Borovik-ES-Eremenko-VV-Milner-AS-Lektsii-po-magnetizmu (1239152), страница 25
Текст из файла (страница 25)
д. В табл. 9.! приведены данные о свойствах некоторых антиферромагнетиков. Как видно нз таблицы, входящая в (9.!) величина Ь существенно отлична от Оьг; таким образом, формула (9.1) справедлива лишь вдали от температуры перехода. Температуры перехода в антиферромагнитное состояние — порядка 1Оз †: 10з К. Следовательно, как и в случае ферромагнетиков, необходимая энергия взаимодействия не может являться следствием магнитных сил; она должна быть связана с электрическим взаимодействием. Естественно предположить, что антиферромагнитное состояние обязано своим существованием обменному взаимодействию, но обменный интеграл в этом случае отрицателен.
Кристаллическая структура большинства антиферромагнетиков такова, что ионы переходных металлов не находятся в непосредственном соседстве. Поэтому обменное взаимодействие осуществляется косвенно, посредством промежуточного иона (см. ~ 9.2). 9 9.2. Ферримагнетики Впервые ферромагнитные свойства были обнаружены у магнетита (ГезОз), из которого делают постоянные магниты. Ферромагнитен также ряд соединений, подобных магнетиту и имеющих общую формулу МеОГезОз, где Ме ион двухвалентного металла, например ЫК +, М1~~, Мп~~ и т.д.(в случае магнетита это Ее~~). Такие соединения носят название ферритов, Некоторые из ферритов, например ХпОГеаОз, не ферромагнитны.
Развитие высокочастотной техники привлекло внимание к неметаллическим ферромагнетикаы, у которых практически отсутствуют потери на токи Фуко. По своим электрическим свойствам ферриты относятся к классу полупроводников. Открытие метода достижения большой начальной проницаемости ферритов путем получения смешанных кристаллов из ферромагнитных и неферромагнитного цинкового ферритов привело к их широкому практическому применению и расширению научных исследований. 122 Гл.
9. Антиферромагнетизм и ферримагнетизм В результате было обнаружено много ферромагнитных ионных соединений, так что к настоящему времени число известных неметаллических ферромагнетиков существенно превышает число ферромагнитных металлов. Магнитные свойства всех неметаллических ферромагнетиков связаны с присутствием в их составе ионов переходных элементов. Казалось бы, и в их случае не должно существовать отличия от схемы образования ферромагнитного состояния, рассмотренной в гл.8.
Однако изучение кристаллической структуры этих веществ и результаты исследования магнитных свойств показывают, что ферромагнитное состояние у них имеет более сложную структуру. На рис. 9.4 приведена зависимость 1з от температуры для двух типов ферритов и типичная зависимость 1/зг от Т при температурах выше точки Кюри. Видно, что зависи- 1, ~1 масть восприимчивости от температуры не отвечает закону Кюри— Вейсса.
Вместо прямой получается кривая, близкая к гиперболической. н Еще более резкие отклонения наблюдаются в температурной зависимости намагниченности насы! Ггсв щения. В некоторых случаях имеет место даже обращение 1, в нуль при температуре ниже температуры Кюри 1рис. 9.4). Такая точка, по причинам, которые будут разъяснены ниже, называется точкой компенсации. Хотя точки компенсации наблюдаются для сравнительно небольшого числа веществ, нормальная зависимость 1, = 1(Т) (см.
рис. 8,5) встречается очень редко, Кроме того, требует объяснения малое значение намагниченности насьпцения у всех ферромагнитных соединений. Например, экстраполированная к 0 К намагниченность насыщения магнетита 1е = 520 Гс, что дает магнитный момент в расчете на один атом железа ро =- 1,Збрв. С другой стороны, спиновый магнитный момент трехвалентных ионов железа — 5рв, а двухвалентных — 4ри (см. табл. 4.2), так что среднее значение магнитного момента должно быть больше четырех рв. Объяснение перечисленных фактов было предложено Неелем [149]. Теория Нееля является феноменологической.
Она представляет собой обобщение теории молекулярного поля Вейсса на случай сложной системы из нескольких сортов атомов. Рассмотрим идеи теории Нееля на примере ферритов, кристаллизующихся в кубической системе подобно магнетиту. Ионы кислорода, гораздо более крупные, чем ионы металлов, образуют гранецентрированную решетку с плотной упаковкой. Одна ячейка такой решетки показана на рис, 9.5, а.
