Э.Т. Брук, В.Е. Фертман - «Ёж» в стакане. Магнитные материалы - от твердого тела к жидкости (1163240), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Увеличим поле. Процесс «поедания» доменов с антипараллельными полю магнитными моментами усиливается. Границы «правильных» доменов все расширяются. Это происхо- ° ° й М Ф ° й м ф Э: Ф $ Э ! Ф Ь!$ ° й В: 9 Ф й ° . Э ' Э " 1 й ° ! й ° Ф е ". ° ~ е ю $ Ф Э Ф ю 1 Э ю Ф в Э Э й й "»Э Э Е й й й $ й 1 '$) $ 1 1 Ф Э Ф 1 ° $ Ф Ф Е Ф Ф й Ф Ф 1 $ Ф Ф Э' $$ е Э ° 1 Ф $1 Ф $ В Ф в $ Е $ В е «йю УУ~(/У 1 Ф У Е й В а $ аь й й ЦАЛА Ъь. УУ/IЮЮРМВЯЯ 6 $$1%ьЪ|~МУ~ каки~на и авизмлх~ аичиазааваааила ЖИИЯФ И 6%%%ЪЪМ $1 1» й й $ й й й Э Ф й ° Ф $9 ю 1ю 1 ° В 1 $ ° й Ф 4 Э: Э В Ф Ф ° 3 й Ф в Э $ ! Э Ф !$ Ф ! ю Ф 3 Ф 1$": Ф Э Ф Е 11 11Е ! 1 $ лекулы водорода, мы пренебрегли энергией взаимодействия магнитных моментов.

Этих моментов было много: собственные и орбитальные моменты электронов и магнитные моменты ядер. Сделано это было потому, что в молекуле водорода присутствовали гораздо более мощные силы электрического взаимодействия, с которыми магнитные силы конкурировать не в состоянии. Однако то, что хорошо для молекулы водорода, не обязательно подходит для ферромагнитного кристалла. И в самом деле, как-то странно говорить об энергии тела, обладающего магнитными свойствами, не учитывая именно энергию магнитных взаимодействий. И здесь нам придется сказать несколько слов о кристалле. Первое и основное, что отличает кристалл От жидкости и газа,— это кристаллическая решетка.

Атомы в идеальном кристалле расположены в строгом порядке. Если принять за отправную точку какой-нибудь атом, то, передвигаясь в трех фиксированных направлениях на определенные расстояния, называемые периедамн решетки, мы будем встречать другие атомы в точках, называющихся узлами кристаллической решетки. Такая периодичностьь в расположении атомов переносится и на физические свойства кристалла и называется трансляционной имварнантностьв. Она означает неизменность свойств кристалла при переносе (трансляции) на расстояния, кратные периодам решетки.

Железо имеет кубическую объемно-центрированную решетку (рис. 3). Восемь атомов расположены по вершинам куба и один — в его центре. Решетка никеля тоже кубическая, 64 но гранецентрированная (рис. 4). Помимо восьми атомов, в вершинах куба у никеля имеется по одному атому на каждой грани. У третьего классического ферромагнетика— кобальта — решетка гексагональная, похожая на пчелиные соты (рис.

5). Со Рвс. 3. Главные крнстал- лографическне направления объем- но-центрироВанной решетки железа. Рис. 4. па- правления легкого на- магничива- ния гране- центрирован- ной решетки никеля. Рнс. 5. Направление легкого намагничивания гексагональной структуры кобальта.

$ Зак. 2307 Определив, что такое идеальный кристалл, нужно добавить, чем он отличается от неидеального. Говоря о том, что атомы расположены в такой-то точке, мы берем на душу небольшой грех. И не только по той причине, что атомы подчиняются правилам квантовой механики и помещать их в точку не очень-то правильно. Дело еще и в том, что атомы в кристалле, который имеет температуру, отличную от нуля, обладают кинетической энергией. Кинетическая энергия, как вы знаете, связана со скоростью.

Выходит, что атомы в кристал- ЛЮ НЗХОДЯТСЯ В ДВИЖЕНИИ, И ТЗК ОНО И ОСТЬ: атомы не «сидят» на месте, в узлах, а непрерывно движутся около них. Что же мешает им покинуть свои узлы навсегда? Помимо кинетической энергии, у атомов есть энергия потенциальная. Она складывается из энергии взаимодействия атома с другими атомами в решетке. Наиболее важная часть взаимодействия — это взаимодействие ближайших соседей (в решетке железа — атома в центре куба с атомами в его вершинах). На коротких расстояниях между атомами действуют силы. отталкивания.

Именно этим объясняется «нежелание» атома покидать «родной» узел. Ведь как только атом начинает удаляться от узла, он наталкивается на противодействие соседей, и волей-неволей ему приходится возвращать- СЯ НЯЗЗД. Другие отступления от идеальности кристалла связаны с тем, что не все узлы заполнены атомами.

