Ферромагнетиктердің спонтанды магниттелінуінің табиғаты

 

Теория Вейсс теориясы ферромагнетиктердің қасиеттерін түсіндірді, бірақ неліктен ферромагнетикатер спонтанды магниттелінеді?- деген сұраққа жауап берген жоқ. Неліктен доменнің ішінде ферромагнетика қанығу күйіне дейін магниттелінеді? Бұл сұрақтарға тек қана кванттық механика жауап береді.

Жалпыға белгілді ферромагниттік элементтер: темір ( ), никель ( ) және кобальт ( ). Ферромагниттік қасиеттерге сонымен қоса, өте сирек кездесетін екі элемент: гадолиний ( ) және диспрозий ( ) жатады, бірақ олар іс жүзінде қолданылмайды, себебі олардың Кюри температуралары аз, сәйкесінше 289 К және 105 К тең.

Темірдің гиромагниттік қатынасының тең екендігі, заттың ферромагнетик болуына «спин»-нің жауап беретінін көрсетеді, яғни электрондардың меншікті магниттік моменттері. Егер домен қанығу шамасына дейін магниттелетін болсап, онда электрондардың меншікті магниттік моменттері бір бағытта бағытталады. Нелліктен? Ферромагнетизмнің табиғаты қатты денелердің электрондық құрылымымен байланысты. 7.1 – кестеге көңіл бөлейік.

7.1 – кесте - Ферромагнетиктердің сипаттамалары

 

Элемент Атомның соңғы екі қабықшасының электрондық конфигурациясы Атом радиусы, Кюри температурасы, К
26. 27. 28. 1,24 1,25 1,25

 

Мұнда ферромагнитті элементтердің кейбір параметрлері берілген. Ең бастысы, барлық ферромагниттер Менделеев кестесіндегі ауыспалы топ элементтері. Здесь приведены некоторые параметры ферромагнитных элементов. Прежде всего: все ферромагнетики – элементы переходной группы таблицы Менделеева. Оған дейінгі соңғы қабат (d-қабықша) толық толтырылмаса да, соңғы (валенттік) электрондық қабықша толтырыла береді. Соңғы қабықша толығымен толтырылған, оның магниттік моменті нөлге тең. Темір, мысалы алты 3d – электрондарға ие (толтырылған d қабықшада 10 электрон бар). спектрлерін зерттеулер осы алты электронның бесеуінің спиндері бір бағытта, ал біреуінің спині қарама-қарсы бағытта бағытталғанын көрсетеді. Бұл атомның спиндік магниттік моменті , мұндағы - электронның спиндік магниттік моменті.

Электрондар спиндерінің осылай орналасуларын қалай түсіндіруге болады? Бұл сұраққа жауапты Паули принципіне негізделген өзара әсерлесулердің электростатикалық энергиясына үлесі бар «алмасу энергиясы» деп аталатын шаманы ескере отырып табуға болады. Екі 3d электрондар спиндері бір бағытта болғанда, спиндері әртүрлі бағытта болғандағыдан әрірек орналасады. Паули принципіне сәйкес бір фазалық ұяшықта спині берілген бағыттағы бір ғана электрон орналаса алады. Сондықтан көрсетілген электрондар бір-бірінен алыс орналасқандықтан, олардың электростатикалық тебіліс энергиялары аз болады.

d- қабықшада фазалық кеңістіктің бес ұяшығы бар, сондықтан атомының 6-шы электроны спинінің бағыты қарама-қарсы бағытта болады. Бұл жерде алмасу энергиясының болуы электрондардың тартылуына алып келеді.

Көршілес атомдардың магниттік моменттерінің осылай параллель қатарласып орналасуы атомдық магниттердің өзара әсерлесулеріне негізделген. Есептеулер магниттік өзара әсерлесу энергиясы осы эффектіні жасауға қажетті энергиядан екі дәрежеге аз екендігін көрсетті. Көршілес атомдардың магниттік моменттерінің параллель бағытталуы атомдардың өзара алмаса әсерлесулері нәтижесінде болады. Көршілес атомдардың -электрондар спиндері параллель бағытталғанда бір-бірінен алыстайтыны соншалық, олардың магниттелгендегі электро-статикалық тебіліс энергиясы магниттелмеген кезіндегіге қарағанда кем болады . Әрине, -электрондардың бір-бірінен алыстауы электрондардың кинетикалық энергиясының артуына алып келеді (Ферми энергиясы артады). Бірақ та, өзара алмаса әсерлесулер нәтижесінде энергияның азаюы кинетикалық энергияның артуынан көп болса, онда магниттелген күй орнықтырақ болады. Осы энергияның айырмасында ең маңыздысы кристалдық тор, яғни атомдар арасындағы ара қашықтық. 7.6 –суретте қатынасы мен магниттелген және магниттелмеген күйлер энергияларының айырмасы арасындағы тәуелділік көрсетілген, мұндағы - тор тұрақтысы, - қабықшаның диаметрі. Суреттен айырманың оң шама екені көрініп тұр, яғни өзара әсерлесуші атомдардың энергияларының кемуі ауыспалы топтың кейбір элементтерінде ғана болады, ал олар ферромагнетиктер емес.

Магниттелген және магниттелмеген күйлер кезіндегі энергия айырмасы эВ-тің ондаған бір бөлігін құрайтындықтан, температураның артуы спонтанды магниттелуді жоюы мүмкін. Кюри температурасы деп аталатын температурада спонтанды магниттеліну шынында да жойылады (7.1-кестені қара).

Ферромагнитті дененің спиндері параллель аймақ домен деп талады. Әрбір домендегі магниттелу шамамен 1 Тл-ға тең. Егер де, қатты дене бір ғана доменнен тұратын болса, онда сыртқы магнит өрісі болмаған кезде оның магниттік моменті үлкен болып, ол күштірек сыртқы магнит өрісін тудырады да, ендеше оның магнит энергиясы көп болар еді. Сондықтан, кристалдық үлгіні көптеген кішкене домендерге бөледі, олардың өлшемдері мен магниттік моменттері кристалл энергиясының минимал мәнімен анықталады (7.3-сурет).

Антиферромагнетизм

 

ХХ ғасырдың 30 жылдары парамагнетиктерден ерекше қасиеттері бар қосылыстар ( , , , тотықтары мен хлоридтері) табылды.

 

7.7-сурет - Поликристалды антиферро-магнетик (в) мен

парамагнетиктің (а) магниттік қабылдағыштықтарының

температураға тәуелділігі. - Нееля температурасы

 

7.7-суретте поликристалдық күйдегі осы заттардың магниттік қабылдағыш-тықтарының ( ) температураға тәуелділігі көрсетілген.

Көрініп тұрғандай (Нееля температурасы) бұл заттардың қасиеттері парамагнетиктерге қара-ғанда күрт өзгеше. ( болғанда бұл заттардың барлығы - кәдімгі парамагнетиктер).

Антиферромагнетизм – заттың магниттік реттелген күйі, көршілес атомдардың (молекулалардың) магниттік моменттері бір-біріне қарама-қарсы бағытталған (антипараллель). Сондықтан заттың магниттелуі толығымен алғанда нөлге тең. Мысалы, . Кристалдық құрылымы қарапайым: иондары сияқты иондары да гранецентрлік кубтық тор құрайды. Бұл екі тор (оларды торшалар деп атайды) иондарына жақын көршілес иондар тек қана оттегі иондары ғана болатындай етіп немесе керісінше құрастырылған. Көршілес торшалардағы иондарының магниттік моменттері антипараллель және бір-бірін компенсациялайды.

Температура жоғарылағанда жылулық қозғалыс спиндердің антипараллель бағыттарын реттеуге тырысады. Спиндердің бағытталынуының бұзылуы белгілі бір температурада күшті болады, ол Нееля температурасы деп аталады. Бұл кристалдық тордың бұзылуы емес, бар болғаны спиндердің белгілі бағыттарының бұзылуы – 2 реттік фазалық ауысу. болғанда көршілес атомдардың магниттік моменттерінің өзара алмаса әсерлесу күштері жылулық қозғалыстың бей-берекеттік әсерінен күштірек болады. жоғары температураларда антиферромагнетик қасиеттері жағынан парамагнетик сияқты.

 

Ферримагнетизм. Ферриттер

 

Ферриттер деп аталатын темір оксидтерінің тобы ерекше қарастыруды қажет етеді. Олар иондық кристалдар, олардың химиялық құрамы металл - (мысалы, , , , және т.б.). Бұл топтағы ең белгілісі ( , К). Бұл қосылыс элементар ұяшығы 56 атомнан тұратын шпинельдік құрылым: 32-сі оттегі атомы, 24-і темір атомы, олардың ішінде 8-і және 16-сы и . Тетраэр болып орналасқан спиндік магниттік моменттер октаэдр болып орналасқан спиндік магниттік моменттерге қарама-қарсы бағытталған. Бұл иондардың спиндік моменттері антиферромагнитті реттелген, олар бір-бірін компенсациялайды. Бірақ та, бір жаққа ғана бағытталған және ол қорытқы магниттелінуді береді. Антиферромагниттік реттелуі толық компенсацияланбаған спиндік жүйелер нәтижесінде қорытқы магниттелуге ие болатын қатты денелер ферримагнетиктер деп аталады.

7.8 - сурет Магниттік қабылдағыштың ( )-нің температураға тәуелділігі

(а)- парамагнетиктер, (в)- ферромагнетиктер және (с)- ферримагнетиктер

Мұнда да бірнеше магниттік торшалардың спиндері қарама-қарсы бағытталған, бірақ торшалардың магниттік моменттері бір-біріне тең емес, сондықтан қорытқы магниттік момент бар болады. Торшалар олардың құрамында валенттілігі басқа иондар немесе басқа металдар иондары болуымен ерекшеленеді. Ферримагнетизм, ферромагнетизм сияқты болғанда орнайды (Кюри температурасы).

Ферримагнетизмді жалпылама түрде магниттік реттелген күй деп қарастыруға болады. Бұл тұрғыдан алғанда, ферромагнетизм дегеніміз, затта тек қана бір торша болатын жекеше жағдай; антиферромагнетизм дегеніміз барлық торшалар бірдей магниттік иондардан тұратын және олардың қорытқы магниттік моменті нөлге тең болатын жағдай. Әртүрлі торшалардың иондары арасында магниттік моменттерді антипараллель етуге тырысатын теріс алмаса өзара әсерлесулер болады. болғанда жылулық энергия алмасу энергиясынан көп болады да, зат парамагниттік қасиеттерге ие болады.

Магнетиктердің барлық үш тобы арасындағы температуралық тәуелділіктің айырмашылықтары 7.8- суретте көрсетілген. Ферримагнетиктер өте күшті емес магнит өрістерінде өздерін ферромагнетик сияқты ұстайды (домендерге бөлінеді, гистерезис тұзағы бар, олар тік бұрышты). Ферримагнетиктердің көп бөлігі диэлектриктер немесе жартылай өткізгіштер болып табылады, яғни олардың электрлік кедергілері көп, металл ферромагнетиктердің кедергілерінен шамамен 105 – 1015 есе үлкен. Сондықтан олар жоғары жиілікті, асқын жоғары жиілікті қондырғыларда кең қолданылады, себебі олардағы құйынды токтар шамасы аз. Тік бұрышты гистерезис тұзағы оларды есте сақтау қондырғыларында қолдануға мүмкіндік береді.

 

Н.4.07.-13

Қазақстан Республикасының Білім және ғылым министрлігі

Ш. Уәлиханов атындағы Көкшетау мемлекеттік университеті

шаруашылық жүргізу құқығындағы республикалық мемлекеттік кәсіпорны

 

 

5В011000 – «Физика»_______ мамандығы

(шифры, атауы)

_______Қатты дене физикасы___ пәні бойынша

(атауы)

 

Емтихан сұрақтарының

ТІЗІМІ

 

Көкшетау, 2016