Файл: Стручков В.В. Вопросы современной физики пособие для учителей.pdf

.' типараллельной ориентации тех же спинов. Природа разрешает это противоречие следующим компро­

миссом: в объеме образца возникает м н о г о областей спонтан­ ного намагничения — доменов, в каждом домене спины параллель­ ны, а в соседних доменах они антипараллельны. Это обусловливаетненамагннченность всего образца в отсутствие внешнего магнит­ ного поля.

Принцип минимума магнитной энергии требует образования до­ менов, замыкающих магнитные силовые линии соседних доменов с антипараллельнымп спинами. Этот же принцип реализуются при притяжении железного якоря подковообразным магнитом (в таком состоянии система «магнит — якорь» обладает минимальной маг­ нитной энергией). Замыкающие домены имеют форму трехгранных призм. Разбиение образца на домены представлено схематически на рисунке 109. Границы соседних доменов не являются резкими: домены отделяются друг от друга переходным, или граничным, слоем, в котором происходит постепенный поворот спинов на 180°. Ширина его составляет десятые доли микрометра. Порошковые' фигуры как раз и очерчивают границы доменов.

Описанная схема так называемых 180-градусных доменов — это простейшая картина; она реализуется в одноосных кристаллах, т. е. в ферромагнетиках, имеющих только одну так называемую

ось легкого намагничивания.

Для намагничивания ферромагнетика нужно совершить работу,, которая вызывает увеличение потенциальной энергии намагничен­ ного образца. Оказывается, для намагничивания монокристалла

38S

вполне определенным образом — осью легкого намагничивания вдоль магнитного поля Земли. Именно при таком расположении магнитная энергия шара будет минимальной. У разных ферро­ магнетиков число осей лекого намагничивания, вообще говоря, различно, например у никеля их четыре.

При наличии нескольких осей легкого намагничивания ориента­ ция спинов в соседних доменах отличается от 180-градусной.

Процесс намагничивания ферромагнетика

Рассмотрим сначала самый простой случай: берется монокри­ сталл ферромагнетика, обладающего одной осью легкого намагни­ чивания, внешнее магнитное поле параллельно этой оси. Домены, спонтанная намагниченность которых параллельна полю, окажутся в более выгодном энергетическом состоянии, чем другие. При уве­ личении внешнего поля будет происходить рост выгодно располо­ женных доменов за счет невыгодно расположенных. Этот рост будет происходить путем смещения границ «выгодных» доменов внутрь «невыгодных» доменов до тех пор, пока последние не будут полностью поглощены. Этот процесс называется процессом смеще­ ния (границ доменов). В итоге весь кристалл превратится в один домен, намагниченный до насыщения.

Более общим является случай, когда направление намагничи­ вающего поля составляет некоторый угол с одной из осей легкого намагничивания. В этом случае домены, расположенные энергети­ чески невыгодно по отношению к внешнему полю, будут погло­ щаться доменами, более выгодно расположенными, т. е. такими, направление спонтанной намагниченности которых составляет меньший угол с направлением внешнего поля. В результате кри­ сталл превратится в один домен, намагниченный до насыщения вдоль оси легкого намагничивания, ближайшей к направлению внешнего поля.

Если продолжать увеличивать внешнее поле, то вектор намаг­ ниченности кристалла начнет поворачиваться от направления оси легкого намагничивания к направлению внешнего поля. Этот про­ цесс называется процессом вращения, он продолжается до тех пор, пока образец не окажется намагниченным до насыщения вдоль на-, ■правления внешнего поля.

Насыщение, достигаемое в результате процессов смещения и вращения, называется техническим насыщением. Если по его до­ стижении продолжать увеличивать внешнее поле, то намагничен­ ность, хотя и медленно, будет продолжать возрастать. Этот процесс называется истинным намагничиванием, рассмотренные же ранее процессы называются техническим намагничиванием. Процесс истинного намагничивания иначе называется парапроцессом. От­ личие парапроцесса от процессов смещения и вращения состоит в том, что в случае парапроцесса увеличивается намагниченность каждого домена. Дело в том, что до сих пор мы рассматривали

384

идеальные домены, считая, что в каждом из них'все спины ориен­ тированы параллельно. Это возможно только при температуре, равной 0° К (которая, увы, принципиально недостижима). При тем­ пературе, отличной от 0° К, тепловое движение будет нарушать параллельную ориентацию спинов внутри домена. Это приведет к тому, что в домене будут две группы спинов с противоположными ориентациями, что приведет к уменьшению спонтанной намагни­ ченности домена. По мере увеличения температуры спонтанная на­ магниченность каждого домена будет уменьшаться и в точке Кюри обратится в нуль. Другими словами, точка Кюри — это такая температура, при которой тепловое движение атомов разрушает домены.

Парапроцесс — это процесс увеличения намагниченности самих доменов за счет превращения антипараллельных спинов домена в параллельные. Вполне оправдано название этого процесса, с одной стороны, как парапроцесса (по-гречески, напоминаем, «пара» озна­ чает «вдоль»), с другой стороны, как истинного намагничивания, поскольку в данном случае процесс намагничивания идет внутри элементарных ячеек ферромагнетика — внутри доменов. Пара­ процесс будет происходить до тех пор, пока все спины всех доме­ нов не окажутся ориентированными вдоль внешнего магнитного поля; это состояние ферромагнетика называется абсолютным на­ сыщением.

Выше отмечалось, что при определенных условиях обменное взаимодействйе между электронами незастроенных подоболочек ^ в соседних атомах приводит к антипараллельной ориентации элект­ ронных спинов. Явление возникновения спонтанной антипарал­ лельной ориентации спинов называется антиферромагнетизмом. Антиферромагнетик тоже имеет доменную структуру, только в от­ личие от ферромагнитного домена в антиферромагнитном домене магнитные моменты спинов скомпенсированы и спонтанной намаг­ ниченности не возникает. Антиферромагнетизм пока представляет только научный интерес и не нашел практического применения.

Ферримагнетизм

Кристаллическую решетку антиферромагнетика можно рас­ сматривать как составленную из двух решеток, лучше сказать, двух подрешеток, вставленных. одна в другую, причем магнитные мо­ менты подрешеток компенсируют друг друга. Короче, антиферро­ магнетизм — это полностью скомпенсированный ферромагнетизм. Однако возможны случаи, когда полной компенсации магнитных моментов подрешеток не происходит. Такой нескомпенсирован­ ный, «несовершенный» антиферромагнетизм называется ферримагнетизмом. Спонтанная намагниченность в ферримагнетиках мо-

жет быть достаточно большой, и в отношении намагниченности ферримагнетики ведут себя как ферромагнетики.

Ферримагнетпзм нашел широкое применение в так называемых ферритах. В химическом отношении ферриты представляют собой смесь, соединение трнокиси железа FeoCb с окислом какого-ни­ будь двухвалентного металла. По внешнему виду это керамика. Ферриты изготовляются путем спрессовывания компонентов и их последующего спекания; иногда ферриты называют феррокера­ микой.

По электропроводности ферриты следует отнести к полупро­ водникам; их еще иногда называют ферромагнитными полупро­ водниками или полупроводниковыми ферромагнетиками. Высокое удельное сопротивление ферритов обусловило их широкое приме­ нение в радиотехнике высоких и сверхвысоких частот. Дело в том, что индукционные токи Фуко сильно возрастают при увеличении частоты наводящего магнитного поля, и если не принять необхо­ димых мер, то потери энергии на нагрев токами Фуко сердечников очень сильно снизят качество радиоаппаратуры. Благодаря пло­ хой электропроводности ферритовые сердечники можно делать сплошными, что сильно упрощает технологию.

Ферриты со специальной (прямоугольной) фермой петли ги­ стерезиса применяются в электронных вычислительных машинах в качестве элементов памяти. Ячейка памяти — это устройство, которое может находиться только в двух состояниях (да — нет, плюс —.минус, 1 или 0). Таким устройством является ферритовое кольцо с тремя обмотками, причем петля гистерезиса феррита должна быть прямоугольной (рис. ПО). Пусть через обмотку ! прошел импульс тока, который намагнитит сердечник до насы­ щения (состояние А). По прекращении импульса в сердечнике сохранится остаточная намагниченность, равная максимальной (вследствие прямоугольное™ петли гистерезиса). Сердечник «за­ помнил» сигнал 1-й обмотки. Попробуемтеперь узнать, какой сигнал запомнило устройство, как говорят, «считаем» (прочтем) сигнал. Для этого через считывающую обмотку 2 пропустим им­ пульс тока. Если направление его таково, что создаваемая им

386

намагниченность сердечника будет иметь то же направление, что и намагниченность от прежнего импульса, то считывающий сигнал не изменит намагниченности сердечника и в выходной обмотке 3 не будет индуцировано напряжение и не возникнет сигнала. Наобо­ рот, при противоположном направлении считывающего тока он перемагнитит сердечник (точка С), при этом произойдет сильное изменение намагниченности от ~\-Рти до —Ртп, и в выходной об­

мотке будет наведено напряжение, появится сигнал. Таким обра­ зом, на определенный «вопрос», т. е. на определенное направле­ ние тока во 2-й обмотке, мы получим вполне определенный ответ — наличие или отсутствие сигнала в выходной обмотке, устройство «выдаст» сигнал, который оно «запомнило».

25*

Г Л А В А

11 ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

§ 1. ВВЕДЕНИЕ

Объяснение особенностей электрических свойств полупровод­ ников невозможно без рассмотрения основ современных представ­ лений об электропроводности кристаллических твердых тел. Для понимания проводимости металлов классических представлений также недостаточно. Поэтому здесь будут рассмотрены в основном современные представления об электрических свойствах твердых тел.

Задачей теории электропроводности является вывод опытных законов электрического тока, прежде всего законов Ома и Джоу­ ля—Ленда, основанных на определенных представлениях о меха­ низме электрического тока.

Как уже говорилось, в самом конце прошлого века, в 1887— 1900 гг., известный английский физик Дж. Дж. Томсон в резуль­ тате своих знаменитых опытов по отклонению катодных лучей электрическим и магнитным полями установил, что катодные лучи представляют собой поток частиц, которые были названы электро­ нами. Великий голландский физик Г. А. Лоренц поставил и решил очень важную задачу: исходя из томсоновской модели атома, со­ гласно которой в состав атомов входят электроны, теоретически объяснить все физические свойства различных веществ, в част­ ности их электрические, магнитные, оптические свойства. Эту за­ дачу Лоренц блестяще выполнил, создав классическую электрон­ ную теорию, носящую его имя.

§ 2. КЛАССИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛОВ

Одной из частей электронной теории Лоренца является теория электрического тока в металлах. Правда, эта задача независимо от Лоренца была решена также немецким физиком Друде. По­ этому классическая теория электропроводности металлов называ­ ется теорией Друде—Лоренца. Ее создание относится к самому началу нашего века. В основе этой теории лежат следующие пред­ ставления.

388