birmaga.ru
добавить свой файл

  1 2 3 ... 25 26
эфф или при темп-pax Tк будут сильно проявляться магн. свойства в-ва, обус­ловленные внутр. вз-ствиями ат. носителей М. (т. н. «сильный» М. в-в). Наоборот, в областях H>>Hэфф или Т>к будут доминировать внеш. фак­торы — темп-pa или поле, подавляю­щие эффекты внутр. вз-ствия («слабый» М. в-в). Эта классификация формаль­на, т. к. не вскрывает физ. природы Hэфф и Tк. Для полного выяснения природы магн. свойств в-ва необхо­димо знать не только величину энер­гии вз по сравнению с T или H, но также и её физ. происхождение и хар-р магн. момента носителей (орби­тальный или спиновый). Если исклю­чить случай ядерного М., то в. элек­тронных оболочках атомов и молекул, а также в электронной системе конден­сированных в-в (жидкости, кристаллы) действуют два типа сил — электриче­ские и магнитные. Мерой электрич. вз-ствия может служить электростатич. энергия эл двух эл-нов, находя­щихся на ат. расстоянии a (a=10-8 см): эл2/а=2,57•10-11 эрг. Мерой магн. вз-ствия служит энергия связи двух микрочастиц, обладающих магн. мо­ментами б и находящихся на расстоя­нии а, т. е. магн~2Б/a310-15 эрг.


Т. о., эл превосходит энергию магн на три-четыре порядка. В связи с этим сохранение намагниченности ферро­магнетиками (Fe, Co, Ni) до темп-р T~1000К может быть обусловлено только электрич. вз-ствием, т. к. при энергии магн~10-16 эрг тепловое движение разрушило бы ориентирую­щее действие магн. сил уже при 1 К. Согласно квант. механике, наряду с кулоновским электростатич. вз-ствием заряж. ч-ц существует также чисто квантовое электростатическое обменное взаимодействие, зависящее от взаим­ной ориентации магн. моментов эл-нов. Эта часть вз-ствия, электростатическая по своей природе, оказывает существ. влияние на магн. состояние электрон­ных систем. В частности, это вз-ствие благоприятствует упорядоченной ори­ентации магн. моментов ат. носителей М. Верхний предел энергии обменного вз-ствия об~10-13 эрг.

Значение об>0 соответствует па­раллельной ориентации ат. магн. мо­ментов, т. е. самопроизвольной (спон­танной) намагниченности ферромагне­тиков. При об<0 имеет место тенден­ция к антипараллельной ориентации соседних магн. моментов, характер­ной для ат. магн. структуры антифер­ромагнетиков. В кристаллах сплавов

и соединении возможно т. н. смешан­ное обменное вз-ствие, когда между разл. узлами крист. решётки знаки об противоположны. Изложенное поз­воляет провести следующую физ. клас­сификацию магн. свойств в-в.

I. Магнетизм слабо взаимодействую­щих частиц (вз<<БH или вз<

Преобладание диамаг­нетизма. К в-вам с диамагн. св-вами относятся: а) все инертные газы, а также газы, атомы или молеку­лы к-рых не имеют собственного ре­зультирующего магн. момента. Их магн. восприимчивость отрицательна и очень мала по абс. величине [моляр­ная восприимчивость  порядка —(10-7—10-5)]; от темп-ры она прак­тически не зависит; б) органич. соеди­нения с неполярной связью, в к-рых молекулы или радикалы либо не имеют магн. момента, либо парамагн. эф­фект в них подавлен диамагнитным; у этих соединений  порядка —106 и также практически не зависит от темп-ры, но обладает заметной анизотропи­ей (см. Магнитная анизотропия); в) жидкие и крист. в-ва: нек-рые металлы (Zn, Au, Hg и др.); р-ры, сплавы и хим. соединения (напр., га­логены) с преобладанием диамагне­тизма ионных остовов (ионы, подоб­ные атомам инертных газов, Li+ , Ве2+ , Аl3+, Сl- и т. п.). М. этой груп­пы в-в похож на М. «классич.» диамагн. газов.


