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 только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.