Лекция 11. Магнитные свойства кристаллов

Лекция 11. Магнитные свойства кристаллов

11.1. Неупорядоченные магнетики

Под магнитными свойствами вещества подразумевается способность тел взаимодействовать с магнитным полем. Известно, что любое электрически заряженное тело или частица при движении создает собственное магнитное иоле и тем самым взаимодействует с внешним магнитным полем. Отсюда следует, что магнетизм – это универсальное свойство любого вещества, так как материя немыслима без движущихся заряженных частиц.
Вещество, помещенное в магнитное поле Н, намагничивается. В нем возникает результирующий магнитный момент, складывающийся из элементарных магнитных моментов отдельных частиц. Характеристикой или мерой намагниченного состояния вещества служит намагниченность J или магнитный момент единицы объема. В случае не слишком высоких нолей между намагниченностью J и полем Н существует простое соотношение

J =
·H, (11.1)
где
· – объемная магнитная восприимчивость вещества. Кроме объемной восприимчивости
·, иногда используют молярную восприимчивость
·МОЛ, или удельную восприимчивость
·уд.
Внутри намагниченного вещества создается собственное внутреннее магнитное поле, поэтому наряду с векторами J и Н вводится еще один вектор – магнитную индукцию B

B = H + 4
· J. (11.2)

Все вещества в той или иной степени реагируют на приложение магнитного поля, т.е проявляют магнитные свойства, или, по определению, являются магнетиками.
В случае изотропных веществ векторы прикладываемого магнитного поля и возникающей намагниченности сонаправлены (или противоположно направлены). в первом случае
· > 0 и вещество называется парамагнетиком, во втором случае
· < 0 и вещество называется диамагнетиком.

Абсолютные значения магнитной восприимчивости
· для диамагнитных и парамагнитных веществ лежат в пределах 10 -4 – 10-6. Диамагнитное вещество можно отличить от парамагнитного, поместив его в неоднородное магнитное поле – диамагнетик будет выталкиваться из поля, а парамагнетик – втягиваться в магнитное поле большей напряженности.
В случае кристаллов, т.е. анизотропной среды, намагниченность и индукция магнитного поля в кристалле может не совпадать с направлением приложенного магнитного поля, т.е соотношения между этими величинами и вектором магнитного поля являются тензорными

Ji =
·ijHj, (11.3)

Bi =
·ijHj, (11.4)

Тензоры магнитной восприимчивости
·ij и магнитной проницаемости
·ij можно привести к главным осям, в которых они имеют простейший вид

13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415

В главных осях векторы В, Н и J параллельны друг другу, как изотропных веществах.
Из-за разнообразия проявления магнетизма в природе и нередко причудливой взаимосвязи различных типов магнетизма трудно найти единый принцип классификации магнетиков. В основе традиционной классификации магнетиков лежит знак магнитной восприимчивости (
· < 0 – диамагнетики,
· > 0 – все остальные) и ее величина (|
·| ~10 - 4 – 10 -6 – слабомагнитные вещества, т.е. диамагнетики и парамагнетики; х > 1 – ферромагнетики).
Эта классификация очень убогая, т.к. обнаруживается все больше и больше веществ, которые трудно с определенностью отнести к какому-либо одному из перечисленных типов магнетиков. Известны некоторые кристаллы, которые парамагнитны по одной оси и диамагнитны вдоль другой. Есть кристаллы, которые по одной оси намагничиваются как ферромагнетики, а по другой – как слабомагнитные вещества. Антиферромагнитные кристаллы по поведению в магнитном ноле можно было бы отнести к слабомагнитным веществам, хотя по своей природе антиферромагнетизм наиболее близок к ферромагнетизму. С точки зрения кристаллографии, использующей в качестве метода симметрию, лучше всего применить классификацию, в основе которой лежит отсутствие или наличие в кристаллах упорядочения магнитных моментов атомов. По этому признаку нее кристаллы можно разделить на две группы: упорядоченные и неупорядоченные магнетики.