Преобладание парамаг­нетизма характерно: а) для свободных атомов, ионов и молекул, обладающих результирующим магн. моментом. Парамагнитны газы O2, NO, пары щелочных и переходных ме­таллов. Восприимчивость их ~10-3—10-5 и при не очень низких темп-рах и не очень сильных магн. полях (БH/kT<<1) не зависит от поля H, но существенно зависит от темп-ры — для  имеет место Кюри закон: =C/T, где С — постоянная Кюри; б) для ионов переходных элементов в жидкой фазе, а также в кристаллах при усло­вии, что магнитно-активные ионы сла­бо взаимодействуют друг с другом и их ближайшее окружение в конденсиров. фазе слабо влияет на их парамаг­нетизм. При условии БH/kT<<1 их восприимчивость  не зависит от H, но зависит от T — имеет место Кюри— Вейса закон: =С'/(Т-), где С' и  — константы в-ва; в) для ферро- и антиферромагн. в-в выше точки Кюри .

II. Магнетизм электронов проводи­мости в металлах и полупроводниках.

Парамагнетизм электро­нов проводимости (спино­вый парамагнетизм) наблюдается у щелочных (Li, К, Na и др.), щёлочно­земельных (Са, Cr, Ba, Ra) и переход­ных металлов (элементов с недостроен­ными 3d-, 4d- и 5d-оболочками, кроме Fe, Ni, Co и Mn, Cr). Восприимчивость их мала (~10-5), не зависит от поля и слабо меняется с темп-рой. У ряда металлов (Cu, Ag, Au и др.) этот пара-

магнетизм маскируется более сильным диамагнетизмом ионных остовов.

Диамагнетизм электро­нов проводимости в ме­таллах (Ландау диамагнетизм) присущ всем металлам, но в большин­стве случаев его маскирует либо более сильный спиновый электронный пара­магнетизм, либо диа- или парамагне­тизм ионных остовов.

Пара- и диамагнетизм электронов проводимо­сти в полупроводниках. По сравнению с металлами в ПП мало эл-нов проводимости, но число их растёт с повышением темп-ры;  в этом случае также зависит от Т.


М.сверхпроводников об­условлен электрич. токами, текущими в тонком поверхностном слое толщи­ной ~10-5 см. Эти токи экранируют толщу сверхпроводника от внеш. магн. полей, поэтому в массивном сверхпро­воднике при Tк магн. поле равно нулю (Мейснера эффект).

III. Магнетизм веществ с атомным магнитным порядком (вз>>БH или вз>>kT).

Ферромагнетизм имеет ме­сто в в-вах с положительной обменной энергией (об>0): в кристаллах Fe, Со, Ni, ряде РЗМ (Gd, Tb, Dy, Но, Er, Tm, Yb), в сплавах и соединениях с участием этих элементов, а также в сплавах Cr, Mn и в соединениях U. Для ферромагнетизма характерна са­мопроизвольная намагниченность при темп-pax T<, при T> ферромаг­нетики переходят либо в парамагнит­ное, либо в антиферромагн. состояние (последнее наблюдается, напр., в нек-рых РЗМ). Однако из опыта известно, что в отсутствии внеш. поля ферромагн. тела не обладают результирую­щей намагниченностью (если исклю­чить вторичное явление остаточной намагниченности). Это объясняется тем, что при H=0 ферромагнетик раз­бивается на большое число микроскопич. областей самопроизвольного на­магничивания — доменов. Векторы на­магниченности отд. доменов ориенти­рованы так, что суммарная намагни­ченность ферромагнетика равна нулю. Во внеш. поле доменная структура изменяется, ферромагн. образец при­обретает результирующую намагни­ченность (см. Намагничивание).

Антиферромагнетизм имеет место в в-вах с отрицательной обменной энергией (об<0): в кри­сталлах Cr и Mn, ряде РЗМ (Се, Pr, Nd, Sm, Eu), а также в многочисл. сое­динениях и сплавах с участием эле­ментов переходных групп.

Крист. решётка этих в-в разбивается на т. н. подрешётки магнитные, век­торы самопроизвольной намагничен­ности Jki к-рых либо антипараллельны (коллинеарная антиферромагн. связь), либо направлены друг к другу под углами, отличными от 0 и 180° (неколлинеарная связь, см. Магнитная структура атомная). Если суммар­ный момент всех магн. подрешёток в


358

антиферромагнетике равен нулю, то имеет место скомпенсиров. антиферро­магнетизм; если же имеется отличная от нуля разностная самопроизвольная намагниченность, то наблюдается нескомпенсиров. антиферромагнетизм, или ферримагнетизм, к-рый реализу­ется гл. обр. в кристаллах окислов металлов с крист. решёткой типа шпи­нели, граната, перовскита и др. мине­ралов (их наз. ферритами). Эти в-ва по электрич. св-вам — ПП и диэлект­рики, по магн. св-вам они похожи на обычные ферромагнетики. При нару­шении компенсации магн. моментов в антиферромагнетиках из-за слабого вз-ствия между ат. носителями М. в ряде случаев возникает очень малая самопроизвольная намагниченность в-в (~0,1% от обычных значений для ферро- и ферримагнетиков), к-рые наз. слабыми ферромагнетиками (напр., гематит -Fe2O3, карбонаты ряда металлов, ортоферриты; см. Слабый ферромагнетизм). Существует разли­чие в хар-ре ат. носителей магн.. мо­мента в ферро- и антиферромагнитных d- и f-металлах, металлич. сплавах и соединениях и непроводящих кри­сталлах. В d-металлах и сплавах осн. носителями ат. магн. момента явл. эл-ны бывшего недостроенного d-слоя взолиров. атомов. Обусловленный ими ферро- или антиферромагнетизм свя­зан с проявлением обменного вз-ствия в системе коллективизированных d-электронов.

В 4 f-металлах и диэлектрич. кри­сталлах упорядоченные ат. магн. структуры образованы магн. момен­тами, локализованными вблизи узлов крист. решётки, занятых магнитно-активными ионами.

Существует также упорядоченный М. в аморфных тв. телах (в переох­лаждённых жидкостях, т. н. металли­ческих стёклах), обладающих рядом специфич. св-в, отличных от магн. св-в крист. магнетиков.

Большой интерес представляют так­же в-ва, названные спиновыми стёк­лами, в к-рых имеется ат. упорядоче­ние, но отсутствует упорядочение ло­кализованных атомных спиновых или орбитальных магн. моментов.

Магн. состояние ферро- или анти­ферромагнетика во внеш. магн. поле Н определяется, помимо величины поля, ещё и предшествующими состояниями магнетика (магн. предысторией образ­ца). Это явление наз. гистерезисом. Магн. гистерезис проявляется в неод­нозначности зависимости J от Н (в наличии петли гистерезиса). Благода­ря гистерезису для размагничивания образца оказывается недостаточным устранить внеш. поле, при H=0 об­разец сохранит остаточную намагни­ченность Jr. Для размагничивания образца нужно приложить обратное магн. поле Нс, к-рое наз. коэрцитив­ной силой. В зависимости от значения Нс различают магнитно-мягкие мате­риалы (Hс<800 А/м или 10 Э) и маг­нитно-твёрдые, или высококоэрцитивные, материалы (Hс>4 кА/м или 50 Э). Jr и Нс зависят от темп-ры и, как пра­вило, убывают с её повышением, стре­мясь к нулю с приближением Т к 0.


Научные и технические проблемы магнетизма. Осн. науч. проблемами совр. учения о М. являются: 1) выяс­нение природы обменного вз-ствия и вз-ствий, обусловливающих анизотро­пию в разл. типах магнитоупорядоченных кристаллов; объяснение спектров элем. магн. возбуждений (магнонов) и механизмов их вз-ствия между со­бой, а также с фононами, эл-нами проводимости и др.; 2) создание тео­рии перехода из парамагнитного в ферромагн. состояние. Исследование М. в-в применяется как средство изу­чения хим. связей и структуры моле­кул (магнетохимия). Изучение диа- и парамагн. св-в газов, жидкостей, р-ров, соединений в тв. фазе позволяет разобраться в деталях физ. и хим. процессов, протекающих в этих телах, и в их структуре. Изучение магн. динамич. хар-к (магнитного резонанса и релаксац. процессов) помогает понять кинетику многих физ. и физ.-хим. процессов в разл. в-вах. Интенсивно развивается магнитобиология.

К важнейшим проблемам М. косм. тел относятся: выяснение происхож­дения магн. полей Земли, планет, Солнца, звёзд (в частности, пульса­ров), внегалактич. радиоисточников (радиогалактик, квазаров и др.), а также роли магн. полей в косм. пр-ве.

Проблемы техн. применения М. вхо­дят в число важнейших проблем элек­тротехники, радиотехники, электро­ники, приборостроения и вычислит. техники, навигации, автоматики и те­лемеханики. В технике широкое при­менение нашли магн. дефектоскопия и магн. методы контроля. Магнитные материалы идут на изготовление магнитопроводов генераторов, моторов, трансформаторов, реле, магн. усили­телей, элементов магн. памяти, стре­лок компасов, лент магн. записи и т. д.

Историческая справка. Первые пись­менные свидетельства о М. (Китай) имеют более чем двухтысячелетнюю давность. В них упоминается о при­менении естеств. пост. магнитов в кач-ве компасов. В работах древнегреч. и римских учёных есть упомина­ние о притяжении и отталкивании магнитов и о намагничивании в при­сутствии магнита железных опилок (напр., у рим. поэта и философа-мате­риалиста Лукреция в поэме «О при­роде вещей», 1 в. до н. э.). В эпоху средневековья в Европе стал широко применяться магн. компас (с 12 в.), были предприняты попытки эксперим. изучения св-в магнитов разной формы (франц. учёный Пьер де Марикур, 1269). Результаты исследований М. в эпоху Возрождения были обобщены в труде англ. физика У. Гильберта «О магните, магнитных телах и о боль­шом магните — Земле» (1600). Гиль­берт показал, в частности, что Земля — магн. диполь, и доказал невозможность разъединения двух разноимён­ных полюсов магнита. Далее учение о М. развивалось в работах франц. учёного Р. Декарта, рус. учёного Ф. Эпинуса и франц. физика Ш. Куло­на. Декарт был автором первой под­робной метафиз. теории М. и геомаг­нетизма («Начала философии», ч. 4, 1644); он исходил из существования особой магн. субстанции, обусловли­вающей своим присутствием и движе­нием М. тел.


В трактате «Опыт теории электри­чества и магнетизма» (1759) Эпинус подчеркнул аналогию между электрич. и магн. явлениями. Эта аналогия, как показал Кулон (1785—89), имеет определённое количеств. выражение: вз-ствие точечных магн. полюсов под­чиняется тому же закону, что и вз-ст­вие точечных электрич. зарядов (Ку­лона закон). В 1820 дат. физик X. Эр­стед открыл магн. поле электрич. тока. В том же году франц. физик А. Ампер установил законы магн. вз-ствия токов, эквивалентность магн. св-в кругового тока и тонкого плоско­го магнита; М. он объяснял существо­ванием мол. токов. В 30-х гг. 19 в. нем. учёные К. Гаусс и В. Вебер раз­вили матем. теорию геомагнетизма и разработали методы магн. измерений.

Новый этап в изучении М. начи­нается с работ англ. физика М. Фара­дея, к-рый дал последоват. трактовку явлений М. на основе представлений о реальности эл.-магн. поля. Ряд важнейших открытий в области элек­тромагнетизма (эл.-магн. индукция — Фарадей, 1831; правило Ленца — Э. X. Ленц, 1833, и др.), обобщение открытых эл.-магн. явлений в трудах англ. физика Дж. К. Максвелла (1872), систематич. изучение св-в фер­ромагнетиков и парамагнетиков (А. Г. Столетов, 1872; франц. физик П. Кюри, 1895, и др.) заложили осно­вы совр. макроскопич. теории М.

Изучение М. на микроскопич. уров­не стало возможно после открытия электронно-ядерной структуры атомов. На основе классич. электронной тео­рии голл. физика X. А. Лоренца франц. учёный П. Ланжевен в 1905 построил теорию диамагнетизма, а также квазиклассич. теорию парамаг­нетизма. В 1892 рус. учёный Б. Л. Розинг и в 1907 П. Вейс (Франция) вы­сказали идею о существовании внутр. мол. поля, обусловливающего св-ва ферромагнетиков. Открытие электрон­ного спина и его М. (С. Гаудсмит, Дж. Ю. Уленбек, США, 1925), созда­ние квант. механики привели к раз­витию квант. теории диа-, пара- и фер­ромагнетизма. На основе квантовомеханич. представлений (пространств. квантования) франц. физик Л. Бриллюэн в 1926 нашёл зависимость намаг­ниченности парамагнетиков от внеш. магн. поля и темп-ры. Нем. физик Ф. Хунд в 1927 провёл сравнение экс-


