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

Текст из файла (страница 18)

Известно, что в магнитном поле каждый уровень энергии атома магнетика расщепляется на два близко расположенных уров­ня в соответствии с двумя воз­можными направлениями спина относительно поля (рис. 5.1, a). Благодаря этому расщеплению дисперсионные зависимости n = n( ω ) в окрестности линии поглощения для лево- (n-) и правополяризованного (n⁺) по кру­гу света оказываются смещен­ными относительно друг друга (рис. 5.1,6). Разность показа­телей преломления n⁺ — n- (рис. 5.1, в) обусловливает фара­деевское вращение плоскости по­ляризации линейно-поляризованного света

θ_FF= ( n+ - n-) ω

Р ис.5.1. К природе эффекта Фарадея.

Это так называемый магнитный круговой дихронизм. Его существование приводит к тому, что после прохождения света через среду он из линейно-поляризованного превращается в эллиптически-поляризованный.

Если свет распространяется перпендикулярно направлению намаг­ниченности I_M, то наблюдается магнитное линейное двулучепреломление, называемое эффектом Коттона—Мутона. Он обусловлен различи­ем коэффициентов преломления двух линейно-поляризованных компо­нент световой волны, поляризованных параллельно и перпендикулярно I_M. Возникающие фазовые сдвиги приводят к возникновению эллипти­чески поляризованного света на выходе из среды. Эффект Коттона— Мутона, в отличие от эффекта Фарадея, является четным. Величина его пропорциональна квадрату намагниченности.

В поглощающей среде возникает и магнитный линейный дихро­изм — различие коэффициентов поглощения двух линейно-поляризо­ванных волн в поперечно-намагниченной среде. Наличие дихроизма приводит к повороту угла ориентации эллипса в процессе распростра­нения волны.

Наряду с магнитооптическими эффектами, возникающими при про­хождении света через намагниченную среду, наблюдается ряд эффектов при отражении света от поверхности образца, называемые магнитооп­тическими эффектами Керра. В зависимости от взаимной ориентации намагниченности I_m , направления распространения света k и нормали « к поверхности различают три вида эффектов Керра — полярный, меридиональный и экваториальный.

Полярный эффект заключается во вращении плоскости поляриза­ции и появлении эллиптичности при отражении линейно-поляризо­ванного света от поверхности материала, когда намагниченность парал­лельна нормал I_m || n .

Меридиональный эффект Керра состоит во вращении плоскости поляризации и появлении эллиптичности при отражении линейно-поляризованного света от поверхности в случае, когда намагниченность I_m ┴ n и лежит в плоскости падения света.

Экваториальный эффект наблюдается в поглощающих материалах и состоит в изменении интенсивности и сдвиге фазы линейно-поляри­зованного света, отраженного от намагниченной среды, когда намагни­ченность I_m ┴ n и перпендикулярна плоскости падения света. Поворота плоскости поляризации не происходит. Весьма существенное значение для выбора материала при создании магнитооптических функциональных устройств имеет оптическое поглощение. Среди разнообразных магнетиков относительно малое поглощение в видимом и ближнем ИК- диапазонах можно ожидать лишь в неметаллических материалах. Это, прежде всего, феррит-гранаты, ортоферриты, феррошпинели и другие железосодержащие ферримагнетики.

Магнитные материалы, используемые для создания функциональ­ных магнитооптических устройств, можно условно разделить на две группы. К первой группе можно отнести материалы с относительно не­большим оптическим поглощением, используемые для пространствен­но-временной модуляции света. Это феррит-гранаты, ортоферриты, ферриты со структурой шпинели и др.

Ко второй группе следует отнести тонкие магнитные пленки на ос­нове интерметаллических соединений, обладающих большим коэффи­циентом поглощения в видимом и инфракрасном диапазонах.

Феррит-гранаты

Редкоземельные феррит-ганаты характеризуются общей форму­лой R₃Fe₅O1₂ и представляют собой окислы с кубической структурой. Ионы О^2- образуют плотноупакованную структуру, в пустотах между ионами кислорода размещаются редкоземельные ионы и ионы железа либо частично замещающие их элементы. В структуре граната наблю­даются три вида пустот — додекаэдрические, октаэдрические и тетраэдрические в соответствии с количеством ионов кислорода, окружаю­щих катион металла. В первом случае катион металла окружен восемью ионами кислорода, во втором — шестью, а в третьем — четырьмя. Обычно катионы редких земель занимают додекаэдрические позиции (R³⁺), катионы железа — октаэдрические (Fe³⁺) и тетраэдрические (Fe³⁺). Ионы железа, находящиеся в октаэдрических позициях, формируют октаэдрическую магнитную подрешетку, а ионы железа, расположен­ные в тетраэдрических позициях, — тетраэдрическую магнитную под-решетку. Между этими ионами железа существует сильное обменное взаимодействие, приводящее к антипараллельному упорядочению маг-

нитных моментов, и потому феррит-гранаты относятся к классу ферри-магнетиков.

Если додекаэдрические позиции заняты магнитными редкоземель­ными ионами, то они формируют третью магнитную подрешетку — до-декаэдрическую. Обменное взаимодействие между редкоземельными ионами намного меньше, чем между ионами железа.

Феррит-гранаты характеризуются высокой прозрачностью в ближ­ней ИК-области спектра. Так, иттриевый феррит-гранат Y₃Fe₅O₁₂ имеет окно прозрачности в области длин волн 1,3-5,5 мкм, и в некоторых образцах коэффициент поглощения не превышал 3-10^-2 см^-1в этой спек­тральной области. При длинах λ > 5,5 мкм наблюдается решеточное положение, а при λ< 1,5 поглощение связано с краем собственного по­глощения. При λ > 100 мкм вплоть до СВЧ-диапазона феррит-гранаты обладают высокой прозрачностью, а уровень поглощения в них опреде­ляется дефектами кристаллической решетки. Для задачи прикладной магнитооптики основной интерес представляют видимая и ближняя ИК-области спектра.

Оптические свойства редкоземельных феррит-гранатов в основном определяются ионами железа, и на фоне сравнительно слабого погло­щения возникают узкие пики поглощения, связанные с электронными переходами внутри частично заполненной 4f оболочки редкоземельных ионов. Коэффициент поглощения в области этих пиков достигает вели­чины порядка 10²см^-1. Пики поглощения, связанные с электронными переходами в редкоземельных ионах, присутствуют и в спектрах немаг­нитных фанатов, что оганичивает их применимость в качестве подло­жечного материала.

Другим фактором, сильно влияющим на поглощение феррит-Фанатов, является температура. С ростом температуры край окна про­зрачности смещается в область больших значений длин волн, что обу­словлено, прежде всего, уширением пиков поглощения, а также слабым смещением центра переходов в ИК-область.

Эффект Фарадея в Y₃Fe5O12 относительно невелик. Так, при длине λ = 0,63 мкм при комнатной температуре θ_F = 0,083 град/мкм и макси­мум фарадеевского вращения, равный 2,8 град/мкм, достигается в об­ласти λ = 0,435 мкм. Существование интенсивных электрических дипольных переходов между 4f- и 5d-уровнями редкоземельных ионов и переходов с переносом заряда от ионов кислорода на редкоземельные ионы существенно влияет на магнитооптические свойства редкоземель­ных феррит-фанатов в инфракрасной и видимой областях спектра. Особенно сильно влияние сказывается при низких температурах, по­скольку намагниченность редкоземельной подрешетки растет с умень­шением температуры быстрее, чем намагниченность октаэдрической и тетраэдрической подрешеток. При переходе точки магнитной компен­сации в редкоземельных феррит-гранатах происходит смена знаков не­четных магнитооптических эффектов.

В связи с тем, что для прикладной магнитооптики необходимы ма­териалы с сильным фарадеевским вращением и слабым оптическим по­глощением, для сравнения магнитооптических материалов вводят ха- рактеристический параметр — магнитооптическую добротность \|/, оп­ределяемый как отношение удвоенного удельного фарадеевского вра­щения к коэффициенту поглощения материала а:

2θ _F

\|/ = —

ά

В частности, магнитооптическая добротность имеет три четко вы­раженных максимума на спектральной зависимости у в висмутсодер­жащих феррит-фанатах в областях λ = 0,56, 0,78 и 1,15 мкм.

33. Магнитные свойства и классификация магнитных материалов.

Все без исключения материалы взаимодействуют с внешним маг­нитным полем, т.е. проявляют определенные магнитные свойства.

Объясняется это тем, что любой материал под действием внеш­него магнитного поля приобретает магнитный момент, т.е. намагни­чивается. Поскольку магнитное поле образуется при движении элек­трического заряда, естественно полагать, что магнитные свойства материалов проявляются в результате движения электронов, входя­щих в состав атомов (ионов, молекул). Магнитным моментом обла­дают также и ядра атомов. Однако их влиянием на магнитные свой­ства атомов можно пренебречь, так как магнитный момент ядра на три десятичных порядка меньше магнитного момента электрона. Ка­ждый электрон атома осуществляет два вида движения: орбитальное и спиновое, создавая соответственно орбитальный магнитный мо­мент М_орб и спиновой магнитный момент М_сп Полный магнитный момент атома М_ат представляет векторную сумму орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов данного атома: z z

Мат = ∑Морб + ∑ Мсп. (14.1)

l l

В отсутствие внешнего магнитного поля магнитный момент ато­ма Мат не равен нулю только при наличии незаполненной у него электронной оболочки. В заполненных электронных оболочках не только орбитальные, но и спиновые магнитные моменты электронов полностью скомпенсированы.

Для характеристики магнитных свойств материалов вводят сле­дующие величины:

В — магнитная индукция (плотность магнитного потока ), Тл;

Н — напряженность магнитного поля, А/м;

М — намагниченность материала под действием магнитного поля, А/м — это векторная сумма магнитных моментов атомов Мат, находящихся в единице объема V магнитного материала:

М=1/V ∑Мат;

km — магнитная восприимчивость (величина безразмерная);

μ— относительная магнитная проницаемость (или магнитная проницаемость) — величина безразмерная

Диамагнетики

Диамагнетизм заключается в индуцировании внешним магнит­ным полем в электронных оболочках атомов, ионов или молекул магнитного момента (в том числе дополнительного). Поэтому он присущ всем материалам независимо от их агрегатного состояния и вида химической связи. В чистом виде диамагнетизм можно наблю­дать только у тех материалов, в которых магнитный момент атома Мат(см. формулу (14.1)) равен нулю. Такие материалы называют диамагнетиками .

Диамагнетиками являются материалы, атомы, ионы или молеку­лы которых в отсутствие внешнего магнитного поля не имеют ре­зультирующего магнитного момента. В них существует только маг­нитный момент, наведенный внешним магнитным полем.

Для диамагнетиков характерно то, что у них вектор намагничен­ности направлен против вектора внешнего намагничивающего поля. По этой причине они подвергаются слабому выталкивающему дейст­вию последнего. Магнитная восприимчивость km диамагнетиков от­рицательная (km < 0) и по абсолютному значению очень мала (|km| = 10^─4 - 10^─8). В большинстве случаев km не зависит от температу­ры и напряженности магнитного поля. Магнитная проницаемость и у них немного меньше единицы (μ < 1).

Диамагнетиками являются все инертные газы, водород, аммиак и др., ряд металлов (Си, Ag, Аи, Zn, Pb, Hg и др.), металлоиды (Р, S, Si и др.), вещества неорганические (стекла, мрамор, вода и др.) и орга­нические (воск, нефть и др.). Значения km и μ некоторых диамагне­тиков приведены в табл. 14.1.

Таблица 14.1

Значения магнитной восприимчивости km и магнитной проницаемости ц для некоторых диамагнетиков и парамагнетиков

Вещество km μ = 1 + km

Диамагнетики _

Висмут -1,7 10^─4 0,99983

Вода -0,88 10^─5 0,9999912

Медь -0,94 10^─5 0,9999906

Кремний -0,3 10^─5 0,999997

Характеристики

Список файлов ответов (шпаргалок)