11.2. Диамагнетики

К диамагнетикам относят вещества, атомы и молекулы которых не имеют магнитных моментов. Внешнее магнитное поле вызывает появление в диамагнетике внутреннего магнитного поля, направление которого противоположно внешнему. Поэтому результирующее магнитное поле внутри диамагнетика будет меньше, чем вне его, диамагнетик частично экранирует внешнее магнитное поле. поле.

Диамагнитная восприимчивость кристаллического тела в первом приближении складывается из атомных восприимчивостей входящих в него атомов, однако при этом необходимо учитывать характер химической связи. Во многих соединениях, например в ионных кристаллах типа КС1, NaCl, КВг диамагнетизм сочетается с так называемым поляризационным парамагнетизмом. Этот парамагнетизм (его часто называют ван-флековским) возникает вследствие взаимной деформации ионов, которая приводит к нарушению сферической симметрии электронных оболочек. Восприимчивость поляризационного парамагнетизма также практически не зависит от температуры.
Среди элементов диамагнитными являются сурьма, углерод, теллур, мышьяк, висмут, ртуть, цинк, золото, серебро, медь и многие другие. Из них наиболее сильным диамагнетизмом обладает висмут. Диамагнитными являются также ткани растений и животных, многие минералы, вода, некоторые стекла, нефти, большое количество химических соединений.
Особый случай представляют металлы и полупроводники, у которых наряду с диамагнетизмом атомных остовов имеет место так называемый диамагнетизмом электронов проводимости, который обусловлен наличием у свободных электронов проводимости собственного спинового магнитного момента.
Диамагнетизм присущ всем веществам без исключения. Универсальность магнетизма обязана именно диамагнетизму. Однако он может маскироваться более сильными магнитными эффектами, по сравнению с которыми им можно пренебречь.

11.3. Парамагнетизм

Внешним признаком парамагнетика, как уже указывалось, является положительная величина магнитной восприимчивости. Необходимым условием парамагнитного состояния вещества (в отличие от диамагнитного) является наличие у атомов постоянных магнитных моментов независимо от внешнего магнитного поля.

Парамагнитное состояние часто возникает в результате фазового перехода в ферромагнетиках, происходящего при повышении температуры до температуры, которая называется ферромагнитной точкой Кюри.
Мы не будем рассматривать природу собственных магнитных моментов атомов. К числу типичных парамагнетиков принадлежат кристаллы, содержащие ионы элементов группы железа (железо, никель, кобальт), или ионы редкоземельных элементов.

11.4. Упорядоченные магнетики

В кристаллах наблюдается большое разнообразие упорядоченных магнитных структур – ферромагнетизм, антиферромагнетизм, ферримагнетизм. У таких кристаллов при охлаждении ниже определенной температуры возникает упорядоченная ориентация магнитных моментов атомов.
Для описания магнитных структур необходимо ввести понятие магнитной элементарной ячейки, под которой будем понимать наименьшую совокупность групп атомов кристаллической решетки, периодическим повторением которой (трансляциями) получается вся магнитная структура кристалла. Кристаллическая элементарная ячейка может как совпадать с магнитной, так и быть кратной последней. Однако, в некоторых магнитных структурах, называемых геликоидальными, это условие может не выполняться.
Все кристаллы с магнитным упорядочением подразделяются на две группы: с отличным от нуля и равным нулю суммарным (результирующим) магнитным моментом элементарной магнитной ячейки.
Отличный от нуля макроскопический суммарный магнитный момент единицы объема называется спонтанной (или самопроизвольной) намагниченностью и обозначается символом Js. Кристаллы, у которых Js
· 0, называются ферромагнетиками, а кристаллы с Js = 0 – антиферромагнетиками. Вообще-то, помимо деления магни-тно-упорядоченных кристаллов по признаку существования или отсутствия спонтанной намагниченности Js можно провести более детальную классификацию, отражающую особенности пространственного распределения магнитных моментов атомов.
Рассмотрим возможные магнитные структуры упорядоченных магнетиков.
13 EMBED PBrush 1415

