Sunt luate în considerare anomalii ale proprietăților magnetice ale magnetitului de Fe3O4 în regiunea de transformare la temperatură joasă (Tt = 100-120 K). O înțelegere a acestor anomalii a devenit posibilă după introducerea ideii că electronii de salt în magnetit la temperaturi scăzute (T
1. Piatra minunata
Magnetitul - un minereu de fier mineral de fier - este un oxid de fier Fe3O4 și este una dintre componentele minereului de fier. Componentele minereului de fier sunt de asemenea hematita (a-Fe2O3), maghemite (g-Fe2O3), pirotină (FeS1,1) și alți compuși de fier, care, spre deosebire de magnetit au proprietăți magnetice mai slabe.
Vârsta de fier - perioada de dezvoltare a omenirii, care a venit odată cu răspândirea fierului și a aliajelor sale metalurgice, se desfășoară de mai bine de trei mii de ani. Utilizarea fierului a dat un puternic impuls formării civilizației umane. Nu este surprinzător, prin urmare, că oamenii au căutat să înțeleagă proprietățile structurale și fizice ale materiilor prime pentru metalurgie - constituenții minereului de fier. În special de mare interes a fost magnetismul puternic al magnetitului. Oamenii știau despre această proprietate a magnetitului încă din cele mai vechi timpuri.
În secolul VI î.Hr., chinezii știau fenomenul de atracție a fierului prin bucăți de magnetit. În monumentele literare chinezești din secolele 1 și 3 d.Hr., un pointer magnetic la sud (strămoșul compasului) este menționat ca un dispozitiv bine-cunoscut.
Proprietățile magnetice ale magnetitului au fost, de asemenea, cunoscute în Grecia veche și în Roma antică. Într-una din lucrările lui Platon, filozoful grec, a scris în urmă cu mai mult de două mii de ani, spune pietrei magnetice miraculoase, care nu este numai în sine atrage obiecte din fier, dar conferă, de asemenea, puterea (de exemplu, magnetizează) elementele, astfel încât acestea să poată să facă Același lucru. Toate acestea în timpurile antice au fost considerate un fenomen misterios, miraculos. Proprietățile magnetit lovit de oameni, asa ca de multe secole, magnetita a fost folosit pentru trucuri magice, sarlatanie (magnet lzhelecheniya), el a servit ca subiect al speculațiilor cele mai fantastice si povesti despre piatra miraculoasa. Cu toate acestea, indiferent de aplicarea acestuia în dispozitive precum compasul, a jucat un rol important în descoperirile unor noi țări și țări. Deci magnetitul în această direcție a activității umane a contribuit la dezvoltarea civilizației.
În prezent, proprietățile geomagnetice ale magnetitului tind să fie învățate de geologi și mai ales de geofiziciști implicați în paleomagnetism ("vechi" magnetism). Paleomagnetismului - proprietatea rocilor, și este în primul rând magnetită, cu excepția dobândite în epocile anterioare magnetizare reziduale cauzate de influența câmpului magnetic al Pământului. Paleomagnetismului este posibil de a studia evoluția câmpului geomagnetic și procesele din scoarța Pământului care au avut loc în cele mai vechi timpuri.
2. MAGNET nu este un feromagnet,
Începutul înțelegerii moderne a proprietăților magnetice ale materialului, inclusiv magnetit, a fost pusă numai în secolul XX odată cu dezvoltarea de idei cu privire la natura feromagnetismului și antiferomagnetismul. Unul dintre primele din acest domeniu a fost fizicianul francez Pierre Weiss, care a creat prima teorie a feromagnetism. Weiss considera magnetit un feromagnet. Cu toate acestea, un alt fizician - Louis Neel (mai tarziu laureat al Premiului Nobel pentru munca sa la magnetism) în 1948 [1] a constatat că magnetita nu este feromagnetic, și antiferomagnet decompensată, adică un feromagnet - un termen folosit pentru prima dată de Neel (de la cuvântul „ferită“). Pentru a înțelege ce este, avem nevoie de informații despre chimia cristalului magnetitului și despre teoria magnetismului.
Magnetite aparține familiei feritelor cu structura minerală spinel. În latura cristalină cristalină a spinelului, care este formată din mari anioni de oxigen de O2, în intersecții (poziții) ale acestuia din urmă se găsesc mai mici cationi Fe3 + și Fe2 +. Cu toate acestea, ele pot fi înconjurate de patru anioni O2 - (tetraedrice sau A-poziție) și șase anioni O2 - (octaedrice sau B-poziție). Studiile au stabilit mult timp că magnetitul are o structură cristalină a așa-numitului spinel invers:
(Fe3 +) [Fe2 + Fe3 +] 04.
Conform acestei structuri, o poziție B (circulară) se agită timp de două ori mai mulți cationi de fier decât în poziția alfa (între paranteze rotunde), deci, este foarte esențial în pozițiile B sunt jumătate cationi de fier ale valenței 2+ [Fe2 +] iar cealaltă jumătate - valența de 3+ [Fe3 +]. În pozițiile A se găsesc numai cationi (Fe3 +).
Acum, să ne îndreptăm spre teoria magnetismului. Magnetismul materiei se datorează electronilor. Fiecare electron, pe lângă masa și încărcătură, are un moment propriu de impuls - spin (de la rotația rotației englezești) și, ca o consecință, momentul magnetic de spin ms. Valoarea ms a electronului este luată ca unitate de măsură pentru momentele magnetice ale atomilor și cationilor. Acesta a fost numit magneton Bohr și este marcat de mB.
Momentul magnetic de centrifugare Ms al cationului Fe3 + (3d5) este egal cu 5mB. și cationul Fe2 + (3d6) -4mB (prin numărul de electroni necompensați în coaja electronică 3d a acestor cationi). momente de spin Ms cationilor de fier sunt aranjate sub influența unui anumit tip de interacțiune dintre electronii cationilor 3d-shell învecinate se numește schimbul. Aceasta este o interacțiune electrostatică cuantică în care direcția spinului electronilor joacă un rol important.
Există trei tipuri principale de comandă magnetică: feromagnetice, antiferomagnetice și ferimagnetice. Ca urmare a acestei ordonare în substanța are loc spontan (spontan) magnetizare este (spontan în sensul că este apare în absența unui câmp magnetic H extern). Este rezultatul momentului magnetic al unui volum unitar al unui magnet (numărul de rotiri magnetice unidirecționale Ms pe 1 cm3). Uneori, valoarea ss este magnetizarea spontană specifică (numărul de Ms unidirecționale per gram de substanță).
Antiferromagnets și ferromagnets ferrimagnets diferite de ceea ce au spus interacțiunea de schimb conduce la o modificare periodică a direcției în cristal învârtire momentele Ms cationii pe opus (Fig. 1).
In studiul unor astfel de tipuri de substanțe cu ordonare magnetică reprezentare administrată sublattices magnetice. În Fig. 1 cationilor, indicate prin litera m, care au învârte în sus direcție, formează o sublatice cu magnetizare spontană (ss) m. așa cum este indicat prin litera n (adică direcția de spin opus) - cu un alt sublatice magnetizare (ss) n. Din fig. 1 că pentru antiferomagnetism rezultantă magnetizare ss = (ss) m - (ss) n este zero, în timp ce pentru materiale feromagnetice este o valoare finită. Acestea din urmă rezultă din faptul că momentele magnetice ale cationilor din sublattices au magnitudini diferite. În plus, numărul de cationi magnetici din sublaturi poate fi diferit. Aceasta are loc doar în magnetit.
În magnetit, un număr mai mare de cationi magnetici sunt în pozițiile B și formează o sublatură cu magnetizare (ss) B. și un număr mai mic de astfel de cationi sunt localizați în pozițiile A, ele formează o sublatură cu magnetizare (ss) A. Magnetizarea rezultată (ferimagnetică) a magnetitului
ss = (ss) B - (ss) A = 9mB - 5mB = 4mB.
Distrugerea comenzii fermitagnetice a magnetitului prin mișcare termică are loc la o temperatură Curie de TC = 850 K. La această temperatură apare o tranziție de fază cu tulburări de ordin magnetic.
Pentru a lua în considerare în continuare proprietățile magnetitului, este important de menționat că, în contrast cu alte ferite de spinel, există o concentrație mare de așa-numiți electroni de sărituri. Ele apar între perechi de cationi Fe3 + și Fe2 + în poziții octaedrice.
Electronul de alunecare este unul dintre electronii 3d ai cationului Fe2 + la o mică energie de excitație termică - se rupe de la acesta și se deplasează la Fe3 +, transformându-l în Fe2 +. Apoi electronul se detașează de cationul Fe2 + și se mișcă în direcția opusă, etc:
Fe2 + (3d6) Fe3 + (3d5).
Atunci când diferența de potențial electric este aplicată pe proba magnetită, electronii de alunecare se deplasează de-a lungul eșantionului, provocând proprietăți semiconductoare. Acestea din urmă, totuși, sunt anormale în aceste substanțe, datorită mobilității scăzute a electronilor sărindi.
Magnetitul (în comparație cu alte feritelor spinel), concentrația țopăit de electroni este mare (numărul lor este egal cu numărul de Fe2 + cationilor în pozițiile B), astfel încât acestea să contribuie în mod semnificativ la formarea proprietăților sale magnetice la temperaturi joase (vezi. Secțiunea următoare).
3. MISTERIILE TRANSFORMĂRII DE TEMPERATURĂ MARE (Tt = 100-120 K)
În ciuda numărului enorm de studii ale proprietăților magnetice ale magnetit, până la ultima dată când au fost de neînțeles și chiar misterios. Acestea din urmă includ, de asemenea, așa-numita transformare la temperatură joasă, care are loc în Tt temperatură = 100-120 K. Această conversie a fost descoperit în urmă cu peste 75 de ani. cercetător olandez Verweij [2] a emis ipoteza că această transformare are structura (mai precis, electronic structural) natura, și anume cationi Fe3 + și Fe2 +, sunt în pozițiile octaedrice (poziția B) la temperaturi T <Тt испытывают послойное упорядочение. При этом данное упорядочение происходит не перемещением катионов, а путем перескоков электронов. В области температур Т> Această comandă electronică este distrusă de excitațiile termice. Ipoteza lui Vervey a provocat un mare interes și a dat naștere unui flux de cercetare experimentală și teoretică. Totuși, odată cu dezvoltarea acestor studii, a apărut critica modelului Verwey. În plus, s-au obținut fapte experimentale care nu s-au încadrat în acest model. Ele sunt după cum urmează.
1. Sa arătat în [3, 4] că pe o curbă ss (T) a magnetitului, pe măsură ce temperatura Tt se apropie de partea de temperatură ridicată, magnetizarea spontană se descompune (figura 2). Acest lucru indică faptul că dezordinea magnetică a magnetitului are loc în acest interval de temperatură. Așa cum am menționat în secțiunea 2, dezordinea magnetică a fero-și ferimagneților, adică tranziția de fază a ordinii-tulburări, apare atunci când se apropie punctul Curie al TS. Dar tranziția magnetică a ordinii-tulburări în Tt nu este similară cu trecerea la TS.
tranziție Proprietăți magnetice ordine-dezordine în Tt au fost identificate în studiul paraprocess magnetit și efecte însoțitoare în regiunea de tranziție. Ce este un paraproces? Această ordonare a momentelor magnetice ale cationilor (mișcare termică dezorientata) cu creșterea câmpului magnetic extern DH. Magnetizarea rezultată Dss se numește magnetizarea paraprocesului. Raportul Dss / DH = cp se numește susceptibilitatea paraprocesului. Paraprocess atinge intensitatea maximă (sensibilitate maximă cp) în regiunea tranzițiilor de fază magnetice ale ordine dezordine, adică, atunci când TC și Tt tranziții. Aceste maxime cp însoțesc maximele schimba efecte, cum ar fi magnetostricțiunea, magnetorezistenta, etc Ne restricționați în acest articol caracteristicile unuia dintre aceste fenomene, și anume, efectul magneto -. Magnetitul schimbare a temperaturii DT prin magnetizare adiabatică a acestuia (de exemplu, cu includerea rapidă a DH câmp) . În conformitate cu binecunoscuta formulă termodinamică, această schimbare
unde CP, H este capacitatea de căldură a eșantionului, derivatul
caracterizează panta tangentei la curba ss (T). Cea mai mare pantă a acestei tangente apare în punctele curbei ss (T), care corespunde celei mai rapide modificări a ordinii magnetice, adică pentru tranzițiile de fază magnetică în ordinea tulburării.
În regiunea TC, derivatul dss / dT (cu creștere de T) are un semn negativ și, prin urmare, semnul DT, conform formulei (1), va fi pozitiv, observat experimental. În regiunea tranziției T, totuși, acest derivat are un semn pozitiv (cu o creștere în T), așa cum se poate vedea în Fig. 2, iar efectul maxim al efectului DT, conform formulei (1), ar trebui să fie negativ.
Doar un astfel de maxim al efectului DT (fig.3) a fost detectat în magnetit în regiunea Tt de către cercetătorii Urals VP. Krasovskim și I.G. Fakidov [5] și mai mult de 30 de ani a rămas un mister pentru magnetit și nu a putut fi explicat cu ajutorul ipotezei lui Verway.
În fig. 5, iar curba care arată dependența de temperatură a magnetizării acestei sublaturi este prezentată în roșu. Scăzând ordonata a curbei (indicată prin numărul 1) din ss curba (T), magnetitul (vezi. Curba 2 din fig. 5, a) se obține ss curba observată experimental (T) de magnetită cu magnetizării recesiune ss. În Fig. 5b prezintă schematic maximul efectului magnetocaloric la temperaturile Tt și TC ale magnetitului. Astfel, temperatura Tt nu este altul decât temperatura tulburării sublatului magnetoelectron.
În favoarea acestei explicații a apariției tranziției Tt, se atestă următoarea circumstanță. În Fig. 4b, structura tri-sublattică a magnetitului este prezentată pe o scară aproximativă a magnitudinilor momentelor magnetice de spin ale sublaturilor. Amploarea momentului sublat <е> este
20% din momentul final de rotație al sublaturilor B și A, care este de acord cu mărimea scăderii accentuate a magnetizării spontane în apropierea magnetitului Tt din Fig. 2.
Din cele de mai sus rezultă că transformarea magnetitului Tt nu este o tranziție electronică structurală Verveu, ci o tranziție specială a tipului de tulburare ordinară magnetică care apare în sublatatea magnetoelectronică <е> la temperatura Tt.
4. ALTE ÎNAINTE DE SFÂRȘIT NU ESTE FENOMENON DESCRIAT ÎN MAGNETITĂ
Pentru ei, în primul rând, trebuie să clasificăm anomaliile valorilor constantelor anizotropice magnetice K1 și ale magnetostricției ls. Importanța studierii acestor constante este că ei determină curba curbei de magnetizare și proprietățile histeretice ale magnetitului. Anomaliile magnitudinilor K1 și ls de magnetit rezultă din compararea lor cu constantele corespondente ale CoFe2O4 ferite de cobalt. Dacă pentru CoFe2O4 lângă temperatura camerei K1 și ls ajungeți la valori foarte mari, atunci pentru magnetit acestea sunt extrem de mici în acest interval de temperatură. Între timp, pe baza considerentelor teoretice, în cadrul așa-numitului model de anizotropie și magnetostricție cu un singur ion, parametrii K1 și ls ar trebui să fie aproape de amploare pentru ambele materiale.
În aceste materiale joacă un rol decisiv cationii rol Fe2 + (3d 6) și Co2 + (3d 7). Rețineți că cationul Fe3 + (3d 5) a dat o contribuție neglijabilă la K1 valoarea și ls. deoarece are o jumătate de umplutură de 3d și, prin urmare, nu are un moment orbital orbital. Are doar un moment magnetic de spin, iar norul de electroni are o configurație sferică (izotropă). În prezența cationului momentul orbital ML norul devine asfericitate (anizotrope), care are doar pentru a plasa cationi Fe2 + și Co2 +. interacțiunea electrică a norului de electroni cu anizotrop cristalin cu cristale de ferită (electrostatic) câmp (generat în principal anioni de oxigen O 2 -) și determină apariția unor cantități semnificative K1 și ls. dar mult mai mici decât, de exemplu, în ferite-granate-pământuri rare și intermetalide. Faptul că cationii Fe2 + și Co2 + 3d electroni cochiliile sunt la periferia electronilor de bază, și, prin urmare, ele afectează câmpul de cristal este atât de puternic încât întărește Impulsul lor orbitale unghiulare (fenomenul de „înghețare“ a momentului cinetic orbital). Cu toate acestea, această "înghețare" este incompletă. În cationii Fe2 + și Co2 +, rămân părți necoate ale impulsului orbital orbital al DM. Conform teoriei, în magnetită și CoFe2O4 pentru Fe2 + și Co2 + partea congelată a LMD sunt aproximativ aceleași, și ar trebui să determine aproximativ K1 aceiași parametri și ls în aceste materiale. Totuși, acest lucru nu se întâmplă.
Ce împiedică realizarea unor cantități mari de K1 și ls în magnetit? În [3], sa sugerat că în regiunea de temperatură T> Tt. în care electronii țopăit sunt starea magnitorazuporyadochennom (adică pe ele este minimă localizând câmpul de schimb de cationi de fier), se deplasează rapid între cationii Fe2 + și Fe3 +. Acest lucru conduce la cationi intermediari de valență de fier cu redus moment unghiular orbital DML. care este probabil motivul pentru care parametrii K1 și ls magnetit în intervalul de temperatură este considerată mică în comparație cu cele realizate în CoFe2O4 (în acest ferita de salt electroni nu). Cu toate acestea, atunci când se apropie de tranziția Tt este frânată hopping electronilor datorită acțiunii confinare a câmpului de schimb negativ creat de sublatice combinat de fier, și în această regiune de temperatură (și în special puternic atunci când se apropie Tt) cationi Fe2 + exponat mai puternice sale proprietăți orbitale, opțiuni crescând astfel K1 și ls. Cu alte cuvinte, în regiunea T, mecanismul anizotropiei cu un singur ion se manifestă în forță.
Intelegerea efectele magnetit, aparent recent neclare și chiar criptică (natura transformare la temperatură scăzută Tt. Anomalii în anizotropia magnetică și magnetostricțiunea) a devenit posibilă după introducerea ideii că magnetit electroni țopăit contribuie la formarea proprietăților sale magnetice (modelul <магнитоэлектронной> sublatice). Electronii de alunecare determină conductivitatea magnetitului și participă la formarea proprietăților sale magnetice (împreună cu cationii Fe2 + și Fe3 +). Acest lucru este în concordanță cu ideile teoretice moderne generale privind natura proprietăților feromagnetice ale fierului și ale altor magneți 3D, și anume faptul că unii dintre electronii 3d ai atomilor acestor metale participă atât la conductivitatea electrică, cât și la comanda magnetică.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: