ниться под влиянием существенного изменения характера рас пределения энергии. Например, тепловая энергия стремится привестй магнетоны к условиям, при которых их ориентации распределены случайным образом, тогда как обменные силы стремятся поддерживать определенное устойчивое распределе ние ориентаций. Вследствие того что обменные силы имеют при близительно постоянное значение, а тепловые силы увеличива ются при повышении температуры, существует такое значение температуры, ниже которого преобладают обменные силы, а выше — тепловые. В результате этого все вещества, содержащие неспаренные электроны со спином, при температурах ниже не которого критического значения подвержены обменному эффекту определенного типа, а при температурах выше этого значения являются парамагнитными. Такая критическая температура аналогична точке плавления твердого тела.
3.15.ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ МАГНЕТОНОВ
Уантиферромагнитных веществ обменные силы способствуют магнетонам в их взаимном объединении в совокупности с по лярным противодействием. Как показано на рис. 3.6, здесь маг
нетоны образуют структуру с «нормальным противодействием» |
|
в противоположность структуре |
со случайным распределением |
в парамагнитных веществах, показанной на рис. 3.3. |
|
Магнитная проницаемость |
антиферромагнитного вещества |
положительна, но она меньше по абсолютной величине, чем маг нитная проницаемость парамагнитного вещества при тех же условиях. Это объясняется тем, что отсутствуют обменные силы, которые ограничивали бы реакцию парамагнитных магнетонов, тогда как антиферромагнитные обменные силы стремятся пред отвратить реакцию магнетонов на приложенное поле и усиление этого поля. Однако относительно небольшая часть антиферро магнитных магнетонов все же реагирует на приложенное поле, если под его влиянием изменяется соотношение между числен ностями популяций, ориентированных параллельно и антипа раллельно приложенному полю. Как и в условиях, иллюстри руемых на рис. 3.4, чем сильнее приложенное поле, тем больше число магнетонов, ориентированных в направлении поля, и тем меньше число магнетонов, поддерживающих противоположное, антиферромагнитное направление.
Условия «нормального противодействия» постепенно нару-
Рис. 3.6. Антиферромагнитные магнето ны. В антиферромагнитных веществах магнитные эффекты проявляются ми нимально, когда магнетоны, упорядо ченные по ориентациям, образуют про тиводействующие пары:
Аптрерромаг/,^
вещество ШОе
| — магнетон
шаются при повышении температуры до уровня, где тепловая энергия становится равной обменной энергии. При дальнейшем повышении температуры это нарушение происходит очень быстро до полного подавления обменных сил. Такое состояние веще ства достигается при определенном значении температуры, по лучившем название температуры Нееля.
Магнитная проницаемость антиферромагнитного вещества увеличивается с повышением температуры и достигает макси мума при температуре Нееля. При более высоких температурах вещество становится парамагнитным, и с дальнейшим повыше нием температуры магнитная проницаемость уменьшается, так же как у всех парамагнитных веществ.
3.16.ИНДИВИДУАЛЬНО-КОСОУГОЛЬНОЕ ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ
Уантиферромагнитных веществ соседние магнетоны ориен тированы прямо противоположно друг к другу, т. е. каждый магнетон направлен под углом 180° к каждому из ближайших соседей. Общий результат такой ориентации заключается в пол ной компенсации элементарных магнитных полей — получается нулевое магнитное поле для каждого элементарного объема.
Вслучае трехмерной кристаллической структуры может су ществовать устойчивое распределение ориентаций магнетонов,
при котором угол между направлениями соседних магнетонов отличается от 180°, причем магнитное поле для каждого эле ментарного объема вещества остается равным нулю. Это явле ние называется гелимагнетизмом.
При изменении внешнего магнитного поля или температуры обменная магнитная восприимчивость гелимагнитных веществ изменяется аналогично магнитной восприимчивости антиферро магнитных веществ. Иными словами, гелимагнетизм также исчезает при температуре Нееля.
3.17. ГРУППОВОЕ ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ МАГНЕТОНОВ
Магнетоны ферромагнитных веществ объединены в группы. Домен Вейсса — это область вещества, в которой под влиянием обменных сил оси всех магнетонов ориентированы в одном и том же направлении. Здесь происходит «самоусиление» магнетонов в отличие от общего противодействия при случайной ориентации магнетонов в парамагнитных веществах или же ориентации их с индивидуальным противодействием в антиферромагнитных веществах.
Доменом называют область вещества, обладающую некоторой суммарной магнитодвижущей силой. Все магнитодвижущие силы, порождаемые отдельными магнетонами одного и того же домена, суммируются, так как все эти магнетоны ориентированы в одном направлении.
Рис. 3.7. Ферромагнитные магнетоны. |
Ферромагнитное |
||
В ферромагнитных |
веществах магне |
вещество |
|
тоны упорядочены по ориентациям в |
|
||
пределах групп, причем группы распо |
|
||
ложены так, что между их магнитными |
|
||
полями |
создается |
противодействие, |
|
сводящее к минимуму проявление маг |
|
||
нитных эффектов: |
|
|
|
|
{ — маги |
|
|
Если |
бы отдельный домен мог |
существовать сам по себе, |
|
т. е. изолированно от остальных частей данного тела, то нужно было бы поддерживать магнитное поле, простирающееся за его границы. Это потребовало бы довольно больших затрат энер гии, которые обычно не могут быть обеспечены относительно небольшими обменными силами. Однако при формировании внутри одного кристалла нескольких доменов взаимное влияние между ними приводит к минимизации поля вне кристалла. Как показано на рис. 3.7, магнетоны в пределах каждого домена, или группы, имеют одинаковые ориентации, но сами эти группы расположены так, что обеспечивается полярное противодействие.
В ферромагнитных кристаллах содержится определенное число доменов, магнитные поля которых ориентированы в направлениях взаимного противодействия. Такая структура чувствительна к температуре, так как относительно небольшие обменные силы подвержены тепловому влиянию. При значении температуры, обеспечивающем равенство тепловой и обменной энергий, групповое взаимодействие магнетонов нарушается, и вещество становится парамагнитным. Для ферромагнитных веществ это происходит при значении температуры, которое называется температурой Кюри, или точкой Кюри.
3.18. СТЕНКИ ДОМЕНОВ
Границы, разделяющие домены, называются стенками Блоха. Они совсем не являются воображаемыми поверхностями; напро тив, это физические области, ширина которых достигает несколь ких сотен атомных расстояний. Все магнетоны внутри одного домена направлены в одну и ту же сторону, тогда как в стенке каждый магнетон имеет свое собственное направление, несколько отличающееся от направлений соседних магнетонов. Как показано на рис. 3.8, ориентации осей магнетонов в стенке постепенно изменяются, переходя от направления, характерного для одного домена, к направлению, характерному для соседнего домена.
Чем больше угол между смежными магнетонами в стенке, тем большая требуется сила, чтобы противодействовать обмен ным силам, обеспечивающим самоупорядочение ориентаций магнетонов. Чем меньше домены, тем больше углы между
Рис. 3.8. Стенка Блоха. Между двумя группами упорядоченных по ориента циям ферромагнитных магнетонов существует так называемая стенка — об ласть, на протяжении которой наблюдается постепенное изменение ориентаций магнетонов от ориентации, свойственной одной из соседних групп, к ориентации, свойственной другой группе:
| — магнетон
магнетонами стенки, тогда как в случае больших доменов труднее достичь взаимной компенсации их магнитных полей. Силы, возникающие в стенке, стремятся по возможности увели чить размеры каждого домена, а силы, обеспечивающие взаим ную компенсацию полей, стремятся минимизировать эти размеры. Действительные размеры доменов, так же как и направление магнетонов каждого домена, устанавливаются на основе ком промисса, или равновесия между обменными силами, силами поддержания угла между направлениями магнетонов стенок и силами минимизации внешних полей.
Каждый данный ферромагнитный кристалл находится в состоянии равновесия, когда все силы взаимно уравновешива ются. В этих условиях отсутствуют поперечные силы, приложен ные к стенке. Следовательно, стенка может быть легко смещена, если на нее воздействует сила, направленная под прямым углом к ее поверхностям. Например, если приложенная извне к какомулибо домену сила стремится изменить его размеры, расположение или ориентацию магнетонов, то стенки легко сдвигаются, при спосабливаясь к этим изменениям.
При перемещении стенки магнетон одного домена превра щается в магнетон стенки у одной стороны стенки, в то время как магнетон стенки превращается в магнетон другого домена у другой стороны стенки. После любого такого сдвига соотноше ние равновесия между углами направления магнетонов в стенке и обменными силами остается точно таким же, каким оно было до сдвига. Таким образом, к стенке не прикладывается какихлибо сил, стремящихся установить ее положение в простран стве, кроме сил минимизации внешнего поля.
Хотя стенки доменов легко перемещаются, все же может возникнуть сила, препятствующая этому перемещению. Она порождается эффектом Рейли — Эвинга. Поскольку эта сила
зависит от скорости движения, связанное с ней свойство веще ства называют магнитной вязкостью.
3.19.ОГРАНИЧЕНИЯ ДЛЯ КРИСТАЛЛОВ
Вкристаллической структуре возникают силы, стремящиеся
направить оси магнетонов вдоль одной из осей кристалла. В отсутствие других сил поле каждого домена принимает одно из предпочтительных направлений, характерных для кристалла. Например, кубический кристалл имеет шесть предпочтительных направлений. Такое явление называют магнитной анизо тропией. Оно представляет собой прямое следствие анизо тропии кристаллической решетки.
Силам, ориентирующим магнетоны в направлении осей кристалла, могут противодействовать другие силы, в результате чего магнетоны принимают ориентацию, отличающуюся от направления осей кристалла. Для того чтобы повернуть направ ления доменов против действия анизотропии кристалла, должна быть затрачена энергия кристаллографической магнитной
анизотропии.
При отсутствии внешней силы в ферромагнитных кристаллах формируется несколько доменов, каждый из которых ориенти рован в одном из предпочтительных направлений, с тем чтобы суммарное поле кристалла было минимальным.
Кроме того, магнитные поля порождаются разрывами непрерывной структуры вещества, такими, как границы между смежными кристаллами, поверхностями тела, дефекты в кристал лической решетке, посторонние включения и т. п. Эти магнито статические поля противодействуют самоупорядочению ориента ций магнетонов. Подобные отклонения от кристаллической сим метрии нарушают равновесие обменных сил и ослабляют спонтан ную тенденцию к формированию доменов.
Магнитостатические поля нарушают равенство угловых интервалов между осями магнетонов, которое наблюдается в стенках доменов, и уменьшают энергию, требуемую для под держания этих угловых интервалов в стенках. Вследствие этого для смещения стенки из любого положения, где имеется маг нитостатическое поле, нужна относительно большая сила.
3.20. МНОЖЕСТВЕННЫЕ ДОМЕНЫ
Именно понятие домена служит для объяснения отличия ферромагнетизма от парамагнетизма и диамагнетизма. В основе двух последних явлений лежат характерные особенности пове дения отдельных атомов и молекул, а в основе ферромагне тизма — поведение групп определенных типов атомов.
Размеры, форма, расположение и ориентация доменов опре-