Магнетизм. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Магнетизм - 1) особая форма взаимодействия электрических токов и магнитов (тел с магнитным моментом) между собой и токов с магнитами.
2) Раздел физики, изучающий это взаимодействие и свойства веществ, в которых магнетизм проявляется.

Основные проявления магнетизма

Магнитное взаимодействие пространственно разделённых тел осуществляется магнитным полем H, которое, как и электрическое поле Е, представляет собой проявление электромагнитной формы движения материи (см. Электромагнитное поле ). Между электрическим и магнитным полями нет полной симметрии: источниками К являются электрические заряды, но магн. зарядов (магнитных монополей)пока не наблюдали, хотя теория (см. Великое объединение)предсказывает их существование. Источник магн. поля Н - движущийся электрич. заряд, т. е. электрич. ток. В атомных масштабах движение электронов и протонов создаёт орбитальные микротоки, связанные с переносным движением этих частиц в атомах или атомных ядрах; кроме того, наличие у микрочастиц спина обусловливает существование у них спинового магн. момента. Поскольку электроны, протоны и нейтроны, образующие атомные ядра, атомы, молекулы и все макротела (газы, жидкости, кристаллич. и аморфные твёрдые тела) имеют собств. магн. момент, то, в принципе, все вещества подвержены влиянию магн. поля - обладают магн. свойствами, т. е. являются магнетиками.

Известны два осн. эффекта воздействия внеш. магн. поля H_вн на вещества: 1) по закону электромагнитной индукции при помещении тела в поле Н_вн в теле возникает индукц. ток, магн. поле к-рого направлено против Н_вн(Ленца правило ),т. е. магн. момент вещества, создаваемый H_вн, всегда направлен против поля (диамагнетизм веществ); 2) если атомы вещества имеют спонтанный магн. момент, то H_вн ориентирует атомные магн. моменты вдоль своего направления и создаёт магн. момент вещества вдоль поля (парамагнетизм веществ). Существ. влияние на магн. свойства вещества могут оказывать и внутр. взаимодействия (электрич. и магн.) микрочастиц - носителей магн. момента. Иногда они приводят к спонтанной (не зависящей от H_вн) упорядоченной ориентации магнитных моментов частиц. Вещества, в к-рых атомные магн. моменты спонтанно ориентируются параллельно друг другу, наз. ферромагнетиками (ФМ) (см. Ферромагнетизм), а вещества, в к-рых ориентация отд. групп атомных моментов антипараллельна,- антиферромагнетиками (АФМ) (см. Антиферромагнетизм). Кроме таких коллинеарных ФМ- и АФМ-структур наблюдаются и неколлинеарные магнитные атомные структуры (винтовые или спиральные, треугольные и др.). Сложность атомной структуры веществ, построенных из огромного числа микрочастиц, даёт практически неисчерпаемое разнообразие их магн. свойств, связь к-рых с немагн. свойствами (электрич., механич., оптич. и др.) позволяет использовать исследования магн. свойств для получения информации о внутр. структуре и др. свойствах микрочастиц и макротел.

Огромный диапазон проявлений магнетизма - от магнетизма элементарных частиц до магнетизма космич. тел (Земли, Солнца, звёзд и др.), а также космич. пространства - объясняет глубокий интерес к магнетизму со стороны мн. наук (физики, астрофизики, геофизики, химии, биологии, геологии п др.) и его широчайшее применение в технике.

Магнетизм веществ

Макроскопич. проявления магнетизма веществ рассматриваются в рамках теории эл--магн. поля (см. Максвелла уравнения), термодинамики и статистической физики. Одной из осн. макрохарактеристик магнетика, определяющей его термодинамич. состояние, является вектор намагниченности М (суммарный магн. момент единицы объёма вещества) - функция H и температуры Т. Зависимость M (H, Т)(см. Намагничивания кривые)имеет разл. вид у разных магнетиков. В ряде случаев эта связь линейна:

, где

- магнитная восприимчивость единицы объёма вещества (для диамагнетиков

, для парамагнетиков

). Для ФМ зависимость М (Н, Т)нелинейна и неоднозначна (см. Гистерезис магнитный): у ФМ зависит не только от Т и свойств вещества, но также от Н и магн. предыстории. В термодинамике М определяется через потенциал термодинамический Ф (H, Т, Р)по ф-ле (Р - давление).

Из общих положений классич. статистич. физики и электродинамики следует, что электронные системы не могут обладать устойчивым магн. моментом (Бора - ван Лёвен теорема), что противоречит опыту. Квантовая механика, объяснившая устойчивость атомов, объяснила и существование устойчивых магн. моментов у атомов и макротел. Магнетизм электронной оболочки атомов и атомных ядер обусловлен спиновыми и орбитальными магн. моментами электронов и нуклонов (см. Атом, Ядро атомное и Магнетизм микрочастиц ).У одноатомных инертных газов (Не, Ne, Аr и др.) электронные оболочки магнитно-нейтральны, и эти газы являются диамагнетиками (ДМ). Электронная оболочка атомов щелочных металлов (Li, Na, К и др.) в невозбуждённом состоянии обладает лишь спиновым магн. моментом валентного электрона (s-состояние, орбитальный магн. момент =0). Т. о., атомы этих веществ парамагнитны. У атомов переходных d-металлов (Fe, Co, Ni и др. 3d-, 4d- и 5d- хим. элементы), редкоземельных 4/-металлов (РЗМ), актинидов (U и др.) и трансуранов не достроены внутренние а- и f-слои электронных оболочек. Спиновые и орбитальные магн. моменты электронов этих слоев не скомпенсированы (Хунда правило ),что приводит к существованию у атомов и ионов этих хим. элементов спонтанных магн. моментов.

Магн. свойства веществ определяются природой атомных носителей магнетизма и характером их взаимодействии: вещество одного хим. состава в зависимости от внеш. условий, кристаллич. и фазовой структуры, степени атомного порядка в сплаве н т. п. может обладать разл. магн. свойствами. Более простая картина реализуется в газах и (в определённой степени) в кристаллич. и аморфных диэлектриках. Однако в проводниках (металлах и сплавах) всё усложняется из-за наличия в них коллективизиров. электронов (бывших валентных), к-рые сами являются источниками магнетизма. В переходных металлах из-за взаимодействия коллективизиров. электронов с магн. моментами d- и f-оболочек (а также взаимодействия между этими самыми оболочками из-за перекрытия волновых функций соседних атомов, что имеет место гл. обр. для d-оболочек) нарушается строгая атомная локализация электронов этих оболочек, возникает гибридизация s- и d, f-состояний (см. Гибридизация атомных орбиталей ).В результате атомные магн. моменты, особенно d-оболочек, оказываются изменёнными по сравнению с моментами изолиров. атомов. Т. о., в металле магн. момент иона обусловлен самим ионом и окружающим его облаком коллективизиров. s-электронов, а также, по крайней мере, частично р-, d- и даже f-электроном, намагниченным, как правило, антипараллелыю магн. моменту локализованных d-или f-оболочек (что может приводить к т. н. экранированию Кондо). Наиб. ярко это проявляется при очень низких темп-pax и в сильно разбавленных растворах магн. ионов в диамагн. матрице - при Т

Т_K, где Т_K - темп-pa Кондо. При Т

T_K. экранирование разрушается. В случае более концентриров. растворов или чистых d-металлов сами d-электроны могут быть полностью или частично коллективизированы и представление о локализованном магн. моменте либо вообще теряет смысл, либо требует специального рассмотрения. Здесь имеет место магнетизм коллективизиров. электронов, в к-ром надо учитывать два эффекта: 1) обменный, обусловленный Паули принципом,- электроны с параллельными спинами располагаются на больших взаимных расстояниях, чем с антипараллельными, а между ними возникают обменные дырки (или дырки Ферми), что уменьшает эл--статич. энергию их взаимодействия (в изолиров. атомах это объясняет правило Хунда); 2) динамич. корреляционный: кулоновское отталкивание стремится удалить электроны друг от друга (независимо от ориентации их спинов), что создает т. п. корреляционную дырку (см. Корреляционная энергия). Уменьшение энергии электронов из-за этих эффектов приводит к росту их фермиевской кинетич. энергии. В результате конкуренции двух видов энергий в системе электронов устанавливается равновесие (см. ниже). Необходимо также учитывать детали кривых плотности состояний электронов вблизи ферми-поверхности (ферми-уровня) и спиновые флуктуации .На магн. моменты d- и f-оболочек оказывает также сильное влияние эл--статич. взаимодействие окружающих ионов матрицы (лигандов), к-рое иногда может радикально изменить магн. состояние ионов (см. "Замораживание" орбитальных моментов).

Количественно взаимодействие между атомными носителями магнетизма в веществе можно охарактеризовать величиной энергии этого взаимодействия e_вз, рассчитанной на отд. пару частиц - носителей магн. момента. Энергию

сопоставляют с энергией частицы, имеющей магн. момент

(см. Магнетон)в нек-ром эффективном магн. поле H_эф, т. е. с

и со ср. энергией теплового движения частицы при нек-рой критич. температуре T_кр, т. е. с

При H<H_Эф и Т

Т_крбудут сильно проявляться магн. свойства вещества, определяемые внутр. взаимодействиями атомных носителей магнетизма, (т. н. кооперативный или "сильный" магнетизм веществ). Наоборот, при

или

доминируют внеш. факторы (Н и Т), подавляющие эффект внутр. взаимодействия

(т. н. некооперативный, или "слабый", магнетизм веществ). Для полного выяснения природы магнетизма веществ надо знать физ. генезис

и характер атомных магн. носителей магнетизма. Если не рассматривать ядерный магнетизм, то в электронных оболочках атомов и молекул, а также в электронной системе веществ действуют два типа сил - электрич. и магнитные. Мерой первых является эл--статич. энергия двух электронов на расстоянии порядка размера атома а (а~ ~10^-8 см):

эрг. Мерой магн. взаимодействий является энергия связи двух атомных магн. моментов на расстоянии а, т. е.

