к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике
А  Б  В  Г  Д  Е  Ж  З  И  К  Л  М  Н  О  П  Р  С  Т  У  Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Э  Ю  Я  

Ферромагнетик
Ферромагнетик - вещество, в к-ром ниже определ. температуры (Кюри точка Т_C)устанавливается ферромагн. порядок магнитных моментов атомов (ионов) в неметаллич. веществах и спиновых магн. моментов коллективизированных электронов в металлич. веществах (см. Ферромагнетизм ).Наиб. важными характеристиками Ф. являются точка Кюри Т_C, атомный магн. момент M_ат при 0 К, уд. самопроизвольная (спонтанная) намагниченность M_0 (на 1 г) при 0 К и уд. намагниченность насыщения (на 1 см^3) при 0 К. Среди чистых хим. элементов к Ф. относятся только 3 переходных 3d-металла- Fe, Co, Ni- и 6 редкоземельных металлов (РЗМ) - Gd, Tb, Dy, Но, Er и Tm (табл. 1). В 3d-металлах и РЗМ Gd реализуется коллинеарная ферромагн. атомная структура, а в остальных РЗМ - неколлинеарная (спиральная, циклоидальная, синусоидальная; см. Магнитная атомная структура ).Самопроизвольная намагниченность 3d-элементов в осн. образуется из спиновых моментов гибридизир. системы коллективизированных 3d+4s-электронов, а в РЗМ 4f-элемен-тах - из локализованных 4f-слоёв и подмагниченных 6s-и 5d-электронов.

Табл. 1.- Ферромагнитные металлы (химические элементы)

* Ат. магн. момент при 0 К; ** уд. намагниченность при 0 К;

*** уд. намагниченность насыщения при 0 К.

Кроме этих 9 Ф. (чистых элементов) имеется огромное число ферромагн. сплавов и соединений, как бинарных, так и более сложных (многокомпонентных) металлических и неметаллических (полупроводниковых, полуметаллич., диэлектрич., сверхпроводящих), кристаллических и аморфных. Классификацию Ф.- сплавов и соединений металлич. типа можно провести, напр., по электронной структуре атомов (ионов) их компонент.

С п л а в ы п е р е х о д н ы х d- и f-э л е м е н т о в м е ж д у с о б о й: а) сплавы 9 ферромагн. элементов (Fe - Ni, Fe - Со, Со -Ni, Fe -Co -Ni, Fe -Gd, Gd -Dy и т.д.); б) сплавы переходных ферромагн. металлов с антифер-ромагн. (Мn и Сr) и парамагн. переходными металлами (Fe-Cr, Fe -Мn, Со-V, Ni- Ti, Fe -Pd, Co -Pt, Gd-V, Eu - Ti и т.п.); в) сплавы переходных антифер-ромагн. металлов (Мn и Сr) с парамагн. переходными металлами (Сr-Pt, Мn-Pd, Сr-Pd и т.п.).

С п л а в ы п е р е х о д н ы х м е т а л л о в с н о р м а л ьн ы м и э л е м е н т а м и: а) сплавы переходных ферромагн. металлов с нормальными элементами (Ni - Сu, Со - Ag, Ni - Al, Ni -Si, Fe -Si, Fe-Al, Ni -N и т.п.); б) сплавы переходных антиферромагн. d-металлов (Мn и Сr) с нормальными элементами (гейслеровы сплавы): Сu_2МnМ (где М-Al, Ge, Zn, Sn, As, In, Sb, Bi, Ga и др.), а также Mn_4N, ZnCMn_3, AlCMn_3, CuCMn_3, Mn -Au, Mn -P, Mn -As, Mn -Sb, Mn -Bi, Mn -S, Mn -Se, Mn-Те, Mn - C, Mn - Sn, Mn - H, Mn - В и т. п.; в) сплавы переходных парамагн. металлов с нормальными элементами: ZrZn_2, Sc_3In (точнее, в интервале составов Sc_0,762In_0,239 - Sc_0,753In_0,242) и Au_4V (в интервале составов 18,99-24,01 атомных % V)и др.

Можно также классифицировать Ф. по характеру распределения атомов (ионов) разл. компонент по разл. типам узлов кристаллич. решётки: неупорядоченные или упорядоченные сплавы, интерметаллич. соединения (Fe_2B, Fe_3S, Fe_4N, FeBe_3, MnAs, Mn_2Sb, CrTe, MnP и т. п.).

Наконец, можно различать ферромагн. сплавы и соединения по типу кристаллич. решётки [простая кубическая (ПК), объёмноцентрированная кубическая (ОЦК), гране-центрированная кубическая (ГЦК), гексагональная с плотной упаковкой (ГПУ) и т.п.], а также, напр., выделять ионные соединения с металлич. проводимостью. О характере и типе обменного взаимодействия в м а г н е т и з м е, благодаря к-рому вещество становится Ф., подробнее см. в ст. Ферромагнетизм.

Рис. 1. Зависимость среднего атомного магнитного момента насыщения р (в единицах m_B) сплава Fe-Со от концентра ции Со (в атомных %).

Рис. 2. Зависимость среднего атомного магнитного момента насыщения р (в единицах m_B) сплава Ni-Co от концентрации Со (в атомных %).

В Ф., не относящихся к 9 хим. элементам, ср. атомный магн. момент, приходящийся на эфф. "молекулу" сплава или соединения, весьма сложно зависит от их состава. Определять парциальные атомные магн. моменты отд. магнитно-активных компонент как функций состава позволяет магнитная нейтронография .При этом весьма существенна размерность образцов; напр., для мультислойной магнитной плёнки сплава Со - Сr толщиной ~2 нм обнаружен гигантский магн. момент насыщения, при 80 К достигающий 4,80 m_B, что более чем в 2 раза превышает соответствующую величину для Fe. В плёночных мульти-слоях из неферромагн. компонент Мn и Si при толщинах ~ 20 нм наблюдался заметный магн. момент при температурах ~360 °С; обнаружен также очень большой ср. атомный магн. момент на атом Fe в плёнках состава Fe_16N_2, равный 5,5 m_B при 5 К и 3,2 m_B при комнатной температуре [8].

Кривые зависимости ср. атомных магн. моментов и точек Кюри от состава Ф. могут носить как монотонный (рис. 1, 2, 4), так и существенно немонотонный характер (рис. 3); последнее связано со структурными превращениями в сплавах. На рис. 5 показано сравнение наблюдаемых на опыте и рассчитанных теоретически полных атомных магн. моментов насыщения для разл. ферромагн. соединений (магнитно-твёрдых материалов) R_2Fe_14B, где R - РЗМ; на рис. 6 показана аналогичная зависимость от состава для гипотетич. интерме-таллидов FeT_7 (Т - к--л. переходный 4d- или 5d-металл), рассчитанная на основе феноменологич. модели Жакарино и Уокера (1965).

Рис. 3. Диаграмма фазового равновесия сплавов Fe-Co. Сплошная и толстая штриховая линии - границы фазовых областей. Тонкая штриховая линия-линия точек Кюри сплавов в зависимости от массовых % Co.

Рис. 4. Зависимость точек Кюри сплава Со - Ni от концентрации Ni (в атомных %). 

Рис. 5. Полные атомные магнитные моменты на формульную единицу соединения R_2Fe_14B в единицах m_B; -данные эксперимента, • -теории.

В табл. 2-9 приведены значения точек Кюри для ряда Ф.: в табл. 2-для ферромагн. соединений РЗМ и ферро-магн. 3d-металлов; в табл. 3-для соединений 3d-металлов и РЗМ с др. переходными металлами; в табл. 4-для 

нек-рых гейслеровых сплавов; в табл. 5-для соединений переходных ферромагн. элементов с нормальными элементами (металлами и металлоидами); в табл. 6-для ак-тинидных и трансурановых Ф.; в табл. 7-для аморфных Ф.; в табл. 8 - для полупроводниковых Ф.; в табл. 9-для сверхпроводящих Ф.

Рис. 6. Атомный магнитный момент в единицах m_B на атом Fe в окружении атомов переходных 4d-(0)и 5d-(D)металлов в гипотетическом сплаве ОЦК FeT_7 (по теории Жакарино- Уокера).

Табл. 2.-Точки Кюри соединений редкоземельных металлов с ферромагнитными 3d-металлами

| Соединение | T_C, К | Соединение | T_C, K | Соединение | T_C, K |

SmFe_2 

GdFe_3 

TbFe_2 

DyFe_2 

HoFe_3 

ErFe_3 

TmFe_3

GdFe_17 

Ho_6Fe_23

700

728 

705 

614 

567 

553 

539 

466 

493

PrNi

SmNi 

GdNi

NdNi_2 

TbNi_2 

DyNi_3

Ho_2Ni_2 

TmNi_5 

GdNi_17

20

45 

77 

16 

45 

69 

70 

7 

205

PrCo 

DyCo_3

HoCo_2 

NdCo_3 

GdCo_3 

Gd4Co_3 

Sm_2Co_17 

Er_2Co_17 

Tm_2Co_17

7 

55 

95 

395 

612 

230 

1190 

1180 

1182

Табл. 3.- Точки Кюри соединений ферромагнитных 3d-металлов и РЗМ с переходными антиферромагнитными и парамагнитными металлами

| Соединение | T_C, K | Соединение | T_C, K |

FePd_3 

ZrFe_2 

HfFe_2 

YFe_2 

FePt 

YCo_5 

LuCo_5 

CeCo_5 

Ni_3Mn 

Ni_3Pt

705 

588 

591 

550 

750 

921 

840 

647 

773 

370

PrRu_2 

NdRh_2 

SmRh_2 

GdMn_2 

GdRu_2 

TbOs_2 

DyIr_2 

HoRh_2 

ErOs_2 

TmIr_2

38

6

22 

86 

83

34

23 

16

3

1

Табл. 4.- Точки Кюри сплавов Гейслера и других соединений Мn и Сr

| Соединение | T_C,K | Соединение | T_C,K |

Cu_2MnSn 

Cu_2MnAl

Cu_2MnIn 

Ni_2MnIn 

MnAs

MnB

723 

718

500

323 

318 

533

MnBi 

Mn_4N 

MnP 

Mn_2Sb 

Mn_4Sn 

Mn_2Sn 

CrTe

633

743

298

587

423

262 

339

Табл. 5.-Точки Кюри ферромагнитных соединений переходных d- и f-металлов с нормальными химическими элементами

Табл. 6.- Точки Кюри ферромагнитных соединений актинидов и трансурановых элементов

Табл. 7.- Точки Кюри аморфных ферромагнитных соединений

Табл. 8.-Точки Кюри некоторых ферромагнитных полупроводников

Табл. 9.- Точки Кюри ферромагнитных сверхпроводников

Наряду с кристаллич. веществами ферромагн. порядок обнаружен также в аморфных (метастабильных) металлич. сплавах и соединениях (табл. 7) (см. Металлические стёкла), а также в аморфных магнетиках, являющихся соединениями 3d-металлов и РЗМ с металлоидами (В, С, N, Р, S и др.) и в целом по свойствам мало отличающихся от соответствующих кристаллич. веществ (за исключением магнитной анизотропии). Для т.н. с л а б ы х Ф., относящихся к классу соединений переходных парамагн. металлов с нормальными элементами (металлами и металлоидами), характерны следующие значения Т_C: 28 К для ZrZn_2, 29 К для MnSi, 41 К для Ni_3Al; магнетизм этих веществ определяется коллективизир. электронами. Число изученных неметаллич. Ф. пока значительно меньше, чем металлических; наиб. изученными являются магнитные диэлектрики (в частности, ферриты), а также магнитные полупроводники типа халькогенидов двухвалентного РЗМ европия ЕuХ, где X - О, S, Se, Те (первым из них в 1961 открыт ЕuО). Синтезировано и изучено большое число Ф--соединений Eu_1-xR_xO типа твёрдых растворов на основе моноокиси Еu с РЗМ (R - Sm, Gd); в частности, при х = 0,015 точка Кюри в Eu_1-xGd_xO и Eu_1-xSm_xO повышается соответственно до 135 и 130 К (по сравнению со значением 69,4 К для х = 0).

Особую группу Ф. образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагн. атомов, напр. Fe или Со в диамагн. матрице Сu, Аu или Pd. В этих веществах атомные магн. моменты распределены неупорядоченно, т. е. при наличии ферромагн. порядка отсутствует атомный порядок. Магн. упорядочение наблюдается также в магнитных сверхпроводниках, несмотря на "антагонизм" между ферромагнетизмом и сверхпроводимостью. Среди РЗМ и актинидных магнетиков большой интерес представляют т.н. к о н д о в с к и е м а г н е т и к и (см. Кондо-решётки, Кон-до эффект), к-рые в большинстве случаев относятся к антиферромагнетикам; известен, однако, ряд кондовских Ф. на основе церия, в т.ч. Ce_4Bi_3, CeRh_3B_2, CeSi_x при х<=1,85, CeSi_2__xGe_x, CeNi_xPt_1-x, Се_xLа_1__хGе_2.

По величине коэрцитивной силы Н_с все Ф. делятся на магнитно-мягкие и магнитно-твёрдые. Первые обладают малой Н_с и значит. магн. проницаемостью; вторые имеют большие значения Н_с и намагниченности остаточной M_r.

Ф. играют существенную роль в разл. областях совр. техники: магнитно-мягкие материалы используются в электротехнике (трансформаторы, генераторы, электромоторы и т. п.), в слаботочной технике связи, радиотехнике и электронике; магнитно-твёрдые материалы применяются для изготовления пост. магнитов, в ускорит. технике и т.п.

Литература по 

1. Редкоземельные ферро- и антиферромагнетики. М., 1965; 2) Тейлор К., Дарби М., Физика редкоземельных соединений, пер. с англ., М., 1974; 3) Метфессель 3., Маттис Д., Магнитные полупроводники, пер. с англ., М., 1972; 4) Вамбуров В. Г., Борухович А. С., Самохвалов А. А., Введение в физикохимию ферромагнитных полупроводников, М., 1988; 5) Сверхпроводимость в тройных соединениях, под ред. Э. Фишера, М. Майпла, пер. с англ., т. 2. Сверхпроводимость и магнетизм, М., 1985; 6) Ирхин В. Ю., Кац-нельсон М. И., Проблема кондовских магнетиков, "Физ. мет. и металловед.", 1991, № 1, с. 16; 7) Amorphous magnetism, ed. by Н. О. Hooper, de A. M. Graaf, N. Y., 1973; 8) DIGESTS of Intermag-93, April 13-16, 1993, Stockh., Sweden; 9) International Conference on the Physics of Transition Metals, Darmstadt, 20-24, 1992, L., 1993.

С. В. Вонсовский.

к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