Магнитные свойства конденсированных веществ, страница 5

В длинном ряду неметаллических кристаллических керамических и стекломатериалов ферромагнитные материалы занимают относительно небольшое по объему пространство, но заметное место. Без них невозможен выпуск многих изделий электронной  техники, содержащих трансформаторы, магнитопроводы, в особенности изделий ВЧ- и СВЧ-техники. Физическую сущность ферро- и ферримагнетизма очень трудно объяснить без рассмотрения собственных свойств и поведения в магнитном поле таких металлических материалов, как железо, кобальт, никель, сплавы на их основе. И хотя исторически первым ферромагнитным материалом, примененным человеком, был, по-видимому, магнетит Fe₃O₄, теоретические основы учения о ферромагнетизме разрабатывались на примере металлов. При этом в учении о ферромагнетизме развивались два направления:

а) о   ф и з и ч е с к о й   п р и р о д е    явления  на атомном и микроскопическом уровне, с анализом особенностей электронной и зонной структуры твердых тел;

б) о поведении ферромагнитных макроскопических тел во внешнем поле; эта практически важная область исследований называется  т е о р и е й    д о м е н н о й   с т р у к т у р ы, это - скорее макроскопическая теория.

Ферромагнетизм свойствен веществам лишь в твердом состоянии, из всех атомов он присущ лишь кристаллам девяти химических элементов: трем 3d-металлам (Fe, Co, Ni) и шести 4f-металлам (Gd, Dy, Tb, Ho, Ег, Тm). Ферромагнитны также многие сплавы, причем содержащие не только перечисленные элементы. Обязательно лишь наличие некомпенсированного магнитного момента у атомов и спонтанной намагниченности материалов в конденсированном твердом состоянии.

Общей особенностью всех ферромагнетиков является также наличие критической температуры (ферромагнитной точки Кюри q), выше которой состояние спонтанной намагниченности исчезает, разрушается доменная структура и вещество превращается в парамагнетик. Эта температура и намагниченность насыщения указаны для некоторых веществ в табл. 2.5.2.

                                                                                    Таблица 2.5.2

Свойства ферромагнитных кристаллов (по Ч.Киттелю)

2.5.4.1. Обменная природа ферромагнетизма

В свободном состоянии свойства атомов ферромагнетиков мало отличаются от свойств парамагнетиков: наличие частично заполненных электронных оболочек обеспечивает заметный спиновый магнитный момент, являющийся элементарным носителем ферромагнетизма, но по порядку величины такой же, как и у парамагнетиков. Однако объединение ферромагнитных атомов в кристаллическую или неупорядоченную аморфную твердотельную структуру сопровождается возникновением областей - ферромагнитных доменов - с характерным поперечным размером около 0,01...0,1мкм (для ненамагниченного железа), в пределах которых материал намагничен до насыщения. "Подстройка" этого внутреннего магнитного поля к внешнему приводит к тому, что намагниченность ферромагнетиков превышает эту характеристику в парамагнетиках примерно в 10⁸ раз.

Опытным путем было установлено, что взаимодействие между электронными оболочками соседних атомов, приводящее к ферромагнетизму, имеет не магнитную, а электростатическую природу. Френкель и Гейзенберг показали, что внутреннее магнитное поле (его еще называют молекулярным полем Вейсса) является следствием обменного взаимодействия электронов внутренних недостроенных оболочек атомов. Сильное электростатическое взаимодействие сближенных атомов может сделать энергетически выгодным состояние с параллельной ориентацией спинов и, следовательно, намагниченное состояние. Соответствующее решение квантово-механического уравнения Шредингера для двух электронов с учетом их спина дает в результирующей энергии взаимодействия кроме обычного кулоновского члена еще добавочный специфически квантовый член, зависящий от взаимной ориентации спинов. Эта добавочная энергия получила название обменной.

Применительно к системе, состоящей из двух атомов или ионов, обменная энергия, связанная с изменением ориентации спинов, может быть записана следующим образом:

                                                            (2.5.22)

здесь  - так называемый обменный интеграл, а S_i и S_j  - результирующие спиновые моменты взаимодействующих атомов (напомним, что орбитальные моменты атомов с незаполненными оболочками заморожены).

Обменный интеграл может быть как положительным, так и отрицательным. Он положителен для атомов, у которых отношение параметра решетки “a” к диаметру “d”  электронных оболочек, участвующих в образовании обменной связи, достаточно велико. Обменный интеграл >0  при  a/d > 1,5 и < 0 при a/d < 1,5.

На рис.2.5.5 показана зависимость   от отношения a/d  некоторых химических элементов; видно, что у ферромагнитных элементов обменный интеграл положителен и, следовательно, для них энергетически выгодной  является параллельная ориентация спинов (рис. 2.5.6,а). Если каким-либо образом увеличить параметр решетки “a”, до уровня, при котором отношение a/d > 1,5 и обменный интеграл станет положительным, то неферромагнитное в чистом виде вещество может перейти в ферромагнитное состояние. Характерный пример в этом отношении - многие сплавы и химические соединения марганца (MnBi, MnSb и др.).