книги / Справочное пособие по магнитным явлениям

шаются при повышении температуры до уровня, где тепловая энергия становится равной обменной энергии. При дальнейшем повышении температуры это нарушение происходит очень быстро до полного подавления обменных сил. Такое состояние веще­ ства достигается при определенном значении температуры, по­ лучившем название температуры Нееля.

Магнитная проницаемость антиферромагнитного вещества увеличивается с повышением температуры и достигает макси­ мума при температуре Нееля. При более высоких температурах вещество становится парамагнитным, и с дальнейшим повыше­ нием температуры магнитная проницаемость уменьшается, так же как у всех парамагнитных веществ.

3.16.ИНДИВИДУАЛЬНО-КОСОУГОЛЬНОЕ ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ

Уантиферромагнитных веществ соседние магнетоны ориен­ тированы прямо противоположно друг к другу, т. е. каждый магнетон направлен под углом 180° к каждому из ближайших соседей. Общий результат такой ориентации заключается в пол­ ной компенсации элементарных магнитных полей — получается нулевое магнитное поле для каждого элементарного объема.

Вслучае трехмерной кристаллической структуры может су­ ществовать устойчивое распределение ориентаций магнетонов,

при котором угол между направлениями соседних магнетонов отличается от 180°, причем магнитное поле для каждого эле­ ментарного объема вещества остается равным нулю. Это явле­ ние называется гелимагнетизмом.

При изменении внешнего магнитного поля или температуры обменная магнитная восприимчивость гелимагнитных веществ изменяется аналогично магнитной восприимчивости антиферро­ магнитных веществ. Иными словами, гелимагнетизм также исчезает при температуре Нееля.

3.17. ГРУППОВОЕ ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ МАГНЕТОНОВ

Магнетоны ферромагнитных веществ объединены в группы. Домен Вейсса — это область вещества, в которой под влиянием обменных сил оси всех магнетонов ориентированы в одном и том же направлении. Здесь происходит «самоусиление» магнетонов в отличие от общего противодействия при случайной ориентации магнетонов в парамагнитных веществах или же ориентации их с индивидуальным противодействием в антиферромагнитных веществах.

Доменом называют область вещества, обладающую некоторой суммарной магнитодвижущей силой. Все магнитодвижущие силы, порождаемые отдельными магнетонами одного и того же домена, суммируются, так как все эти магнетоны ориентированы в одном направлении.

т. е. изолированно от остальных частей данного тела, то нужно было бы поддерживать магнитное поле, простирающееся за его границы. Это потребовало бы довольно больших затрат энер­ гии, которые обычно не могут быть обеспечены относительно небольшими обменными силами. Однако при формировании внутри одного кристалла нескольких доменов взаимное влияние между ними приводит к минимизации поля вне кристалла. Как показано на рис. 3.7, магнетоны в пределах каждого домена, или группы, имеют одинаковые ориентации, но сами эти группы расположены так, что обеспечивается полярное противодействие.

В ферромагнитных кристаллах содержится определенное число доменов, магнитные поля которых ориентированы в направлениях взаимного противодействия. Такая структура чувствительна к температуре, так как относительно небольшие обменные силы подвержены тепловому влиянию. При значении температуры, обеспечивающем равенство тепловой и обменной энергий, групповое взаимодействие магнетонов нарушается, и вещество становится парамагнитным. Для ферромагнитных веществ это происходит при значении температуры, которое называется температурой Кюри, или точкой Кюри.

3.18. СТЕНКИ ДОМЕНОВ

Границы, разделяющие домены, называются стенками Блоха. Они совсем не являются воображаемыми поверхностями; напро­ тив, это физические области, ширина которых достигает несколь­ ких сотен атомных расстояний. Все магнетоны внутри одного домена направлены в одну и ту же сторону, тогда как в стенке каждый магнетон имеет свое собственное направление, несколько отличающееся от направлений соседних магнетонов. Как показано на рис. 3.8, ориентации осей магнетонов в стенке постепенно изменяются, переходя от направления, характерного для одного домена, к направлению, характерному для соседнего домена.

Чем больше угол между смежными магнетонами в стенке, тем большая требуется сила, чтобы противодействовать обмен­ ным силам, обеспечивающим самоупорядочение ориентаций магнетонов. Чем меньше домены, тем больше углы между

Рис. 3.8. Стенка Блоха. Между двумя группами упорядоченных по ориента­ циям ферромагнитных магнетонов существует так называемая стенка — об­ ласть, на протяжении которой наблюдается постепенное изменение ориентаций магнетонов от ориентации, свойственной одной из соседних групп, к ориентации, свойственной другой группе:

| — магнетон

магнетонами стенки, тогда как в случае больших доменов труднее достичь взаимной компенсации их магнитных полей. Силы, возникающие в стенке, стремятся по возможности увели­ чить размеры каждого домена, а силы, обеспечивающие взаим­ ную компенсацию полей, стремятся минимизировать эти размеры. Действительные размеры доменов, так же как и направление магнетонов каждого домена, устанавливаются на основе ком­ промисса, или равновесия между обменными силами, силами поддержания угла между направлениями магнетонов стенок и силами минимизации внешних полей.

Каждый данный ферромагнитный кристалл находится в состоянии равновесия, когда все силы взаимно уравновешива­ ются. В этих условиях отсутствуют поперечные силы, приложен­ ные к стенке. Следовательно, стенка может быть легко смещена, если на нее воздействует сила, направленная под прямым углом к ее поверхностям. Например, если приложенная извне к какомулибо домену сила стремится изменить его размеры, расположение или ориентацию магнетонов, то стенки легко сдвигаются, при­ спосабливаясь к этим изменениям.

При перемещении стенки магнетон одного домена превра­ щается в магнетон стенки у одной стороны стенки, в то время как магнетон стенки превращается в магнетон другого домена у другой стороны стенки. После любого такого сдвига соотноше­ ние равновесия между углами направления магнетонов в стенке и обменными силами остается точно таким же, каким оно было до сдвига. Таким образом, к стенке не прикладывается какихлибо сил, стремящихся установить ее положение в простран­ стве, кроме сил минимизации внешнего поля.

Хотя стенки доменов легко перемещаются, все же может возникнуть сила, препятствующая этому перемещению. Она порождается эффектом Рейли — Эвинга. Поскольку эта сила

зависит от скорости движения, связанное с ней свойство веще­ ства называют магнитной вязкостью.

3.19.ОГРАНИЧЕНИЯ ДЛЯ КРИСТАЛЛОВ

Вкристаллической структуре возникают силы, стремящиеся

направить оси магнетонов вдоль одной из осей кристалла. В отсутствие других сил поле каждого домена принимает одно из предпочтительных направлений, характерных для кристалла. Например, кубический кристалл имеет шесть предпочтительных направлений. Такое явление называют магнитной анизо­ тропией. Оно представляет собой прямое следствие анизо­ тропии кристаллической решетки.

Силам, ориентирующим магнетоны в направлении осей кристалла, могут противодействовать другие силы, в результате чего магнетоны принимают ориентацию, отличающуюся от направления осей кристалла. Для того чтобы повернуть направ­ ления доменов против действия анизотропии кристалла, должна быть затрачена энергия кристаллографической магнитной

анизотропии.

При отсутствии внешней силы в ферромагнитных кристаллах формируется несколько доменов, каждый из которых ориенти­ рован в одном из предпочтительных направлений, с тем чтобы суммарное поле кристалла было минимальным.

Кроме того, магнитные поля порождаются разрывами непрерывной структуры вещества, такими, как границы между смежными кристаллами, поверхностями тела, дефекты в кристал­ лической решетке, посторонние включения и т. п. Эти магнито­ статические поля противодействуют самоупорядочению ориента­ ций магнетонов. Подобные отклонения от кристаллической сим­ метрии нарушают равновесие обменных сил и ослабляют спонтан­ ную тенденцию к формированию доменов.

Магнитостатические поля нарушают равенство угловых интервалов между осями магнетонов, которое наблюдается в стенках доменов, и уменьшают энергию, требуемую для под­ держания этих угловых интервалов в стенках. Вследствие этого для смещения стенки из любого положения, где имеется маг­ нитостатическое поле, нужна относительно большая сила.

3.20. МНОЖЕСТВЕННЫЕ ДОМЕНЫ

Именно понятие домена служит для объяснения отличия ферромагнетизма от парамагнетизма и диамагнетизма. В основе двух последних явлений лежат характерные особенности пове­ дения отдельных атомов и молекул, а в основе ферромагне­ тизма — поведение групп определенных типов атомов.

Размеры, форма, расположение и ориентация доменов опре-

Рис. 3.9. Множественные доме­ ны (затемненные области). В ферромагнитных веществах каждая группа магнетонов обычно упорядочивает свою ори­ ентацию в направлении элек­ тростатических осей кристалла

деляются всей совокупностью сил, действующих в кристалли­ ческой системе, поскольку эти силы образуют общую конфигу­ рацию, соответствующую минимальной энергии. Максимальные размеры доменов лежат в диапазоне от нескольких микрометров до нескольких сантиметров в зависимости от геометрических характеристик процесса образования данного тела и условий окружающей среды. Обменные силы стремятся выстроить оси магнетонов домена в одном и том же направлении; энергия кристаллографической магнитной анизотропии определяет, каким должно быть это направление; наконец, требование минимизации внешнего магнитного поля заставляет несколько доменов объединиться в структуру, обеспечивающую компен­ сацию полей (рис. 3.9).

Энергия кристаллографической магнитной анизотропии облегчает намагничивание кристалла в направлении какой-либо его оси. Если кристаллы объединены в некоторую структуру совершенно случайным образом, то влияние предпочтительной направленности осей кристаллов утрачивается, и тело в целом обладает более или менее одинаковыми характеристиками по всем направлениям. Если же кристаллы организованы в струк­ туру с определенной регулярностью направления их осей, то тело легче намагничивается в одних направлениях, чем в других, поскольку проявляется анизотропия тела в целом.

Разные ферромагнитные материалы значительно различаются по своим магнитным характеристикам. К этим характеристикам относятся температуры Кюри, точки насыщения, магнитные проницаемости, коэрцитивные силы, гистерезисные потери и, в общем случае, размеры и формы петель гистерезиса. Соответ­ ствующие свойства веществ определяются их общим составом, наличием примесей, механическими деформациями, видом термической обработки, кристаллической структурой и ориен­ тацией осей кристаллов.

Для получения материалов с желаемыми характеристиками

упорядочения ориентаций магнетонов парамагнитного вещества в приложенном внешнем магнитном поле. На рис. 5.3 показано упорядочение ориентаций магнетонов при фазовом переходе от парамагнетика к ферромагнетику.

Другие формы перераспределения энергии также могут повлиять на обменные силы. Например, приложенное внешнее поле может вызвать ферромагнитные свойства у некоторых антиферромагнитных веществ. Метамагнетизм — это явление перехода от антиферромагнетизма к ферромагнетизму, когда одни магнетоны ориентированы по типу индивидуального противодей­ ствия, а другие — по типу доменного противодействия.

В любом случае, если условия существования одной фазы внезапно сменяются условиями существования другой фазы, то сам фазовый переход происходит с определенной времен­ ной задержкой.

3.22. ДВОЙНАЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА

Кристаллы химически чистых веществ имеют четко выражен­ ные решетчатые структуры в трехмерном пространстве. Если два вещества объединяются в результате растворения одного из них в другом, то может образоваться новый кристалл, в котором молекула каждого компонента занимает строго опреде­ ленное положение в решетке с более сложной структурой. Эта решетка может приобрести некоторый новый тип симметрии, поскольку ее можно представить в виде двух кристаллов разных веществ, совмещенных в одной и той же области пространства. Хотя на самом деле имеется не два, а только один кристалл, при определенных условиях одна из его подструктур может приобрести характеристики, отличающиеся от характеристик другой подструктуры.

Например, ферромагнитные обменные силы могут действо­ вать в этом случае отдельно, как-будто бы вместо одного кристалла были два. Тогда две различные совокупности маг­ нетонов по отдельности испытывают воздействие как своих собственных сил решетки, так и сил решетки растворителя. При таких условиях вещество называется ферримагнитным (или соответственно антиферримагнитным). На рис. 3.10, иллюстри­ рующем такую структуру, крупными стрелками изображены магнетоны одной решетки, более мелкими стрелками — магнетоны другой решетки.

Наличие двойной решетки теоретически открывает широкие возможности для образования структур с различными магнит­ ными свойствами, например, решеток, в которых оба кристалла являются ферромагнитными в одном и том же направлении или в противоположных направлениях, решеток с двумя кристал­ лами, обладающими индивидуальным антиферромагнетизмом, решеток, в которых кристаллы характеризуются различными

Рис. 3.10. Упорядочение ориентаций антнферримагнитных магнетонов. В отличие от антиферромагнитного вещества антиферримагннтное можно представить как состоящее из двух совокупностей магнетонов, распределенных в одном и том же пространстве, причем каждая совокупность независимо упорядочена по ориентациям при парном противодействии магнетонов:

| — магнетон первой решетки; | — магнетон второй решетки

Рис. 3.11. Упорядочение ориентаций ферримагиитных магнетонов. Ферримагнитное вещество содержит две совокупности ферромагнитных магнетонов, распределенных в одном и том же пространстве, но без парного противодей­ ствия, причем каждая совокупность упорядочивается по ориентациям так, чтобы обеспечивалось групповое противодействие магнетонов (как и в фер­ ромагнитных веществах)

] — магнетон первой решетки; | — магнетон второй решетки

предпочтительными осями, и т. п. На рис. 3.10 показано, как магнетоны, направленные по разным осям, образуют антиферримагнитную структуру, а на рис. 3.11 — ферримагнитную струк­ туру. В ферримагиитных и ферромагнитных веществах форми­ руются домены, тогда как антиферримагнитные вещества могут иметь две температуры Нееля.

Термин феррит обычно применяют для обозначения элек­ трически непроводящего ферримагнитного вещества, обладаю­ щего достаточно большим суммарным магнитным моментом с соответствующими обменными силами, обеспечивающими формирование доменов, аналогичное их формированию в ферро­ магнитных веществах.

3.23. МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ

Изотропное вещество обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях, тогда как анизотропное вещество, наобо­ рот, имеет свойства, различающиеся в зависимости от направления.

Существуют такие характеристики вещества, которые оста­ ются постоянными независимо от того, в каком месте простран­ ства, занимаемого веществом, они измерены и по какому направ­ лению осуществляется наблюдение. Такие характеристики выражаются скалярными величинами, которые представляются одним числом. Характеристики другого типа выражаются век­ торными величинами, имеющими модуль (абсолютную величину) и направление.

Некоторые свойства вещества можно описать характеристи­ ками, которые остаются неизменными по всему объему веще­

ства, однако зависят от направления их измерения. Такие харак­ теристики называются тензорами. Например, намагничивающая сила, не параллельная некоторой оси кристалла, может привести к образованию магнитного потока, параллельного этой оси. В этом случае поток не совпадает по направлению с намагничивающей силой, и отношение В /Н будет тензором, так же как и магнитная восприимчивость М/Н.

У гиромагнитных веществ диэлектрическая проницаемость является скалярной величиной, а магнитная проницаемость под влиянием внешнего магнитного поля становится тензором. У гироэлектрических веществ диэлектрическая проницаемость является тензором, а магнитная проницаемость — скаляром.

3.24. ИЗМЕНЕНИЯ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ

Как показывает уравнение (3.3), магнитная восприимчи­ вость выражает магнитный момент, который устанавливается

Рис. 3.12. Влияние температуры иа различные магнитные явления: