Переход магнетонов от упорядоченной структуры к слу чайному распределению ориентаций при критических темпе ратурах аналогичен превращению твердого тела в жидкость при его плавлении. В последнем случае наблюдается процесс перехода от регулярного распределения положений молекул в твердом теле к беспорядочному их распределению в жидкости, подобный процессу перехода от регулярного распределения ориентаций* магнетонов к беспорядочному распределению. В рамках этой аналогии парамагнетизм уподобляется свойствам жидкого вещества.
Однако степень неупорядоченности распределения ориен таций магнетонов при критических температурах представляет собой менее крутую функцию температуры, чем аналогичная характеристика кристаллических твердых веществ вблизи точки плавления. Переход от самопроизвольно сформировав шейся упорядоченной структуры к парамагнетизму занимает определенную температурную область, в пределах которой он является обратимым и воспроизводимым. Кроме того, при по мощи легирования и других методов можно изменять характе ристики процесса в этой области — его крутизну и характерные значения температуры, при этом изменения условий нарушения ферромагнетизма обычно влекут за собой более существенные последствия, чем изменения условий нарушения антиферро магнетизма.
5.4. ТЕРМОФЕРРОМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ
Магнитная восприимчивость служит мерой способности маг нитного поля упорядочивать ориентации магнетонов данного вещества таким образом, чтобы они усиливали это поле. Посколь ку ферромагнитные вещества самопроизвольно способствуют процессам упорядочения ориентаций магнетонов, магнитная восприимчивость таких веществ обычно намного больше, чем парамагнитных. Однако ферромагнитные вещества превращаются в парамагнитные при температуре выше точки Кюри. Вследствие этого при переходе в области точки Кюри значения магнитной восприимчивости резко изменяются (рис. 5.2). Это изменение магнитной восприимчивости ферромагнитных веществ в окрестно сти точки Кюри называется термоферромагнитным эффектом.
Поскольку обменные силы в ферромагнетиках могут поддер живать устойчивость доменов, при изменении температуры ориентации магнетонов остаются более или менее упорядочен ными и взаимные соотношения между ними изменяются незна чительно. Хотя магнитная восприимчивость ферромагнитных веществ зависит от температуры, эта зависимость выражена довольно слабо. Но при переходе через точку Кюри обменные силы ослабевают, тепловые возмущения хаотизируют ориентации магнетонов, и магнитная восприимчивость, характерная для
Рис. 5.2. Термоферромагнихный эффект. Температуру ферромагнитного веще ства в области его перехода от ферромагнетизма к парамагнетизму можно определять по измеренной индуктивности катушки, намотанной вокруг образца
этого вещества:
/ — область перехода Кюри
ферромагнитного вещества, переходит в магнитную восприим чивость, характерную для парамагнитного вещества. Эти из менения могут быть весьма существенными. На рис. 5.3 приведе на иллюстрация механизмов упорядочения ориентаций магне тонов для термоферромагнитного эффекта и для эффекта Каб реры — Торроя.
Беспорядочное распределение кристаллов в металлах и ог раниченность размеров как кристаллов, так и самих доменов сглаживают переход между характеристиками вещества в об ласти точки Кюри. Не все домены распадаются при одной и той же температуре или при одной и той же напряженности приложенного магнитного поля. Поэтому существует определен ный диапазон температур и напряженностей магнитного поля,
впределах которого часть доменов распадается, а остальные сохраняют свою структуру. Наклон кривой магнитной воспри имчивости при переходе от полного ферромагнетизма к полному парамагнетизму определяет характер изменения дифференциаль ной магнитной восприимчивости. Именно эта зависимость лежит
воснове одного из полезных явлений электропреобразования. Прибор, основанный на этой зависимости, целесообразно
использовать только в том температурном диапазоне, где про исходит превращение вещества из ферромагнитного в парамаг нитное. Однако имеется возможность регулировать положение точки Кюри, изменяя химический состав вещества. Например, если смешивать в разных пропорциях МРегО* и 2пРеа04, то точка Кюри смеси может принимать любое заданное значение в пределах от 300 до 800 К.
Конечно, существует и термоантиферромагнитный эффект. Он всегда сопровождается либо эффектом Кабреры — Торроя, либо термоферримагнигным эффектом.
Изменения удельного сопротивления ферромагнитного мате риала, происходящие в окрестности его точки Кюри, будем называть эффектом Кабреры — Торроя.
Удельное сопротивление зависит от механизмов рассеяния электронов проводимости, движущихся через вещество. Одним из таких механизмов является влияние структуры упорядочения ориентаций магнетонов. При упорядоченном состоянии магне тонов рассеяние электронов происходит иначе, чем при случай ном распределении ориентаций магнетонов. Кроме того, разные структуры упорядоченных магнетонов приводят к разным харак теристикам рассеяния электронов.
