Э.Т. Брук, В.Е. Фертман - «Ёж» в стакане. Магнитные материалы - от твердого тела к жидкости (1163240), страница 7
Текст из файла (страница 7)
1), была высказана в 1936 г. французским физиком Луи Неелем. Оказалось, что такие системы, названные антиферромагнети- ками, встречаются даже чаще, чем ферромагнетики. Однако экспериментально обнару- жить их не удавалось долгое время. Действительно, хотя упорядочение и существует, в магнитном смысле оно никак не проявляется— ведь, грубо говоря, антиферромагнетики не притягивают железо, они не магниты.
Только в 50-е годы, когда были развиты тонкие методы Рнс. !. Схемы расположе- тЕЛ В ЧаСтНОСтИ М~Е ниЯ мЗГЙитных мОмюнтОВ в ферромагнетике (а) и ТОЛЫ НЕйтРОННОГО РаС- антиферромагнетике (6). сеяния, удалось выявить материалы, которые были надежно идентифицированы как антиферромагнетики. Из «чистых» элементов антиферромагнетиками являются марганец и хром. Множество антиферромагнетиков составляют простейшие соединения типа окислов, хлоридов, сульфидов, карбонатов, а также изобилие веществ с достаточно сложной структурой. Антиферромагнетизм, как и ферромагнетизм, существует лишь при низких температурах (понятие «низкий» зависит от конкретного материала) .
При нагревании до некоторой температуры антиферромагнитное упорядочение исчезает. Эта температура, аналогичная точке Кюри для ферромагнетиков, называется точкой йееля. 4 Зак. 2307 49 Вот к чему приводит отрицательная обменная энергия атомов в кристалле. Если же она положительна, магнитные моменты выстраиваются параллельно (вспомним молекулу водорода), потому что такой порядок уменьшает энергию ферромагнетика.
Рис. 2. Зависимость обменной энергии от отношения постоянной решетки к диаметру электронной аорбитыэ. Нельзя ли все-таки, хотя бы приближенно, рассчитать обменную энергию и выявить ее знак1 Такой расчет был выполнен Гансом Вете (а после него и многими другими). На рис. 2 приведена зависимость обменного взаимодействия от расстояния между атомами, выраженного в некоторых безразмерных единицах. Там же отмечены расстояния, отвечающие некоторым из переходных элементов.
На малых расстояниях обменная энергия отрицательна, и именно в эту область попадают хром и мар- 50 ганец — антиферромагнетики. Далее энергия становится положительной, растет, достигает максимума, после чего довольно быстро устремляется к нулю. Три «классических» ферромагнетика — железо, кобальт и никель— попадают в область максимума и характеризую гся высокими значениями температуры Кюри (1040, 1400 и 630К соответственно) . Особый интерес представляет марганец.
Хотя обменная энергия для него и отрицательна, она мала, и марганец «почти» пападает в ферромагнетики. Если бы в кристаллической решетке марганца удалось немного «отодвинуть» атомы друг от друга, энергия переменила бы знак, и марганец, по нашим представлениям, должен был бы стать ферромагнетиком. Конечно, так просто атомы в решетке не раздвинешь, яо достичь этого все-таки можно. Если добавить в чистый марганец некоторое количество примесных атомов азота, в среднем расстояния между атомами марганца несколько возрастут. Этого «несколько» оказывается достаточно для смены знака обменной энергии. Такой эксперимент был осуществлен.
Обнаружилось, что марганец с примесями азота действительно приобретает ферромагнитные свойства. Аналогичная картина наблюдается в сплавах марганца с алюминием и медью (сплавы Гейслера), оловом, висмутом. В них атомы марганца отделены другими атомами, и эти сплавы также ферромагнитны. Хотя антиферромагнетики вследствие скрытости сВОих магнитных сВОЙстВ ню находят практического применения, их изучение важно с точки зрения понимания магнитных явлений. Есть и еще одна причина, по которой магнит- ные «невидимки» вызывают интерес исследователей.
Водородоподобная модель Гейзенберга приписывает каждому атому один единственный магнитный момент «внешнего» электрона. Единицей измерения магнитного момента является магнетон Бора. Модель моделью, а реальные магнитные материалы, разумеется, могут иметь в и~заполненной оболочке и несколько электронов'. И все они из-за обменного взаимодействия могут участвовать в образовании магнитного порядка. Рисунок, иллюстрирующий расположение спинов в феррои антиферромагнетиках,— не более чем схема. Нельзя забывать о том, что реальные магнетики — это прежде всего кристаллы, которые имеют объем и, следовательно, трехмернув кристаллическую решетку. И в конечном счете их магнитные свойства в немалой степени зависят от того, как именно магнитные атомы расположены в этой решетке.
