Рис. 3.9. Множественные доме ны (затемненные области). В ферромагнитных веществах каждая группа магнетонов обычно упорядочивает свою ори ентацию в направлении элек тростатических осей кристалла
деляются всей совокупностью сил, действующих в кристалли ческой системе, поскольку эти силы образуют общую конфигу рацию, соответствующую минимальной энергии. Максимальные размеры доменов лежат в диапазоне от нескольких микрометров до нескольких сантиметров в зависимости от геометрических характеристик процесса образования данного тела и условий окружающей среды. Обменные силы стремятся выстроить оси магнетонов домена в одном и том же направлении; энергия кристаллографической магнитной анизотропии определяет, каким должно быть это направление; наконец, требование минимизации внешнего магнитного поля заставляет несколько доменов объединиться в структуру, обеспечивающую компен сацию полей (рис. 3.9).
Энергия кристаллографической магнитной анизотропии облегчает намагничивание кристалла в направлении какой-либо его оси. Если кристаллы объединены в некоторую структуру совершенно случайным образом, то влияние предпочтительной направленности осей кристаллов утрачивается, и тело в целом обладает более или менее одинаковыми характеристиками по всем направлениям. Если же кристаллы организованы в струк туру с определенной регулярностью направления их осей, то тело легче намагничивается в одних направлениях, чем в других, поскольку проявляется анизотропия тела в целом.
Разные ферромагнитные материалы значительно различаются по своим магнитным характеристикам. К этим характеристикам относятся температуры Кюри, точки насыщения, магнитные проницаемости, коэрцитивные силы, гистерезисные потери и, в общем случае, размеры и формы петель гистерезиса. Соответ ствующие свойства веществ определяются их общим составом, наличием примесей, механическими деформациями, видом термической обработки, кристаллической структурой и ориен тацией осей кристаллов.
Для получения материалов с желаемыми характеристиками
в практических приложениях используют различные методы легирования и формовки.
3.21. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ
Специфическое объединение атомных частиц, характери зующихся определенным «коллективным поведением», обычно
называют фазой. |
Общеизвестны такие |
фазы, |
как твердое |
тело, жидкость и газ. Одно из проявлений |
свойств |
фазы — это |
|
характерная форма распределения энергии, устанавливающаяся на уровне атомных частиц.
Вещества принимают форму конкретной фазы при опреде ленных условиях внешней среды. В одном диапазоне изменения внешних условий устойчивой является какая-либо определенная фаза вещества, а в другом диапазоне она заменяется другой фазой. Между этими двумя диапазонами существует некоторая критическая переходная область.
Характеристики фазовых переходов многочисленных типов могут очень сильно различаться между собой. Некоторые пере ходы, например при взрыве, происходят очень быстро после их возбуждения с помощью небольшого приращения энергии. Тем не менее все фазовые переходы представляют собой непре рывные процессы, а не мгновенные скачки из одного состояния в другое. В действительности некоторые фазовые переходы развиваются при определенных устойчивых, воспроизводимых и обратимых режимах.
Как ферромагнитные, так и антиферромагнитные вещества при температурах выше критического значения обладают пара магнитными свойствами. Несколько ниже критической темпера туры имеется узкий температурный диапазон, в пределах кото рого вещество переходит из одной фазы в другую и в какой-то степени принимает характеристики обеих фаз.
Как в ферромагнитных, так и в антиферромагнитных веще ствах обменные силы стремятся упорядочить ориентации магне тонов, и в то же время тепловые силы стремятся нарушить эту упорядоченность. Температура тела, состоящего из определен ного вещества, равна среднему значению температур отдельных составляющих его частиц. Однако температура каждой конкрет ной частицы подчиняется закону распределения Ферми — Дирака, который зависит от температурного градиента. Кроме того, температура каждой частицы подвержена непрерывному изменению в пределах этого распределения. Среди этой бурной активности более горячие магнетоны теряют свои обменные силы при более низких температурах тела, чем холодные магнетоны. Разные магнетоны достигают критической температуры при несколько различающихся температурах тела.
Рисунок 3.4 иллюстрирует фазовый переход вещества из антиферромагнетика в парамагнетик, очень близкий к процессу
Г)7
упорядочения ориентаций магнетонов парамагнитного вещества в приложенном внешнем магнитном поле. На рис. 5.3 показано упорядочение ориентаций магнетонов при фазовом переходе от парамагнетика к ферромагнетику.
Другие формы перераспределения энергии также могут повлиять на обменные силы. Например, приложенное внешнее поле может вызвать ферромагнитные свойства у некоторых антиферромагнитных веществ. Метамагнетизм — это явление перехода от антиферромагнетизма к ферромагнетизму, когда одни магнетоны ориентированы по типу индивидуального противодей ствия, а другие — по типу доменного противодействия.
В любом случае, если условия существования одной фазы внезапно сменяются условиями существования другой фазы, то сам фазовый переход происходит с определенной времен ной задержкой.
