Файл: Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений.pdf

(см. ниже § 266, с которым целесообразно познакомиться при чтении этой страницы) область, в которой магнитные моменты атомов параллельны, носит название домена. Этот же термин исполь­ зуется для области, в которой параллельны электрические дипольные моменты всех частиц. Кристаллы пироэлектриков большей частью представляют собой один домен.

§ 262а. Сегнетоэлектрики

Большое значение для техники имеет класс пироэлектриков, обладающий следующей особенностью: повышение температуры приводит к исчезновению пироэлектрических свойств. При темпе­ ратуре превращения (точке Кюри) наблюдается максимум диэлект­ рической проницаемости. Температурная зависимость є удовлетво-

Q

ряет закону е = т _ е , где в — температура Кюри.

Таким образом, в сегнетоэлектриках (название происходит от сегнетовой соли — типичного представителя этого класса веществ) имеет место переход из поляризованного упорядоченного состояния в неполяризованное.

Поведение сегнетоэлектриков аналогично поведению ферромаг­ нетиков. Так же, как и ферромагнетики, эти интересные диэлект­ рики обладают огромными значениями диэлектрической проницае­ мости (сотни и тысячи единиц), обнаруживают отчетливые гистерезисные явления, обладают точкой Кюри. Наряду с сегнетоэлектриками, в доменах которых все диполи параллельны, существуют антисегнетоэлектрики, в которых направления диполей чередуются.

это вещество обладает простой элементарной ячейкой. Ячейка — кубическая, в центре находится атом титана, в вершинах куба — атомы бария, а в центрах граней — атомы кислорода. Структура центросимметрична, и кристаллы выше 120 °С не относятся к пиро-

электрикам. При понижении температуры происходит фазовый переход и структура меняется: одно из ребер куба становится на 1 % длиннее, чем два других, кристалл становится тетрагональным. При этом превращении происходит сдвиг атома титана в сторону одного из кислородных атомов. Это направление теперь станет особенным, и вдоль него будет направлен вектор поляризации. Ясно, что у кристалла титаната бария имеется не одно направление легкой поляризации, а три, так как сдвиги вдоль трех осей куба вполне равноценны.

При охлаждении ниже точки Кюри (120 ° С для кристалла тита­ ната бария) разные области кристалла могут превратиться в разноориентированные домены. Приобретая доменную структуру, кри­ сталл становится механически напряженным: одни участки кри­ сталла сжимаются, другие расширяются. Доменный кристалл, соб­ ственно говоря, не является монокристаллом: трехмерный дальний порядок вдоль всего кристалла теряется.

При дальнейшем понижении температуры титанат бария терпит еще одно фазовое превращение примерно при +10 °С, однако не перестает быть сегнетоэлектриком.

Рассмотрим подробнее искажения симметричной кубической структуры, наступающие при охлаждении ниже температуры 120 °С. Нейтронографическими измерениями показано, что деформация, отсчитываемая по отношению к решетке ионов бария, состоит в смещениях= ионов титана на +0,05 А и ионов кислорода на —0,10 А и

Между отрицательно заряженными ионами кислорода и положи­ тельным ионом титана образуется плечо диполя. Если спроектировать все заряды на особенное направление, полагая, что атомам Ва и Ті недостает соответственно 2 и 4 электронов, а атомы кислорода имеют

X 10~1 8 ед. СГС. Так как элементарная ячейка имеет объем 64 А3 , то

вектор поляризации будет равен 6 4 ^Q_u • 3,5-10~1 8 = 5-104 ед. СГС.

Непосредственное измерение вектора поляризации дает в пределах ошибок опыта ту же величину.

Г Л А В А 36

МАГНЕТИКИ § 263. Три класса магнетиков

Известно, что в отношении магнитных свойств вещества делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Значения отри­ цательных восприимчивостей диамагнетиков лежат обычно в пре­ делах от — ІЗ - 10~ 6 для висмута до —0,8-10~6 для меди. Парамагнит-

ные тела характеризуются положительными значениями, например 0,4• 10 _ в для калия и 320• 10~в для хлористого железа. Ферромаг­ нитные тела резко выделяются значениями магнитной проницае­ мости, в сотни и тысячи раз превосходящими величины р для других тел. Какими же структурными особенностями можно объяснить проявление столь различных магнитных качеств у веществ, зача­ стую весьма сходных в остальных своих свойствах?

Как мы сейчас увидим, универсальным свойством, имеющим место всегда, в любом теле, поскольку оно состоит из электронов, является диамагнетизм. Из приведенных выше цифр видно, что диа­ магнитные свойства слабее парамагнитных и, тем более, ферромаг­ нитных. Мы наблюдаем диамагнитные свойства лишь при полном отсутствии у тела качеств, приводящих к положительному магне­ тизму. У пара- и ферромагнитных тел диамагнитные свойства име­ ются, но они «забиты» более сильным положительным парамагне­ тизмом.

Итак, диамагнетизм имеет место для любой системы, состоящей из электронов. Что же касается положительного магнетизма, то он возникает лишь в тех телах, атомы которых обладают магнитным моментом. Явление парамагнетизма весьма похоже на процесс элек­ тризации диэлектрика, который состоит из жестких диполей, обла­ дающих постоянным магнитным моментом.

Наличие магнитного момента у атомов является непременным условием возникновения и ферромагнитных свойств. Однако выда­ ющиеся особенности этих тел обязаны их совершенно специфичес­ кому свойству: образованию внутри тела больших областей — доменов, внутри которых миллиарды атомов выстроены параллельно друг другу своими магнитными моментами.

§ 264. Диамагнетизм

Диамагнетизм — непосредственное следствие свойства электрона описывать окружность в магнитном поле.

В магнитном поле с индукцией В свободная заряженная частица описывает окружность с частотой оз=еВ/(тс). Можно строго пока­ зать, что влияние магнитного поля на электрон, движущийся в цент­ ральном поле, в частности, в поле атомного ядра, сведется к ана­ логичному влиянию: электрон будет описывать круговую «траек­ торию» около силовой линии, но с частотой в два раза меньшей,

еВ1{2тс).

Это движение накладывается на другие движения, которые может совершать электрон: на хаотическое движение частиц, входящих в состав электронного газа, или на движение электрона около атомного ядра.

Элементарные соображения, приведенные на стр. 460, показали, что движение такого рода эквивалентно круговому электрическому току. При включении магнитного поля все электроны начинают вращаться около магнитного поля и каждый из них образует

элементарный ток силы

2л/ ~2л

Умножая на площадь круга, описываемого электроном при его движении около силовой линии, мы получим значение диамагнитного момента, создаваемого одним электроном:

Знак минус, показывающий, что момент действительно направлен против поля, вполне очевиден из рис. 290.

Если система состоит из большого числа электронов, то написан­

Таким образом, % выражено через площади, описываемые элек­ тронами благодаря дополнительному движению в магнитном поле. В принципе это вычисление может быть произведено, если известна волновая функция системы, т. е. в конечном счете электронная плотность. Практически вычисления слишком громоздки и значения диамагнитной восприимчивости определяются на опыте.

Важно подчеркнуть, что диамагнитная восприимчивость опреде­ ляется электронной структурой системы и не зависит (во всяком случае для атомов и молекул) от внешних условий, в том числе и

нитную восприимчивость к одному молю вещества, то всегда оказы­ вается возможным с хорошей точностью представить восприимчи­ вость х молекулы в виде

где пА — число атомов сорта А в молекуле, а %А — инкремент для данного атома. Для иллюстрации можем воспользоваться тем же примером (стр. 633), который мы привели для рефракций. Для