Справочник по физике для инженеров и студентов - Яворский Б.М.
ISBN 5-488-00330-4
Скачать (прямая ссылка):
9°. Намагниченность однородных тел простейшей формы в однородном внешнем магнитном поле напряженностью H0:
1) очень короткий цилиндр (Js 2>. I, I — длина цилиндра, S — площадь его поперечного сечения), ось которого параллельна H0:
В = B0 и H = 5? {см. п. 7°}; 1 = {ц-1}^ и ЛГ=1;
498
IV.9. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
2) очень длинный цилиндр (JS «SC I), ось которого параллельна H0:
H = H0 {см. п. 7°}; N = О; I = (ц- 1)Н0;
3) шар
H=^; JV=i; I - «(И-.!) H0. ц + 2 3 ц+2
6. ФЕРРОМАГНЕТИЗМ
1°. Ферромагнетиками называют твердые (как правило, кристаллические) вещества, которые при не слишком высокой температуре обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, сильно изменяющейся под влиянием внешних воздействий — магнитного поля, деформации, изменения температуры. Ферромагнетики, в отличие от слабо магнитных диа- и парамагнетиков, являются сильно магнитными средами, в которых собственное (внутреннее) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превосходить вызвавшее его внешнее магнитное поле.
2°. Большое значение намагниченности ферромагнетиков объясняется существованием в них «молекулярного» магнитного поля, обусловленного особым квантовомеханическим (обменным) взаимодействием нескомпенсированных спиновых магнитных моментов электронов атомов в кристаллических решетках ферромагнетиков. В результате этого взаимодействия устойчивым и энергетически выгодным состоянием системы электронов в кристалле является упорядоченное состояние с параллельной (ферромагнетизм) или антипараллельной (антиферромагнетизм) ориентацией спиновых магнитных моментов соседних атомов в решетке.
3°. Ферромагнетизм и антиферромагнетизм наблюдаются только у кристаллов переходных металлов — Fe, Co, Ni (ферромагнетизм), галоидных солей элементов группы железа, хрома, марганца и др. (антиферромагнетизм), в решетке которых имеются атомы с недостроенными электронными оболочками 3d или 4/,
IV.9.6. ФЕРРОМАГНЕТИЗМ
499
обладающими не равным нулю значением результирующего спинового магнитного момента.
4°. Ферромагнетизм (антиферромагнетизм) имеет место при условии положительного (отрицательного) значения обменного интеграла, характеризующего особое квантовое (обменное) взаимодействие между магнитными спиновыми моментами.
5°. Ферромагнетизм существует лишь при определенных параметрах кристаллической решетки. Расстояния между соседними атомами должны обеспечить необходимую величину перекрытия волновых функций электронных оболочек, такую, чтобы взаимодействие между соседними атомами привело к полной энергии системы электронов, обеспечивающей устойчивость ферромагнитного (или антиферромагнитного) состояния.
Условие ферромагнетизма выполняется лишь для тех кристаллов переходных металлов, для которых
- >1,5, где d — диаметр атома, а — диаметр незалол-а
ненной оболочки 3d (или 4f). Поэтому у элементов группы железа ферромагнетизм наблюдается лишь у
а-железа, кобальта и никеля. При - <1,5 обменный
а
интеграл отрицателен и упорядоченному расположению спинов соответствует их антипараллельная ориентация (п. 2°). В этом случае антиферромагнетизма магнитную структуру кристалла можно рассматривать как сложную, состоящую из двух подрешеток, намагниченных противоположно друг другу. Если магнитные моменты подрешеток численно равны, то спонтанная намагниченность кристалла не возникает. Если же они неодинаковы (различно число атомов или их природа), то появляется разность магнитных моментов подрешеток, приводящая к спонтанному намагничению кристалла — нескомпенсированный антиферромагнетизм или ферримагнетизм. Такими свойствами обладают, например, ферриты.
6°. Особые свойства ферро- и антиферромагнетиков обнаруживаются только при температурах, меньших соответственно Qk и Qak, называемых точками Кюри (температуру Qak часто называют точкой Нееля). При
500
IV 9. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
T < Gfc ферромагнитное тело разбито на домены — малые области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности до полного насыщения. В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов намагниченности различных доменов не совпадают и результирующая намагниченность всего тела может быть равна нулю.
7°. Монокристаллы ферромагнетиков обладают резко выраженной анизотропией магнитных свойств, которая проявляется в существовании направлений легчайшего и трудного намагничения. Число легчайших направлений зависит от кристаллографической структуры данного вещества. В отсутствие внешнего магнитного поля направление спонтанной намагниченности в каждом домене совпадает с одним из направлений легчайшего намагничения монокристалла или отдельного зерна поликристалла. Число доменов с различной ориентацией спонтанной намагниченности (число магнитных фаз) равно удвоенному числу осей легчайшего намагничения. Размеры доменов, их форма и местоположение границ между ними в отсутствие внешнего магнитного поля определяются из условий миинимума свободной энергии кристалла. Линейные размеры доменов составляют 10'5—KT4M.
8°. В переходном слое между двумя доменами, намагниченными в различных направлениях, который имеет конечную толщину (для Fe этот слой приближенно равен 300 периодам решетки), имеется неоднородность намагниченности. Этому слою соответствует свободная поверхностная энергия, равная внешней работе, затраченной на его образование. В равновесном размагниченном состоянии кристалла границы между доменами проходят по тем местам в кристалле, которые соответствуют условиям минимума свободной энергии кристалла и обеспечивают отсутствие в нем результирующей макроскопической намагниченности.