3.22. ДВОЙНАЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА
Кристаллы химически чистых веществ имеют четко выражен ные решетчатые структуры в трехмерном пространстве. Если два вещества объединяются в результате растворения одного из них в другом, то может образоваться новый кристалл, в котором молекула каждого компонента занимает строго опреде ленное положение в решетке с более сложной структурой. Эта решетка может приобрести некоторый новый тип симметрии, поскольку ее можно представить в виде двух кристаллов разных веществ, совмещенных в одной и той же области пространства. Хотя на самом деле имеется не два, а только один кристалл, при определенных условиях одна из его подструктур может приобрести характеристики, отличающиеся от характеристик другой подструктуры.
Например, ферромагнитные обменные силы могут действо вать в этом случае отдельно, как-будто бы вместо одного кристалла были два. Тогда две различные совокупности маг нетонов по отдельности испытывают воздействие как своих собственных сил решетки, так и сил решетки растворителя. При таких условиях вещество называется ферримагнитным (или соответственно антиферримагнитным). На рис. 3.10, иллюстри рующем такую структуру, крупными стрелками изображены магнетоны одной решетки, более мелкими стрелками — магнетоны другой решетки.
Наличие двойной решетки теоретически открывает широкие возможности для образования структур с различными магнит ными свойствами, например, решеток, в которых оба кристалла являются ферромагнитными в одном и том же направлении или в противоположных направлениях, решеток с двумя кристал лами, обладающими индивидуальным антиферромагнетизмом, решеток, в которых кристаллы характеризуются различными
ццтиферримагнил7н0 |
ферромагнитное |
|
вещества |
°е |
вещество |
Рис. 3.10. Упорядочение ориентаций антнферримагнитных магнетонов. В отличие от антиферромагнитного вещества антиферримагннтное можно представить как состоящее из двух совокупностей магнетонов, распределенных в одном и том же пространстве, причем каждая совокупность независимо упорядочена по ориентациям при парном противодействии магнетонов:
| — магнетон первой решетки; | — магнетон второй решетки
Рис. 3.11. Упорядочение ориентаций ферримагиитных магнетонов. Ферримагнитное вещество содержит две совокупности ферромагнитных магнетонов, распределенных в одном и том же пространстве, но без парного противодей ствия, причем каждая совокупность упорядочивается по ориентациям так, чтобы обеспечивалось групповое противодействие магнетонов (как и в фер ромагнитных веществах)
] — магнетон первой решетки; | — магнетон второй решетки
предпочтительными осями, и т. п. На рис. 3.10 показано, как магнетоны, направленные по разным осям, образуют антиферримагнитную структуру, а на рис. 3.11 — ферримагнитную струк туру. В ферримагиитных и ферромагнитных веществах форми руются домены, тогда как антиферримагнитные вещества могут иметь две температуры Нееля.
Термин феррит обычно применяют для обозначения элек трически непроводящего ферримагнитного вещества, обладаю щего достаточно большим суммарным магнитным моментом с соответствующими обменными силами, обеспечивающими формирование доменов, аналогичное их формированию в ферро магнитных веществах.
3.23. МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ
Изотропное вещество обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях, тогда как анизотропное вещество, наобо рот, имеет свойства, различающиеся в зависимости от направления.
Существуют такие характеристики вещества, которые оста ются постоянными независимо от того, в каком месте простран ства, занимаемого веществом, они измерены и по какому направ лению осуществляется наблюдение. Такие характеристики выражаются скалярными величинами, которые представляются одним числом. Характеристики другого типа выражаются век торными величинами, имеющими модуль (абсолютную величину) и направление.
Некоторые свойства вещества можно описать характеристи ками, которые остаются неизменными по всему объему веще
ства, однако зависят от направления их измерения. Такие харак теристики называются тензорами. Например, намагничивающая сила, не параллельная некоторой оси кристалла, может привести к образованию магнитного потока, параллельного этой оси. В этом случае поток не совпадает по направлению с намагничивающей силой, и отношение В /Н будет тензором, так же как и магнитная восприимчивость М/Н.
У гиромагнитных веществ диэлектрическая проницаемость является скалярной величиной, а магнитная проницаемость под влиянием внешнего магнитного поля становится тензором. У гироэлектрических веществ диэлектрическая проницаемость является тензором, а магнитная проницаемость — скаляром.
3.24. ИЗМЕНЕНИЯ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ
Как показывает уравнение (3.3), магнитная восприимчи вость выражает магнитный момент, который устанавливается
Рис. 3.12. Влияние температуры иа различные магнитные явления:
/ — ферромагнетизм; |
2 —- парамагнетизм |
Ланжевена; |
3 — закон Кюри—Вейсса; |
4 — |
|
антиферромагнетизм; |
5 — парамагнетизм |
Ван-Флека; |
6 — парамагнетизм |
Паули; |
7 — |
электрон проводимости; Я — диамагнетизм Лондона; |
9 — диамагнетизм |
орбитальных |
|||
электронов; |
10 — диамагнетизм Мейсснера; I I |
— диамагнетизм плазмы |
|
||