Поскольку степень упорядоченности ориентаций магнетонов в окрестности точки Кюри изменяется от самопроизвольной упорядоченности, соответствующей ферромагнетизму, до слу чайного распределения, упорядочиваемого приложенным внеш ним полем, что соответствует парамагнетизму, удельное со противление ферромагнитного вещества, в свою очередь, изменя ется при изменении упорядоченности ориентаций магнетонов.
Эффект Кабреры — Торроя и эффект Гаусса, иллюстрируемые на рис. 5.3 и 18.3, соответственно, взаимосвязаны в том отноше нии, что эффект Гаусса наблюдается в условиях чистого фер ромагнетизма, тогда как эффект Кабреры — Торроя характерен для условий перехода от ферромагнетизма к парамагнетизму.
Вследствие того что структуры упорядоченности ориентаций магнетонов зависят как от абсолютной величины напряженности,
Рис. 5.3. Эффект Кабреры — Торроя. Вблизи точки Кюри удельное сопротивле ние ферромагнитного вещества значительно изменяется вследствие изменения характера упорядоченности магнетонов по ориентациям:
| — Магнетон
так и от направления внешнего магнитного поля, эффект Ка бреры— Торроя проявляется по-разному при разных условиях приложения внешнего поля.
Эффект Кабреры — Торроя всегда сопровождается термофер ромагнитным эффектом.
5.6. ТЕРМОФЕРРИМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ
Значительное изменение диэлектрической проницаемости феррита вблизи его точки Кюри будем называть термоферримагнитным эффектом (рис. 5.4). В результате этого эффекта конденсатор, в котором используется феррит в ка честве диэлектрика, существенно изменяет свою емкость в окрестности точки Кюри данного феррита.
Рис. 5.4. Термоферримагннтный эффект. Из-за влияния упорядоченности магне тонов по ориентациям способность ферритового конденсатора накапливать элек трический заряд зависит как от температуры, так и от магнитного поля, кото рое воздействует на ферритовый элемент конденсатора:
1 , 2 — характеристики при воздействии двух различных магнитных полей
В ферритах происходит взаимодействие между магнетонами (магнитными диполями) и электрическими диполями. Степень упорядоченности или случайности распределения ориентаций первых влияет на упорядоченность ориентаций вторых. По скольку диэлектрическая проницаемость определяется тем, на сколько легко электрические диполи упорядочиваются по направ лению внешним электрическим полем, любые факторы, влия ющие на возможность такого упорядочения, сказываются на диэлектрической проницаемости.
Вследствие того что структуры упорядоченности ориентаций магнетонов зависят как от абсолютной величины напряженности, так и от направления внешнего магнитного поля, термоферри-
магнитный эффект проявляется по-разному при разных усло виях приложения внешнего поля.
Термоферримагнитный эффект всегда сопровождается тер моферромагнитным эффектом.
5.7. ФЕРРОМАГНИТНО-ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
Доменные структуры ферромагнитных веществ влияют на форму поверхности Ферми. Поскольку при переходе Кюри домены разрушаются, поверхность Ферми при этом переходе подвергается более существенным изменениям, чем в любых других аналогичных температурных диапазонах как в области ферромагнетизма, так и в области парамагнетизма.
Ферромагнитно-термоэлектрический эффект залючается в из менении термоэлектрической энергии в процессе фазового перехо да Кюри. Антиферромагнитно-термоэлектрический эффект — это аналогичное явление, которое может наблюдаться при фазовом переходе Нееля. Оба указанных эффекта связаны с эффектом Нерста аналогично тому, как связаны между собой эффект Каб реры— Торроя и эффект Гаусса.
5.8. ДЕКАЛЕСЦЕНЦИЯ
Если нагревать ферромагнитное вещество, то при переходе через точку Кюри его магнитное состояние будет изменяться от упорядоченного распределения ориентаций магнетонов до более или менее случайного распределения, т. е. от ферромагне тизма допарамагнетизма. Поскольку неупорядоченное состоя ние характеризуется более высоким уровнем энергии, чем упо рядоченное, переход от упорядоченного состояния к неупоря доченному сопровождается поглощением тепла, тогда как при обратном переходе тепло выделяется.
Поглощение тепла при переходе через точку Кюри доста точно велико для того, чтобы на некоторое время снизить тем пературу нагреваемого образца.
Декалесценция — это явление, состоящее в том, что образец ферромагнитного вещества, поглощающий тепло, охлаждается при переходе через точку Кюри, а рекалесценция — это проти воположное явление, когда выделяющий тепло образец повышает свою температуру при переходе через точку Кюри.
5.9.МАГНИТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ
Влюбом полупроводниковом веществе при повышении тем
пературы увеличивается популяция частиц — носителей заряда, в результате чего уменьшается удельное сопротивление вещест ва.