эрг. Т. о.,

на 4 порядка. Поэтому сохранение ферромагнетизма, напр. у Fe, Co и Ni до Т_кр

1000 К, может быть обусловлено только электрич. взаимодействием, т. к.

способно обеспечить ФМ лишь до Т_кр

1 К.

Можно рассматривать

как малое возмущение по сравнению с

Однако у хим. элементов с большой атомной массой - у РЗМ и актинидов - магн. моменты атомов достигают

, и поэтому

возрастает в них на 2 порядка. Согласно квантовой механике (в силу принципа Паули), наряду с квазикулоновским эл--статич. взаимодействием электронов существует чисто квантовое эл--статич. обменное взаимодействие ,зависящее от взаимной ориентации спиновых моментов электронов. Это эл--статич. по своему генезису взаимодействие e_об оказывает существ. влияние на магн. состояние электронных систем. В частности, оно благоприятствует атомному магн. порядку. Верхний предел

эрг. Если магнетизм некооперативный, то магн. порядок устанавливается лишь внеш. полем H_вн, а магн. беспорядок - температурой. В случае кооперативного магнетизма роль обменного взаимодействия превалирует, а поле H_вн лишь помогает обнаружить внутр. магн. порядок. Положит. знак

способствует параллельной ориентации атомных магн. моментов, т. е. ферромагнетизму. При

имеет место тенденция к антиферромагн. упорядочению. В некоторых случаях возможно так называемое смешанное обменное взаимодействие, когда для различных соседних магнитных атомов энергия e_об меняет знак.

В веществах различают обменную связь двух типов: 1) прямой обмен между двумя соседними магн. ионами, когда их волновые функции сильно перекрываются. В этом случае взаимодействие короткодействующее, экспоненциально убывающее с расстоянием между ионами. Для двух электронов в одной атомной оболочке всегда

, и поэтому атомы d-металлов, РЗМ и актинидов всегда имеют спонтанный магн. момент. В общем случае для соседних ионов в веществе e_об может быть как

0 так и

0 (в зависимости от их электронной структуры). 2) Непрямой обмен между удалёнными магн. ионами, когда практически нет перекрытия их волновых функций и связь осуществляется промежуточными агентами (в диэлектриках и полупроводниках это косвенное обменное взаимодействие через немагн. ион-лиганд, находящийся между двумя магн. ионами, а в металлич. системах связь, напр. между соседними /-слоями, осуществляется электронами проводимости (см. РККИ-обменное взаимодействие ).Обменное взаимодействие этого типа - дальнодеиствующее

и осциллирующее с переменой знака.

Изложенное позволяет провести физ. классификацию магн. свойств веществ.

Некооперативный магнетизм слабовзаимодействующих магнитных частиц

Преобладание диамагнетизма. К веществам этого класса относятся: а) все инертные газы; все газы, атомы и молекулы к-рых не имеют спонтанных магн. моментов. У них

, очень мала по абс. величине (молярная восприимчивость

и от Т практически не зависит; б) органич. соединения с неполярной связью, в к-рых молекулы или радикалы не имеют магн. момента или у них парамагнетизм подавлен диамагнетизмом; у таких веществ восприимчивость

, практически не зависит от Т, но обладает заметной анизотропией; в) нек-рые металлы (Сu, Zn, Au, Hg, и др.), растворы, сплавы и хим. соединения (напр., галоиды), в к-рых ионные остовы (Li⁺, Be²⁺, А1³⁺, С1^- и др.) подобны атомам инертных газов, в связи с чем они обладают диамагнетизмом.

Преобладание парамагнетизма характерно для: 1) веществ, у к-рых атомы (ионы, молекулы) обладают магн. моментом. К ним относятся газы (О₂, N0) ж пары щелочных и переходных металлов со значениями

При не очень низких T и B не очень сильных полях не зависит от H, но существенно зависит от Т:

(Кюри закон), С - постоянная Кюри; в сильных магн. полях и при достаточно низких Т у этих веществ наблюдается магн. насыщение; 2) ионов переходных элементов в жидкой фазе, в кристаллич. и аморфных соединениях при слабом взаимодействии ионов друг с другом и изотропном атомном окружении. При

их магн. восприимчивость

не зависит от Я, а их зависимость от Т описывается Кюри - Вейса законом:

где С' - постоянная, а

- парамагнитная точка Кюри, характеризующая взаимодействие магн. ионов, т. е. в этом случае проявляется уже нек-рый кооперативный характер парамагнетизма; 3) ферромагнетиков и антиферромагнетиков выше точек Кюри и Нееля (Тс и T_N).

Особо следует выделить ряд специфич. магн. состояний веществ. Так, ниже нек-рой критич. температуры Т_сп в кристаллич. и аморфных парамагнетиках может возникнуть сперомагнетизм, для к-рого характерна "замороженность" магн. моментов ионов в произвольных направлениях (равновероятно по всем направлениям), причём магн. моменты не испытывают флуктуации ориентации, как в идеальных парамагнетиках. Модификацией подобного магн. состояния является идеальное спиновое стекло, осн. признаком к-рого является максимум на кривой

(Т)при температуре замерзания спинового стекла T_сс. Наиболее типичные спиновые стёкла - разбавленные растворы атомов d-металлов в диамагнитной матрице (Си, Аи и др.) в определ. интервале концентраций С (между С_мин - пределом разбавления и С_макc-пределом протекания). При

магн. ион полностью экранирован электронами проводимости матрицы от взаимодействия с др. магн. ионами и магн. упорядочение отсутствует. При

возникает кооперативный ФМ или АФМ. В спиновых стёклах магн. ионы связаны либо РККИ-обменом (положительным или отрицательным), либо чисто антиферромагн. взаимодействием [здесь могут быть случаи, когда магн. момент со своими соседями связан обменными взаимодействиями противоположных знаков, что может привести к структурной неравновесности (фрустрации)и, как следствие, к магн. гистерезису]. Если в спиновом стекле при росте С возникают локальные корреляции ионов - двух-, и трёх- и многоионные кластеры, связанные прямым обменом в единое образование, внедрённое в немагн. матрицу, то при

это кооперативное состояние наз. миктомагнетизмом .Состояние спинового стекла весьма типично для неупорядоченных магнетиков, в к-рых ориентации магн. ионов и их местоположения распределены случайно. Если в сперомагн. системе появится преимуществ. ориентация у фиксированных магн. моментов в немагнитной матрице, то это состояние наз. асперомагнетизмом (примером таких кристаллических веществ являются GdAg, YbFe₃, GdAl₂, аморфных веществ - DyNi₃, TbAg). В зависимости от соотношения анергий обмена e_oб и анизотропии

могут быть два типа асперомагнетизма: 1)

векторы М в отд. областях (доменах) сильно закреплены и внеш. поле H_вн не может довести образец до магн. насыщения даже при

Тл; 2) при

направления М в доменах закреплены менее жёстко и уже в не очень сильных полях возможно достичь магн. насыщения.

В слоистых кристаллич. веществах, когда атомные расстояния в нек-.рых системах атомных плоскостей сильно отличаются от расстояний между этими плоскостями, может наблюдаться различие знаков e_oб между атомами в плоскости и между атомами соседних плоскостей. Это может привести к т. н. геликоидальной магн. атомной структуре, когда, напр., отд. плоскости намагничены ферромагнитно, а при переходе от одной плоскости к соседней вектор поворачивается на небольшой угол (шаг такой спирали не обязательно соответствует параметру кристаллич. решётки вдоль оси с, перпендикулярной атомным плоскостям). Типичными веществами с геликоидальным магнетизмом являются MnAu₂, MnO₂ и РЗМ (в последних это связано с взаимодействием РККИ); могут быть и более сложные спиральные магн. структуры, напр. в РЗМ вектор М при переносе вдоль оси с может вращаться не в плоскости, а по поверхности конуса.

Магнетизм электронов проводимости в металлах, полупроводниках н сверхпроводниках

Парамагнетизм электронов проводимости (спиновый Паули парамагнетизм) наблюдается у щелочных (Li, Na, К и др.), щёлочноземельных (Са, Sr, Ва и др.) и переходных (3d-, 4d- и Sd-металлов, кроме Fe, Co, Ni, Сг и Мп) металлов, у них магн. восприимчивость

, она не зависит от поля и очень слабо меняется с температурой. В ряде металлов этот парамагнетизм маскируется более сильным диамагнетизмом ионных остовов. Если в парамагн. металле обменное взаимодействие недостаточно, чтобы создать устойчивый ферромагнетизм, но может образовывать временные ферромагн. флуктуации (парамагноны) в ограниченных областях с числом электронов

, к-рые с понижением температуры становятся всё более устойчивыми и в пространстве и во времени, то наблюдается обменно усиленный парамагнетизм Паули (наиб. ярко в Pd, Pt, TiBe₂ и ряде др. металлов). Может также наблюдаться усиление магн. моментов отд. ионов переходных металлов в диамагн. металлич. матрице за счёт спиновых флуктуации около атомов примеси.

Диамагнетизм электронов проводимости металлов (квантовый диамагнетизм) присущ всем металлам, но наблюдается не так часто и лишь при условии, что его не маскирует либо более сильный парамагнетизм Паули, либо диамагнетизм или парамагнетизм ионных остовов. Но могут быть и исключения, например аномально сильный диамагнетизм у Bi.

Парамагнетизм и диамагнетизм электронов проводимости в полупроводниках (ПП)

В ПП число электронов проводимости растёт с ростом Т, поэтому c_дм и c_пм зависят от Т. Типичные ПП, напр. Ge и Si, диамагнитны. Имеется ещё два важных типа магн. ПП: а) ПП, обладающие ферромагнетизмом, как правило ферримагнетизмом (ферриты и др., см. ниже), и б) узкощелевые или бесщелевые разбавленные ПП - т. н. полумагнитные полупроводники, в основном - это твёрдые растворы халькогенидов Hg (HgTe, HgSn и т. п.) и переходных d-металлов или редкоземельных металлов (MnTe, MnSe, EuTe и др.). Вариации состава этих веществ существенно меняют их электронный энергетич. спектр (от бесщелевого до спектра с большой энергетич. щелью), что приводит и к существ. изменению их магн. свойств (напр., к магнитному фазовому переходу из парамагн. состояния в состояние спинового стекла).

Магнетизм сверхпроводников (СП) (см. Сверхпроводимость)обусловлен электрическими токами, текущими в тонком поверхностном слое (

см), к-рые экранируют толщу СП от внеш. магн. полей, поэтому в массивных СП при

магн. индукция В=0 (Мейснера эффект ).СП являются в определ. смысле антиподами ФМ и АФМ, т. е. их спонтанное магн. поле должно разрушать сверхпроводимость (разрывать куперовские пары электронов, см. Купера эффект ).Однако в нек-рых тройных соединениях РЗМ (НоМо₆S₈, ErRh₄B₄ и др.) в ограниченной области температур обнаружено сосуществование СП и ФМ (см. Магнитные сверхпроводники ).В оксидных высокотемпературных сверхпроводниках существует сложная связь между свсрхпроводя-щим и магнитоупорядоченным состояниями.

Магн. свойства системы электронов проводимости в металлах и ПП неразрывно связаны с их упругими, тепловыми, оптич. и др. свойствами (см. Магнитоупругое взаимодействие, Гальваномагнитные явления, Магнитооптика).

Магнетизм веществ с атомным магнитным порядком (

H или

'). Ферромагнетизм наблюдается в веществах с

в кристаллических Fe, Co, Ni, в РЗМ (Gd, Tb, Dy, Но, Еr и Тm), в бинарных и более сложных сплавах и соединениях этих элементов между собой и с др. элементами (переходными и нормальными), в сплавах Сr, Мn (т. н. гейслеровых сплавах), сплавах парамагн. переходных элементов с нормальными элементами (Zr-Zn, Sc-In, Au-V и др.), в соединениях урана. Для ФМ характерна спонтанная намагниченность

при

(Т_с - точка Кюри). Известны случаи, когда нижняя температурная граница ферромагнетизма

К. При

ФМ переходят либо в ПМ с

(казалось бы, для ферромагн. металлов при

должен наблюдаться парамагнетизм Паули, однако учёт спиновых флуктуации показал, что для магн. восприимчивости

должен выполняться закон Кюри - Вейса), либо в АФМ (напр., в нек-рых РЗМ). При Н_вн=0 результирующая намагниченность ферромагн. образца (если исключить вторичное явление остаточной намагниченности) также отсутствует. Это объясняется тем, что при охлаждении ФМ от

до

и при Н_ВН=0 образец ФМ спонтанно разбивается на малые области - домены с

, но при этом ориентация векторов в разных доменах такова, что суммарная намагниченность многодоменного образца равна нулю (см. Магнитная доменная структура, Ферромагнитные домены). В поле Н_вн доменная структура меняется благодаря двум осн. процессам (см. Намагничивание: )росту объёма доменов, в к-рых векторы М направлены относительно H_вн энергетически более выгодно, за счёт менее выгодно намагниченных доменов, реализуемого смещением границ доменов (процессы смещения) и повороту векторов М из их первонач. положения вдоль осей легчайшего намагничивания по направлению внеш. поля (процессы вращения). В результате этих процессов намагничиваемый образец приобретает суммарный магн. момент - макроскопич. намагниченность (см. Парапроцесс ).Намагниченность М ФМ зависит не только от H и Т, но также и от магн. предыстории образца, это явление неоднозначной зависимости М от Н наз. магн. гистерезисом. При выключении Н_ВН образец может сохранить остаточную намагниченность М_r и для его полного размагничивания нужно приложить обратное магн. поле (- Н_с), к-рое наз. коэрцитивной силой. В зависимости от величины Н_с различают магнитно-мягкие материалы (

А/м, или 10 Э) и магнитно-твёрдые материалы (высококоэрцитивные) (

кА/м, или 50 Э). Значения М_r и Н_сзависят от природы в-ва, от температуры и, как правило, убывают с её ростом, стремясь к нулю при

Доменная структура энергетически выгодна лишь в достаточно объёмных образцах. С уменьшением размера образца разбиение его на домены может стать энергетически невыгодным и он становится однодоменным с М=М_s. Из-за тепловых флуктуации магн. момент одного домена может вести себя как атомный магн. момент в идеальном парамагнетике (ПМ), такое явление наз. суперпарамагнетизмом.

Антиферромагнетизм наблюдается в веществах с

в кристаллич. Сr,

-Мn, в ряде РЗМ (Се, Рr, Nd, Pm, Sm, Eu), а также в многочисленных соединениях (оксидах, сульфидах Fe, Ni, Mn и др. элементов), сплавах (Fe₃Mn, CrPt и др.) и аморфных веществах, содержащих атомы переходных элементов. Кристаллич. решётка этих веществ разбивается на две или более магнитные подрешётки, в к-рых векторы M_s либо антипараллельны (коллинеарная магнитная атомная структура), либо направлены под углом друг к другу, отличным от p (неколлинеарная структура). Антиферромагнетизм наблюдается в интервале температур от О К до точки Нееля T_N. При Т

Т_N АФМ становится ПМ и его восприимчивость

описывается в большинстве случаев законом Кюри - Вейса. При Т

T_N

с понижением температуры уменьшается из-за роста магн. упорядоченности. В АФМ различают

- магн. восприимчивости вдоль и поперёк оси антиферромагнетизма - направления, в к-ром ориентируются векторы М_s магн. подрешёток при

В зависимости от того, равен или неравен нулю суммарный момент всех магн. подрешёток АФМ, различают скомпенсированный антиферромагнетизм и нескомпенсированный антиферромагнетизм, или ферримагнетизм .В ферримагнетиках (ФИМ) имеются магн. ионы двух или более типов разной хим. природы или одной природы, но разной валентности (напр., Fe²⁺ и Fe³⁺ ), либо ионы одной хим. природы, одной валентности, но имеющие в магн. подрешётках разное число узлов в единице объёма образца. Ферримагнетизм реализуется гл. обр. в кристаллах окислов d-металлов с решётками типов шпинели, граната, перовскита и др. (т. н. ферритах МО*Fe₂O₃, где М обозначает Fe, Ni, Co, Mn и др.). Эти вещества, как правило, по электрич. свойствам - ПП или диэлектрики, по магн. свойствам они похожи на ФМ [с нек-рыми отличиями в ходе температурных зависимостей

. У аморфных ФИМ (напр., Gd₃₀Co₇₀, TbFe₂ и др.) магн. ионы двух или более сортов размещены в пространстве случайно. Нек-рой модификацией кристаллич. ФИМ являются (уже упоминавшиеся выше) сперомагнетики (СИМ), в них магн. моменты одного из сортов магн. ионов "заморожены" со случайной ориентацией. Преобладание ферромагн. упорядочения в системе одного из сортов магн. ионов приводит к тому, что СИМ обладают суммарной спонтанной намагниченностью (

В АФМ возможно спонтанное нарушение полной компенсации намагниченности подрешёток в результате релятивистского взаимодействия Дзялошинского - Мория (возмущения магн. спин-орбитального взаимодействия взаимодействием орбиталей магн. ионов при наличии косвенного обменного взаимодействия); в итоге имеет место слабый ферромагнетизм (СФМ) с

от обычных значений М_s для ФМ (типичные представители СФМ:

-F₂O₃, карбонаты ряда металлов, ортоферриты и др.).

Кроме упомянутых выше спиновых стёкол магн. упорядочение наблюдается в очень широком классе аморфных металлич. веществ - металлических стёклах (метглассах), обладающих рядом специфич. свойств (Fe₈₀B₂₀, Fe₇₈Mo₂B₂₀, Fe₄₀N₄₀P₁₄B₆, Ni₆₀Nb₄₀ и др.). Металлич. стёкла практически почти лишены магн. анизотропии, что делает их очень хорошими магнитномягкими материалами.

Научные и технические проблемы магнетизма

Осн. научными проблемами совр. магнетизма являются:

Здесь важное место занимают представления о волнах зарядовой и спиновой плотности, а также спонтанного нарушения магнитной симметрии (см. Волны зарядовой плотности, Спиновой плотности волны).

Магнетизм веществ широко используется как средство изучения химических связей и структуры молекул (см. Магнетохимия). Изучение диамагнетизма и парамагнетизма газов, жидкостей, растворов и соединений в твёрдой фазе позволяет разобраться в деталях физ. и хим. процессов, протекающих в этих веществах, и происходящих в них структурных изменениях. Изучение магн. динамич. характеристик (магнитного резонанса и релаксации)помогает понять кинетику многих физ. и физ--хим. процессов. Интенсивно развивается магне-тобиология, а также применение М. в медицине (см. Магнитные поля биологических объектов).

Связь магнетизма и оптич. свойств веществ приводит к огромному числу физ. эффектов (см. Зеемана эффект, Фарадея эффект, Коттона - Мутона эффект, Ханле эффект и др.), в т. ч. к влиянию света на возникновение и изменение магн. порядка.

К важнейшим проблемам магнетизма космоса относятся: выяснение происхождения магнитных полей Земли, др. планет, Солнца, звёзд (в частности, пульсаров), радиогалактик, квазаров и др. астрономич. объектов, а также роли магн. полей в космич. пространстве (см. Межзвёздная среда).

Проблемы технических применений магнетизма входят в число важнейших в электротехнике, приборостроении, вычислит. технике, автоматике и телемеханике, навигации. В технике широкое применение нашли магн. дефектоскопия и др. магн. методы контроля. Очень важную роль играют измерения магн. характеристик электротехнич. и радиотехнич. материалов. Магн. материалы идут на изготовление магнитопроводов электрич. генераторов, моторов, трансформаторов, реле, магн. усилителей, элементов магн. памяти, лент и дисков магн. записи, стрелок магн. компасов, магнитострикционных излучателей и приёмников и т. д.

Историческая справка

Первые письменные свидетельства о магнетизме (Китай) имеют более 2000-летнюю давность, в них упоминается об использовании естеств. постоянных магнитов в качестве компасов. В работах древнегреч. и римских учёных упоминается о притяжении и отталкивании магнитов и о намагничивании магнитом железных опилок (напр., у Лукреция Кара в поэме "О природе вещей", 1 в. до н. э.). В средние века в Европе широко применялся магн. компас (с 12 в. н.э.), предпринимались эксперименты по изучению свойств магнитов [Пьер де Марикур (Pierre de Maricourt), Франция, 1269]. Результаты исследований магнетизма в эпоху Возрождения обобщены У. Гильбертом (W. Gilbert) в трактате "О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле" (1600). В этом труде показано, что Земля - диполь магнитный ,и доказана невозможность разъединения двух разноимённых магн. полюсов. Далее учение о магнетизме развивалось в трудах Р. Декарта (R. Descartes), Ф. Эпинуса (F. Aepinus) и Ш. Кулона (Ch. Coulomb). Декарт- первый автор метафиз. теорий магнетизма и геомагнетизма ("Начала философии", ч. 4, 1644); он исходил из существования особой магн. субстанции, обусловливающей своим движением магнетизма тел. В трактате "Опыт теории электричества и магнетизма" (1759) Эпинус подчеркнул сходство электричества и магнетизма, а Кулон (1785-89) показал и определ. количеств. соответствие явлений: взаимодействие точечных магн. полюсов подчиняется тому же закону, что и взаимодействие точечных электрич. зарядов (Кулона закон). В 1820 X. Эрстед (Н.

rsted) открыл магн. поле электрич. тока, и тогда же А. Ампер (A. Ampere) установил законы магн. взаимодействия токов, эквивалентность магн. свойств кругового тока и тонкого плоского магнита; магнетизм веществ он объяснил существованием молекулярных токов. В 30-х гг. 19 в. К. Гаусс (С. Gaub) и В. Вебер (W. Weber) развили математич. теорию земного магнетизма и разработали методы магн. измерений.

Новый этап изучения магнетизма начался с М. Фарадея (М. Faraday), к-рый дал последоват. трактовку магнетизма на основе представлений о реальном эл--магн. поле. Ряд важнейших открытий в области электромагнетизма (электромагнитная индукция - Фарадей, 1831; правило Ленца - Э. X. Ленц, 1833, и др.), теоретич. обобщение эл--магн. явлений в трудах Дж. К. Максвелла (J. С. Maxwell, 1872), систематич. изучение свойств ФМ и ПМ А. Г. Столетовым (1872), П. Кюри (P. Curie, 1895) и др. заложили основы совр. макротеории магнетизма. Изучение магнетизма на микроуровне стало возможным после открытия электронно-ядерной структуры атомов. На основе классич. электронной теории вещества X. А. Лоренца (Н. A. Lorentz) П. Ланжевен (P. Langevin) создал теорию диамагнетизма и парамагнетизма. В 1892 Б. Л. Розинг и в 1907 П. Вейс (P. Weiss) высказали идею о существовании внутр. молекулярного поля, обусловливающего ферромагнетизм. Открытие спина электрона и его магнетизм. [С. Гаудсмит (S. Goudsmit), Дж. Уленбек (G. Uhlenbeck), 1925], создание квантовой механики привели к развитию квантовой теории диа-, пара- и ферромагнетизма. На основе квантовой механики (пространств. квантования) Л. Бриллюэн (L. Brillouin, 1926) нашёл зависимость намагниченности ПМ от Я и Т. В 1927 Ф. Хунд (F. Hund) провёл сравнение экспе-рим. и теоретич. значений эффективных магн. моментов ионов в разл. парамагн. солях, что привело к открытию влияния электрич. полей парамагн. кристалла на "замораживание" орбитальных моментов ионов. Исследование этого явления позволило установить, что, напр., ферромагнетизм d-металлов определяется почти исключительно спиновыми моментами [У. Пенни (W. Penney), Р. Шлапп (R. Schlapp), Дж. X. Ван Флек (J. H. Van Vleck), 1932].

Детальная квантовая теория парамагнетизма атомов и молекул была разработана Ван Флеком в 1932, к-рый наряду с обычным классич. ориентац. парамагнетизмом открыл т. н. ванфлековский парамагнетизм (поляризационный), связанный с виртуальными квантовыми переходами электронов между стационарными энерге-тич. уровнями атомов или молекул. В 1927-30 была построена квантовомеханич. теория магнетизма электронов проводимости металлов (см. Паули парамагнетизм, квантовый диамагнетизм). Существ. значение для развития теории парамагнетизма имело предсказанное Я. Г. Дорфманом (1923) и открытое Е. К. Завойским (1944) явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Созданию квантовой теории ферромагнетизма предшествовали работы (1925) Э. Изинга (Е. Ising, одномерная модель ПМ) и Л. Онсагер (L. Onsager, двумерная модель), Я. Г. Дорфмана (1927, им была доказана немагн. природа молекулярного поля), В. Гейзенберга (W.Heisenberg, квантовомеханич. расчёт атома Не, 1926), В. Гайтлера и Ф. Лондона (W. Heitler, F. London, расчёт молекулы Н₂, 1927). В двух последних работах был использован открытый в квантовой механике эффект обменного взаимодействия электронов [П. Дирак (P. Dirac), 1926] в оболочке атомов и молекул и установлена его связь с магн. свойствами электронных систем, подчиняющихся Ферми - Дирака статистике (Паули принцип). Квантовая теория ферромагнетизма была начата работами Я. И. Френкеля (1928, коллективизиров. модель ферромагн. металлов) и Гейзенберга (1928, модель локализованных спинов). Рассмотрение ферромагнетизма как кооперативного явления [Ф. Блох (F. Bloch) и Дж. Слэтер (J. Slater), 1930] привело к открытию спиновых волн. В 1932-33 Л. Неель (L. Neel) предсказали существование антиферромагнетизма. Затем Неель объяснил сущность ферримагнетизма. Изучение новых классов магнетиков - АФМ и ферритов - позволило глубже понять природу магнетизма вообще. Была выяснена роль магнитоупругой энергии в происхождении энергии магн. анизотропии и в явлении магнитострикции. Начиная с 1931 стали разрабатываться методы наблюдения магн. доменной структуры ФМ [1931, Ф. Биттер (F. Bitter); 1932, Н. С. Акулов, метод порошковых фигур]. Создание теории доменной структуры началось с работ Я. И. Френкеля и Я. Г. Дорфмана (1930).

Дальнейшее развитие квантовомеханич. моделей магнетизма металлов и ПП, рассматривавшихся в работах Я. И. Френкеля (1928), Ф. Блоха (1930) и Э. Стонера (Е. Stonег, 1930), было осуществлено в работах С. П. Шубина и С. В. Вонсовского (1934, полярная и обменная s-d, f модели ферромагнетизма, см. Шубина - Вонсовского модель). Частным случаем полярной модели является Хаббарда модель (J .Hubbard, 1964). Теория магнетизма продолжает интенсивно развиваться, этому в значит. мере способствует создание новых эксперим. методов исследования веществ. Нейтронографич. методы (см. Магнитная нейтронография)позволили определить типы атомных магн. структур. Ферромагнитный резонанс, открытый и исследованный в работах В. К. Аркадьева (1913), а затем Дж. Гриффитса (J. Grifflts, 1946), и антиферромагн. резонанс [К. Гортер (С. Gorter) и др., 1951] открыли возможность исследования процессов магн. релаксации, а также дали независимый метод определения эффективных полей анизотропии в ФМ и АФМ. Физ. методы исследований, осн. на явлении ядерного магнитного резонанса [Э. Пёрселл (Е. Purcell) и др., 1946], и Мёссбауэра эффект (1958) существенно углубили знания о пространств. распределении спиновой плотности в веществе, особенно в магн. металлах. Наблюдения рассеяния нейтронов и света позволили для ряда веществ определить спектры спиновых волн. Параллельно с эксперим. работами развивались и разл. аспекты теории магнетизма: магнитная симметрия кристаллов, ферромагнетизм коллективизиров. электронов, применения новых расчётных методов в теории магнетизма (диаграммная техника, методы Грина функции и т. п.), изучение магн. фазовых переходов и критич. явлений, разработка моделей квазиодномерных и двумерных магнетиков. Открытие и исследование квантового Холла эффекта [К. Клитцинг (К. Klitzing), 1980], Кондо эффекта ,веществ с переменной валентностью, примосных систем кондовского типа, вещества с тяжёлыми фермионами - всё это позволило глубже понять магн. свойства веществ.

Успехи в изучении магнитных явлений позволили осуществить синтез новых перспективных магн. материалов: ферритов для СВЧ-устройств, высококоэрцитивных соединений типа SmCo₅ (см. Магнит постоянный), прозрачных ферромагнетиков, магн. плёнок типа "сендвичей" с уникальными магн. свойствами, аморфным магнетиков (в т. ч. спиновых стёкол, метглассов), веществ с цилиндрическими магнитными доменами и др.

Литература по магнетизму

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.