С «решеточной» точки зрения антиферромагнетик можно представить себе как совокупность двух подреие ток, которые вставлены одна в другую, а их моменты в точности скомпенсированы. Может случиться так, что магнитные моменты подрешеток не в точности равны, хотя и направлены навстречу друг другу. В результате такая система внешне будет проявлять ферромагнитные'свойства, хотя по существу она анти- ферромагнитная, и обменная энергия для нее будет отрицательной. Такие материалы называются нескомпенсиров анны ми антиферромагнетиками.
Другое их название — ферримагнетики или ферриты. Оно образовано по аналогии с ферромагнетиками, но происходит от соединения, состоящего из окислов железа РеО ° Ре20з, называемого ферритом наряду с некоторыми подобными соединениями, в которых атом железа в первом окисле заменен двухвалентным металлом. Спрашивается: если ферриты внешне ведут себя как ферромагнетики, например железо, то какая разница между ними? Не все ли равно, как их называть7 Дело, конечно, не в названии.
Мы говорили о магнитных свойствах этих материалов, но нельзя забывать о том, что они могут различаться другими качествами. Всем известно, что железо — это металл. Основное отличие металлов от прочих веществ — способность хорошо проводить электрический ток. С этой точки зрения ферриты — полупроводники. Их главное отличие от ферромагнитных металлов — низкая проводимость.
Это свойство ферритов делает их незаменимыми в радиотехнике. Там, где необходимо создать большую индуктивность, в катушку вставляют магнитный стержень. В радиоприемниках и других подобных устройствах используются поля высокой частоты. Когда в таком поле оказывается магнит-металл, под влиянием поля элекТроны проводимости совершают хаотические движения, называемые токами Фуко. Результатом являются потери энергии, которые по самым различным причинам нежелательны. В отличие от металлов ферриты-полупроводники имеют ничтожное количество электронов, способных более или менее свободно передвигаться под влиянием внешнего поля, и потери на токи Фуко в них практически отсутствуют. Итак, три вида сильного магнетизма возникают благодаря тому не очень сложному для понимания факту, что электроны неразличимы. Обменное взаимодействие, «появившееся на свет» после развития квантовомеханических представлений о свойствах микрочастиц, позволило проникнуть в вековую тайну магнита.
Усилия тысяч исследователей разных времен и народов увенчались успехом. Разумеется, изучение связи микроструктуры с магнитными свойствами различных материалов продолжается. Хотя многое понято, многое еще пред- СТОИТ ПОНЯТЬ. ЗЕМЛЕВЛАДЕЫИЕ В ЭПОХУ ФЕОДАЛИЗМА Феодализм, сменивший в средние века в Европе рабовладельческий строй Римской империи, получил свое название от слова пфеод», означающего земельный участок (который мог достигать иногда размеров небольшой страны), получаемый вассалом от сюзерена.
Феоды, или домены, были платой сюзерена за военную службу, которую несли феодалы-вассалы. Профессиональные воины, феодальные рыцари нередко использовали военную силу и для расширения сВОих доменов, однако сколько бы войн ни велось, феодальная раздробленность, заключавшаяся в том, что страны были разбиты на отдельные области — доме- ны, долгое время была господствующей приметой государственного устройства.
Хотя формально во главе феодальной иерархии стоял король или император, князья, герцоги и бароны не слишком серьезно относились к своим вассальным обязанностям по отношению к формальному главе государства и, случалось, восставали против него, а то и свергали с трона неугодного сюзерена. Однако со временем феодальная разобщенность стала тормозом на пути экономического развития: ведь каждый феодал устанавливал в своем домене свои собственные законы.
Постепенно власть короля (или императора) усиливалась. В своем стремлении создать централизованное государство верховная власть, между прочим, использовала и феодальную раздробленность: она поддерживала феодалов, которые признавали власть короля, и выступала против тех, кто ее не признавал. Как известно из истории, стремление к централизации в конце концов возобладало над центробежными феодальными тенденциями, и все европейские государства — одни раньше, другие позже — стали едиными державами. Образец магнитного материала напоминает феодальное государство, и прежде всего тем, что он разбит на дамены. Результатом этой «феодальной раздробленности» является отсутствие самопроизвольной намагниченности у куска железа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
