менном взаимодействии спинов; в-третьих, на использовании молекулярных полей Вейса.
Метод разбиения кристаллической структуры на подрешетки состоит в следующем: мысленно выделяют из общей решетки отдельные ее части, отличающиеся друг от друга объединением одинаковых ионов по расположению их в решетке. Таким обра зом, кристаллическую решетку можно разбить на две и более подрешетки в зависимости от количества различных ионов и мест, которые они занимают. Так как спиновые магнитные мо менты соседних ионов должны быть антипараллельны, то мож но принять два следующих распределения их в каждой из под решеток: можно все спиновые моменты ионов подрешетки мыс ленно направить в одну сторону, а в соседних подрешетках — в противоположную, что и создаст картину антипараллельной ориентации; в другом варианте в каждой подрешетке спиновые моменты принимаются направленными в разные стороны по ка кой-либо оси координат кристаллической решетки.
Наиболее простыми кристаллическими решетками являются простой и объемноцентрированный кубы. В простом кубе мож но иметь только одну возможность осуществления антипарал лелизма спиновых магнитных моментов: направить спины одних ионов налево, а других — направо (рис. 9.19). В случае объемноцентрированного или гранецентрированного куба их также можно представить в виде двух noApenieVoK.
Антипараллельное расположение магнитных спиновых мо ментов в этих решетках может быть рассмотрено на одном из ферромагнетиков — МпО, в котором спины ионов марганца ориентированы антипараллельно друг другу: антиферромагнитно. В этом соединении ионы марганца и кислорода образуют каждый самостоятельно гранецентрированные кубические кри
сталлические |
решетки, |
расположенные таким |
образом, |
что |
ионы марганца |
имеют в |
качестве ближайших |
соседей |
лишь |
ионы кислорода, и наоборот. Магнитная структура ионов мар
ганца такова, что спины |
ионов, расположенных |
в плоскостях |
||||
[1 1 1 ], параллельны, а спины ионов |
смежных слоев — антипа- |
|||||
|
раллельны |
(рис. 9.20), что позво |
||||
|
ляет рассматривать |
решетку но |
||||
|
сителя |
|
антиферромагнетизма |
|||
|
(марганца) |
как бы состоящей из |
||||
|
двух иодрешеток А и В, намагни |
|||||
|
ченных противоположно. |
также |
||||
|
Антиферромагнетики |
|
||||
|
имеют |
доменную |
структуру. |
|||
|
В каждом |
домене |
при |
Т = 0 К |
||
|
содержится |
одинаковое |
число |
|||
|
спинов, |
ориентированных |
в про |
|||
|
тивоположные стороны, в резуль |
|||||
|
тате чего магнитные моменты до |
|||||
|
менов равны нулю. Если на анти |
|||||
|
ферромагнетики при Т = |
0 |
К на |
|||
|
ложить |
внешнее магнитное поле, |
||||
|
вектор |
напряженности |
которого |
|||
Рис. 9.20. |
параллелен |
векторам магнитных |
||||
|
моментов доменов, |
то |
никакого |
|||
намагничивания не произойдет, так как спины благодаря об менной энергии жестко закреплены антипараллельно относи тельно друг друга. При приложении поля перпендикулярно на правлению спинов оба спина могут слегка повернуться на угол 0 , что вызовет понижение обменной энергии и появление неко торого магнитного момента. Таким образом, наложение магнит ного поля при Т = 0 К на антиферромагнетик приводит к появ лению его слабой намагниченности вследствие существования доменов с разной ориентировкой магнитных моментов.
Установлено, что в некоторых антиферромагнетиках при перенамагничивании возникает магнитный гистерезис, что служит косвенным доказательством их доменной структуры. Между до менами в антиферромагнетиках также существуют границы, толщина которых составляет десятые доли микрона.
На магнитную структуру антиферромагнетиков будет оказы вать влияние и .тепловое движение атомов. При возрастании температуры упорядоченное состояние в антиферромагнетике нарушается, и тем сильнее, чем выше температура, пока упоря доченная спиновая антипараллельная ориентация не будет пол ностью разрушена. Критическая температура, при которой про исходит полное разрушение антиферромагнитного порядка, на зывается температурой Нееля, или антиферромагнитной точкой Кюри (Ts). В точке Нееля обнаруживается аномальное пове дение не только магнитной восприимчивости, но и электропро водности, теплоемкости, теплового расширения.
Наложение внешнего поля на антиферромагнетик при тем
пературах выше абсолютного нуля может индуцировать намаг ниченность также в доменах, ориентированных в направлении вектора поля. Однако намагниченность, возникающая в резуль тате этого процесса, будет создавать относительно слабый до бавочный эффект, а основное намагничивание будет проис ходить за счет доменов, ориен тированных нормально к на
правлению поля.
Рнс. 9.22.
Как следует из теории антиферромагнетизма, магнитная вос приимчивость антиферромагнетиков имеет положительное зна чение при всех температурах. Выше температуры Нееля они имеют свойства обычных парамагнетиков, а их восприимчивость зависит от температуры и подчиняется закону Кюри — Вейса. Для разных антиферромагнетиков температура Нееля колеб лется в весьма широких пределах. На рис. 9.21 приведена температурная зависимость магнитной восприимчивости МпО. Максимум на кривой соответствует температуре Нееля
( 1 2 2 |
К). |
(Сг, |
К антиферромагнетикам наряду с чистыми металлами |
||
y-Fe |
и т. д.) относятся также соединения типа MnS, |
NiCr, |
Сг20з, VO^.
Наряду с антиферромагнетиками существуют тела, имею щие неполную компенсацию спинов. Твердые тела, которые об ладают суммарной намагниченностью вследствие неполной ком пенсации антиферромагнитного упорядочивания спиновых мо ментов, называются ферримагнетиками, или ферритами, а само явление — ферримагнетизмом.
На рис. 9.22 показано схематически расположение спинов в ферримагнетиках. Как видно из рисунка, из-за неполной ком пенсации магнитных моментов подрешеток такие тела должны обладать некоторым результирующим моментом и спонтанной намагниченностью.
Ферриты представляют собой твердые растворы, состоящие из окиси железа (Fe20 3) и окислов одного или нескольких металлов. Обобщенная формула ферритов может быть пред ставлена в виде MxFeyOz (символом М обозначается один из металлических ионов, например Mn, Со, Ni, Си, Mg, Zn, Cd и т. д.). К этой же группе относятся и смешанные ферриты, в которые входят одновременно ионы двух металлов. Эти фер
риты имеют кубическую кристаллографическую структуру — структуру «шпинели» (от названия минерала MgAl20 4).
При наложении внешнего поля феррит ведет себя подобно ферромагнетику. Однако в отличие от последнего зависимость спонтанной намагниченности от температуры у него опреде-
а |
5 |
6 |
ляется каждой из подрешеток в отдельности, вследствие чего суммарная намагниченность феррита может иметь сложный характер. На рис. 9.23 приведены некоторые варианты темпе ратурной зависимости суммарной намагниченности ферритов. Из рис. в видно, что спонтанная намагниченность может ста новиться нулевой при температурах ниже температуры Кюри, т. е. при некоторой температуре 0 , которая называется темпе ратурой, или точкой компенсации. При температурах выше точ ки компенсации суммарная спонтанная намагниченность ферримагиетика снова возрастает до некоторого значения, а затем спадает до нуля в точке Кюри.
Свойства ферритов в значительной степени определяются кристаллической структурой. В настоящее время применяют ферриты, имеющие кристаллическую структуру, подобную при родным материалам (шпинели, гранату и т. д.). Максимальная магнитная индукция ферритов значительно ниже, чем у ферро магнетиков. Основное преимущество ферритов перед ферромаг нетиками— высокое электросопротивление, что и определяет их широкое практическое использование. Сопротивление фер ритов достигает 102— 106 Ом-см, тогда как для железа оно равно 10~ 5 Ом-см. Благодаря высокому электросопротивлению ферриты практически не имеют потерь энергии на вихревые токи, а поэтому используются в высокочастотных трансформато рах, катушках индуктивности, магнитных усилителях, в счетно решающих устройствах и т. д. Магний-марганцевые ферриты и некоторые другие, обладающие петлей гистерезиса, близкой по форме к прямоугольной, применяют в качестве элементов логических и запоминающих устройств в электронно-вычисли тельных машинах, в многоканальной телефонии, в электроаку стике и других областях техники. Применение ферритов позво ляет уменьшить габарит и массу аппаратуры.
Г л а в а 10
ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Под тепловыми свойствами металлов понимаются их тепло емкость и теплопроводность, а также способность металлов изменять свои размеры при изменении температуры. В отличие от многих тел металлы характеризуются высокой теплопровод ностью, изменение которой под воздействием разного рода фак торов происходит аналогично электропроводности. Высокая теплопроводность металлов объясняется наличием свободных коллективных электронов, которые, в свою очередь, оказывают влияние и на теплоемкость металлов.
10.1. ТЕПЛОСОДЕРЖАНИЕ И ТЕПЛОЕМКОСТЬ МЕТАЛЛОВ
Теплосодержание (энтальпия) и теплоемкость металлов яв ляются важнейшими характеристиками при исследовании структурных и главным образом фазовых превращений в ме таллах и сплавах. Теплосодержанием называют количество теп лоты Q, которым обладает тело при данной температуре. Эта характеристика является функцией состояния, и при изобариче ском процессе (при постоянном давлении) теплосодержание равно количеству теплоты, необходимой для повышения темпе ратуры тела массой т от абсолютного нуля до Т:
Q = (C„)mT,
где <СР> — средний для взятого интервала температур коэффи циент пропорциональности, называемый теплоемкостью, он ра вен количеству теплоты, необходимой для нагревания вещества на 1 К. Теплоемкость представляет собой отношение подве денного количества теплоты к произведению массы тела на из менение температуры. При нагревании тела массой m от до Т2 (Т2> Т {) его теплосодержание увеличивается от Qi до Q2.