Структура (а) представляет собой простой ферромагнетик. Магнитные моменты упорядочены, и все атомы одного вида, "сорта". Такое распределение магнитных моментов может быть во всем объеме ферромагнетика, или в отдельной части его объема, называемой "ферромагнитным доменом".
В других доменах направления упорядоченных магнитных моментов будут другими, но одинаковыми в пределах каждого домена. Магнитные моменты упорядоченных доменов никогда не бывают хаотически ориентированными по отношению к соседним доменам, а всегда отвечают требованиям симметрии кристалла. Примерами таких магнитных структур являются металлы группы железа в ферромагнитной фазе (железо, никель, кобальт).
Структура (б) представляет собой простую антиферромагнитную структуру. Соседние узлы в решетке заняты

13 EMBED PBrush 1415
Рис. 11.1. Упорядоченные магнетики
а) ферромагнетик
б) антиферромагнетик



атомами одного сорта, магнитные моменты которых направлены антипараллельно, поэтому суммарный магнитный момент объема антиферромагнетика, т.е. величина спонтанной намагниченности, равен нулю.
Ось, вдоль которой направлены магнитные моменты, называют осью антиферромагнетизма.
Такую кристаллическую решетку можно рассматривать как две подрешетки ферромагнетиков, вставленные одна в другую.
Типичными представителями антиферромагнетиков являются окислы переходных металлов – MnO, NiO, CoO, FeO, а также хлориды, фториды, сульфиды, селениды.
13 EMBED PBrush 1415

Рис. 11.2. Ферримагнитная структура
Структура (в) называется ферримагнитной. Здесь, как и в предыдущем случае, магнитные моменты соседних атомов направлены противоположно, но в силу того, что подрешетки образованы атомами разных видов, с неравными магнитными моментами, результирующий магнитный момент кристалла не будет равен нулю.
Ферримагнетики часто называют "нескомпенсированными антиферромагнетиками", что более точно отражает природу этого явления,

хотя и несколько длиннее звучит. Три перечисленные магнитные
13 EMBED PBrush 1415
Рис. 11.3. Слабая ферромагнитная структура

структуры называются коллинеарными, т.е. однонаправленными.
Существуют и неколлинеарные магнитно-упорядоченные структуры.
Структура (г) называется "слабой ферромагнитной", и представляет собой небольшое искажение антиферромагнитной структуры, так что возникает некоторая спонтанная намагниченность (на рис она направлена вертикально). Примерами являются кристаллы
·- модификации Fe2O3 , FeF3 , MnCO3 , CoCO3 , NiCO3 и некоторые другие.

13 EMBED PBrush 1415
Рис. 11.4. Слабая антиферромагнитная структура


13 EMBED PBrush 1415

Рис. 11.5. Треугольная магнитная структура

13 EMBED PBrush 1415
Рис. 11.6. Структура антиферромагнитный геликоид.




Другое искажение – слабая антиферромагнитная структура (д), она не обладает результирующей спонтанной намагниченностью.
Структура (е) называется "треугольной", такое искажение встречается у некоторых ферритов, и рассматривается как частный случай ферромагнетизма, т.к. кристалл обладает спонтанной намагниченностью.
Существует также совершенно особый вид магнитного упорядочения, которое называется винтовым, или геликоидальным.
Этот вид магнитного упорядочения наблюдается в некоторых редкоземельных металлах с гексагональной кристаллической решеткой.
В первой из таких структур (ж) атомные магнитные моменты лежат в плоскости, перпендикулярной оси 6 порядка кристалла, но от слоя к слою они поворачиваются на некоторый угол. В результате спонтанная намагниченность такой структуры получается равной нулю. Приведенная структура получила название "антиферромагнитный геликоид".
В структуре (з) вектор магнитного момента поворачивается на некоторый угол по отношению к предыдущему слою, таким образом, что его проекция на ось 6 порядка всегда остается постоянной.


13 EMBED PBrush 1415
Рис. 11.7. Зонтичные магнитные структуры

з) ферромагнитный геликоид
и) циклоидальная структура

Такая структура, очевидно, обладает спонтанной намагниченностью, и называется "ферромагнитный геликоид".
Еще более сложная форма магнитного упорядочения обнаружена у эрбия в антиферромагнитной форме.
У него от слоя к слою вдоль оси 6 порядка меняется не только направление магнитного момента, но и угол наклона к этой оси. Проекция на эту ось магнитного момента изменяется по синусоиде.
Эта структура получила название циклоидальной, она, очевидно, является антиферромагнитной.


