 |
Магнитных явления у ферромагнетиков.
|
|
|
|
Природа ферромагнетизма
Согласно принципу Паули в каждом квантовом состоянии могут находиться два электрона с противоположными спинами. У таких электронов результирующая спиновых магнитных моментов равна нулю, и их называют спаренными или обобществленными электронами, В атомах диамагнетиков все электроны спарены, поэтому их результирующий спиновой магнитный момент равен нулю. В атомах ферро, антиферро, ферри и парамагнетиков имеются один или несколько неспаренных электронов. Поэтому они обладают магнитным моментом, который обусловлен нескомпенсированным спиновым магнитным моментом не спаренных электронов. Для краткости его называют спиновым магнитным моментом атома. Например, в атомах ферромагнетиков количество неспаренных электронов равно: у железа 4, кобальта 3 и никеля 2, и их спиновые магнитные моменты расположены параллельно друг к другу. В атомах антиферромагнетиков количество не спаренных электронов равно: у марганца 5, у хрома 4, и их спиновые магнитные моменты ориентированы антипараллельно. В атомах парамагнетиков таких как ванадий неспаренных электронов 3, а у титана 2, и их спиновые магнитные моменты ориентированы хаотично. Таким образом, наличие в атомах электронов с нескомпенсированных спиновых магнитных моментов является важным условием для возникновения ферромагнетизма, но не единственным.
Известно, что ковалентная связь между двумя соседними атомами (ионами) в атомных кристаллах осуществляется в результате попарного обобществления их электронов, т.е. когда электронные пары становятся общими для этих двух атомов. Обобществление электронов сопровождается перераспределением электронной плотности и изменением энергии системы. Электронное облако "втягивается" в пространство между ядрами соседних атомов и плотность его в межъядерном пространстве повышается. Образовавшееся в межъядерном пространстве электронное облако повышенной плотности, как бы стягивает ядра, стремясь максимально их сблизить. Энергию связи, которая возникает в результате попарного обобществления электронов, называют обменной, так как считают, что она образовалась в результате якобы обмена электронами между соседними атомами. В действительности энергия обменной связи является электростатической энергией обменного взаимодействия электронной оболочки повышенной плотности с ядрами, между которыми она образовалась. Обменное взаимодействие имеет квантовую природу, и рассмотрение его с точки зрения классической механики весьма затруднительно.
|
|
|
Силы, под действием которых спиновые магнитные моменты атомов (ионов) ориентируются друг относительно друга параллельно или антипараллельно, возникают в результате обменного взаимодействия. Когда атомы ферромагнетика образуют кристаллическую решётку, то их валентные электроны обобществляются, а волновые функции электронов внутренних недостроенных оболочек соседних атомов перекрываются, т.е. возникает обменное взаимодействие электронов внутренних недостроенных оболочек. В результате изменяется энергия системы, и спиновые магнитные моменты атомов выстраиваются параллельно (ферромагнетик) или антипараллельно (антиферромагнетик) друг относительно друга. Приближенно энергию обменного взаимодействия WОБМ можно представить следующим выражением:
WОБМ =-А(S1,S2), (3.1)
где А - обменный интеграл; S1,S2 - результирующие спиновые магнитные моменты взаимодействующих атомов.
Обменный интеграл А служит мерой энергии обменного взаимодействия. Он может быть как положительным, так и отрицательным. Это зависит от отношения а/d, где а - расстояние между атомами (постоянная кристаллической решётки), d -диаметр недостроенной электронной оболочки, образующей не скомпенсированный спиновый магнитный момент атома. Если отношение а/ d меньше 1,5, то обменный интеграл А имеет отрицательное значение, и спиновым магнитным моментам атомов энергетически выгодно ориентироваться антипараллельно. Если а/d > 1,5, то обменный интеграл имеет положительное значение. В этом случае энергетически выгодно будет параллельная ориентация спиновых магнитных моментов атомов друг относительно друга.
|
|
|
В результате возникнет самопроизвольная (спонтанная) намагниченность и образуются домены, которые намагничены до насыщения. Зависимость А(a/d), приведенная на рис. 3.1, иллюстрирует, что у ферромагнетиков (a -Fе, Со, Ni, Gd) обменный интеграл А положительный, так как отношение a/d больше 1,5,а у неферромагнетиков (g -Fе, Мn, Сг) А отрицательный, так как отношение a/d меньшее 1,5. В некоторых случаях, путём внедрения чужеродного атома в кристаллическую решётку неферромагнитного материала, можно увеличить постоянную решётки а и соответственно отношение а/d, станет больше 1,5, в результате возникнет ферромагнетизм.
Рис. 3.1. Зависимость обменного интеграла Аот отношения постоянной решетки ак диаметру dвнутренней недостроенной электронной оболочки (a/d).
Например, если в металлический марганец ввести небольшое количество азота, то его постоянная решетки а увеличится, и отношение а/d станет больше 1,5, обменный интеграл А примет положительное значение и марганец проявит ферромагнетизм, Ферромагнетиками являются некоторые сплавы марганца (например, сплавы Гейслера - сплавы системы Мn-Сu-Аl, состоящие из неферромагнитных металлов и некоторые его химические соединения (например, МnSb, МnВi), в которых атомы Мn находятся на расстояниях, больших, чем в чистом марганце.
Таким образом, ферромагнетизм обусловлен одновременным наличием в материале следующих основных факторов: 1) нескомпенсированного спинового магнитного момента в атомах (ионах), обусловленного неспаренными электронами внутренней недостроенной электронной оболочки; 2) обменного взаимодействия электронов внутренней недостроенной оболочки, которое имеет место, когда отношение постоянной решетки а к диаметру внутренней недостроенной электронной оболочки a/d, участвующей в обменном взаимодействии, больше 1,5.
|
|
|
Явление ферромагнетизма имеет место не только в кристаллических материалах, но и в аморфных. В настоящее время известно большое количество металлов и сплавов, которые в аморфном состоянии обладают свойствами ферро- и ферримагнетиков. Отсюда следует, что для возникновения ферро- и ферримагнетизма необходимо наличие лишь ближнего порядка в расположении атомов (ионов).
Магнитная анизотропия
Монокристаллы ферромагнетиков обладают анизотропией магнитных свойств. В них существуют кристаллические направления лёгкого и трудного намагничивания. Для намагничивания монокристалла до технического насыщения вдоль кристаллографического направления лёгкого намагничивания затрачивается энергии меньше, насыщение достигается при меньших значениях напряжённости магнитного поля Н, чем для такого же намагничивания вдоль направления трудного намагничивания. На рис. 3.2. изображены элементарные кристаллографические ячейки трёх основных ферромагнитных металлов: железа Fe, кобальта Со и никеля Ni и направления их лёгкого и трудного намагничивания, а также кривые намагничивания в различных направлениях монокристаллов этих ферромагнетиков.
Элементарная кристаллографическая ячейка a -железа (рис.3.2,а) имеет структуру объёмноцентрированного куба, и осями лёгкого намагничивания являются рёбра куба [100]. Таких осей в кристалле железа три и, следовательно, в кристалле имеются шесть направлений лёгкого намагничивания.
Направлением самого трудного намагничивания является пространственная диагональ куба [111]. Направление вдоль диагонали грани куба [110] является направлением среднего намагничивания.
Рис. 3.2. Направления лёгкого и трудного намагничивания и кривые намагничивания в разных направлениях монокристаллов железа (а), никеля (б) и кобальта (в).
|
|
|
Никель имеет гранецентрированную кубическую структуру, и направлением лёгкого намагничивания у него будут пространственные диагонали [111], а трудного - рёбра куба [100] (рис. 3.2б). Кобальт (рис. 3.2в) обладает гексагональной плотноупакованной структурой, которая имеет одну ось лёгкого намагничивания [0001], совпадающую с осью 2 призмы; трудное намагничивание происходит вдоль осей [1120], [1010], перпендикулярных направлению лёгкого намагничивания (оси Z),(рис. 3.2 в). В отсутствие внешнего магнитного поля спонтанное намагничивание всегда имеет место вдоль направления лёгкого намагничивания.
Энергия WH, которая требуется для намагничивания до технического насыщения единицы объёма материала, определяется площадью между кривой намагничивания и осью ординат
, (3.2)
где MH соответствует состоянию намагниченности технического насыщения.
Магнитная анизотропия проявляется в монокристаллических образцах, в поликристаллических она не обнаруживается. Затраты энергии намагничивания монокристалла вдоль направления лёгкого намагничивания намного меньше (у железа в 5-10 раз), чем при намагничивании поликристаллического образца металла. Поэтому у поликристаллических металлов (например, у электротехнических сталей) методом прокатки создают преимущественную ориентацию отдельных кристаллитов (зёрен) в заданном направлении. Например, у сталей зёрна ориентируют на ребро. В этом случае поликристаллический металл приобретает магнитную текстуру. В результате магнитные характеристики металла в одном направлении улучшаются. Магнитное текстурирование широко применяют на практике.
Магнитострикция
Намагничивание ферромагнитных материалов сопровождается изменением их линейных размеров. Это явление получило название магнитострикции. Количественно магнитострикцию характеризуют величиной lS, называемой константой магнитострикции, которая фактически является относительным удлинением образца (lS = Dl/l) при намагниченности до состояния технического насыщения. Численное значение lS невелико (10-6-10-4), и к тому же lS не является постоянной величиной данного материала. С изменением напряжённости магнитного поля H lS, изменяется и даже может изменится её знак. Например, для a-Fе в слабых магнитных полях (Н< 32 кА/м) lS > 0, в сильных (Н> 32 кА/м) lS < 0. При намагничивании, как правило, положительная продольная магнитострикция образца соответствует его отрицательной поперечной магнитострикции, при этом объём материала почти не изменяется. Поэтому магнитострикцию характеризуют не объёмным изменением, а линейным изменением ( Dl/l ). В монокристаллах ферромагнетика проявляется анизотропия магнитострикции. Магнитострикция имеет место и в поликристаллических материалах. Наибольшая магнитострикция наблюдается у никеля (lS = - 3,7 10-5), у сплава никоси (сплав Ni-Co-Si) lS =-2,5 10-5 и у ферритов lS = - 2,6 10-5. Необычайно высокая магнитострикция у редкоземельных элементов (Тb, Dy, Нo, Ег, Тm) и их соединений. Например, у поликристаллического тербия lS = З 10-3, а у монокристаллического lS = 2 10-2.
|
|
|
Эффект магнитострикции обратим: механическая деформация материала вызывает изменение состояния его намагниченности. Прямой и обратный магнитострикционные эффекты широко применяют в приборостроении (реле, вибраторы, фильтры, преобразователи и др.)
|
|
|
