Ферромагнетизм

Ферромагнетизм (далее Ф) одно из состояний как правило, веществ, характеризуемое параллельной ориентацией магнитных моментов носителей магнетизма. Параллельная ориентация моментов (рис. 1) устанавливается при температурах Т ниже критической Q (см. Кюри точка) и обусловлена положительным значением энергии межэлектронного обменного взаимодействия (см. Магнетизм). Ферромагнитная упорядоченность моментов в ( структура – коллинеарная или неколлинеарная) непосредственно наблюдается и исследуется методами нейтронографии. Вещества, в которых установился ферромагнитный порядок моментов, называют ферромагнетиками. восприимчивость (ферромагнетиков положительна (c > 0) и достигает значений 10⁴–10⁵ гс/э, их намагниченность J (или индукция В = Н + 4pJ) растет с увеличением напряженности поля Н нелинейно (рис. 2) и в полях 1–100 э достигает предельного значения Js – насыщения. Значение J зависит также от "магнитной предыстории" образца, это делает зависимость J от Н неоднозначной (наблюдается гистерезис).

Проявления Ф в монокристаллах и поликристаллах могут существенно различаться. В ферромагнитных монокристаллах наблюдается магнитная анизотропия (рис. 3) – различие свойств по разным направлениям. В поликристаллах с хаотическим распределением ориентаций зерен анизотропия в среднем по образцу отсутствует, но при неоднородном распределении ориентаций она может наблюдаться ( текстура).

и другие физические свойства ферромагнетиков обладают специфической зависимостью от температуры Т. Намагниченность насыщения Js имеет наибольшее значение при Т = 0 К и монотонно уменьшается до нуля при Т = Q (рис. 4).

Выше Q ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние (см. Парамагнетизм), а в некоторых случаях (редкоземельные металлы) – в антиферромагнитное. При Н = 0 этот переход, как правило, является фазовым переходом 2-го рода. Температурный ход магнитной проницаемости m (или восприимчивости c) ферромагнетиков имеет явно выраженный максимум вблизи Q. При Т > Q восприимчивость (обычно следует Кюри – Вейса закону. При намагничивании ферромагнетиков изменяются их размеры и форма (см. Магнитострикция). Поэтому кривые намагничивания и петли гистерезиса зависят от внешних напряжений. Наблюдаются также аномалии в величине и температурной зависимости упругих постоянных, коэффициентов линейного и объемного расширения. При адиабатическом намагничивании и размагничивании ферромагнетики изменяют свою температуру (см. Магнитное охлаждение). Специфические особенности немагнитных свойств ферромагнетиков наиболее ярко проявляются вблизи Т = Q.

Поскольку самопроизвольная намагниченность ферромагнетиков сохраняется до Т = Q, а в типичных ферромагнетиках температура (может достигать ~ 10³ К, то kQ " 10^-13 эрг (k – Больцмана постоянная). Это означает, что энергия взаимодействия, которая ответственна за существование ферромагнитного порядка моментов в тоже должна быть порядка 10^-13эрг на каждую пару соседних Такое значение энергии может быть обусловлено только электрическим взаимодействием между электронами, ибо энергия взаимодействия электронов двух соседних ферромагнетика не превышает, как правило, 10^-16 эрг, и поэтому может обеспечить температуру лишь ~ 1 К (такие ферромагнетики с т. н. дипольным взаимодействием тоже существуют). В общем случае взаимодействия в ферромагнетиках определяют их анизотропию. Классическая физика не могла объяснить каким образом электрическое взаимодействие может привести к Ф Только квантовая механика позволила понять тесную внутреннюю связь между результирующим моментом системы электронов и их электростатическим взаимодействием, которое принято называть обменным взаимодействием.

Необходимым условием Ф является наличие постоянных (независящих от Н) (спиновых или орбитальных, или обоих вместе) моментов электронных оболочек ферромагнетиков. Это выполняется в построенных из переходных элементов ( с недостроенными внутренними электронными слоями). Различают 4 основных случая:

1) металлические (чистые металлы, сплавы и интерметаллические соединения) на основе переходных элементов с недостроенными d-cлоями (в первую очередь 3d-cлоем у элементов группы 2) металлические на основе переходных элементов с недостроенными f-cлоями (редкоземельные элементы с недостроенным 4f-cлоем); 3) неметаллические соединения при наличии хотя бы одного компонента из переходных d- или f-элементов; 4) сильно разбавленные растворы переходных d- или f-металлов в диамагнитной металлической матрице. Появление в этих четырех случаях порядка обусловлено обменным взаимодействием.

В неметаллических веществах (случай 3) это взаимодействие чаще всего носит косвенный характер, при котором порядок электронов недостроенных d-или f-cлоев в ближайших соседних парамагнитных ионах устанавливается при активном участии электронов внешних замкнутых слоев ионов (например, ^2-, ^2-, ^2- и т.п.), расположенных обычно между ионами (см. Ферримагнетизм). Как правило, здесь возникает антиферромагнитный порядок, который приводит либо к компенсированному антиферромагнетизму, если в каждой элементарной ячейке суммарный момент всех ионов равен нулю, либо к ферримагнетизму – если этот суммарный момент не равен нулю. Возможны случаи, когда взаимодействие в неметаллических носит ферромагнитный характер (все моменты параллельны), например , ₂₄, ₃ и др.

Общим для типа 1, 2, 4 является наличие в них системы коллективизированных электронов проводимости. Хотя в этих системах и существуют подмагничивающие обменные взаимодействия, но, как правило, порядка нет, а имеет место парамагнетизм паулевского типа, если он сам не подавлен более сильным диамагнетизмом ионной решетки. Если все же порядок возникает, то в случаях 1, 2 и 4 он различен по своему происхождению. Во втором случае 4f"-cлои имеют очень малый радиус по сравнению с параметром решетки. Поэтому здесь невозможна прямая обменная связь даже у ближайших соседних ионов. Такая ситуация характерна и для четвертого случая. В обоих этих случаях обменная связь носит косвенный характер, осуществляют ее электроны проводимости. В четвертом типе ферромагнетиков (в отличие от случаев 1, 2, 3) порядок не обязательно связан с порядком. Часто эти ферромагнетики представляют собой в отношении аморфные системы с неупорядоченно распределенными по решетке ионами, обладающими моментами (т. н. спиновые стекла).

Наконец, в 1-го типа электроны, принимающие участие в создании порядка, состоят из бывших 3d- и 4s-электронов изолированных В отличие от 4f"-cлоев редкоземельных ионов, имеющих очень малый радиус, более близкие к периферии 3d-электроны группы испытывают практически полную коллективизацию и совместно с 4s-электронами образуют общую систему электронов проводимости. Однако в отличие от нормальных (непереходных) металлов, эта система в d-металлах обладает гораздо большей плотностью энергетических уровней, что благоприятствует действию обменных сил и приводит к появлению намагниченного состояния в , Со, и в их многочисленных сплавах.

Конкретные теоретические расчеты различных свойств ферромагнетиков проводятся как в квазиклассическом феноменологическом приближении, так и с помощью более строгих квантовомеханических моделей. В первом случае обменное взаимодействие, приводящее к Ф, учитывается введением эффективного молекулярного поля (Б. Л. Розинг, 1897; П. Вейс, 1907), энергия которого квадратично зависит от J:

= -NA (J_slJ_s0)²

где – число в образце, А – постоянная молекулярного поля (А > 0), J_s0 – намагниченность насыщения при абсолютном нуле температуры. Уточнение этой трактовки Ф дала квантовая механика, раскрыв электрическую обменную природу постоянной А (Я. И. Френкель, В. Гейзенберг, 1928). В частности, при низких температурах (Т < Q) удалось провести более точный квантовый расчет (Ф Блох, 1930), показавший, что уменьшение самопроизвольной намагниченности J_s0 ферромагнетика с ростом температуры можно в первом приближении описывать как возникновение элементарных возбуждений – квазичастиц, носящих название спиновых волн или ферромагнонов. Каждый ферромагнон дает уменьшение J_s0 на величину момента одного узла решетки. Число ферромагнонов растет с нагреванием ферромагнетика пропорционально T^3/2, поэтому температурная зависимость J_s имеет вид:

J_s = J_s0(1 - aT^3/2),

где коэффициент (имеет порядок 10^-6К^-3/2 и зависит от параметра обменного взаимодействия.

В отсутствие внешнего поля (Н = 0) термодинамически устойчивому состоянию макроскопического ферромагнитного образца отвечает размагниченное состояние, ибо в противном случае на поверхности образца, как правило, возникают полюсы, создающие т. н. размагничивающее поле ₀, с которым связана большая положительная энергия. В то же время обменное взаимодействие стремится создать порядок с J ¹ 0. В результате борьбы этих противоположных тенденций происходит разбиение ферромагнитного образца на домены – области однородной намагниченности. Теория Ф качественно определяет размеры и форму доменов, которые зависят от конкуренции различных взаимодействий в ферромагнетика (Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц, 1935). Равновесная структура доменов при J = 0 отвечает замкнутости потоков внутри образца. Между доменами существуют переходные слои конечной толщины, в которых J_s непрерывно меняет свое направление. На образование этих слоев затрачивается положительная энергия, но она меньше энергии поля ₀, которая возникла бы в отсутствие доменов. При некоторых критически малых размерах ферромагнитных образцов образование в них нескольких доменов может стать энергетически невыгодным, и тогда такие мелкие ферромагнитные частицы оказываются при Т < Q однородно намагниченными (т. н. однодоменные частицы).

Кривые намагничивания и петли гистерезиса в ферромагнетиках определяются изменениями объема доменов с различными ориентациями J_sв них за счет смещения границ доменов, а также вращения векторов J_s доменов (см. Намагничивание). восприимчивость ферромагнетиков можно приближенно представить в виде суммы: c = c_смещ + c_вращ. анализ кривых намагничивания J () показывает, что в слабых полях c_смещ > c_вращ, а В сильных (после крутого подъема кривой) c_вращ > c_смещ. Особый характер имеют процессы намагничивания и распределение намагниченности в магнитных тонких пленках. Из-за чувствительности доменной структуры и процессов намагничивания к строению общая количественная теория кривых намагничивания ферромагнетиков пока находится в незавершенном состоянии. Обычно для определения зависимости J (Н) пользуются качественными физическими представлениями, лишь в случае идеальных монокристаллов в области, где c_вращ > c_смещ., возможен строгий количественный расчет (Н. С. Акулов, 1928).

Теория кривых намагничивания и петель гистерезиса важна для разработки новых и улучшения существующих магнитных материалов.

Связь Ф с многими немагнитными свойствами вещества позволяет по данным измерений свойств получить информацию о различных тонких специфических особенностях электронной структуры Поэтому Ф интенсивно исследуют на электронном и ядерном уровнях, применяя электронный ферромагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс, Мессбауэра эффект, рассеяние на ферромагнитных различного типа корпускулярных излучений (с учетом влияния моментов взаимодействующих частиц) и т.д. В 70-е гг. 20 в. возникли интересные контакты Ф с физикой элементарных частиц и астрофизикой. Здесь следует упомянуть об изучении в ферромагнетиках явлений аннигиляции позитронов, образования мюония и позитрония (см. Позитрон), рассеяния мюонов, а в астрофизике – о проблеме магнетизма нейтронных звезд (пульсаров).

Лит.: Акулов Н. С., Ф, М. – Л., 1939; Бозорт Р., Ф, пер. с англ., М., 1956; Вонсовский С. В., Шур Я. С., Ф, М. – Л., 1948; Дорфман Я. Г., свойства и строение вещества, М., 1955; Туров Е. А., Физические свойства М., 1963; Теория ферромагнетизма металлов и сплавов. Сб., пер. с англ., М., 1963; Ахиезер А. И., Барьяхтар В. Г., Пелетминский С. В., Спиновые волны, М., 1967: Туров Е. А., Петров М. П., Ядерный резонанс в ферро- и антиферромагнетиках, М., 1969; Сверхтонкие взаимодействия в твердых телах, пер. с англ., М., 1970; Вонсовский С. В., Магнетизм. М., 1971; Becker R., Doring ., Ferromagnetismus, ., 1939; Kneller E., Ferromagnetismus, ., 1962; Magnetism, v. 1–4, . . – L., 1963–66; Amorphous magnetism, L. – . ., 1973; Goodenough J. ., Magnetism and the Chemical Bond, . . – L., 1963.

С. В. Вонсовский.

		Новости 21.11.2024 11:38:47

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.