11.5. Динамические характеристики ферромагнетиков

Ферромагнитные материалы широко применяются для хранения информации в вычислительных устройствах. Это связано с особенностями ферромагнитных доменов. Эти особенности, во- первых, позволяют легко переключать направления намагниченности в каждом домене слабыми магнитными полями, создаваемыми магнитными головками магнитных дисков, и, во-вторых – долговременно сохранять это направление, не искажая, таким образом, записанную в структуре магнитных доменов двоичную информацию.


Рис. 11.8. Домены в ферромагнетике.
При охлаждении из высокотемпературной парамагнитной фазы ферромагнитный кристалл разбивается на некоторое количество доменов – областей с одинаковым направлением магнитных моментов ячеек в объеме каждого домена. Направления намагниченностей в отдельных доменах не совпадают, хотя и направлены, как уже говорилось, не случайным образом по отношению к намагниченностям соседних доменов, а

в соответствие с требованиями симметрии данного кристалла. При этом уменьшается магнитное поле, создаваемое в окружающем пространстве намагниченностью ферромагнитного кристалла, что приводит к общему уменьшению его энергии.




Рис. 11.9. Разбиение ферромагнетика на домены

Разбиваясь на домены, ферромагнитный кристалл повышает свою симметрию, возвращаясь в высокосимметричное парамагнитное состояние. Если охлаждение из парамагнитной фазы в ферромагнитную происходит медленно, то кристалл разбивается на домены таким образом, что его результирующая намагниченность оказывается равной нулю, как в парамагнитном состоянии. Объемы кристалла, занятые доменами с взаимно противоположной ориентацией намагниченностей, практически равны друг другу.
Вообще ферромагнитный кристалл может разбиться на большее или меньшее число доменов. При увеличении числа доменов уменьшается энергия магнитного упорядочения ферромагнетика, но возрастает энергия, сосредоточенная в доменных стенках. Равновесная конфигурация доменов достигается при балансе этих двух составляющих энергии ферромагнитного кристалла.
13 EMBED PBrush 1415
Рис. 11.10. Основная кривая намагничения ферромагнетика
Если к кристаллу приложить возрастающее магнитное поле, то намагниченность будет изменяться нелинейно до некоторого значения магнитного поля, которое называют "полем насыщения". Дальнейшее увеличение магнитного поля приводит к линейной зависимости J(H), как у парамагнетиков.


13 EMBED PBrush 1415
Рис. 11.11. Циклическое
перемагничивание ферромагнетика
Если затем уменьшать магнитное поле, то намагниченность при нулевом поле не обращается в ноль, а сохраняет некоторое остаточное значение.
При циклическом перемагничивании ферромагнитного кристалла зависимость J(H) имеет вид петли гистерезиса. Рассмотрим наиболее характерные стадии процесса перемагничивания ферромагнетика.

В момент времени 1 ферромагнетик полностью намагничен, все его магнитные моменты во всех доменах направлены в одну сторону, т.е. кристалл представляет собой один домен.
При уменьшении магнитного поля до нулевого значения (точка 2) кристалл снова разбивается на домены, но объемы доменов неравные, и большая часть объема кристалла намагничена в сторону его предыдущего состояния насыщения.
При изменении направления магнитного поля объем доменов, неблагоприятно ориентированных к направлению поля, уменьшается, а объем доменов, ориентированных благоприятно к полю – увеличивается. в точке 3 объемы доменов с противоположными направлениями намагниченностей равны, и общая намагниченность кристалла становится равной нулю. Значение магнитного поля, при котором это происходит, носит название "коэрцитивной магнитной силы".
При дальнейшем увеличении магнитного поля все домены постепенно ориентируются вдоль поля, и в точке 4 кристалл полностью намагничен в противоположную к исходному состоянию сторону.

