Магнитомеханический эффект

Процесс намагничивания парамагнетиков и ферромагнетиков сопровождается упорядочением расположения магнитных моментов атомов по отношению к направлению вектора магнитной индукции . Но с магнитными моментами атомов связаны механические моменты импульса атомов . Для электронов они направлены в противоположные стороны. Если упорядочиваются магнитные моменты , то, следовательно, должны упорядочиваться и механические моменты . Когда индукция магнитного поля равна нулю суммарный момент импульса всего образца так же будет равен нулю . При включении внешнего магнитного поля изменяется момент импульса электронов. В силу закона сохранения момента импульса должен измениться и момент импульса всего образца, т.е. ядер атомов. Весь образец должен повернутся. Это и называется магнитомеханическим эффектом.

Впервые этот эффект был обнаружен А. Эйнштейном и голландским физиком В. де Гаазом в 1915 году. Схема эксперимента представлена на рисунке.

На катушку подавалось переменное напряжение, и цилиндрический железный образец совершал колебательное движение вокруг оси. Вместе с образцом колебалось зеркальце, освещаемое тонким лучом света, который, отражаясь от зеркальца, попадал на шкалу.

Эффект был мал: при H = 10⁴ А/м w = 10^-3 рад/с. Из этого эксперимента было получено гиромагнитное отношение, которое оказалось равным .

Существует и обратный магнитомеханический эффект. Механическое вращение тела вызывает его намагничивание образца (механомагнитное явление). Впервые этот эффект наблюдал американский физик Барнетт в 1914 году. При скорости вращения образца 6×10³ об/мин вокруг него возникало магнитное поле напряжённостью H » 10^-2 А/м, что в тысячу раз меньше магнитного поля Земли. Самое интересное в том, что Барнетт получил гиромагнитное отношение равное ! Когда Барнетт узнал о результатах Эйнштейна и де Гааза, то он всё перепроверил, но получил тот же самый результат. Эйнштейн и де Гааз тоже перепроверили свои результаты и убедились, что они ошиблись, и встали перед непонятным фактом. Ведь о спине (собственном моменте электрона) еще ничего не знали, его введут в физику только через 7 лет. Итак, для железа (Fe) гиромагнитное отношение равно.

Природа спонтанной намагниченности

Ферромагнетиков

Теория Вейса объясняла свойства ферромагнетиков, но не отвечала на вопрос, почему ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью. Почему внутри домена ферромагнетик намагничен до насыщения? Этот вопрос самый сложный. Ответ на него дала только квантовая теория, да и то до сих пор некоторые детали остаются не выясненными.

Основы теории ферромагнетизма были созданы советским физиком-теоретиком Я.И. Френкелем (1894 – 1952) и немецким физиком-теоретиком В. Гейзенбергом (1901 – 1976) в 1928 году. Из опытов по изучению магнитомеханических явлений следует, что ответственными за магнитные свойства ферромагнетиков являются собственные (спиновые) магнитные моменты электронов. При определённых условиях в кристаллах могут возникнуть силы, (они называются обменными и объясняются только с позиций квантовой механики), которые заставляют магнитные моменты электронов выстраиваться параллельно друг другу. В результате возникают области спонтанного (самопроизвольного) намагничивания, которые называются также доменами. В пределах каждого домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и обладает определённым магнитным моментом. Направление этих моментов для разных доменов различны, так что в отсутствии внешнего магнитного поля суммарный магнитный момент всего тела равен нулю. Домены имеют размеры порядка 1 ¸ 100 мкм. Если домен намагничен до насыщения, следовательно, собственные магнитные моменты электронов ориентированы в одну сторону. Возникает вопрос. Почему?

Природа ферромагнетизма тесным образом связана с электронной структурой твёрдых тел.

Прежде всего, все ферромагнетики это элементы переходной группы в периодической таблице.

Рассмотрим для примера электронную структуру атома железа. Его электронная конфигурация имеет вид: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s². Обратите внимание, что 4 оболочка начинает заполняться электронами, хотя предыдущая еще не заполнена полностью (на 3d подоболочке должно быть 10, а не 6 электронов). 4s² оболочка заполнена полностью, т.е. её магнитный момент равен нулю.

Электроны в атоме подчиняются принципу Паули (или принципу запрета), в данном случае, речь идёт о том, что не может быть в одном состоянии двух электронов с одинаковым направлением спина. Тем не менее, исследование энергетических спектров железа показали, что его шесть 3d – электронов разбиты на две группы так, что пять электронов, имеют одно направление спина, а один – противоположное. Это приводит к тому, что спиновый (собственный) магнитный момент атома железа равен 4P_ms (4m_Б). Объяснение того факта, что спины электронов устанавливаются таким способом, а не поровну в одну и противоположную сторону даёт идея о существовании обменной энергии. Природа обменного взаимодействия пока до конца не ясна, но большинство исследователей считает её электростатической. Обменные силы (или спин-вращающие силы) всегда стремятся ориентировать спины электронов так, чтобы система находилась в состоянии с минимальной энергией. Два электрона, спины которых антипараллельны ­¯, обладают меньшей энергией, чем два электрона, спины которых параллельны ­­. Это как раз и соответствует принципу Паули. Но в атомах железа энергия обменного взаимодействия оказывается меньше, если 5 электронов имеют одинаковое направление спинов, а один – противоположное. Принцип Паули не нарушается, так как электроны d-подоболочки могут заселять разные состояния. На d-подоболочке имеется 10 состояний, а занято только 6 состояний.

Причина, по которой все магнитные моменты атомов внутри домена ориентированы в одну сторону, обусловлена кристаллической структурой вещества и связана с обменным взаимодействием между атомами внутри домена. Как мы упоминали ранее, ферромагнетизм наблюдается только у кристаллических веществ.

Обменное взаимодействие между атомами осуществляется следующим образом. "Магнитные" электроны d-подоболочки заставляют электроны проводимости (валентные s-электроны) ориентироваться в противоположную d-электронам сторону. Так как электроны проводимости движутся между атомами хаотически, то они "заставляют" ориентироваться "магнитные" d-электроны соседнего атома в сторону, противоположную направлению собственного спина. А это и приводит к тому, что спины "магнитных" электронов оказываются ориентированными в одну сторону.

Валентные s-электроны сами не дают вклада в магнитный момент, но "передают приказ" как должны ориентироваться "магнитные" электроны соседних атомов. Т.е. второй атом передает "приказ" третьему и т.д., до тех пор, пока нет нарушения периодичности кристаллической решётки.

Тепловое движение атомов приводит к нарушению периодичности структуры, поэтому существует температура Кюри T_K для каждого вещества, при которой ферромагнетизм исчезает, и вещество превращается в парамагнетик. Разумеется, изложенная картина является весьма грубой и приближённой, но позволяет кое-что понять и представить.

Размеры доменов определяются нарушениями кристаллической решётки и энергетическим балансом кристалла.

В данном случае магнитное поле имеет большую энергию.

Такая конфигурация энергетически более выгодна.

Но еще более выгодна структура, у которой силовые линии магнитного поля будут полностью замыкаться внутри ферромагнетика.

На образование доменом, стенок доменов нужна энергия. Деление на домены прекращается тогда, когда образование новых доменных стенок приведёт к увеличению магнитной энергии образца.

Преломление векторов и на границе раздела

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: