английского слова domain — область). Домен — образование макроскопических размеров в том смысле, что содержит большое
число атомов. Каждый домен намагничен до предела, |
до |
н а с ы |
ще н и я , так что магнитный момент домена во много |
раз |
превос |
ходит магнитный момент атома. В ненамагниченном образце маг нитные моменты различных доменов ориентированы произвольным образом, так что суммарный магнитный момент образца равен нулю. Внешнее магнитное поле ориентирует моменты всех доменов вдоль своего направления. Большая величина магнитного момента каждого домена приводит к тому, что даже слабое внешнее поле приводит к сильной намагниченности образца. Линейные размеры доменов — порядка ІО-2 — 10_3 см, так что в принципе их можно при соответствующих условиях увидеть в обычный оптический микроскоп. Советский магнитолог Н. С. Акулов разработал для этого специальный метод, называемый методом порошковых фигур. Мелкий ферромагнитный порошок, взвешенный в жидкости, нано сится на поверхность отполированного образца из ферромагнитного материала. Магнитные поля соседних доменов направлены по-раз ному. Поэтому на границах доменов магнитное поле сильно неод нородно, и в этих местах нанесенный порошок «взъерошивается», обозначая границы доменов. Пример порошковых фигур приведен на фотографии, представленной на рисунке 105.
О доменной структуре ферромагнетиков, о макроскопических размерах доменов свидетельствует также эффектный опыт, нося щий название опыта или эффекта Баркгаузена. Его легко пока зать и в условиях средней школы.
Над катушкой К с железным сердечником (рис. 106) распола гается постоянный магнит М, подвешенный на нити таким обра зом, чтобы при вращении магнита вследствие раскручивания нити полюсы магнита приходились как раз над сердечником. Концы об мотки катушки соединяются с входом усилителя, на выходе кото рого включен обычный динамический громкоговоритель. Если, предварительно закрутив нить, привести магнит во вращение, то в
|
|
|
|
|
|
|
громкоговорителе будут |
слышны |
|
периодические |
шорохи, |
похожие |
|
на звуки, |
издаваемые |
трогаю |
|
щимся паровозом. Шорохи слыш |
|
ны как раз в моменты прохожде |
|
ния магнитного полюса над сер |
|
дечником. |
В |
самом |
появлении |
|
сигнала на выходе усилителя нет |
|
ничего удивительного: |
оно обус |
Рис. 107. |
ловлено явлением электромагнит |
|
ной индукции в обмотке катушки |
|
К вследствие |
изменения |
магнит |
ного поля, пронизывающего катушку и сердечник. Главное заклю чено в характере сигнала. Шорох представляет собой не непрерыв ный звук, а совокупность большого числа отдельных щелчков или тресков, подобно тому как непрерывные аплодисменты состоят из резких дискретных звуков — отдельных хлопков различных людей. Наличие щелчков свидетельствует о скачкообразном изменении на магниченности сердечника при плавном монотонном изменении на магничивающего поля, создаваемого вращающимся магнитом. В свою очередь, скачкообразное изменение намагниченности обуслов лено скачкообразным изменением направления намагниченности доменов. Если провести контрольный опыт, вставив в катушку не ферромагнитный сердечник, например медный или алюминиевый, то никаких шорохов слышно не будет. Из изложенного вытекает, что кривая намагниченности ферромагнетика должна представлять собой не плавную линию, представленную на рисунке 103, а сту пенчатую кривую. Строго говоря, это так и есть, только обычно скачки незаметны ввиду их сравнительно малой величины. Если достаточно повысить чувствительность аппаратуры для снятия кри вой намагничения, то скачки намагниченности будут зарегистри рованы. На рисунке 107 представлен в увеличенном виде неболь шой участок крутой части кривой намагничения ферромагнетика.
В связи с установлением доменной структуры ферромагнетиков, естественно, возникают следующие вопросы: каковы элементарные носители ферромагнетизма? Какая причина заставляет их группи роваться в домены? Ответ на первый вопрос был получен до созда ния квантовой механики, в результате анализа опытных данных, ответ же на второй вопрос смогла дать только квантовая механика.
Для установления физической природы носителей ферромагнит ных свойств Эйнштейн в 1915 г. предложил идею опыта, который был осуществлен голландским физиком де Гаазом. Идея опыта Эйнштейна — де Гааза состоит в следующем.
Если цилиндрик из ферромагнитного материала подвесить на тонкой нити и намагнить вдоль его оси, то, исходя из закона сохра нения момента механического импульса, следует ожидать враще ния намагниченного образца.
Действительно, намагниченность означает приобретение магнит ного момента. С магнитным же моментом связан механический мо
мент импульса. Следовательно, при намагничивании образца но сители магнетизма приобретают механический момент импульса, направленный вдоль оси образца. Поэтому сам стержень должен приобрести момент импульса противоположного направления, т. е. прийти во вращение.
Для пояснения идеи этого опыта можно привести такую ана логию: если электродвигатель подвесить на токоподводящих про водах, то после включения тока ротор и статор приходят во вра щение в противоположных направлениях, причем более массивный статор, обладающий большим моментом инерции, вращается с менылең угловой скоростью, так что суммарный момент импульса ротора и статора по-прежнему остается равным нулю.
Теория опыта Эйнштейна — де Гааза позволяла по данным опыта вычислить гиромагнитное отношение для носителей магнит ных свойств в ферромагнетиках. Оно оказалось в два раза больше орбитального гиромагнитного отношения и равным гиромаг нитному отношению спина. Это свидетельствует о том, что ферро магнетизм обусловлен не орбитальным, а спиновым магнитным моментом, т. е. что ферромагнетизм имеет сугубо квантовую при роду II может быть объяснен только квантовой механикой.
Возникает естественный вопрос: если спин является неотъемле мой принадлежностью' каждого электрона, то почему же ферро магнетизм свойствен далеко не всем веществам? Невольно напра шивается вывод о том, что ферромагнетизм обусловлен какими-то особенностями внутреннего строения атома.
При анализе строения периодической системы элементов Д. И. Менделеева обращалось внимание на то обстоятельство, что начиная с 4-го периода в ряде случаев застройка электронных слоев идет необычным способом: вместо застройки незаполненного электронного слоя начинается заполнение электронами следую щего слоя, так что один подслой предыдущего слоя оказывается незаполненным. Если с этих позиций проанализировать ферромаг нитные элементы, то можно будет обнаружить, что в атомах всех ферромагнитных элементов имеются незаполненные внутренние подоболочки.
Казалось бы, ответ найден. Однако наличие незастроенного внутреннего подслоя — условие необходимое, но еще недостаточ ное для того, чтобы элемент принадлежал к ферромагнетикам. Ока зывается, что незаполненные подоболочки имеют элементы, число которых превышает число ферромагнитных элементов. Другими словами, внутренний подслой может быть не заполнен, а элемент тем не менее не будет принадлежать к ферромагнетикам. Напри мер, как уже говорилось в главе 8, в атомах редкоземельных элементов имеется незаполненная подоболочка, однако ферро магнитными являются далеко не все лантаноиды. Эту загадку помогла отгадать квантовая механика. Известный советский фи зик-теоретик Я. И. Френкель показал, что к ферромагнетизму приводит особое, так называемое обменное взаимодействие элект
ронов незаполненных слоев в соседних атомах. Обменное взаимо действие —■типично квантовое явление.
Энергия обменного взаимодействия, количественно выражаемая так называемым обменным интегралом, очень сильно зависит от расстояния между атомами. При достаточно больших расстояниях между атомами обменное взаимодействие отсутствует. Это объяс няет то, что, во-первых, не существует и не может существовать ферромагнитных газов или паров, а во-вторых, что ферромагнит
ным вещество может быть при достаточно |
низких температурах, |
-в твердом состоянии, когда атомы достаточно сближены. |
Величина энергии обменного взаимодействия сложным образом |
зависит от величины отношения размера |
(диаметра) атома d к |
размеру (диаметру) незаполненной оболочки а. Это отношение обозначают через ß:
При ß > 1,5 обменный |
интеграл положителен, при |
ß < 1,5 он |
■отрицателен. При положительном обменном интеграле |
взаимодей- |
-ствие электронов приводит |
к параллельной ориентации |
их спинов, |
а это является причиной самопроизвольной, спонтанной намагни ченности, что как раз и характерно для ферромагнетиков. При от рицательном обменном интеграле взаимодействие приводит к ангипараллельной ориентации спинов, что обусловливает антиферро магнетизм, о чем речь пойдет ниже.
Если сопоставить параметр ß для атомов различных элементов, имеющих незаполненные подоболочки, то будет неукоснительно вы полняться следующее правило: при ß > 1,5 вещество ферромаг нитно, при ß < 1,5 — неферромагнитно. Причем даже небольшое отличие ß от 1,5 в ту и другую сторону оказывается очень суще
ственным: например, |
для марганца ß = 1,47, и он неферромагни |
тен,- а для железа ß = |
1,63, и оно ферромагнитно. |
Казалось бы, загадка ферромагнетизма раскрыта, однако остал ся невыясненным последний вопрос: почему ферромагнетик имеет доменную структуру, т. е. состоит из многих, а не из одного до- ■мена? Может показаться, что если спины соседних атомов распо лагаются параллельно друг другу, то должны установиться парал лельно друг другу спины всех электронов во всем объеме образца. Но это означало бы, что весь образец в отсутствие внешнего маг нитного поля спонтанно должен быть всегда намагничен, причем до насыщения. В действительности этого нет. Здесь сказывается принцип минимума потенциальной энергии. Дело в том, что маг нитные моменты спинов — это элементарные магнитики, они нахо дятся в магнитном поле друг друга и обладают потенциальной энергией, которая зависит от взаимного расположения магнитиков. Если взять два прямых магнита или две магнитные стрелки и рас положить их параллельно друг другу, то величина их потенциаль ной энергии будет зависеть от того, параллельны или антнпарал- -лельны магнитные моменты магнитов. Так, если моменты парал-
