Borovik-ES-Eremenko-VV-Milner-AS-Lektsii-po-magnetizmu (1239152), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Затем в больших полях происходит поворот вектора намагничивания в доменах; он устанавливается параллельно магнитному полю; достигается состояние технического насыщения. При абсолютном нуле температуры техническое насыщение совпадает с абсолютным (7, = 7о) и никакое дальнейшее увеличение поля не дает увеличения намагниченности. При температурах, отличных от 0 К, 7, < 7о и из-за влияния теплового движения остается некоторое количество спинов, не ориентированных вдоль поля. Дальнейшее увеличение поля может привести к ориентации оставшихся неупорядоченными спинов, и рост намагниченности продолжится. Поскольку описанный процесс подобен процессу намагничивания парамагнетика, при котором влияние поля должно преодолевать влияние теплового движения, его называют парапроцессом. Иногда говорят о процессе истинного намагничивания ферромагнетика.
При этом подразумевается, что в течение процесса технического намагничивания не происходит изменения величины намагниченности внутри доменов, а изменяется лишь направление их магнитных моментов. В действительности парапроцесс начинается с самых малых полей (см. (8.31)). Однако поскольку поле, необходимое для достижения технического насыщения, обычно невелико, влияние содержа|цего его в (8.31) члена мало вплоть до технического насыщения. Можно ввести понятие восприимчивости парапроцесса.
Присвоим этот термин отношению приращения абсолютной величины намагниченности единицы объема к величине поля. Восприимчивость парапроцесса, очевидно, равна нулю при О К. При повышении температуры она возрастает, поскольку увеличивается число неупорядоченных спинов. Особенно резкий рост восприимчивости парапроцесса и ее относительного влияния наблюдается вблизи температуры Кюри. В самой точке Кюри для идеально однородного ферромагнетика восприимчивость парапроцесса в слабых полях стремится к бесконечности.
Этот результат можно получить строго термодинамически. Следует он и из формальной теории Вейсса (см. 3 7.2). Обратимся к рис. 7.9 и формулам (7.11). При Т = О прямая г1 = ',, р 4.41 И' 1-~ р совпадает с касательной к кривой д = 1п ' . Наложение поля экви- 1 — р' 441 рдИ валентно сдвигу прямой г7 =,, р на величину по оси абсцисс. При большом значении р такой сдви~ приведет к появлению пересечения зависимостей даже при малой величине поля, т.е.
в пределе— к бесконечной восприимчивости. Не следует путать максимум восприимчивости парапроцесса при Т = О с максимумом восприимчивости в малых полях, наблюдающим- 8.5. Зависимость свойств феррамагиетикав ат темаературьс 117 ся вблизи температуры Кюри в области технической кривой намагничивания (эффектом Гопкинсона).
Наряду с уменьшением самопроизвольной намагниченности увеличение восприимчивости парапроцесса вблизи точки Кюри приводит к тому, что здесь невозможно определить самопроизвольную намагниченность непосредственно нз вида кривой намагничивания. В результате в этой области температур приходится определять 1, различными косвенными методами. Одним из таких методов является наблюдение за изменением температуры при адиабатическом намагничивании (так называемый магнитокалорический эффект). Повышение температуры в области технической кривой намагничивания невелико, а в области парапроцесса оно пропорционально 1~.
Для нахождения 1, строят зависимость температуры от 1~ и линейную часть кривой экстраполируют до пересечения с осью абсцисс. Значение 1, получившееся в точке пересечения, и принимают за 1в. Глава 9 АНТИФЕРРОМАГНЕТИЗМ И ФЕРРИМАГНЕТИЗМ 9 9.1. Антиферромагнетизм В предыдущей главе было показано, что электрическое обменное взаимодействие электронов приводит к упорядоченному расположению их спинов. При положительном знаке обменного интеграла энергетически более выгодным является параллельное расположение спииов— ферромагнитное состояние. При отрицательном знаке обменной энергии соседние спины должны устанавливаться антипараллельно; такое состояние называется антиферромагнитным. Судя по кривой рисунка 8.4 и данным табл.
8.1, антиферромагнитное состояние должно встречаться даже чаше ферромагнитного. Как мы увидим, это действительно так, хотя непосредственные заключения, которые можно сделать на основании данных табл. 8.1, не всегда оправдываются. Из упомянутых в ней элементов антиферромагнетизм обнаружен лишь у Сг и Мп (см.
ниже). Если явление ферромагнетизма приводит к повышению восприимчивости по сравнению с парамагнетиками, то, очевидно, в антиферромагнитном состоянии восприимчивость должна быть меньше, чем в парамагнитном. Экспериментально антиферромагнетизм был обнаружен раньше создания теории обменного взаимодействия при изучении магнитных свойств различных соединений (например, МпО). На рис. 9.1 показана типичная для антиферромагнетика зависимость восприимчивости от температуры. Точка Оьг излома кривой называется антиферромагнитной точкой Кюри (в последнее время ее чаще называют точкой Нееля).
Выше О„г вещество находится в парамагнитном состоянии, а его восприимчивость подчиняется закону Кюри-Вейсса: Жд лги.5'(Я+ 1) (9.1) 3/с(Т вЂ” Ь) Ниже О,г восприимчивость с понижением температуры падает. Как у ферромагнетиков в точке Кюри, у антиферромагнетиков в точке Нееля наблюдается максимум теплоемкости, скачком уменьшающейся при дальнейшем повышении температуры. На рис. 9.2 при- 9. П Антифгрраггагнетизи 119 ут 1 О 9О 1О 1ОО Е 1О 5 1оо йоо т. к 99 бо 40 о оо тк 1ОО Рис. 9.1 Температурная завнсн- Рис. 9.2 Теплоемкостн МпГз масть восприимчивости антнфер- ромагнетнков ведена теплоемкость Мпрз. Кроме того, имеют место аномалии коэффициента расширения и электропроводности, подобные аномалиям в ферромагнетиках.
С термодинамической точки зрения антиферромагнитная точка Кюри во всем подобна ферромагнитной; это тоже фазовый переход второго рода со скачком теплоемкости и других производных от термодинамических потенциалов, но с непрерывным изменением самих потенциалов, отсутствием скачка объема и скрытой теплоты перехода. В 1933 г. Л.Д. Ландау впервые создал теорию антиферромагнетизма на примере слоистых структур типа галоидных солей железа. Предполагая отрицательное обменное взаимодействие между электронами в соседних слоях, он на основании термодинамического рассмотрения показал, что в этих веществах спины электронов из соседних слоев устанавливаются антипараллельно, Почти одновременно Неелем было высказано предположение о антипараллельном расположении соседних спинов в кубических антиферромагнитных окислах.
Теория Нееля является обобщением формальной теории Вейсса для сложной решетки. Он предложил рассматривать решетку антиферромагнетика как две вставленные друг в друга подрешетки, внутри каждой из которых О 31п ОО спины параллельны, но по отношению друг к другу направления спинов в под- Рнс. 9.3 Магнитная структура решетках антипараллельны. Это поло- МпО жение иллюстрирует рис.
9.3, на котором показана магнитная структура МпО. Как видно из рисунка, ионы марганца с противоположными 120 направлениями спинов образуют две вставленные друг в друга кубические решетки. Высказанное Неелем предположение о наличии в антиферромагнетиках упорядоченного состояния с антипараллельным расположением спиноз было трудно подтвердить экспериментально до приложения к исследованию этого вопроса дифракции нейтронов. Метод дифракции нейтронов в своей основе подобен рентгеновскому методу определения структуры кристаллов. Дифракция нейтронов обусловлена их когерентным рассеянием на ядрах и электронной оболочке атома. При малых углах рассеяния эффективное сечение рассеяния электронной оболочки оказывается того же порядка величины, что и сечение рассеяния на ядрах атомов, и, кроме того, рассеяние на оболочке зависит от взаимной ориентации ее магнитного момента и плоскости рассеяния.
В тех случаях, когда размер магнитной ячейки не совпадает с размером химической, на нейтронограмме появляются дополнительные линии, отвечающие упорядоченному состоянию свинов. Если размеры ячеек совпадают, дополнительные линии не появляются, но интенсивность линий, отвечающих рассеянию под малыми углами, зависит от характера упорядочения спинов. Таким образом было доказано наличие антипараллельного расположения спинов в антиферромагнетиках. Этот метод обнаружения антиферромагнитного состояния оказался в ряде случаев более чувствительным, чем непосредственный магнитный. Таблица 9.1 Кристаллическая струк~ура Преимущественное направление Вещество О.
г, К Ь, К ХаС! ХаС! ХаС! '.ЧаС! а!Аз Рутил Гексаг Гексаг Рутил ! 100! ! 100! !100! 610 570 280 528 2000 !4 113 — 48 30 Яп1 т Мп Сг МпО ГеО СоО ЫпЯ СгВЬ МпОг Ре О РеСОз ЫПР2 РеС!г УС1 Гл. 9. Антиферромагнетизм и фгрримагнетигм 15 50 100 420 1122 198 291 165 700 92 950 57 72 24 30 12! 9.2 Феррилигнетики Какие же вещества обладают антиферромагнетизмом? Он обнаружен у многих редкоземельных элементов, но у большинства из них наблюдается также и ферромагнетизм.
В чистом виде антиферромагнитные свойства имеют Се, Хс(, Вш и Тп. Из переходных элементов с недостроенной г1-оболочкой к настоящему времени антиферромагнетизм установлен лишь у марганца и хрома, причем у хрома эффективный момент, участвующий в упорядочении, мал и точка возникновения антиферромагнитного упорядочивания отмечается только нейтронографически. Значительно более отчетливыми антиферромагнитными свойствами обладает ряд простейших соединений переходных элементов типа окислов, хлоридов, сульфидов, карбонатов и т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