В промежутках 123 9.2. Феррииагиетики между ионами кислорода — междоузлиях располагаются ионы металла. Эти междоузлия разбиваются на два типа: тетраэдрические, или типа А, окруженные четырьмя атомами кислорода, и октаэдрические, или типа В, окруженные шестью атомами кислорода. Расположение междоузлий показано на рис. 9.5, б. ! а а а е Рис. 9.5. Схема кристаллической ячейки феррита Междоузлия типа А отмечены на рисунке крестиком.
Всего таких междоузлий восемь, и они располагаются по углам куба с ребром, вдвое меньшим, чем у основного. Нетрудно видеть, что они окружены четырьмя атомами кислорода; действительно, ближайшими соседями междоузлия,'3 являются ионы кислорода 1, 2, 3, 4. Междоузлия типа В отмечены треугольниками. Одно из них (о) расположено в центре куба, остальные — на серединах ребер.
Всего таких междоузлий в кубе четыре (следует учитывать, что каждое междоузлие на серединах ребер принадлежит сразу четырем ячейкам; таким образом, двенадцать мест на ребрах дают лишь три места в расчете на одну ячейку). Следовательно, имеется двенадцать мест для ионов металла. Ионов металла всего три, так что заняты лишь некоторые междоузлия. Все двухвалентные ионы железа (Ее~~) в решетке РезОл расположены одинаково в позиции типа В, например в точке а (рис. 9.5, б). Трехвалентные ионы Еез' распределены поровну между положениями А и В, например расположены в точках гг и,д.
Полная элементарная ячейка магнетита состоит из восьми кубов (рис. 9.5, в) и содержит восемь молекул Гез04. По предположению Нееля, ионы Еезэ в узлах А имеют момент, направленный против момента ионов Ее'т в узлах В, поэтому их общий момент равен нулю. Приходящийся на молекулу один ион Ре~~ дает четыре магнетона Бора, так что в целом на атом железа приходится ро —— - 4,13)цз, это значение близко к экспериментальному (рв =. 1,36). С точки зрения теории обменного взаимодействия антипараллельное направление соседних спинов означает, что обменный интеграл отрицателен.
Введение обменного взаимодействия в теорию ферритов затрудняется тем, что электроны металлических ионов не могут непо- 124 Гл. 9. Антиферрамагнетизм и ферримагнетизм средственно взаимодействовать, поскольку они отделены друг от друга электронными оболочками ионов кислорода. В результате пришлось разработать теорию косвенного обмена, при котором обменное взаимодействие осуществляется посредством электронной оболочки аннана, лежащего между взаимодействующими катионами. При этом, в связи с вытянутой формой электронного облака в р-состоянии, косвенный обмен может происходить только при расположении ионов на одной прямой 1рис. 9.6). О Авион О Катион Рис 9.6. Схема косвенного обменного взаимодействия В связи с тем, что катионы расположены в узлах двух сортов, взаимодействие определяется тремя интегралами обмена: А,ь, Аьы А„. Первый из них относится к двум соседним ионам, один из которых расположен в узле А, а другой — в узле В.
Если обменный интеграл А ь отрицателен и существенно больше А, и ,4ьь, то, независимо от знака последних, спины в узлах А и В устанавливаются анти- параллельно. Такое взаимодействие называют антиферромагнитным. Если при этом магнитные моменты или число атомов в узлах А и В не одинаковы, то тело будет иметь некоторый суммарный магнитный момент, существенно меньший, чем магнитный момент каждой из подрешеток. Подобная ситуация, видимо, свойственна всем неметаллическим ферромагнетикам.
Поэтому их называют нескомпенсированными антиферромагнетиками. В последнее время часто употребляют термин «ферримагнетизм». Сложная конфигурация обменного взаимодействия приводит к сложной зависимости намагниченности насыщения от температуры. Действительно, обменное взаимодействие для подрешеток А и В неодинаково, поэтому их намагниченность насыщения разным образом зависит от температуры.
Вследствие этого разность магнитных моментов может как уменьшаться, так и увеличиваться с ростом температуры; в частности, в некоторой точке магнитные моменты могут сравняться и суммарный момент обратится в нуль. Таким образом объясняется точка компенсации. Неель проанализировал возможные виды зависимости Тн от температуры. Они приведены на рис. 9.7. Впрочем, из третьего закона термодинамики следует, что касательная к кривой Тн =- ЯГ'1 при О К должна быть горизонтальной. Сложным характером взаимодействия объясняется и аномальный ход кривых восприимчивости выше точки Кюри. Теория позволяет рассчитать форму этих кривых. 125 9.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