Более того, те же самые соображения устойчивости, связанные с минимальностью энергии, приводят, оказывается, к тому, что в кристалле должны быть пустые, не занятые атомами узлы. Такие узлы называются вакансиями. Есть множество других дефектов кристаллической решетки, но все-таки главное в ней — регулярность, а не отступления от нее, хотя эта регулярность всегда в той или иной мере бывает нарушена. Коль скоро атомы в решетке могут находиться не в любых, а лишь в определенных местах (вы сами сделаете поправку к словам «определенное место»), естественно ожидать, что и свойства кристалла будут зависеть от направления.

Зависимость свойств от направления называется анизотропией (газы и жид- ' ° каждого направления (кристаллографического) величина поля, обеспечивающего насыщение намагниченности, своя. Направление, в котором насыщение достигается при наименьших значениях поля, называется направлением легкого намагничивания. Эти слова означают, В,Г 25'10 О 400 НЭ Рис. 6.

Кривые намагничивания ферромагнитного кристалла железа вдоль главных кристаллографических направлений. что в любом другом направлении намагнитить ферромагнитный материал труднее. У железа три направления легкого намагничивания, соответствующие трем ребрам куба, исходящим из одной точки. В соответствии с этим железо называется магнито-трехосным ферромагнетиком.

Никель — ферромагнетик магнито-четырехосный, его оси проходят через противоположные вершины куба. Направление легкого намагничивания кобальта перпендикулярно к плоскости <пчелиных сот>. Итак, анизотропия магнитных свойств налицо. Чем же она обусловлена? Памятуя о том, Коль скоро энергия их взаимодействия зависит от ориентации, возникает естественный вопрос: как выстроятся диполи? Но разве мы уже не дали ответа на этот вопрос, анализируя обменную энергию? Если она положительна, дипольные моменты выстроятся параллельно друг другу, и поскольку речь сейчас идет о ферромагнетике, то именно так все и произойдет.

Сказанное верно, но заданный вопрос следует уточнить: обменное взаимодействие на самом деле выстроит диполи параллельно друг другу, но какую ориентацию эти' параллельные моменты примут относительно решетки? Вот тут-то и оказывается, что их энергия существенно зависит от того, как диполи ориентируются относительно оси легкого намагничивания. Общее правило во всяком случае остается неизменным: моменты стремятся выстроиться так, чтобы их энергия была наименьшей.

Какая энергия? Полная, т. е. вся. Именно по этой причине мы и взялись за выяснение того, из чего она складывается. Если бы атомы ферромагнетика обладали только спиновыми моментами, а сам ферромагнетик — одной единственной осью легкого намагничивания, то минимальная энергия соответствовала бы расположению всех моментов вдоль этой оси. Мы помним, однако, что в атоме есть и другие магнитные моменты, в частности связанные с орбитальным движением электрона.

Эти орбитальные моменты взаимодействуют со спинами. Именно спин-орбитальное взаимодействие служит причиной, по которой даже в одноосном ферромагнетике магнитные диполи не могут выстроиться в точности в направлении оси легкого намагничивания. В результате ферро- 70 магнетик приобретает энергию, которая называется энергией магнитной анизотропии. Факт ее существования был установлен Н.

С. Акуловым, который и сформулировал ее первую теорию. Это название обязано своим происхождением анизотропии магнитных свойств. Какова ситуация в неодноосных ферромагнетиках, например в железе? Примерно такая же, как и в одноосном, но из-за того, что имеются три оси, она, конечно, несколько усложняется. Интересно, что если бы диполи и выстроились в точнос~и вдоль одной из осей легкого намагничивания, энергия магнитной анизотропии все равно не обратилась бы в нуль, так как магнитный момент не может быть одновременно параллелен трем взаимно перпендикулярным ОСЯМ. Чтобы не запутаться во множестве осей, далее будем рассматривать лишь одноосные ферромагнетики. Итак, мы приняли точку зрения, что домены существуют. Не допускаем ли мы этим самым некоей логической ошибки? Ведь мы хотим дбкйзйть, что домены сущестВуют, а Вместо этого с самого начала допускаем их существование.

Иначе говоря, предполагаем то, что хотим доказать. Хотя формальное противоречие как будто налицо, никаких натяжек в нашем рассуждении нет. Давайте поставим задачу так: мы допускаем, что домены существуют, но при этом никак не предопределяем ни их форму, ни размеры. Другими словами, теория должна дать ответ на вопрос: каковы форма и размеры доменов? Отсутствие доменов при этом выражалось бы следующим образом: домен имеет бесконечные размеры, т. е. кристалл представляет собой один единственный домен, в котором магнитные моменты всех без исключения атомов направлены Одинаково. Итак, имеются два соседних домена, магнитные моменты которых противоположно направлены.

Характеристики

Список файлов книги