|
| |
|
Слаботочка Книги физика ферромагнитных металлов § 1. Элементарные носители магнетизма в ферромагнитных телах Первой и основной задачей теории ферромагнетизма является выяснение природы элементарных носителей магнетизма в ферромагнетиках. Мы знаем, что во всяком веществе элементарными носителями магнетизма являются электроны и ядра атомов. Если электрон в атоме движется по орбите , го возникает орбитальный магнитный момент, если же мы имеем дело с вращением электрона вокруг собственной оси , то говорят о спиновом магнитном моменте. Магнитный момент ядра обусловлен находящимися в нем протонами и нейтронами. Ядерный магнитный момент почти в две тысячи раз меньше спинового и орбитального магнитных моментов электрона. Поэтому при рассмотрении магнитных свойств вещества в целом в большинстве случаев им пренебрегают. Можно положить, что магнитные свойства вещества определяются в основном спиновыми и орбитальными магнитными моментами электронов. Заметим, что представление о спиновом магнитном моменте, как получающемся в результате вращения электрона вокруг собственной оси , не следует принимать слишком буквально. Оказалось, что величина магнитного момента электрона, рассчитанная на основе полуклассической теории (теории Бора), исходя из величины его заряда и скорости вращения в атоме, не согласуется со значениями, получаемыми из опытаи Отсюда следует, что спиновый магнитный момент электрона нельзя трактовать классическим образом. Правиль ное толкование магнитных свойств электрона было дано релятивистской квантовой механикой. Было показано, что самые общие положения квантовой механики и теории относительности приводят к уравнениям движения электрона, из которых вытекают численные значения магнитного и механического моментов, полностью согласующиеся со значениями, получаемыми из опыта. Таким образом, наличие спинового магнитного момента у электрона показывает, что законы движения электронов более сложны, чем это предполагалось ранее. Подобным образом обстоит дело и в отношении орбитального магнитного момента. Развитие квантовой механики привело к заключению, что движение электрона в атоме нельзя представлять как простое вращение вокруг ядра по определенным орбитам. Однако в ферромагнетизме, как и в других областях физики, при известных условиях сохраняют силу и правомерность классические представления, хотя, пользуясь ими, следует всегда иметь в виду их приближенный характер. Поэтому мы будем пользоваться представлением об орбите электрона и соответствующем орбитальном магнитном моменте. Для теории ферромагнетизма важно, прежде всего, решить вопрос о том, какой из указанных магнитных моментов, орбитальный или спиновый, обусловливает намагничивание ферромагнитных тел. Этот вопрос был разрешен с помощью опытов, идея которых состоит в следующем. Атом, помещенный в магнитное поле, поворачивается по полю и при этом, подобно гироскопу в поле тяготения, прецессирует вокруг направления магнитного поля. Это означает, что атом обладает не только магнитным моментом, но и вращательным механическим моментом. Накладывая магнитное поле различной величины, мы, вообще говоря, изменяем не только ориентацию магнитного момента атома, но и одновременно его механический момент или, иными словами, его угол прецессии. Опыты, в которых наблюдаются эти изменения, носят название магнетомеханических; они позволяют определить численную величину g - отношение магнитного момента атома к его механическому моменту (гиромагнитное отношение). Теория атома устанавливает, что если магнитный и механический моменты атомов создаются только орбитальным движением электронов, то отношение магнитного момента атома к механическому равно: gov6 - 2 тс где е и т - заряд и масса электрона и с - скорость света. Если же магнитный и механический моменты атома создаются спином электрона, то это отношение вдвое больше: При одновременном участии орбитальных и спиновых моментов коэффициент при принимает значения между I и -i-, Таким образом, определяя из магнетомеханических опытов величину гиромагнитного отношения, мы можем установить, какие элементарные магнетики участвуют в магнетизме тела: спиновые, орбитальные или оба вместе. Практически магнетомеханические опыты осуществляются следующим образом. Если тело поместить в магнитное поле, то магнитные моменты атомов не только повернутся по полю, но в результате прецессии изменят свои моменты количества движения. Согласно закону сохранения момента количества движения это должно привести к тому, что тело в целом также повернется на некоторый угол. Последнее можно было бы наблюдать в опытах с намагничиванием металлического стержня, вертикально подвешенного на нити (рис. 1); при наложении магнитного поля стержень должен повернуться, что должно привести к закручиванию нити. Величина этого закручивания весьма мала и поэтому непосредственно наблюдать ее трудно, однако она может быть увеличена, если на стержень наложить переменное магнитное поле соответствующей частоты. Поле вызывает периодическое  Рис. 1. Схема магне-томеханического опыта. Стержень при включении магнитного поля поворачивается вследствие того, что атомы обладают rupj-скопическими свойствами. [1] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 |