На первом этапе изучения магнитного упорядочения твердых тел физики имели дело с ферромагнетизмом, который характеризуется параллельным (коллинеарным) дальним порядком в расположении магнитных моментов в системе. В ферромагнетиках обменное взаимодействие преодолевает дезориентирующее действие теплового движения при Т < ТC и ориентирует магнитные моменты параллельно. Некоторый разброс в ориентации магнитных моментов вследствие теплового движения подавляется обменным взаимодействием при  К. В ферромагнетиках обменные интегралы положительны (Аij > 0) и обменное взаимодействие преобладает над другими видами взаимодействий, чувствительными к ориентации магнитных моментов. Наличие макроскопической намагниченности образца сильно увеличивает магнитостатическую энергию. Ее минимизация происходит тогда, когда образец разбивается на домены, внутри которых есть спонтанная намагниченность вдоль оси легкого намагничивания, которой является одна из кристаллических осей. Температурная зависимость спонтанной намагниченности Is приведена на рис. 1, а. Видно, что величина Is монотонно уменьшается с нагреванием и исчезает при Т > ТC . При Т > ТC имеет место парамагнитное состояние с хаотической ориентацией магнитных моментов при Н = 0, при Т < ТC возникает ферромагнитное состояние с параллельной ориентацией магнитных моментов (рис. 1, б).
 |
Рис. 1. а - температурные зависимости спонтанной намагниченности Is и обратной магнитной восприимчивости  ферромагнетика; б - ферромагнитная структура. |
При увеличении магнитного поля Н намагниченность образца возрастает за счет смещения границ доменов и процессов вращения спонтанной намагниченности. Первый процесс связан с ростом объема доменов, у которых направление Is ориентировано наиболее выгодно энергетически по отношению к полю (угол между Is и H наименьший). Второй процесс - вращение - обусловлен поворотом векторов Is от оси легкого намагничивания к направлению приложенного магнитного поля.
В парамагнитной области при Т > ТС для магнитной восприимчивости c выполняется закон Кюри-Вейсса
 |
(6) |
где  - парамагнитная точка Кюри, а C - постоянная Кюри-Вейсса. Как можно видеть на рис. 1, а, величина для ферромагнетиков изменяется линейно с температурой. В изотропных однородных по составу ферромагнетиках с малой магнитной анизотропией ТC и имеют близкие значения. В анизотропных ферромагнетиках величина принимает разные значения для оси легкого намагничивания и оси трудного намагничивания, а также заметно отличается от температуры Кюри ТC .
В ферромагнетиках, где магнитные моменты электронов локализованы на ионах (например, неметаллические ферромагнетики, редкоземельные металлы иттриевой подгруппы Gd, Tb, Dy), спонтанная намагниченность образца складывается из магнитных моментов изолированных ионов. Постоянная Кюри-Вейсса связана с эффективным магнитным моментом иона  в ферромагнетиках с локализованными магнитными моментами:
 |
(7) |
где kB - постоянная Больцмана. Для редких земель хорошо выполняется соотношение
 |
(8) |
Здесь J - квантовое число полного механического момента для данного иона, gJ - фактор Ландэ (определяется квантовыми числами, характеризующими энергетическое состояние иона),  - магнетон Бора (единица измерения атомных магнитных моментов и собственный магнитный момент электрона). Величина 
Из величины удельной намагниченности насыщения  при температурах, близких к Т = 0 К (обычно при Т = 4,2 К), можно найти магнитный момент  , приходящийся на атом в ферромагнетике в магнитоупорядоченном состоянии:
 |
(9) |
где  - молекулярный вес вещества, N - число Авогадро (N = 6,022*1023 моль-1), - удельная намагниченность (на 1 г) при Т = 4,2 К.
Ферромагнетики находят широкое применение в технике. На их основе разработаны магнитные материалы: магнитомягкие (высокие значения магнитной проницаемости), магнитожесткие (высокие значения коэрцитивной силы и магнитной энергии), материалы для магнитной записи и др. [Вонсовский С.В., 1984, Каганов М.И., Цукерник В.М., 1982, Белов К.П., Бочкарев Н.Г., 1983].
Для ферромагнетиков на основе редких земель с локализованными моментами 4f-электронов
 |
(10) |
Здесь J = L + S, где L и S - орбитальное и спиновое квантовые числа. Для неметаллических ферромагнетиков на основе 3d-элементов, где орбитальный момент "заморожен" кристаллическим полем (L = 0):
 |
(11) |
В металлических ферромагнетиках, таких как железо, кобальт, никель и их сплавы, ферромагнетизм обусловлен коллективизированными электронами. Он возникает вследствие неодинаковой заселенности этими электронами двух энергетических зон: первая зона со спинами электронов, ориентированными в одну сторону, и вторая зона со спинами в противоположную сторону. Различают сильный и слабый ферромагнетизм коллективизированных электронов. У первых магнитные электроны полностью заполняют одну из зон. У вторых магнитные электроны содержатся в обеих подзонах. Величина спонтанной намагниченности и температура магнитного упорядочения - температура Кюри - определяются формой кривой плотности энергетических состояний электронов  вблизи уровня Ферми. Плотность энергетических состояний - это число энергетических состояний на единичный интервал энергии зонных электронов. Спонтанный момент М пропорционален разности чисел электронов в зоне + и в зоне - :
 |
(12) |
Поскольку N+ и  различаются по величине, спонтанный момент не равен нулю. Он, как правило, не кратен магнетону Бора.
Назад | Вперед
Написать комментарий
|
