1. Краткая теория

1.2. Феноменологическое описание магнитных фазовых переходов

На практике при интерпретации экспериментальных данных чаще используют не общий термодинамический анализ, некоторые элементы которого приведены в предыдущем параграфе, а более частные (но подробные) теории конкретных магнитных переходов. Распространенными фазовыми переходами второго рода в магнетиках являются спонтанная спиновая переориентация и, уже упоминавшееся, превращение парамагнетик-ферромагнетик. То и другое явления реализуются при варьировании температуры и имеют достаточно подробное феноменологическое (основанное на некоторых опытных данных) описание.

1.2.1. Теория молекулярного поля Вейса. Температура Кюри

Впервые объяснение механизма образования спонтанной (в отсутствии магнитного поля) намагниченности в ферромагнетиках было дано П.Вейсом. Согласно его гипотезе в магнитоупорядоченном веществе на каждый локальный магнитный момент (спин) действует эффективное магнитное поле M_мол. (молекулярное поле), которое создается соседними спинами и пропорционально полной намагниченности M.

Статистический расчет, учитывающий поведение спинов под ориентирующим действием внешнего и молекулярного полей и разупорядочивающим действием тепловых флуктуаций, дает следующее выражение для намагниченности в зависимости от температуры T и внешнего поля H

Здесь N – число атомов несущих магнитный момент в единице объема (в данном случае считается, что все они одинаковы), g – фактор Ланде, μ_b – магнетон Бора, J – квантовое число полного механического момента, λ – постоянная молекулярного поля, К – постоянная Больцмана, М(0) – намагниченность при Т=0, В_J(x) – функция Бриллюэна.

Функция Бриллюэна полностью определяет температурный ход намагниченности. Она зависит от параметра J, но имеет фиксированные асимптотические значения: при х → ∞ (область малых температур) В_J(x) → 1, при х → 0 (область больших температур) В_J(x) → 0. Анализируя различные области изменения х, можно получить зависимости М(Т,Н) в соответствующих температурных интервалах. В частности, при х 2 θ = –K₁/2K₂ – конус легкого намагничивания (КЛН).

Реализация того или иного решения определяется знаком второй производной E_a по θ, который в свою очередь зависит от знаков и соотношения констант анизотропии.

Если вторая константа анизотропии положительна (K₂ > 0) то имеет место следующая взаимосвязь:

В соответствии с теорией Ландау такие переходы характеризуются определенными изменениями параметра порядка и сопровождаются скачком вторых производных термодинамического потенциала (например, магнитной восприимчивости). В качестве параметра порядка в данном случае можно выбрать угол θ. Его зависимость от температуры показана на рис. 3, б. Выше T₁ угол θ постоянен и равен нулю, в интервале T₁ Закрыть

Описание лабораторной работы подготовлено на кафедре физики магнитных явлений при поддержке «Award №.RES-005 of the U.S. Civilian Research & Development Foundation for the Independent States of the Former Soviet Union (CRDF)»

© Кафедра магнетизма и магнитных наноматериалов, 2014

Источник

СПОНТАННАЯ НАМАГНИЧЕННОСТЬ

Смотреть что такое «СПОНТАННАЯ НАМАГНИЧЕННОСТЬ» в других словарях:

САМОПРОИЗВОЛЬНАЯ (СПОНТАННАЯ) НАМАГНИЧЕННОСТЬ — – собственная намагниченность магнитного вещества, не зависящая от внешних условий. Фундаментальная характеристика материала. В реальных материалах из за стремления к минимуму энергии образуются области самопроизвольной намагниченности – домены,… … Палеомагнитология, петромагнитология и геология. Словарь-справочник.

МАГНИТНЫЕ ЖИДКОСТИ — ультрадисперсные устойчивые коллоиды ферро или ферримагнитных однодо менных частиц, диспергированных в разл. жидкостях и совершающих интенсивное броуновское движение. Магнитная проницаемость ц таких коллоидов достигает 10, тогда как у обычных… … Физическая энциклопедия

Мультиферроики — Мультиферроиками (или сегнетомагнетиками в советской литературе) называют материалы, в которых сосуществуют одновременно два и более типов «ферро» упорядочения: ферромагнитное (англ. ferromagnetic), сегнетоэлектрическое (англ. ferroelectric) и… … Википедия

Ферримагнетизм — магнитное состояние вещества, при котором элементарные магнитные моменты (См. Магнитный момент), ионов, входящих в состав вещества (ферримагнетика (См. Ферримагнетики)), образуют две или большее число подсистем – магнитных подрешёток.… … Большая советская энциклопедия

МАГНЕТИЗМ — 1) особая форма вз ствия между электрич. токами, между токами и магнитами (т. е. телами с магнитным моментом) и между магнитами; 2) раздел физики, изучающий это взаимодействие и св ва в в (магнетиков), в к рых оно проявляется. Основные проявления … Физическая энциклопедия

ИЗИНГА МОДЕЛЬ — предельно упрощённая модель магнетика в виде системы магн. диполей (спинов), расположенных в узлах кристаллич. решётки. В каждом узле с номером k спин может быть направлен вверх (sk=l) или вниз (sk= 1). В микроскопия, состоянии системы заданы… … Физическая энциклопедия

Магнетизм — Классическая электродинамика … Википедия

ФЕРРОМАГНЕТИК — вещество, в к ром ниже определённой темп ры (Кюри точки 0) устанавливается ферромагн. порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллич. кристаллах) или магн. моментов коллективизир. электронов (в металлич. кристаллах; (см.… … Физическая энциклопедия

НАМАГНИЧИВАНИЕ — процесс создания намагниченности в материалах (г. п., м лах). У диамагнитных материалов результирующий магнитный момент в отдельных атомах (молекулах) равен нулю и намагниченность возникает за счет ларморовской прецессии электронных орбит в… … Геологическая энциклопедия

МАГНИТНОЕ НАСЫЩЕНИЕ — состояние парамагнетика или ферромагнетика, при к ром его намагниченность J достигает предельного значения J? намагниченности насыщения, не меняющейся при дальнейшем увеличении напряжённости намагничивающего поля. В случае ферромагнетиков J?… … Физическая энциклопедия

Источник

Ферромагнетики и доменная структура

В статье ниже рассмотрим такой вид магнетиков как ферромагнетики. Разберём их основные свойства и доменную структуру.

Ферромагнетики – это особый класс магнетиков, способных обладать намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля (спонтанная намагниченность).

Основные свойства ферромагнетиков

Отметим, что ферромагнетизм присущ веществам лишь в кристаллическом состоянии. Самыми известными примерами ферромагнетиков являются: железо, кобальт, соединения хрома и другие. Ферромагнетики относятся к сильномагнитным веществам, при этом их намагниченность находится в зависимости от напряженности внешнего поля нелинейно и достигает насыщения. Учитывая сказанное, магнитная восприимчивость ( χ ) и магнитная проницаемость ( μ ) для ферромагнетиков непостоянны. Так же имеет место запись:

но при этом μ и χ рассматриваются как функции от напряженности поля. С ростом напряжённости поля данные функции также получают рост, проходят через максимум, а в сильном поле (при достижении насыщения) μ стремится к единице, а χ – к нулю. Значение μ в максимуме достигает сотни тысяч единиц для большинства ферромагнетиков в условиях обычной температуры.

Монокристаллы ферромагнетиков являются анизотропными по отношению к магнитным свойствам. Каждый монокристалл содержит одно или несколько направлений, вдоль которых магнитная восприимчивость особо значима. Также имеются направления, в которых кристалл плохо намагничивается. Заметим, что, если вещество, являющееся ферромагнетиком, состоит малых поликристаллов, то оно является изотропным.

Рассмотрим еще одну отличительную черту ферромагнетиков: зависимости B → H → и J → H → являются неоднозначными, определенными предшествующей историей – для ферромагнетиков характерен магнитный гистерезис.

Для рассматриваемого класса магнетиков имеет место определенная температура, при которой вещество осуществляет фазовый переход второго рода. Такая температура носит название температуры Кюри ( T k ) или иначе: точки Кюри.

Когда значение температуры ниже точки Кюри, вещество проявляется как ферромагнетик; когда температура становится выше точки Кюри, вещество приобретает свойства парамагнетика. Вокруг точки Кюри магнитная восприимчивость ϰ отвечает закону Кюри-Вейса:

Доменная структура ферромагнетиков

Эйнштейн в ходе эксперимента показал, что ферромагнетизм вызывается спинами электронов. Как уже указывалось выше, ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью при отсутствии внешнего поля, но под влиянием внутренних причин спины электронов начинают выстраиваться в одном общем направлении. При этом стоит отметить, что энергетически не оптимально для ферромагнетика целиком обладать намагниченностью.

Впервые теорию о свойствах ферромагнетиков сформулировал Вейсс в 1907 году. Поверхностный взгляд может отметить, что в данной теории существует противоречие между спонтанным намагничиванием и фактом, что даже, когда значение температуры ниже точки Кюри, некоторые ферромагнетики не намагничены, хоть и имеются постоянные магниты. Данное противоречие было устранено сформулированной Вейссом гипотезой.

Ферромагнетики при температуре ниже точки Кюри в магнитном отношении распадаются на множество маленьких макроскопических областей, и каждая из них является спонтанно намагниченной. Эти области получили название доменов.

Домены направлены хаотично при обычных условиях. Тело в общем не является намагниченным. Включение внешнего поля вызывает рост доменов, имеющих ориентацию по полю, за счет доменов, имеющих ориентацию против поля; происходит смещение доменных границ. Если поле слабое, подобное смещение является обратимым. Если поле сильное, домены изменяют ориентацию в пределах всего домена; процесс приобретает необратимый характер, появляется явление гистерезиса и остаточное намагничивание.

Подобный доменный «распад» энергетически выгоден. Когда ферромагнетик дробится на домены, и появляются домены различной ориентации, наблюдается ослабление магнитного поля, порождаемого ферромагнетиком; сопутствующая энергия становится меньше. Энергия обменного взаимодействия электронов не изменяется для всех электронов за исключением электронов на границах доменов (так называемая поверхностная энергия). Ее рост обусловлен различной ориентацией спинов электронов соседних доменов. Дробление доменов получает окончание при достижении минимума суммы магнитной и обменной энергии. Условием минимума определяется также размер доменов. Доменная структура ферромагнетиков имеет эмпирическое доказательство.

Границы доменов

Резюмируя вышесказанное: чтобы минимизировать энергию магнитного поля, оптимально создать условия для уменьшения размера домена. При этом имеется препятствие, выраженное неизбежностью энергетических затрат на образование границ между доменами, поскольку намагниченность по разные стороны границы обладает разной направленностью. Граница имеет определенную толщину, в ее пределах намагниченность постепенно изменяет свое направление от ориентации в одном домене к ориентации в соседнем.

Стенки доменов имеют классификацию по особенностям поворота вектора намагниченности:

Рисунок 1 демонстрирует идеализированные структуры доменов в монокристалле. При помощи стрелок обозначены направления намагниченности.

Необходимо определить, какое свойство дает возможность использовать ферромагнетики для создания сильных полей.

Указанная отличительная черта намагничивания ферромагнетиков объясняет эффективное использование этих материалов для создания сильных магнитных полей в области, далекой до насыщения. В сильных полях наступает насыщение, и применение ферромагнетиков практически бесполезно.

Источник

Что такое спонтанная намагниченность

Рассмотрим кратко суть фазовых переходов. Как известно, при фазовых переходах 1–го рода в некотором очень узком интервале температур происходит перестройка кристаллической решетки вещества (меняются межатомные расстояния и углы между плоскостями решетки). При этом симметрия тела изменяется скачком и одновременно происходит изменение состояния кристалла: меняется внутренняя энергия и другие термодинамические величины, что приводит к скачкообразному изменению объема и к выделению скрытой теплоты превращения.

При фазовых переходах 2–го рода изменение симметрии тела также происходит скачком, но состояние тела изменяется постепенно. Это означает, что межатомные расстояния и углы между плоскостями в точке перехода практически остаются неизменными. Поскольку состояние тела в точке фазового перехода остается практически неизменным, то переход не сопровождается выделением или поглощением скрытой теплоты превращения, т.е. нет скачкообразного изменения теплоты перехода, теплового расширения, спонтанной намагниченности и др.; но вторые производные по температуре изменяются скачком.

Для описания магнитных фазовых переходов, кроме обычных параметров (температура, давление, магнитное поле), вводится дополнительный параметр, называемый параметром упорядочения. При помощи этого параметра учитываются количественно те изменения термодинамического потенциала вблизи точки фазового перехода 2–го рода, которые связаны с появлением в веществе упорядоченного расположения атомов разных сортов в сплавах, самопроизвольной намагниченности, электрической поляризации и т.д.

Если для ферромагнетиков уменьшение спонтанной намагниченности при росте температуры происходит монотонно (рис. 12, а), то для ферримагнетиков температурная зависимость спонтанной намагниченности имеет сложный вид, который может значительно отличаться для разных типов ферримагнетиков (см. рис. 12 б, в).

Поскольку самопроизвольная намагниченность подрешеток ферримагнетика может иметь различную температурную зависимость, то соответственно общая температурная зависимость магнитной восприимчивости неоднозначна и имеет сложный вид.

Закон Кюри для парамагнетика и закон Кюри — Вейсса для «ферро–» и антиферромагнетиков можно рассматривать как единый закон Кюри. Различие только в том, что в ферромагнетике обменное взаимодействие стремится все магнитные моменты сделать параллельными, т.е. увеличить восприимчивость, а в антиферромагнетиках обменное взаимодействие стремится обратить намагниченность в ноль и, следовательно, уменьшить магнитную восприимчивость. Но надо иметь в виду, что закон Кюри — Вейсса не применим во всей области температур. Для описания магнитных свойств вещества в ферромагнитном состоянии закон Кюри — Вейсса неприменим, но он достаточно хорошо описывает температурную зависимость магнитной восприимчивости ферромагнетика, находящегося в парамагнитном состоянии.

Источник

Намагничивание и магнитные материалы

Возникновение намагниченности в веществе при помещении его в магнитное поле объясняется процессом постепенной преимущественной ориентации магнитных моментов циркулирующих в нём микротоков в направлении поля. Подавляющий вклад в создание микротоков в веществе вносит движение электронов : спиновое и орбитальное движение связанных с атомами электронов, спиновое и свободное движение электронов проводимости.

Диамагнетики и парамагнетики относятся к материалам со слабыми магнитными свойствами. Значительно более сильный эффект намагничивания наблюдается у ферромагнетиков.

Ферромагнетизм наблюдается у кристаллов переходных металлов: железа, кобальта, никеля и у ряда сплавов.

При относительно небольшой напряженности поля (участок I) происходит быстрое возрастание намагниченности преимущественно из-за увеличения размеров доменов, имеющих ориентацию намагниченности в положительной полусфере направлений векторов напряженности поля. Одновременно пропорционально сокращаются размеры доменов в отрицательной полусфере. В меньшей степени изменяются размеры тех доменов, намагниченность которых ориентирована ближе к плоскости, ортогональной вектору напряженности.

При дальнейшем увеличении напряженности преобладают процессы поворота векторов намагниченности доменов по полю (участок II) до достижения технического насыщения (точка S). Последующему возрастанию результирующей намагниченности и достижению одинаковой ориентации всех доменов по полю препятствует тепловое движение электронов. Область III близка по характеру процессов к парамагнетикам, где увеличение намагниченности происходит из-за ориентации немногих спиновых магнитных моментов, дезориентированных тепловым движением. С увеличением температуры дезориентирующее тепловое движение усиливается и намагниченность вещества уменьшается.

Снижение температуры ниже точки Кюри вновь возвращает материалу магнитные свойства: доменную структуру с нулевой результирующей намагниченностью, если при этом отсутствовало внешнее магнитное поле. Поэтому разогрев изделий из ферромагнитных материалов выше точки Кюри используют для их полного размагничивания.

Кривая начального намагничивания

Обратимые изменения наблюдаются на малом начальном отрезке участка I кривой намагничивания (зона Релея) при малых смещениях доменных стенок и на участках II, III при повороте векторов намагниченности в доменах. Основная часть участка I относится к необратимому процессу перемагничивания, который в основном определяет гистерезисные свойства ферромагнитных материалов (отставание изменений намагниченности от изменений магнитного поля).

Петлей гистерезиса называют кривые, отражающие изменение намагниченности ферромагнетика под воздействием циклически изменяющегося внешнего магнитного поля.

При испытаниях магнитных материалов петли гистерезиса строятся для функций параметров магнитного поля В (Н) или М (Н), которые имеют смысл результирующих параметров внутри материала в проекции на зафиксированное направление. Если материал предварительно был полностью размагничен, то постепенное увеличение напряженности магнитного поля от нуля до Hs дает множество точек начальной кривой намагничивания (участок 0-1).

Магнитный гистерезис: 1 – кривая начального намагничивания; 2 – предельный гистерезисный цикл; 3 – кривая основного намагничивания; 4 – симметричные частные циклы; 5 – несимметричные частные циклы

Частные несимметричные гистерезисные циклы образуются, если начальная точка не находится на кривой основного намагничивания при симметричном изменении напряженности поля, а также при несимметричном изменении напряженности поля в положительном или отрицательном направлении.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник