|
| |
|
Слаботочка Книги § 2. Обменные силы; самопроизвольная намагниченность Если бы магнитные моменты атомов ферромагнетика не взаимодействовали между собой, то вследствие теплового движения их невозможно было бы полностью ориентировать даже с помощью самого сильного поля, какое может быть получено в настоящее время в лаборатории. Так приблизительно дело обстоит в случае обычных парамагнетиков, у которых взаимодействие между магнитными моментами атомов относительно мало. Характерной же особенностью ферромагнетиков является то, что они уже в сравнительно слабых магнитных полях намагничиваются почти до полного насыщения, т. е. почти до полной ориентации магнитных моментов атомов. Для того чтобы объяснить магнитные свойства ферромагнетиков, необходимо было предположить наличие каких-то сил взаимодействия между магнитными моментами атомов, помогающих ориентировать последние вопреки силам теплового движения. Впервые предположение о существовании внутренних сил, помогающих намагничению ферромагнетиков, было высказано в 1892 г. русским ученым Б. Л. Розингом [1]; более детально эта идея была развита в 1907 г. в работах П. Вейсса [2]. Вейсс полагал, что, помимо приложенного внешнего поля Н, действующего на магнитные моменты атомов ферромагнетика, существует еще некое внутримолекулярное поле Hi, величина которого пропорциональна намагниченности насыщения 1: где -постоянная внутримолекулярного поля. Таким образом, общее поле, действующее внутри ферромагнетика, равно Если И=0, то ферромагнетик все равно остается намагниченным, ибо внутри него параллельная ориентация магнитных моментов поддерживается полем И. Зто состояние ориентированных в одном направлении магнитных моментов Вейсс назвал спонтанной или самопроизвольной намагниченностью; с помощью ее он дал общее описание целому ряду наблюдаемых на опыте ферромагнитных явлений. Основываясь на указанном предположении и используя аппарат статистики Больцмана для подсчета ориентации магнитных моментов атомов при наличии теплового движения, действующего расстраивающим образом на эти ориентации моментов, он установил зависимость самопроизвольной намагниченности Is от температуры: 1,=1,Цт,~Н). (1) Здесь L - функция типа ch или th, /q-намагниченность насыщения при 0°К (абсолютное насыщение), [х - величина магнитного момента, приходящегося на один атом ферромагнетика, и k - постоянная Больцмана. Эта формула дает качественно правильное описание зависимости 4 от Т Для чистого железа, никеля и кобальта и носит название уравнения магнитного состояния ферромагнетика. Природа внутримолекулярного поля оставалась долгое время неясной. Вначале делались попытки объяснить его наличием обыкновенного магнитного взаимодействия между магнитными моментами атомов ферромагнетика. Простые расчеты, однако, показывали, что энергия теплового движения атомов гораздо больше, чем энергия, обусловленная магнитным взаимодействием атомов. Последняя настолько мала, что даже при температуре жидкого воздуха тепловое движение препятствовало бы образованию устойчивых конфигураций параллельных магнитных моментов (т. е. самопроизвольной намагниченности) и тело вело бы себя скорее как парамагнитное, а не ферромагнитное. Советский ученый Дорфман [3] впервые экспериментальным путем показал, что молекулярное поле имеет немагнитную природу, и тем самым направил мысль исследователей, работающих в области теории ферромагнетизма, искать разгадку природы внутримолекулярного поля Розинга - Вейсса в другом направлении. В его опытах производилось наблюдение за отклонениями пучков быстрых электронов (-лучей) при прохождении через намагниченную никелевую фольгу (рис. 4). Если бы между атомами никеля существовали сильные магнитные поля, достаточные для создания ферромагнетизма, то они должны были бы сильно отклонять электроны. Однако на опыте этого не наблюдалось; след, создаваемый электронами на фотопластинке, фотопластинка НииеШая фольга. поставленной на пути электронного пучка после прохождения никелевой фольги, смещался весьма незначительно. Как известно, в области атомных явлений, в которых принимают участие электронные оболочки атомов, имеются лишь два типа сил: магнитные и электрические. Сейчас же возникла мысль искать объяснение природы внутримолекулярного поля Розинга - Вейсса в электрическом взаимодействии элементарных носителей магнетизма в ферромагнетиках - спинов электронов. Поскольку существование у электрона спина является чисто квантовомеханиче-ским эффектом, чуждым классической теории, то ясно - это объяснение должно носить квантовый характер. Возможность возникновения самопроизвольной намагниченности за счет электрических сил вытекает из следующих качественных соображений. Из квантовой механики следует, что энергия системы электронов зависит от того, как ориентированы относительно друг друга спины электронов, т. е. полная энергия системы электронов будет определяться, прежде всего, величиной результирующего магнитного момента, создаваемого спинами. Такая зависимость энергии системы электронов от спиновой намагниченности является следствием принципа Паули - одного из основных законов квантовой механики. В случае системы невзаимодействующих электронов ( идеальный электронный газ) принцип Паули приводит к тому, что состояние системы электронов будет наиболее энергетически выгодным, когда результирующий магнитный момент спинов равен нулю (спиновые моменты располагаются попарно противоположно друг другу). Так обстоит дело для системы невзаимодействующих электронов. Совершенно по-иному будет обстоять дело, если между электронами существует электростатическое взаимодействие.  Рис. 4. Схема опыта, доказывающего, что самопроизвольная намагниченность ферромагнетика не может быть обусловлена магнитным взаимодействием его атомов. 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 |