Рис. 11.12. Процесс перемагничивания как движение
ферромагнитной доменной стенки
Процесс изменения намагниченности кристалла в переменном внешнем магнитном поле можно представить как движение доменных границ, называемых "магнитными доменными стенками". При движении доменных стенок одни домены увеличиваются в объеме, вытесняя домены противоположного направления намагниченности, а затем сливаются в один домен ( в точках 1 и 4 на приведенном графике).
Процесс движения доменной стенки в ферромагнетике напоминает движение волны на поверхности жидкости. При движении доменной стенки, напр., вправо, происходит плавный поворот магнитных моментов ячеек, как видим, против часовой стрелки.


Рис. 11.13. Процесс переполяризации как движение
сегнетоэлектрической доменной стенки

В сегнетоэлектриках, как мы уже знаем, тоже существуют домены – области в кристалле с одинаковым направлением спонтанной поляризации. Однако вектор спонтанной поляризации в области доменной стенки сегнетоэлектрика ведет себя по-другому – в области доменной стенки он не поворачивается, а постепенно уменьшается до нуля, оставаясь параллельным общему направлению, затем изменяет свое направление на противоположное и постепенно увеличивается до значения спонтанной поляризации в соседнем домене, по другую сторону от доменной границы.

11. 6. Антиферромагнетики

В антиферромагнетиках также наблюдается разбиение на домены, в каждом из которых антиферромагнитная ось по направлению отличается от соседних доменов (рис. 11.14).


Рис. 11.14. Домены в антиферромагнетике
В этом случае причина разбиения на домены не так очевидна, как в ферромагнетиках, ведь уменьшения энергии антиферромагнетика при разбиении на домены, казалось бы, не происходит. Причина разбиения антиферромагнетика на домены заключается в том, что при возникновении антиферромагнитной структуры из кубической может возникнуть несколько равновероятных направлений, вдоль которых возможно антиферромагнитное упорядочение, в отличие от других магнитно-упорядоченных

кристаллов, где магнитное упорядочение возможно только вдоль одного определенного направления.
13 EMBED PBrush 1415
Рис. 11.15. Перемагничивание
антиферромагнетика
В слабых магнитных полях антиферромагнитный кристалл ведет себя как линейный парамагнетик (рис. 11.15).
В сильных полях, превышающих определенное значение, происходит переворачивание магнитных моментов, ориентированных против приложенного поля, и антиферромагнетик превращается в ферромагнетик, т.е наблюдается структурный фазовый переход,

индуцированный приложением магнитного поля.
Однако подобные двойные петли гистерезиса наблюдаются и в некоторых ферромагнетиках, у которых подвижность доменных стенок затруднена, в силу наличия примесных атомов в структуре. Движение доменных стенок начинается при достижении магнитным полем необходимого значения, которое называют "полем стабилизации". Это явление называется "перминвар-эффект" и наблюдается в сплавах Ni – Co – Fe, а также в ферритах с небольшим содержанием ионов Со2+.

11.7. Эффект Баркгаузена



Рис. 11.16. Ступенчатость
перемагничивания
ферромагнетика
Если наблюдать процесс перемагничивания ферромагнетика, напр., с начального состояния полной размагниченности, т.е. 50% доменной структуры, то при большом разрешении видно, что кривая намагничения ферромагнетика не плавная, а ступенчатая, причем максимальный угол наклона кривой к горизонтальной оси соответствует наибольшему количеству мелких ступенек на этой кривой.

Процесс намагничения ферромагнетика происходит, таким образом, скачками, сопровождающимися всплесками возрастающей магнитной индукции внутри кристалла.
Если перемагничивающийся ферромагнетик поместить внутрь катушки с большим числом витков, то в катушке наводятся импульсы электрического тока, которые называются импульсами, или скачками Баркгаузена.
Объяснение этого эффекта состоит в том, что доменная стенка ферромагнетика при своем перемещении движется не равномерно, а рывками, скачкообразно, задерживаясь на точечных дефектах структуры, примесных атомах, дислокациях, и отрывается от них в тот момент, когда напряженность магнитного поля достигает некоторого значения.
Эффект Баркгаузена, называемый также "магнитным шумом", отрицательно сказывается на измерениях характеристик намагничения материалов, понижая чувствительность и точность измерений. В то же время, спектральный анализ магнитных шумов, возникающих при перемагничивании, позволяет получать информацию о физических процессах, сопровождающих движение доменных стенок в процессе перемагничивания кристалла, и используется в физических исследованиях ферромагнетиков.


11.8. Магнитострикционный эффект

Магнитострикционный эффект заключается в появлении механической деформации кристалла при приложении к нему магнитного поля.



·ij = Nijkl Jk Jl + Nijklmn Jk Jl Jm Jn+ ... (11.5)

У ферромагнитных кристаллов при охлаждении через температурную точку фазового перехода (ферромагнитную точку Кюри) возникает спонтанная деформация, поэтому прикладываемое внешнее магнитное поле приводит к ее изменению.
Наибольшее практическое значение имеет эффект, описываемый первым из находящихся в этом разложении членов.
Тензор магнитострикции симметричен по парам индексов, и его можно записать в матричной форме.

[Nij] =
13 EMBED Equation.3 1415


13 EMBED Equation.3 1415
Симметрия кристалла накладывает ограничения на количество отличных от нуля коэффициентов магнитострикции. Напр., в кубических кристаллах класса m3m (а они наиболее широко используются как магнитные материалы) их всего три. Это никель, кобальт, железо, некоторые ферриты (с так наз. структурой шпинели).

Неудобство описания магнитострикционного эффекта в том виде, в котором он приведен выше, состоит в том, что деформация является функцией намагниченности, а не функцией прикладываемого внешнего магнитного поля.
На практике это обходят, рассматривая деформации, возникающие при намагничении образца до насыщения. В этом случае деформацию, возникающую в направлении, задаваемом направляющими косинусами
·1
·2
·3, рассчитывают по формулам, в которых направление магнитного поля задается направляющими косинусами
·1
·2
·3.
Для кубических кристаллов (никель, кобальт, железо) эта формула имеет вид
13 EMBED Equation.3 1415

Константы
·100 и
·111 представляют собой продольные деформации при приложении магнитного поля по направления <100> и <111>. Эти величины давно определены.
Таким образом, приведенное соотношение позволяет рассчитать магнитострикционную деформацию кубического ферромагнетика в любом направлении при любом направлении приложенного магнитного поля.
Численные значения направляющих косинусов для направлений <100> и <111>

Для направления <100>
·1 =
·1 = 1
Для направления <111>
·1 =
·2 =
·3 =
·1 =
·2 =
·3 = 13 EMBED Equation.3 1415.
Для кристаллов более с более низкой симметрией формулы усложняются.
Представление о количественной величине эффекта дают значения магнитострикционных коэффициентов кристалла Fe3O4 – магнитный железняк.


·100 = – 2.10-5
·111 = + 7,8.10-5

11.9. Пьезомагнитный эффект

Пьезомагнитный эффект состоит в возникновении макроскопической намагниченности кристалла при его механической деформации.

Ji = Qijk
·jk , (11.6)

причем Qijk = Qjik – т.е. тензор симметричен по первой паре индексов, поэтому его записывают в матричной форме.
13 EMBED Equation.3 1415

Поскольку пьезомагнитный тензор связывает между собой вектор и тензор 2 ранга, то его матричная запись аналогична матрице пьезомодулей.
В литературе очень мало сведений об этом явлении. Он обнаружен в трех антиферромагнетиках CoF2, MnF2, FeCO3. У фторидов марганца и кобальта всего два отличных от нуля коэффициента
13 EMBED Equation.3 1415


11.10. Магнитодиэлектрический эффект

Магнитодиэлектрический эффект заключается в возникновении намагниченности при приложении к кристаллу электрического поля


Ji = Wij Еj (11.7)

Относительно магнитодиэлектрического эффекта в литературе так же мало сведений, как и о пьезомагнитном эффекте Впервые он был обнаружен в кристаллической окиси хрома Cr2O3.
Кристалл подвергали воздействию переменного электрического поля, одновременно регистрировалось изменение намагниченности. Впоследствии, на этом же кристалле был зарегистрирован обратный эффект – возникновение электрической поляризации при воздействии на кристалл магнитного поля.
Таким образом, принципиально оказалось возможным изменять магнитное состояние вещества, воздействуя на него электрическим полем, и изменять электрическое состояние вещества, воздействуя на него магнитным полем.
Особый интерес представляют вещества, которые одновременно обладают спонтанной намагниченностью, как ферромагнетики, и спонтанной поляризацией, как сегнетоэлектрики. Такие кристаллы называют сегнетомагнитными. Это интересное сосуществование обнаружено в кристаллическом семействе борацитов.
Напр., в кристалле йод-никелевого борацита Ni3B7O13J при температуре ниже 64 К наблюдаются и сегнетоэлектрические, и ферромагнитные свойства. Оси спонтанной намагниченности и спонтанной поляризации не совпадают.
Прикладывая к кристаллу электрическое поле, мы вызываем переориентацию не только спонтанной электрической поляризации, но и спонтанной намагниченности.
Наоборот, прикладывая к кристаллу магнитное поле, мы вызываем поворот не только направления спонтанной намагниченности, но и спонтанной поляризации.
К сожалению, все открытые к настоящему времени сегнетомагнетики проявляют свои удивительные качества вблизи температуры абсолютного нуля, что неудобно для практических применений магнитодиэлектрического эффекта.

11.11. Методы наблюдения доменной структуры
ферромагнетиков

Доменную структуру в ферромагнитных кристаллах наиболее часто визуализуют при помощи метода порошковых фигур.
Метод заключается в том, что на тщательно отполированную поверхность кристалла наносят тонкий слой взвеси ферромагнитного порошка (суспензии) в жидкости. При оседании порошок собирается в местах с наибольшими градиентами поля, т. е. на границах доменов. Это позволяет с помощью микроскопа наблюдать границы доменов.


Рис. 11.17. Домены в гексагональном кристалле кобальта, выявленные порошковым методом, в плоскости (1010).


На рис. 11.17 показан пример доменной структуры, выявленной порошковым методом, для гексагонального кристалла кобальта, в плоскости (1010), содержащей ось Х3.
На фотографии видны границы вытянутых вдоль оси с доменов с антипараллельным направлением намагниченности (показаны стрелками).
Образование клиновидных доменов вызвано действием размагничивающего поля.
В плоскости, нормальной оси Х3 (т.е. в плоскости основания Х1Х2), наблюдается своеобразная звездчатая структура,



Рис. 11.18. Эти же домены в плоскости основания (0001)

13 EMBED PBrush 1415
Рис. 11.19. Домены в кристалле YFeO3, выявленные методом
эффекта Фарадея
связанная с тем, что вытянутые домены «выходят» на поверхность кристалла.
Доменную структуру можно также наблюдать с помощью магнитооптических методов, используя магнитные эффекты Керра и Фарадея.
Первый из них основан на том, что поляризованный свет, отраженный от поверхности кристалла, имеет различное по величине и направлению вращение плоскости поляризации вследствие различной ориентации намагниченности в разных доменах.
Во втором используется разное направление поворота плоскости поляризации света, прошедшего через домены с разным

направлением намагниченности. Этот метод является наиболее предпочтительным для наблюдения доменной структуры в тонких ферромагнитных пленках.
На рис. 11.19 приведена фотография доменов в фероромагнитном кристалле YFeO3 при наблюдении с помощью эффекта Фарадея.
В последнее время развиваются методы наблюдения доменной структуры с помощью сканирования поверхности ферромагнетика пучками нейтронов или электронов.

11.12. Применение ферромагнитных материалов

- системы с индуктивной связью – трансформаторы;
- магнитострикционные преобразователи для создания ультразвуковых волн в технологических целях – очистка, мойка, диспергирование, получение суспензий и эмульсий;
- устройства для хранения информации (магнитные диски, ленты, карты);
- в медицине – создание магнитных полей для терапевтических целей.












13PAGE 15


13PAGE 141915






Root EntryEquation NativeEquation Native

Приложенные файлы

  • doc 5694149
    Размер файла: 9 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий