ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Элементарные носители магнетизма в ферромагнитных , телах из "Упругие, тепловые и электрические явления в ферромагнитных металлах " 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. [c.9] 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. [c.10] 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). [c.10] 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. [c.11] Стержень при включении магнитного поля поворачивается вследствие того, что атомы обладают гир -скопическими свойствами. [c.11] Как первый, так и второй эффекты позволили определить численные значения гиромагнитного отношения g для различных веществ. При этом для ряда ферромагнитных металлов и сплавов было найдено, что g вдвое больше, чем это следовало бы, если бы элементарными магнитиками являлись орбитальные магнитные моменты. Данные, полученные из магнетомеханических опытов, свидетельствуют о том, что в намагничивании ферромагнетиков орбитальные магнитные моменты практически не принимают участия и что внешнее поле влияет главным образом на ориентацию спиновых магнитных моментов. Таким образом, магнетомеханические опыты дают непосредственные экспериментальные доказательства того, что элементарными носителями магнетизма в ферромагнетиках являются спиновые магнитные моменты электронов. [c.12] Поэтому при образовании электронных оболочек атома, как правило, сначала заполняются оболочки и подоболочки, расположенные ближе к ядру, а затем уже более удаленные. Однако есть атомы, у которых эта последовательность заполнения мест электронами нарушается. Именно, максимальное число электронов в каждой оболочке не всегда достигается к моменту начала образования следующей оболочки. Тогда в атоме появляются так называемые незаполненные оболочки и подоболочки. Элементы, состоящие из таких атомов, называются переходными к ним принадлежат, в частности, и элементы, обладающие ферромагнитными свойствами (Ре, Со, N1, Од). [c.13] СПИНОВ ДЛЯ последующего удобно обозначить положительными и отрицательными знаками. Рис. 2 показывает, сколько электронов с положительными и отрицательными спинами имеется в каждой оболочке атома железа мы видим, что первая и вторая оболочки содержат одинаковое число электронов с положительными и отрицательными спинами. Маг нитные спиновые моменты электронов в каждой из этих оболочек взаимно компенсируют друг друга так, что последние в магнитном отношении являются нейтральными. [c.14] Электроны незаполненной подоболочки М являются элементарными магнитиками железа. [c.14] элементарными магнитиками являются не все электроны атома железа, а только небольшая часть их. В атомах никеля в создании магнитного момента атома принимает участие еще меньшее число электронов, чем в железе. [c.15] В изолированных атомах железа и никеля орбитальные движения электронов также дают некоторый магнитный момент. Однако если эти атомы становятся частью металла, то магнитное поле не производит заметного действия на электронные орбиты, и они почти не участвуют в создании магнитных моментов атомов. Это доказывают магнетомеханические опыты, о которых упоминалось выше. Причины такого замораживания электронных орбит в атомах ферромагнитных металлов в настоящее время еще не совсем ясны. [c.15] Экспериментальные исследования показывают, что вещества, имеющие атомы с недостроенными оболочками, всегда обладают своеобразными магнитными свойствами. Согласно таблице Менделеева атомы с незаполненными оболочками имеют элементы переходной группы Зс, Т1, V, Сг, Мп, Ре, Со, , Рс1, Р1, редкоземельные элементы Ос1, Оу, Ет, УЬ и др. Эти элементы, как правило, всегда обнаруживают сильный парамагнетизм, а некоторые из них — Ре, N1, Со и 0с1 — ферромагнетизм. [c.15] Из всего сказанного следует, что одним из условий существования ферромагнетизма является, прежде всего, наличие нескомпенсированных магнитных спиновых моментов, которые могут возникать только в атомах с незаполненными оболочками. Однако последнее условие только необходимо, но еще не достаточно, ибо незаполненные оболочки имеют и элементы, не обладающие ферромагнитными свойствами. Ниже ми увидим, что для возникновения ферромагнетизма необходимо второе условие — наличие электрического взаимодействия квантовомеханической природы между спинами соседних атомов (обменные силы). [c.15] Если же исходить из наличия числа нескомпенсированных спинов в незаполненных оболочках тех же элементов, то мы должны были бы получить соответственно 2, 3, 4 и 7 магнетонов Бора на атом. Указанная дробность магнитных моментов была наблюдена также и для ферромагнитных сплавов. До сих пор исчерпывающего объяснения явлению дробности атомных магнитных моментов не дано, несмотря па ряд попыток в этом направлении [8]. [c.16] Вернуться к основной статье