Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела (2-е издание, 2008) (1135799), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Также применяют магнитострикцию в приводах точных приборов, где надо перемещать детали на микроскопические расстояния, например зеркала в интерферометрах. Существует явление, обратное магнитострикции, при котором деформация кристалла приводит к анизотропной ориентации электронных оболочек и связанных с ними магнитных моментов (см.
рис. 5.7), а значит, и появлению ненулевой намагниченности кристалла. Это явление также широко используют при изготовлении материалов, гасящих колебания и вибрации в конструкциях (например, сплавов на основе Ре-Сг или Ре-А1). Упругие колебания, возникающие в этих конструкциях, деформируют кристалл (поли- кристалл) магнитомягкого материала, вследствие чего последний перемагничивается, на что требуется дополнительная энергия, отпимаемая от колебательных процессов; это приводит к уменьшению амплитуды колебаний. Часто достаточно лишь некоторые детали сделать из такого материала, чтобы вибрации всего изделия уменьшились во много раз.
267 5.3. Типы магнитного упорядочения Выявлено много типов упорядоченного расположения маг- нитных моментов атомов, что связано со сложной зависимостью обменного интеграла от строения взаимодействующих атомов, расстояния между ними, а также от взаимного расположения бли- жайших соседей — взаимодействующих атомов — в трехмерной кристаллической решетке, Рассмотрим случай, когда все атомы одного типа. Обменный интеграл может быть положительной величиной для ближайших соседей, что соответствует наиболее выгодной параллельной ори- ентации спинов и случаю феррамагиетизма (рис. 5.8, а), либо от- рицательной, что соответствует наиболее выгодной антипараллель- ной ориентации спинов и случаю антиферрамагнетизма (рис.
5.8, 6). Ферромагнетики и антиферромагнетики относятся к самым про- стым магнитоупорядоченнным веществам. Наиболее известными ферромагиетиками являются железо (с ОЦК решеткой) и никель (с ГЦК решеткой), а антиферромагнетиками — хром и марганец. На- магниченность ферромагнетика имеет высокие значения, а намаг- ниченность антиферромагнетика близка к нулю ( см. Рис. 5.8, а, 6). При разных значениях магнитных моментов атомов магнит- ные моменты отдельных атомов могут быть ориентированы анти- параллельно, но иметь различную величину (рис.
5.8, в), что соот- ! ветствует случаю ферримагпетизма. Намагниченность такого вещества, называемого ферримагнетиком, или ферритам, — большая величина, хотя и несколько меньшая, чем намагничен- ! ность типичных ферромагнетиков. Для некоторых химических соединений возможно сложное взаимное расположение магнитных моментов, на- ! пример спиралеобразное, что наблюдаТакие и более сложные структуры под- Р с. 5.8 Типы упорядочен Робно РассматРиваютсЯ в литеРатУРе ного расположения сливов по магнетизму.
лля фсрромагиетика (а), аи- В сплавах, в которых атомы с г)аз- тиферромагистика (б) и фер- личными магнитными моментами хаоримагистика (в) тически перемешаны, тип магнитного 268 упорядочения может меняться при изменении состава, так как в этом случае меняется среднее расстояние между атомами одного типа, а значит, и значение обменного интеграла. Примерами могут служить сплавы Мп — А1. Чистый марганец является антиферромагпетиком, поскольку обменный интеграл при существующих межатомных расстояниях в марганце отрицательный. При добавлении алюминия увеличивается расстояние между атомами марганца, вследствие чего обменный интеграл станет положительным при некотором расстоянии между атомами марганца, определяемом концентрацией алюминия в сплаве.
Тогда происходит преимущественное упорядочение магнитных моментов марганца по ферромагнитному типу. Подробно магнитные свойства сплавов рассмотрены в литературе по материаловедению. Методы исследования магнитного упорядочения. Самым информативным методом изучения ориентации спинов в кристалле в настоящее время является дифракция нейтронов. Как известно (см.
1.3), нейтрон обладает магнитным моментом и поэтому способен взаимодействовать с магнитными моментами атомов. Также нейтрон способен рассеиваться ядрами без изменения своей энергии. Поэтому дифракцию нейтронов используют для изучения ориентации спинов. Атомный фактор рассеяния нейтронов каждого атома состоит из двух слагаемых: ядерного и магнитного. Первое слагаемое зависит от структуры ядра и различается для разных изотопов.
Второе зависит от величины и направления магнитного момента атома (р,"). При взаимно перпендикулярной ориентации векторов С (см. 1.3) и р," магнитное слагаемое максимально, а при их параллельной ориентации — равно нулю. Таким образом, можно «отключить» магнитное рассеяние, намагнитив кристалл в направлении вектора рассеяния 0 . При различных ориентациях вектора р,". относительно вектора б можно получать серии дифракцион- ных картин, из которых удается выделить вклады от магнитного и ядерного слагаемых. В случае ферромагнитного упорядочения все атомы будут иметь одинаковый атомный фактор рассеяния, и дифракционные картины для нейтронов и для рентгеновского излучения будут идентичными. В случае антиферромагнитного упорядочения магнитные моменты ближайших атомов будут противоположно направлены и 269 Рис.
5.9. Расположение атомных магнитных моментов в гипотетической структуре кристалла с ОЦК решеткой и антиферромагнитным упорядочением Рис. 5.10. Расположение атом- ных магнитных моментов марганца в структуре типа оксида марганца с антиферромагнитным упорядочением магнитные вклады в атомный фактор рассеяния будет иметь противоположные знаки, следовательно, атомные факторы рассеяния соседних атомов будут различными. Тогда должны появиться дополнительные отражения, называемые сверхструктурными магнитными отражениями, подобные тем, что наблюдаются при атомном упорядочении (см.
1.3). Определим, например, какие появятся дополнительные сверх- структурные магнитные отражения для гипотетической структуры, расположение магнитных моментов атомов в которой показано на рис. 5.9. Расположение атомов в изображенной на рис. 5.9 элементарной ячейке соответствует ОЦК решетке, для такой структуры отражения с нечетной суммой индексов Миллера отсутствуют (см.
1.3). Но магнитная структура будет соответствовать структуре типа СзС1 (см. ! .1), атомные факторы рассеяния атомов 1 и 2 будут разными. Следовательно, должны появиться сверхструктурные отражения с нечетной суммой индексов Миллера. Примером реальной структуры антиферромагнетика (рис. 5.!О) служит оксид марганца МпО, в котором атомные магнитные моменты марганца Мп меняют свою ориентацию послойно в плоскости типа (! 11). Спины магнитных атомных моментов Мп одинаковую ориентацию имеют в одной плоскости типа (111), в соседней плоскости — противоположную ориентацию и т.д.
В таком случае ориентации спинов атомов ближайших соседей оказываются противоположно направленными. 270 Задача 5.1. Определите, какие появятся дополнительные структурные магнитные отражения типа л66 для структуры оксида марганца М50, в которой атомы марганца расположены, как показано на рис. 5.10. Решение. Выберем векторы основных трансляций так, чтобы они совпадали с ребрами изображенного на рис. 5.10 куба. Рассмотрим идентичность плоскостей типа !ллЬ! подобно тому, как в 1.3 была рассмотрена идентичность плоскостей на рис.1.22. Расположения атомов на всех плоскостях (см.
рис. 5.10), отвечающих Ь = 2, идентичны, поэтому на рентгенонограммах будут присутствовать только отражения лай с четным индексом Миллера л. Магнитная структура атомов имеет период идентичности, в 2 раза больший, поэтому на нейтронограммах будут присутствовать все отражения типа Ьлл как для четных, так и для нечетных индексов Миллера Ь. 5.4. Температура Кюри. Модель среднего поля Рассмотренное выше упорядоченное расположение магнитных моментов является идеализированным, поскольку не учитывает тепловое движение атомов, которое неизбежно приводит к некоторым нарушениям упорядоченного расположения атомных магнитных моментов. При сравнительно низких температурах они незначительные, при росте температуры играют все большую роль, и, наконец, при температуре, называемой температурой Кюри (Тс), тепловое движение атомов способно разрушить упорядоченное расположение магнитных моментов.
Температура Кюри зависит от прочности связи атомных магнитных моментов, в случае прочной связи значение Тс достигает 1043 К вЂ” для железа и незначительно превышает 1370 К для железо-кобальтовых сплавов. Для многих веществ значение Тс невелико и составляет менее 300 К. По температуре Кюри можно оценить энергию взаимодействия И',„атомных магнитных моментов. Для разрушения упорядоченного расположения атомных магнитных моментов необходима энергия теплового движения ИТс = И',„= 0,1 эВ, которая намного превосходит как энергию взаимодействия магнитных диполей, так и потенциальную энергию магнитного диполя с атомным магнитным моментом р,' в магнитном поле.
Действительно, энергия взаимодействия диполя с магнитным полем Ид = р" В = 0,001 эВ, 271 (5.17) где Х вЂ” коэффициент пропорциональности. Чтобы найти связь между параметрами Тс и 3., воспользуемся известной из электродинамики формулой Ро/=Х(Во+ Вк). (5.18) При температуре Т, значительно превышающей температуру Кюри, согласно закону Кюри, имеем С Т (5.19) где С вЂ” постоянная Кюри. 272 что значительно меньше, чем /сТс и 0,1 эВ. Следовательно, энергии Ид недостаточно для сохранения упорядоченного расположения атомных магнитных моментов при температуре, примерно равной температуре Кюри. Поэтому квантовое объяснение магнитного упорядочения, связанного с электростатическим взаимодействием электронных оболочек, является единственным удовлетворительным и общепризнанным. Тем не менее часто используют классические модели, в которых природа магнитного упорядочения рассматривается как результат только магнитных взаимодействий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
