких також виникає сильна орієнтація електронних спінів, але, на відміну від феромагнетиків, електронні спіни орієнтовані в них попарно антипаралельно. У найпростішому випадку електронні спіни утворять як би дві просторові підрешітки, вставлені одна в одну і намагнічені в протилежних напрямках (рис. 5).
Речовини, у яких намагніченість обох подрешіток одинакова по модулю, одержали назву антиферомагнетиків. Їхнє існування було передбачено теоретично Л.Д. Ландау в 1933 р. Антиферомагнетиками є деякі з'єднання марганцю (MnO, MnS), хрому (NiCr, Сг2О3), ванадію (VО2) і ін. Подібні речовини при низьких температурах мають мізерно малу магнітну сприйнятливість.
Рис. 5. Характер намагнічування в антиферомагнетиках (а) і феритах (б) (схематично).
При підвищенні температури строго попарна антипаралельність електронних спінів порушується і магнітна сприйнятливість збільшується. При деякій температурі (антиферомагнітна температура Кюри або температура Нееля) області самодовільної оріентації електронних спінів руйнуються й антиферомагнетик перетворюється в парамагнетик. При подальшому підвищенні температури магнітна сприйнятливість, як у всякого парамагнетика, зменшується, а отже, при антиферомагнітній температурі Кюрі магнітна сприятливість має максимум. Якщо намагніченість обох підрешіток неоднакова по модулю, то з'являється незкомпенсований антиферомагнетизм і речовина може мати значний магнітний момент. Такий характер намагнічування має місце у ферритах
Похожие работы
... вираз для макроскопічної магнітної сприйнятливості з урахуванням больцманівського розподілу ансамблю магнітних моментів по енергетичних рівнях приймає вигляд: Це і є рівняння Ван-Флека – основне в магнетохімії, пов’язуюче магнітні властивості з будовою молекул. Тут NA – число Авогадро, k – постійна Больцмана. З деякими крайніми випадками його ми вже зустрічалися вище. Якщо Е(0) = 0, а Е(2) ...
... ; - магнітна сприйнятливість. Із співвідношення (14.2.3) одержуємо: > 1- парамагнетики; < 1 - діамагнетики. Прикладом діамагнітних речовин є металевий вісмут. При внесенні шматочка вісмуту, підвішеного до нитки у зовнішнє магнітне поле, останнє цей шматочок виштовхує з магнітного поля. Парамагнітна мідь або латунь слабо втягуються у зовнішнє магнітне поле. 3. ...
... івнює , а в домішкових напівпровідниках має зміст енергії іонізації донорів чи акцепторів. Отже, питома електропровідність напівпровідників експоненційно збільшується з ростом температури, чим останні принципово відрізняються від металів. Розділ VII. Фізика ядра та елементарних часток. § 7.1. Склад і характеристики ядра Ядро атома, як центральну позитивно заряджену масивну частину атома, ...
... термічне і іонно-плазмове розпилювання, хімічне і електрохімічнео садження, гарт з рідкого стану і механічне легування (механо-активований синтез).[4] ІІІ. МЕТОДИ ОДЕРЖАННЯ АМОРФНИХ МЕТАЛІВ 3.1 Методи розпилювання Методи розпилювання, що застосовуються для швидкого загартування з розплаву, розрізняються по механізму розпилювання і за способом охолоджування крапель, що утворюються. ...
0 комментариев