Сделай Сам Свою Работу на 5

Виды магнитной анизотропии

КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ

 

 

В.В. Парфенов, Н.В. БОЛТАКОВА

 

Изучение Процессов намагничивания и перемагничивания магнетиков

Методическое пособие к лабораторным работам

 

Казань 2014

УДК 537.63

Печатается по решению Редакционно-издательского совета ФГАОУВПО

«Казанский (Приволжский) федеральный университет»

методической комиссии Института физики

Протокол № 10 от 01.12. 2014 г.

заседания кафедры физики твердого тела

Протокол № 6 от 22.11. 2014г.

 

 

Рецензент:

канд. физ.-мат. наук, доц. кафедры теоретической физики ИФ КФУ Деминов Р.Г.

 

 

Парфенов В. В., Болтакова Н. В.

 

Изучение процессов намагничивания и перемагничивания магнетиков: методическое пособие к лабораторным работам / В. В. Парфенов, Н. В. Болтакова. – Казань: Казанский университет, 2014. – 34 с.

 

Методическая разработка предназначена для студентов, обучающихся по направлению бакалавриата 011200.62 «Физика» при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Физика магнитных материалов и полупроводников» и спецпрактикума, по направлению бакалавриата 03.03.02 «Физика» при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Физика конденсированного состояния».

Пособие не освобождает и не ограничивает студента от обращения к другим источникам информации, в том числе рекомендованным в данном пособии, необходимым для выполнения лабораторных заданий, для подготовки к зачету и экзамену, поскольку не охватывает материал, вынесенный на самостоятельное изучение студентом.

 

© Казанский университет, 2014

© Парфенов В.В., 2014

© Болтакова Н.В., 2014

Процессы намагничивания и перемагничивания магнетиков

Магнитная анизотропия

Причиной возникновения магнитных свойств в твердых телах является обменное взаимодействие между спинами атомов или ионов, составляющих кристалл, причем для ферромагнетика состояние с минимальной энергией достигается при параллельной ориентации спинов всех атомов, для ферри- и антиферромагнетиков − при антипараллельной ориентации спинов соседних атомов. Казалось бы, что при отсутствии какого-либо внешнего поля при любой температуре, меньшей температуры Кюри, ферро- и ферримагнетики должны быть намагниченными только за счет «выстраивания» спинов обменным взаимодействием. Фактически же спонтанная намагниченность большинства магнитных материалов значительно меньше или отсутствует вообще (образец размагничен) и появляется только при наложении внешнего магнитного поля Н. При этом намагниченность М и индукция В нелинейно зависят от поля и при некотором значении Н = НS, называемом «полем насыщения», практически перестают изменяться. При уменьшении поля до нуля образец будет обладать остаточной намагниченностью Мr (остаточной индукцией Вr), т.е. зависимость М(Н)не только нелинейна, но и неоднозначна (рис. 1). При перемагничивании образца полем, меняющимся в пределах от Нs до –Нs намагниченность будет иметь вид гистерезисной кривой − петли гистерезиса. Точки пресечения петли с осью Н отвечают полю, которое нужно приложить, чтобы размагнитить предварительно намагниченный образец. Значение поля в этих точках называется коэрцитивной силой Нc, и именно оно характеризует способность магнитного материала к перемагничиванию. К магнитомягким относят материалы с Нс 0,01−10 Э, для магнитотвердых соединений Нc может достигать 104 Э.



Если образец магнетика − монокристалл, то форма петли гистерезиса будет зависеть от направления внешнего поля относительно главных осей кристалла. При ориентации поля параллельно определенным направлениям, называемым осями легкого намагничивания, намагниченность будет достигать насыщения при меньших значениях внешнего поля. Эта анизотропия свойств также не может быть описана в рамках теории Вейсса, т.к. обменное взаимодействие в ней считалось изотропным, т. е. одинаковым по всем направлениям.

 

Рисунок 1. Зависимость намагниченности и индукции от поля

 

Виды магнитной анизотропии

Вышеперечисленные экспериментальные факты можно объяснить, если считать, что полная магнитная энергия магнетика не ограничивается только энергией обменного взаимодействия U обм, а содержит вклады, зависящие от радиус−вектора – так называемые анизотропные вклады. С учетом этих вкладов полную магнитную энергию тела U М принято записывать в виде суммы:

U М = U обм + U мк + U му + U мс, (1)

где U мк – магнитокристаллическая, U му – магнитоупругая, U мс − магнитостатическая энергии, причем последние три вклада достаточно описать на макроскопическом уровне, не детализируя их физическую сущность.

Магнитокристаллическая энергия U мк обусловлена тем, что орбитальное движение электрона данного иона зависит от симметрии электронной орбиты, симметрии ближайшего окружения магнитного атома и само, в свою очередь, связано со спином посредством спин-орбитального взаимодействия

, (2)

где НLS – оператор энергии спин-орбитального взаимодействия, λ – константа спин-орбитальной связи. Энергию U мк принято записывать в виде разложения по степеням направляющих косинусов вектора намагниченности на главные оси кристалла. Так, например, для кристаллов с кубической симметрией

, (3)

где К1, К2 − константы магнитной анизотропии; α1, α2, α3 – направляющие косинусы вектора намагниченности (относительно оси лёгкого намагничивания). Направления, в которых Uмк имеет абсолютный минимум, и будут направлениями легкого намагничивания (осями легкого намагничивания). Отметим, что для кристаллов с кубической симметрией К1 обычно существенно больше, чем К2 , а для кристаллов с гексагональной симметрией – наоборот.

Магнитоупругийвклад U му в энергию связан с деформацией кристаллической решетки и может быть описан также как и магнитокристаллический, но с модифицированными (измененными) константами анизотропии . Для кубических кристаллов, в частности,

К1' = К1 + Г,

, (4)

где с11, с12, с44 − упругие модули кристалла; λ100, λ111 − константы магнитострикции. Явление магнитострикциизаключается в изменении геометрических параметров магнетика (формы, объема) при его намагничивании.

Магнитостатическая энергияU мс − это энергия магнитного момента μ в поле Н. Если внешнее поле отсутствует, то U мс − энергия магнитного момента во внутреннем поле, создаваемом всеми остальными магнитными моментами – так называемом размагничивающем поле Hd:

U мс = − μHd.

Этот вклад в магнитную энергию анизотропен, так как анизотропно само диполь-дипольное взаимодействие магнитных моментов:

. (5)

Анизотропия, предписываемая формулой 1, приводит, в частности, к тому, что для тела с резко различающимися геометрическими параметрами направления легкого намагничивания часто определяются не магнитокристаллической анизотропией, а формой образца – анизотропией формы. Так, для тонкой пластинки оси легкого намагничивания лежат, как правило, в плоскости пластинки, а для длинного стержня − ось лёгкого намагничивания параллельна оси стержня.



©2015- 2019 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.