Магнитное упорядочение

Магнитное упорядочение

Магнитное упорядочение (упорядоченное пространственное расположение магнитных моментов) наиболее изучено в твердых телах, обладающих дальним порядком в расположении атомов и кристаллической решеткой, в узлах которой периодически располагаются атомы с магнитными моментами. Физики и материаловеды интенсивно изучают также физические (в том числе и магнитные) свойства аморфных материалов, где существует только ближний порядок в расположении атомов. К ним относятся, в частности, металлические сплавы, получаемые быстрой закалкой из жидкого состояния (металлические стекла). Аморфная структура этих материалов характеризуется неупорядоченным расположением атомов, что приводит иногда к сильным изменениям их магнитных и других физических свойств по сравнению с их кристаллическими аналогами.

Простейшая интерпретация физических механизмов, ответственных за упорядоченное пространственное расположение магнитных атомных моментов в твердых телах, основывается на следующих представлениях. Прежде всего надо отметить, что необходимым условием такого упорядочения является наличие у атомов собственных магнитных моментов, благодаря чему возможно образование спонтанного магнитного момента даже при отсутствии магнитного поля. В магнетиках, где существуют только магнитные моменты, локализованные на атомах, магнитный момент образца M складыва­ется из магнитных моментов атомов mi (i — номер атома)

где суммирование ведется по всем магнитным атомам. Намагниченность есть магнитный момент единицы объема V

Часто рассматривают удельную намагниченность а — магнитный момент на 1 г вещества. Внешнее магнитное поле создает дополнительную намагниченность за счет ориентации магнитных моментов и индуцирования диамагнитного момента. Эта намагниченность складывается со спонтанной. Кроме того, магнитное поле может деформировать и даже разрушать магнитную структуру.

В общем случае намагниченность образца не может быть получена как сумма магнитных моментов изолированных и невзаимодействующих ионов, поскольку в металлах и сплавах большую роль играет коллективизация электронов, которые образуют магнитный момент электронной подсистемы. В кристаллических и аморфных веществах сильное взаимодействие между электронами внешних (или валентных) оболочек соседних атомов приводит к образованию энергетической зоны делокализован-ных электронных состояний.

Величина намагниченности, измеренной при определенной температуре, зависит не только от значений атомных магнитных моментов, но и от взаимодействий между ними. Магнитного взаимодействия магнитных моментов недостаточно, чтобы объяснить наблюдающиеся на опыте значения температур Кюри ферромагнетиков. Теплового дви­жения при температурах в десятые доли Кельвина уже достаточно, чтобы разрушить магнитное упорядочение за счет магнитного взаимодействия.

Другое необходимое условие магнитного упорядочения заключается в наличии в твердых телах обменного взаимодействия. Оно является частью электростатического взаимодействия, зависящего от ориентации спинов взаимодействующих электронов. Обменное взаимодействие возникает благодаря квантовомеханическим эффектам и из­меняется с расстоянием между магнитными ионами. Взаимное геометрическое расположение ионов также оказывает влияние на его величину.

Ферромагнитное упорядочение

Ферромагнетиками называются вещества, которые имеют спонтанный магнитный момент даже в отсутствие магнитного поля. Это означает, что в таких веществах элементарные магнитные моменты отдельных ионов ориентированы параллельно друг другу. Для того, чтобы в кристалле, содержащем атомы или ионы с отличным от нуля спиновым моментом, возникла спонтанная намагниченность, должны существовать достаточно сильные взаимодействия между этими моментами, способствующие их магнитному упорядочению. Существует два основных типа таких взаимодействий: классическое диполь-диполъное взаимодействие между двумя магнитными моментами и обменное взаимодействие. Диполь-дипольное взаимодействие обусловлено магнитными полями, которые создаются магнитными моментами атомов, окружающими

данный атом. Это взаимодействие всегда существует в веществах, содержащих атомы или ионы с отличными от нуля магнитными моментами, независимо от того, спиновые это моменты или орбитальные.

Оценим энергию диполь-дипольного взаимодействия двух магнитных моментов, находящихся на расстоянии г друг от друга:

где а0 — радиус Бора. Типичные расстояния между магнитными атомами в кристалле составляют значения , и оценка энергии диполь-дипольного взаимодействия дает .

Из этой оценки видно, что диполь-дипольные взаимодействия между магнитными моментами могут способствовать их взаимной упорядоченной ориентации только при очень низких темпе -ратурах — около 1 К. Однако, в реальных веществах с упорядоченной магнитной структурой ферромагнитное, ферримагнитное и антиферромагнитное состояния возникают и при высоких температурах в несколько сотен Кельвинов. В табл. 12.1 даны температуры фазовых переходов в некоторых ферромагнетиках (Tс), ферри- (Tс f) и антиферромагнетиках (TN).

Таблица 12.1. Температуры фазовых переходов в ферромагнитное Тс, ферримагнитное Тс f ) и антиферромагнитное TN состояния

Второй тип взаимодействия между магнитными ионами, а именно, обменное взаимодействие, приводит к возникновению магнитоупорядоченных стру

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать