1.10 Anizotropia magnetică
Într-un cristal feromagnetic, există interacțiuni care orientează vectorul de magnetizare de-a lungul unor direcții cristalografice, numite axele magnetizării ușoare.
Energia asociată cu aceste interacțiuni se numește energia anizotropiei cristalografice magnetice sau pur și simplu energia anizotropiei magnetice.
Un motiv pentru circuitul magnetic anizotrop ilustrat în Figura 19. Magnetizarea cristal „se simte“ rețeaua cristalină datorită suprapunerii orbitelor de electroni: momentele de spin interacționează cu orbitală datorită prezenței cuplajului spin-orbită și momentele orbitale, la rândul lor, de a interacționa cu rețeaua cristalină datorită existente în acestea și electrostatice câmpuri se suprapun ale funcțiilor de undă ale atomilor învecinați în zăbrele [8, p. 581-582].
Toți ferromagneții cunoscuți în prezent sunt corpuri cristaline. Cristalele cristaline sunt foarte mici. Dar dacă o suprafață bine lustruită este gravată cu acid și examinată sub microscop, atunci vom vedea diferite în formă și dimensiune a cerealelor. Un studiu atent arată că aceste boabe individuale sunt cristale cu granițe neregulate ale suprafeței.
Neregularitatea limitelor se explică prin faptul că un număr mare de cristale încep să crească simultan în timpul cristalizării substanței și se împiedică reciproc să ia contururile limită corecte.
Cristalele a căror suprafață de graniță nu este o formă obișnuită a cristalelor se numește cristalite. În corpurile cristaline, atomii sunt aranjați într-o ordine strict definită și constituie așa-numita latură cristalină. Grilele cristaline pot fi diverse (exemple din Figura 20).
Figura 20 - Celulele elementare ale laturilor cristaline: a) hexagonale; b) centrată pe corp; c) centrat pe față.
Asimetria suprapunerii coajelor electronice ale ionilor învecinați ca o cauză a anizotropiei magnetice cristalografice. Din cauza interacțiunii spin-orbită, distribuția de sarcină electronică nu este sferică. Asimetria este legată de direcția spinului, deoarece o schimbare în direcția rotației în raport cu axele cristalului modifică energia de schimb, precum și energia electrostatică a interacțiunii distribuțiilor de sarcină ale perechilor atomice. Aceste efecte duc la apariția unei energii anizotropice. Energia sistemului este diferită de energia sistemului.
Cristalele se caracterizează prin anizotropia proprietăților fizice. Aceasta înseamnă că în cristale în diferite direcții proprietățile sunt diferite. În corpurile care nu sunt cristaline (amorfe), toate proprietățile fizice în direcții diferite sunt exact aceleași.
Deoarece toate ferromagnets - corp cristalin, iar acestea din urmă caracterizate prin anizotropia diferitelor proprietăți fizice, se pune întrebarea: dacă proprietățile magnetice ale izotrope feromagnetic sau anizotrope, adică, Există o anizotropie a proprietăților magnetice și, dacă da, care dintre ele?
1) Este firesc, în primul rând, să aflăm cum magnitudinea magnetizării spontane depinde de direcția ei în cristal. Știm deja că magnitudinea magnetizării spontane este egală cu magnetizarea prin saturație. Prin urmare, prin măsurarea magnetizării de saturație într-un cristal în direcții diferite, vom obține valorile magnetizării spontane de-a lungul acestor direcții.
Sa dovedit că magnitudinea magnetizării spontane în toate direcțiile din cristal este exact aceeași. Acest lucru este valabil pentru toate cristalele feromagnetice. Pentru toate cristalele feromagnetice, izotropia magnetizării spontane este caracteristică.
2) Este posibil să se investigheze dependența punctului Curie de direcția de magnetizare în cristal, adică pentru a stabili dacă proprietățile feromagnetice dispar în toate direcțiile într-un cristal la aceeași temperatură.
Se pare că punctul Curie al unui feromagnet pentru toate direcțiile dintr-un cristal este exact același. Proprietățile feromagnetice se pierd într-un feromagnet în toate direcțiile la aceeași temperatură. Izotropia punctului Curie este explicată prin izotropia magnetizării spontane.
Dacă complotăm curbele de magnetizare în diferite direcții în cristale feromagnetice (de exemplu, pentru fier), atunci rezultă următoarele. Magnetizarea cristalului unic al fierului în direcția cubului de nervură crește brusc deja în câmpuri slabe și ajunge rapid la saturație (Figura 21).
de-a lungul marginii cubului (direcția [100])
de-a lungul diagonalei feței (direcția [110])
de-a lungul diagonalei spațiale (direcția [111]).
Figura 21 - Curbele de magnetizare ale cristalelor singulare de fier în diferite direcții cristalografice
Când magnetizarea de-a lungul diagonalei curba fețele magnetizare se ridică brusc, inițial ca și când magnetizat în direcția marginilor de cub, atunci când ajunge la aproximativ 0,7 ori amplitudinea creșterii magnetizare de saturație încetinește și o curbă îndoitură magnetizare. Cu o creștere suplimentară a câmpului, magnetizarea crește. Magnetizarea de saturație este observată într-un câmpuri destul de puternice, iar valoarea sa este egală cu saturația, rezultând în magnetizare de-a lungul marginii cubului (vezi. Figura 21, curba 2). Aceeași figură arată că, atunci când magnetizarea de-a lungul spațiului diagonală magnetizarea rapid se oprește în creștere atunci când ajunge la aproximativ 0,58 la saturație. Curba de magnetizare la acest punct suferă o pauză, urmată de o creștere lentă a crește câmpului magnetizare până când se atinge saturația (curba 3, Figura 21).
Astfel, magnetizarea unui singur cristal de fier în diferite direcții are loc în moduri diferite, adică în cristale magnetice există o anizotropie magnetică.
Anizotropia magnetică este cel mai convenabil caracterizată prin lucrarea de magnetizare. De fapt, atunci când magnetizării feromagnet consumă o anumită cantitate de energie este determinată numeric prin zona delimitată de axa de magnetizare, curba de magnetizare și continuarea liniei corespunzătoare saturație, la intersecția cu axa magnetizare (Figura 22).
Figura 22. Zona umbrită este numeric egală cu munca de magnetizare.
Din figura 21 rezultă că activitatea direcțiilor magnetizare de-a lungul marginilor de cub de fier mai mici de-a lungul diagonalei spațiale - ansamblu și când magnetizarea de-a lungul diagonalei feței are o anumită valoare medie.
De aceea, direcția de-a lungul marginii cubului în fier se numește direcția de magnetizare ușoară, iar direcția care coincide cu direcția diagonalei spațiale este direcția de magnetizare dificilă.
Studiile efectuate asupra cristalelor simple de nichel dau doar imaginea opusă. Aici, cea mai mare lucrare în timpul magnetizării este folosită de-a lungul marginii cubului, care este direcția de magnetizare dificilă (figura 23, curba 1). Direcția magnetizării ușoare este direcția diagonalei spațiale (figura 23, curba 3). În figura 2, curba 2 corespunde magnetizării unui singur cristal de nichel de-a lungul diagonalei feței.
1-de-a lungul marginii cubului;
2 - de-a lungul diagonalei feței;
3 - de-a lungul diagonalei spațiale.
Figura 23 - Curbele de magnetizare ale unui singur cristal de nichel pe diferite direcții cristalografice
Monocristalul de cobalt are o singură axă de magnetizare ușoară, care coincide cu direcția axei hexagonale (Figura 24). Figura 25 prezintă curbele de magnetizare ale unui singur cristal de cobalt în direcția axei hexagonale (1) și perpendicular pe acesta (2). Astfel, în fier există trei axe (6 direcții de-a lungul axei și opus acesteia) de magnetizare ușoară și 4 axe (8 direcții) de magnetizare dificilă; în nichel - 4 axe (8 direcții) de magnetizare ușoară, 3 axe (6 direcții) de magnetizare dificilă; în cobalt există 1 axă (2 direcții) de magnetizare ușoară și un număr infinit de direcții de magnetizare dificilă perpendicular pe axa hexagonală.
Figura 24. Direcția de magnetizare a luminii într-un singur cristal de cobalt coincide cu axa hexagonală.
Figura 25 - Curbele de magnetizare ale monocristalului de cobalt: 1- de-a lungul axei hexagonale; 2 - perpendicular pe axa hexagonală (în planul bazal).
Conform legii conservării energiei, munca petrecută pentru magnetizarea unui feromagnet nu poate dispărea, se transformă în energia potențială a unui corp magnetizat.
Fiecare corp, lăsat în sine, încearcă să ocupe o poziție corespunzătoare unui minim de potențială energie. În conformitate cu acest principiu, o tijă de fier în câmpul magnetic prin axa sa este instalată de-a lungul câmpului, deoarece magnetizarea de-a lungul axului tijei necesită mai puțină energie decât magnetizarea pe tija.
Am tăiat o bilă cu un singur cristal de fier sau nichel și o plasăm într-un câmp magnetic, permițându-i să se orienteze în orice fel în spațiu. Acestea din urmă pot fi efectuate, de exemplu, utilizând suspensia Cardan (Figura 26).
Figura 26 - Mingea în suspensia lui Cardan.
Având în vedere că activitatea magnetizării în direcții diferite în cristal este diferit, atunci mingea se va comporta într-un câmp magnetic ca un ac magnetic, stabilind direcția câmpului de una dintre axele de magnetizare ușoară. Figura 27 prezintă o minge de nichel singur cristal pe care puncte indică ieșirile axelor magnetizare ușoară. Există patru astfel de axe.
Figura 27 - O minge realizată dintr-un singur cristal de nichel. Punctele marchează ieșirile pe suprafața axelor de magnetizare ușoară.
Imaginați-vă acum că am orientat mingea de la cristalul unic de fier în direcția chipului cubului în raport cu câmpul. Cristalul este magnetizat și, din moment ce magnetizarea are loc în direcția axei de magnetizare ușoară, lucrarea de magnetizare va fi minimă.
Dacă ne rotiți acum cristalul într-un câmp magnetic, magnetizarea nu mai coincide cu direcția magnetizării ușor în cristal, iar activitatea magnetizării va crește. Să ne imaginăm că cristalul este orientat astfel încât vectorul de intensitate a câmpului magnetic să fie în latura cristalului în planul feței cubului. Apoi, cu o schimbare a unghiului de rotație al cristalului în raport cu munca de teren va fi magnetiza periodic creșterea, apoi scade.
Lăsați lucrarea de magnetizare în direcția marginii cubului să fie egală cu U0. Reprezentăm această cantitate sub forma unui segment care este numeric egal cu U0. Când cristalul este rotit de un unghi a, valoarea energetică se modifică. Să fie egală cu Ua. Se compară segmentul egal cu Ua la un unghi a segmentului reprezentând U0. Dacă definim valorile Ua pentru diferite unghiuri și întârzieri în cadrul acestor segmente unghiulare, valori egale ale energiei consumate în timpul magnetizarea mingea sub unghiul corespunzător, se obține graficul de energie al magnetizării în direcții diferite în planul cubului, sau așa cum a spus schema energetică în planul ( Figura 28). Așa cum am arătat deja, diferite valori ale lucrării de magnetizare de-a lungul diferitelor direcții ale cristalului caracterizează anizotropia magnetică. Partei, anizotropia magnetic este de patru ori mai mare decât diferența în lucrarea în direcția de magnetizare și marginea direcția diagonalei cubului feței (Figura 28).
Figura 28 - Diagrama energiei în planul feței cubului unui singur cristal de fier.
Această cantitate, raportată la volumul unității, este o caracteristică importantă a unui feromagnet și se numește constanta anizotropiei magnetice.
Figura 29 - Diagrama energetică a unui singur cristal de fier pentru un plan diagonal.
Figura 29 prezintă diagrama energiei în planul diagonal al rețelei cubice. Așa cum se poate vedea din figură, "cocoașul" corespunde direcției de magnetizare dificilă, iar cele mai adânci găuri corespund direcțiilor de magnetizare ușoară.
Studiul anizotropiei energetice a cristalelor a permis NS. Akulov calculează curbele de magnetizare ale cristalelor singulare în direcții diferite. Curbele calculate au fost în concordanță cu experimentul.
Pentru cristalele unui sistem cubic, energia asociată cu anizotropia:
U = U0 + K (s12s22 + s22s32 + s12s32) (25)
unde U0 este energia în direcția marginii cubului cristalului, care este notat cu [100] (Figura 30);
s1, s2, s3 - cosinus ale unghiurilor dintre direcțiile X, Y, Z și un vector de magnetizare spontană Js (Figura 31). La temperatura camerei, anizotropie magnetică K constant pentru fier este de + 4,28 x 105 erg / cm3, și nichel - 5,12 x 104 erg / cm3.
Figura 30 - Principalele direcții cristalografice într-un cristal cubic.
Figura 31. S = cos; S = cos; S = cos;
Constanta anizotropiei magnetice variază în funcție de temperatură. Figura 32 prezintă grafice ale dependenței constantelor anizotropice magnetice ale fierului și nichelului de temperatura. O dependență puternică de temperatură a constantei anizotropiei de nichel atrage atenția. Chiar și în intervalul temperaturii camerei, magnitudinea lui se modifică cu un factor de 1,5.
Figura 32 - Dependența de temperatură a constantelor de anizotropie magnetică pentru fier; 2- pentru nichel;
Energia de anizotropie pentru cristalele hexagonale de tip cobalt este exprimată prin formula:
U = U0 + K1 sin2a + K2 sin4a (26)
unde K1 și K2 sunt primele și cele de-a doua constante de anizotropie;
a este unghiul dintre axa hexagonală și direcția vectorului de magnetizare spontană (Figura 33) [7, p. 65-74]
Informații despre lucrarea "Investigarea metodelor de observare a domeniilor în filmele subțiri feromagnetice"
Secțiunea: Fizica
Numărul de caractere cu spații: 110622
Număr de mese: 4
Număr de imagini: 60
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: