Исследование намагничивания и определение температуры кюри ферромагнетика. Горягин Е.П - 2 стр.

                                                                                                             2
закалкой из жидкого состояния (металлические стекла). Аморфная структура этих материалов характеризуется
неупорядоченным расположением атомов, что приводит иногда к сильным изменениям их магнитных и других
физических свойств по сравнению с их кристаллическими аналогами.
    Простейшая интерпретация физических механизмов, ответственных за упорядоченное пространственное
расположение магнитных атомных моментов в твердых телах, основывается на следующих представлениях. Прежде
всего надо отметить, что необходимым условием такого упорядочения является наличие у атомов собственных
магнитных моментов, благодаря чему возможно образование спонтанного магнитного момента даже при отсутствии
магнитного поля. В магнетиках, где существуют только магнитные моменты, локализованные на атомах, магнитный
                                                            r
момент образца M складывается из магнитных моментов атомов pi (i - номер атома)
                                                     r N r
                                                     P = ∑ pi ,                                             (4)
                                                           i =1
где суммирование ведется по всем магнитным атомам. Намагниченность есть магнитный момент единицы объема V
                                                             r
                                                           r P
                                                           J= .                                             (5)
                                                             V
                      r
    Намагниченность J связана с напряженностью магнитного поля:
                                                         r    r
                                                         J = χH                                             (6)
     где χ - коэффициент пропорциональности, называемый магнитной восприимчивостью вещества. Магнитные
свойства вещества характеризуются также магнитной проницаемостью μ . Коэффициенты χ и μ . связаны
соотношением
                                                    μ = 1+ χ                                                (7)
    Внешнее магнитное поле создает дополнительную намагниченность за счет ориентации магнитных моментов и
индуцирования диамагнитного момента. Эта намагниченность складывается со спонтанной. Кроме того, магнитное
поле может деформировать и даже разрушать магнитную структуру.
    В общем случае намагниченность образца не может быть получена как сумма магнитных моментов
изолированных и невзаимодействующих ионов, поскольку в металлах и сплавах большую роль играет
коллективизация электронов, которые образуют магнитный момент электронной подсистемы. В кристаллических и
аморфных веществах сильное взаимодействие между электронами внешних (или валентных) оболочек соседних
атомов приводит к образованию энергетической зоны делокализованных электронных состояний.
    Делокализованные электроны вносят существенный вклад в результирующую намагниченность. Электронные
подоболочки элементов группы железа (с незаполненной 3d-подоболочкой) и группы лантанидов - редких земель (с
незаполненной 4f-подоболочкой) в разной мере подвергаются воздействию соседних ионов. 4f-подоболочка
экранирована вышележащими электронными слоями 5s25p6 от действия электростатических полей окружающих
ионов и сравнительно слабо изменяется, то есть сохраняет свои атомные и магнитные характеристики (за
исключением некоторых легких редкоземельных ионов). 3d-подоболочка слабо экранирована, и для электронных
плотностей 3d-электронов существует в кристаллической решетке заметное перекрытие с электронными плотностями
окружающих электронов. В кристаллических и аморфных металлах и сплавах 3d-элементы, как правило, не
сохраняют свои атомные магнитные моменты, характерные для изолированных атомов и ионов.
    В случае изоляторов и полупроводников коллективизация 3d-электронов выражена не столь резко, однако
большую роль приобретают эффекты, обусловленные действием кристаллических полей на электронные состояния, в
результате чего энергетические уровни 3d-электронов расщепляются. В нормальном (основном) состоянии заняты
нижние энергетические уровни и 3d-ион может иметь различные значения магнитного момента в зависимости от
своего атомного окружения в кристаллической решетке. Некоторые ионы редких земель (особенно легкие, такие, как
церий) также обнаруживают изменение величины магнитного момента иона при действии электростатических полей,
создаваемых окружающими ионами. Таким образом, в кристаллических и аморфных веществах природа магнитных
моментов, обусловленных 3d- и 4f-ионами, сложна и многообразна.
    Величина намагниченности, измеренной при определенной температуре, зависит не только от значений атомных
магнитных моментов, но и от взаимодействий между ними. Магнитного взаимодействия магнитных моментов
недостаточно, чтобы объяснить наблюдающиеся на опыте значения температур Кюри ферромагнетиков. Теплового
движения при температурах в десятые доли Кельвина уже достаточно, чтобы разрушить магнитное упорядочение за
счет магнитного взаимодействия.
    Другое необходимое условие магнитного упорядочения заключается в наличии в твердых телах обменного
взаимодействия. Оно является частью электростатического взаимодействия, зависящего от ориентации спинов
взаимодействующих электронов. Обменное взаимодействие возникает благодаря квантовомеханическим эффектам и
изменяется с расстоянием между магнитными ионами. Взаимное геометрическое расположение ионов также
оказывает влияние на его величину.
    В. Гейзенберг получил общее выражение для энергии обменного взаимодействия
                                       E обм = ∑∑ A i, j ⋅ Si ⋅ S j ,                                       (8)
                                                 i   j
где Si и Sj - спины взаимодействующих электронов, а Аij - обменный интеграл, зависящий от расстояний между
электронами rij . Суммирование ведется по всем спинам i и j, входящим в систему.