Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Том 1 - Киршвинк Дж.
ISBN 5-03-001274-5
Скачать (прямая ссылка):
в образце, однако, как и другие термодинамические параметры (например, коэффициенты магнитокристаллической и магнитострикцион-ной анизотропии), она является функцией давления и температуры. Поэтому, приводя значения намагниченности насыщения, необходимо указывать давление и температуру, при которых проводились измерения.
В согласии с теорией ферримагнетизма, разработанной Неелем, намагниченность насыщения Js магнетита достигает максимального значения при О К, и соответствующий удельный магнитный момент составляет примерно 90Гс-см3/г. Температурная зависимость намагниченности насыщения магнетита (Pauthenet, 1950), приведенная на рис. 2.2, следует функции Бриллюэна, описывающей в квантовой механике эту зависимость (см., например, Cullity, 1972). Намагниченность Js обращается в нуль при температуре Кюри Тс, когда тепловая энергия кТс (к-постоянная Больцмана) становится равной энергии обменного взаимодействия. Температура Кюри, как и намагниченность насыщения, является, так сказать, «внутренней» характеристикой материала ферри-магнетика. По данным разных авторов, Тс магнетита лежит в интервале от 574 до 585°С. Определяют температуру Кюри просто по температурной зависимости Js, хотя для достижения состояния магнитного насыщения требуется поместить образец в сравнительно сильное магнитное поле ~ 104 Э, что из-за существования не исчезающего в точке Тс парамагнитного вклада в намагниченность затрудняет интерпретацию результатов измерений. Методы определения Тс сопоставлены в работе Moskowitz, 1981.
Нужно заметить, что, хотя ферримагнетизм магнетита хорошо описывается теорией Нееля, экспериментально полученное при Т = 4,2 К. значение Js, выраженное в магнетонах Бора, приходящихся на формульную единицу вещества (Fe304), и равное 4,1ц„, отличается от предсказываемой теорией величины 4,0 цв. Этот факт, вероятно, объяс-
Рис. 2.2. Зависимость намагниченности насыщения, нормированной на ее значение при 0К, У0 = 98,5 Гс см3/г, от температуры, выраженной в единицах температуры Кюри Тс = 847 К (Pauthenet, 1950).
няется дополнительным вкладом ионов Fe2+ , находящихся в октаэдрических положениях.
3.2. Анизотропия и магнитострикция
Если намагниченность насыщения можно считать «первичным» свойством магнетика, то магнито кристаллическая анизотропия-в некотором смысле «вторичное» свойство. Коэффициенты анизотропии характеризуют энергию, необходимую для поворота магнитного момента кристалла от «легкого» направления, вдоль которого энергия намагничивания минимальна, к «трудному», требующему наибольшей энергии. Наличие анизотропии обязано спин-орбитальному взаимодействию между спиновыми моментами атомов и кристаллической решеткой. Направления легкого и трудного намагничивания, вообще говоря, неодинаковы в разных магнитных минералах. В магнетите эти направления совпадают соответственно с осями [111] и [100] кубической элементарной ячейки, а промежуточное направление с осью [110]. Зависимость энергии намагничивания поля для кристалла магнетита, как и для других кубических кристаллов, дается формулой
ЕЛ = К^с^а2 + aja3 + а2а|) + К2а\ а2а2,
где К1 и К2 коэффициенты анизотропии первого и второго порядков, а а1; а2 и а3-направляющие косинусы вектора внешнего магнитного поля, т. е. направления намагничивания. При 300 К коэффициенты К1 и К2 для магнетита равны — 1,35 -105 и — 0,44-105 эрг/см3 соответственно. В размагниченном сферическом образце магнетита магнитные моменты доменов могут быть направлены вдоль восьми легких направлений, соответствующих четырем осям типа [111], а в достаточно сильном магнитном поле, например 3000 Э, достигается состояние насыщения, в котором остается один домен с моментом, почти совпадающим с осью [111]-ближайшей к направлению поля. Намагниченность однодоменного сферического образца может быть либо параллельна, либо антипараллельна одной из осей типа [111].
При намагничивании образцов магнитных материалов в них возникают напряжения, зависящие от направления и величины приложенного магнитного поля. Если направляющие косинусы вектора магнитного поля обозначить al, а2, а3, то магнитострикционная деформация X вдоль оси с направляющими косинусами , Р2 и Рз в кристалле с кубической симметрией будет определяться формулой
1 3
\ = — “^юо + 2^юо (ai Pi + 0-2 Рг + аз Рз) +
+ ЗХ1П К а2 (3, р2 + а1 а3 ^ (З3 + а2 а3 Р2 (З3).
Для магнетита коэффициенты магнитострикции A., u и А,00 равны соответственно 72,6 10-6 и — 19,5-10-6. Чтобы получить плотность
магнитострикдионной энергии, нужно умножить магнитострикционную деформацию на соответствующее напряжение. Магнитострикция поликристалла описывается одним коэффициентом
^ — (2^юо + ЗХ,щ)/5.
3.3. Температурные зависимости
Зависимость коэффициентов магнитокристаллической анизотропии и магнитострикции магнетита от температуры приводит к интересной температурной зависимости направления намагниченности. Основной вклад в указанные коэффициенты дает спин-орбитальное взаимодействие в ионах Fe2+ , сильно возрастающее при понижении температуры. В точке магнитной изотропии Тт = 118 К коэффициент К, меняет знак, и в многодоменном образце в этой точке доменные стенки размываются, а при отходе от нее восстанавливаются таким образом, что остаточная намагниченность исчезает. Это явление позволяет отличать многодоменные частицы магнетита от однодоменных и псевдооднодоменных (см., например, Levi, Merrill, 1976). Многодоменность можно также обнаружить по пику начальной восприимчивости при температуре магнитной изотропии (Senanayake, McElhinny, 1981; Murthy, Patzold, 1982).
