Э.Т. Брук, В.Е. Фертман - «Ёж» в стакане. Магнитные материалы - от твердого тела к жидкости (1163240), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Но в физике, как и в других науках, важно не только догадаться, что дело обстоит так, а не иначе, но и обосновать правильность догадки. Ландау и Лифшиц сумели доказать, что такая форма доменов дейстВительно обеспечивает минимальность энергии кристалла, и определили толщину доменов, выразив ее через другие параметры. Здесь уместно упомянуть о том, что к моменту, когда появился расчет Ландау и Лифшица, другие исследователи также предпринимали попытки обосновать доменную структуру ферромагнетиков. В частности, упоминавшийся уже В.
Гейзенберг и другой немецкий физик Ф. Блох, используя соображения, близкие к тем, которые применили Ландау и Лифшиц, ' показали, что доменная структура действительно является предпочтительной по сравнению со случаем однородного ферромагнетика, однако предсказанная ими форма доменов была иной: по их мнению, домены должны были иметь нитеобразную форму, а не плоскую, как это следует из результатов Ландау и Лифшица. Расчет энергий этих двух конкурирующих структур показал, что модель с плоскими слоями обладает несколько меньшей энергией (при 79 прочих равных условиях), чем модель с нитевидными доменами. И хотя разница невелика (энергии относятся как 4/3), можно было с уверенностью сказать, что в реальном одноосном кристалле должна реализоваться структура с меньшей энергией; она, как говорят, энергетически более выгодна. Ну и, наконец, как всегда в физике, последнее слово оставалось за высшим судьей — Его Величеством Экспериментом.
Когда был изготовлен образец одноосного ферромагнетика в форме параллелепипеда, причем направление оси легкого намагничивания совпадало с одним из его ребер, что соответствовало модели Ландау и Лифшица, и этот образец был подвергнут зле ктролитической полировке, когда были получены порошковые фигуры, выявившие границы доменов, оказалось, что эти порошковые фигуры в точности повторяют картину доменной структуры, предсказанную Ландау и Лифшицем.
Совпадение поразительное1 И хотя есть фотографии этих порошковых фигур, воспроизводить здесь их ИМЕЮТ МИЛО СМЫСДВ, НЗСТОЛЬКО ТОЧНО ОНИ ПОВТО- ряют границы, полученные чисто теоретическим путем. Успех модели был налицо. Однако модель, как мы помним, учитывает ограниченное число факторов из действующих в реальной ситуации. Существуют ли физические системы, для которых модель Ландау и Лифшица неверна или не вполне правильна? Оказалось, что существуют. При оЧень больших толщинах кристаллов более выгодной оказывается нитеобразная доменная структура.
И хотя из упомянутых моде- 80 лей это не следует, эксперимент подтверждает, что дело обстоит именно так. Модели нуждаются в уточнении — необходимо учесть дополнительные факторы: ведь в тех рассуждениях, которые приводились выше, учитывалась только магнитная энергия, а кристалл обладает запасами и других видов энергии. Что же касается принципа минимальной энергии, то ведь он справедлив — подчеркнем это еще раз — для полной энергии кристалла, а не для какой-то ОТДЮЛЬНОИ ЮЮ СОСТЗВЛЯЮЩЮИ. Есть еще один случай, когда наблюдается отступление от доменных структур, упомянутых выше. Если последовательно уменьшать размер ферромагнитного кристалла, то он может сравняться с равновесным размером домена.
В этом случае роль поверхности возрастает; она может вносить в энергию ферромагнетика больший вклад, чем, так сказать, объемная часть. Тогда деление кристалла на домены становится энергетически невыгодным: оно не понижало бы, а повышало энергию ферромагнетика. В результате образуются однодоменные частицы. Такое явление называется суяермагнетнзиом. Например, частицы железного порошка однодоменны, если их размеры составляют величину примерно 0,78 ° 10 ' м. Любопытен также вопрос о том, что произойдет, если уменьшать размер ферромагнитного кристалла ниже того предела, который требуется для установления однодоменного состояния. Здесь вступает в дело квантовая механика.
Как было показано С. В. Вонсовским, при очень малых размерах ферромагнитной частицы говорит свое веское слово принцип неопределенности. Электрон начи- 6 Зак. 2307 ивет как бы «чувствовать», пользуяоь выражением Вонсовского, границы частицы, в которой ои находится. Согласно принципу неопределенности, попытка локализовать электрон, т. е. поместить его в малую область пространства размером Ьо, приводит к неопределенности его импульса, которую можно вычислить по формуле Лр т —. Эта неопределенность импульса В 66' связана с кинетической энергией следующим образом: ЬЕ = — = — ° Если эта энергия (М)' в' 2п 2тЯ сравнивается с обменной энергией, то она будет играть по отношению к магнитному упорядочению ту же роль, что и обычная тепловая энергия выше точки Кюри, и ферромагнитное состояние вообще станет невыгодным.
По оценке Вонсовского, размер таких неферромаг- нитных частиц для типичных фер ромагнит- ных материалов, у котор ых точки Кюри нахо- дятся в интервале 500 — 1000 К, составляет примерно 100 нм. Эксперимент подтверждает ЭТИ ЗНЗЧЮЯИЯ. Вот сколько выводов относительно структуры ферромагнитных кристаллов можно сделать, используя утверждение о том, что в равновесии энергия кристалла должна быть минимальной. Следовательно, утверждение о том, что некоторая физическая система находится в равновесии, — это не просто слова. Этому утверждению соответствует физический принцип, подкрепленный в свою очередь математическим аппаратом; и все это вместе взятое позволяет извлекать информацию о свойствах физической системы.
Такова мощь методов теоретической физики. СЛОВО И ДЕЛО До сих пор, явно этого не высказывая, мы стояли на точке зрения физика-теоретика. Ссылаясь на некоторое (небольшое) число экспериментальных фактов, мы старались, следуя, разумеется, известным теоретическим построениям, понять, почему эти экспериментальные факты таковы, каковы они есть. Вопрос о том, откуда берутся эти факты, мы неявно выносили «за скобки». Экспериментальные факты берутся из экспериментов — это, кажется, достаточно очевидно.
Давайте переменим точку зрения и станем на некоторое время физиками-экспериментаторами. Правда, все эксперименты нам придется выполнять мысленно, так сказать, теоретически, но в этом ничего порочного нет — на самом деле все эксперименты, о которых пойдет речь, действительно проводились, так что достоверность наших мысленных действий будет покоиться на твердой экспериментальной почве. Теоретик имеет дело с 'моделями, которые он формирует по своему усмотрению, хотя и с оглядкой на эксперимент. Модели битком набиты различными понятиями: собственными и орбитальными моментами электронов, разными видами энергии — от обменной до энергии магнитной анизотропии. Положение экспериментатора в каком-то смысле «проще»: он имеет дело непосредственно с ферромагнитным кристаллом.
Эта «простота», однако, с лихвой перекрывается теми сложностями, которые выдвигают перед экспериментаторами измерительные методы и аппаратура. . Перед нами образец ферромагнитного кристалла. Приступим к его исследованию. Прежде всего нам понадобится магнитное поле. Мы уже вели речь о том, что магнитное поле — это такая же реальность, как и «обычные» виды материи, но нам нужно не любое, а совершенно определенное, постоянное магнитное поле.
Чтобы его получить, нужен источник магнитного поля. Самый простой по устройству источник постоянные магниты. Это образцы ферромагнетиков, которые обладают постоянным магнитным моментом. Мы уже знаем, что если поместить ферромагнитный кристалл во внешнее магнитное поле, то домены в нем ликвидируются, и его намагниченность становится однородной; именно так и «готовят» постоянные магниты.
Их достоинством является простота эксплуатации, ведь постоянные магниты не требуют. забот: они, так сказать, «задаром»'создают магнитное поле. Их недостаток невозможность изменять величину поля. С этой точки зрения более эффективным источником являются соленоиды катушки, на которые намотан провод. Через провод идет ток; петля с током, как известно, является маленьким магнитом. Катушка это не что иное, как множество петель с током. Магнитные поля отдельных петмек-витков складываются, в результате чего можно получить довольно 84 элементов. Эта же совокупность обстоятельств ограничивает допустимый ток в соленоиде, а вместе с ним и напряженность магнитного поля, которую удается реализовать с его помощью.
Ситуация, однако, не такая безнадежная, как может показаться. Тепло, выделяющееся в Рис. 30. Схема мектромагнита. соленоиде, можно отводить. Именно так и поступают. В результате в соленоидах с водяным охлаждением можно получать поля напряженностью до нескольких тысяч эрстед.
Чтобы получать поля большей напряженности таким же способом, на охлаждение приходится затрачивать значительную энергию, по этой причине поля больших значений получают иначе — с помощью электромагнитов. Электромагнит, схема которого представлена на рис. 1О, состоит из железного ярма 8 (по форме действительно напоминает ярмо, которое 86 надевают на волов), сердечников 2 (это просто ферромагнитные стержни) и катушек 1, которые, собственно говоря, и служат источником поля (точнее, ток, который течет через катушки).
Из-за известных уже нам свойств ферромагнетиков (для определенности будем считать, что сердечники тоже железные), когда через катушки течет ток, его магнитное поле— даже если оно не очень велико — создает в железе сердечников магнитное упорядочение, и в результате в воздушном зазоре между сердечниками создается значительное по величине магнитное поле напряженностью порядка десятков тысяч эрстед. Электромагниты находят самое широкое применение не только в физическом эксперименте, но и в технике, в частности в системах автоматики, где они используются в качестве составных элементов реле.
Еще один способ получения сильных магнитных полей связан с очень низкими температура- П ми. ри сильном охлаждении (до температур !Π— 20К) многие металлы обнаруживают су- щественное понижение сопротивления. Например, медь при температуре кипения жидкого водорода (20,4К) понижает удельное электро- сопротивление по сравнению с комнатной температурой в тысячу раз. Примерно так же уменьшается и мощность, выделяемая в катушках. Таким способом удавалось получать поля до ста тысяч эрстед.
Очень интересным источником магнитных полей являются сверхпроводиики, электрическое сопротивление которых ниже некоторой температуры равно нулю. Ток, циркулирующий в сверхпроводнике без потерь, служит источником магнитного поля. К сожалению, все извест- ные к настоящему времени сверхпроводники остаются таковыми лишь при весьма низких температурах. Лучшие сверхпроводящие сплавы утрачивают сверхпроводящие свойства при температуре несколько выше ЗОК, так что, хотя магнитное поле индуцируется сверхпроводником «бесплатно», как намагниченным образцом ферромагнетика, само поддержание сверхпроводящего состояния требует значительных усилий, а следовательно, и затрат энергии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