359

перим. и теор. значений эфф. магн. моментов ионов в разл. парамагн. солях, что привело к выяснению влия­ния электрич. полей парамагн. кри­сталла на «замораживание» орбит. моментов ионов. Исследования этого явления позволили установить, что намагниченность кристалла опреде­ляется почти исключительно спиновы­ми моментами (У. Пенни и Р. Шлапп; Дж. ВанФлек, США, 1932). В 30-х гг. была построена квантовомеханич. тео­рия магн. св-в свободных эл-нов (пара­магнетизм Паули, 1927; Ландау диа­магнетизм, 1930). Существ. значение для дальнейшего развития теории пара­магнетизма имело предсказанное Я. Г. Дорфманом (1923) и затем открытое Е. К. Завойским (1944) явление элек­тронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Созданию квант. теории ферромаг­нетизма предшествовали работы нем. физика Э. Изинга (1925, двухмерная модель ферромагнетиков), Я. Г. Дорфмана (1927, им была доказана немагн. природа мол. поля), нем. физика В. Гейзенберга (1926, квантовомеханич. расчёт атома гелия), нем. физиков В. Гейтлера и Ф. Лондона (1927, рас­чёт молекулы водорода). В двух по­следних работах был использован от­крытый в квант. механике эффект об­менного взаимодействия эл-нов (П. Ди­рак, Великобритания, 1926) в оболоч­ке атомов и молекул и установлена его связь с магн. св-вами электронных систем, подчиняющихся Ферми — Ди­рака статистике (Паули принцип). Квант. теория ферромагнетизма была начата работами Я. И. Френкеля (1928, коллективизиров. модель) и Гейзенберга (1928, модель локализов. спинов). Рассмотрение ферромагнетиз­ма как квантового кооперативного явления (амер. физики Ф. Блох, Дж. Слейтер, 1930) привело к открытию спиновых волн. В 1932—33 франц. фи­зик Л. Неель и Л. Д. Ландау пред­сказали существование антиферромагнетизма. Изучение новых классов магн. в-в — антиферромагнетиков и ферритов — позволило глубже понять природу М. Была выяснена роль магнитоупругой энергии в происхожде­нии энергии магн. анизотропии, по­строена теория доменной структуры и освоены методы её эксперим. изуче­ния.


Развитию теории М. в значит. мере способствовало создание новых экс­перим. методов исследования в-в. Нейтронографич. методы позволили оп­ределить типы ат. магн. структур. Ферромагнитный резонанс, первона­чально открытый и исследованный в работах В. К. Аркадьева (1913), а затем Дж. Гриффитса (США, 1946), и антиферромагнитный резонанс (К. Гортер и др., 1951) позволили начать эксперим. исследования процессов магн. релаксации, а также дали независимый метод определения эфф. по­лей анизотропии в ферро- и антиферро­магнетиках. Физ. методы исследова­ний, основанные на явлении ядерного магнитного резонанса (Э. Пёрселл и др., США, 1946) и Мёссбауэра эффек­те (1958), значительно углубили зна­ния о распределении спиновой плотно­сти в в-ве, особенно в металлич. ферромагнетиках. Наблюдение рас­сеяния нейтронов и света позволили для ряда в-в определить спектры спи­новых волн. Параллельно с эксперим. работами развивались и разл. аспекты теории М.: магн. симметрии кристал­лов, ферромагнетизма коллективизи­рованных эл-нов, фазовых переходов II рода и критических явлений, а также модели одномерных и двухмерных фер­ро- и антиферромагнетиков.

Успехи в изучении природы магн. явлений позволили осуществить син­тез новых перспективных магн. мате­риалов: ферритов для ВЧ и СВЧ уст­ройств, высококоэрцитивных соеди­нений типа SmCo5 (см. Магнит по­стоянный), прозрачных ферромагне­тиков, аморфных магнетиков (в т. ч. спиновых стёкол, в к-рых наблюдает­ся беспорядочное распределение ори­ентации ат. магн. моментов по узлам крист. решётки), ферро- и антиферро-магн. аморфных материалов (т. н. ме­таллических стёкол, или метглассов) и др.

• Т а м м И. Е., Основы теории электриче­ства, 9 изд., М., 1976; Л а н д а у Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Электродинамика спло­шных сред, М., 1959; Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; К и т т е л ь Ч., Введение в физику твердого тела, пер. с англ., М., 1978; Уайт Р.-М., Квантовая теория магнетизма, пер. с англ., М., 1972; Б о з о р т Р., Ферромагнетизм, пер. с англ., М., 1956; М а т т и с Д., Теория магнетизма. Введение в изучение кооперативных явлений, пер. с англ., М., 1967.

С. В. Вонсовский.



<< предыдущая страница   следующая страница >>