Fizika: Određivanje temperature feromagnetsko-paramagnetne fazne tranzicije, Laboratorijski rad. Određivanje temperature feromagnetsko-paramagnetskog faznog prijelaza Feromagnetski-paramagnetni fazni prijelaz

IZVESTIYA RAS. FIZIČKI SERIJ, 2015, sveska 79, broj 8, str. 1128-1130

UDK 537.622:538.955

STUDIJE FAZNE TRANZICIJE

FEROMAGNETNO-PARAMAGNETSKI U TANKIM SNOVI FePt1- xRhx FAZA L10

FePtRh filmovi sa različitim sadržajem Rh (FePtj _ xRhx) dobiveni su magnetronskim raspršivanjem. Proučavana je magnetna struktura i feromagnetno-paramagnetni fazni prijelaz u tankim filmovima FePtj _xRhx faze L10 u zavisnosti od sadržaja Rh (0< х < 0.40) в образце. Показано, что при комнатной температуре тонкие пленки FePti _ xRhx при 0 < х < 0.34 находятся в ферромагнитном состоянии с большой энергией магнитокристаллической анизотропии, тогда как при 0.34 < х < 0.4 - в парамагнитном состоянии.

DOI: 10.7868/S0367676515080335

UVOD

Mnoga istraživanja magnetnih materijala vezana za stvaranje tankih filmova imaju za cilj povećanje gustine magnetskog snimanja informacija. Povećanje gustine snimanja po pravilu se postiže minimiziranjem veličine zrna - nosioca informacija u magnetnom filmu i prelaskom sa uzdužnog tipa snimanja na okomit. Međutim, smanjenje veličine granula je ograničeno pojavom superparamagnetnog efekta, koji sprečava povećanje gustine magnetskog snimanja. Još jedno ograničenje za povećanje gustine snimanja je interakcija razmjene između kuglica. Za prevazilaženje ovih ograničenja koriste se različite metode, od kojih je jedna upotreba strukturiranog medija za pohranu podataka. U konvencionalnom magnetnom mediju, sloj za snimanje se sastoji od nasumično raspoređenih zrna feromagnetne legure. U slučaju strukturiranog nosača informacija, u filmu se stvaraju feromagnetne granule ili nanotačke iste veličine, raspoređene na uredan način u nemagnetnoj matrici. U ovom slučaju, svaka od tačaka djeluje kao bit informacija.

1 Federalna državna autonomna obrazovna ustanova visokog stručnog obrazovanja Federalni univerzitet Kazan (Volga Region).

2 Federalna državna budžetska ustanova za nauku Fizičko-tehnički institut ime A.F. Ioffe Ruska akademija nauka, Sankt Peterburg.

3 Odsjek za nauku o materijalima i inženjerstvo, Akita Uni-

versity, 1-1 Gakuen-machi, Tegata, Akita 010-8502, Japan.

U posljednjoj deceniji filma BeR! Li0 faze privlače veliku pažnju istraživača jer imaju veliku energiju magnetokristalne anizotropije (Ku ~ 7 107 erg cm-3), što čini njihovu upotrebu perspektivnom kao strukturiranim nosiocima informacija. Štaviše, za magnetno snimanje ultra-visoke gustine (UHDM), os lake magnetizacije (c-osa) u njima mora biti orijentisana duž normale na ravan filma.

Poznato je da kontrola magnetnih svojstava BeP filmova! možda uvođenjem dodatnih elemenata u njih. Dodatak rodijuma (RH) BeR leguri! omogućava optimizaciju magnetnih svojstava tankih filmova bez značajnog smanjenja energije magnetokristalne anizotropije, što omogućava upotrebu ove kompozicije kao strukturiranog nosioca informacija.

U ovom radu proučavana je magnetna struktura i feromagnetno-paramagnetni fazni prijelaz u tankim filmovima FeF1 faze L10 u zavisnosti od sadržaja NR (0< х < 0.40) в образце.

1. EKSPERIMENT

Tanki FeP1- filmovi su dobijeni magnetronskim raspršivanjem na monokristalnu Mg0 (100) podlogu. Debljina sintetizovanih filmova bila je 20 nm (slika 1). Magnetna svojstva mjerena su na 300 K korištenjem supravodljivog kvantnog interferometra

ISTRAŽIVANJE FEROMAGNETSKO-PARAMAGNETSKOG FAZNOG PRIJELAZA

Fe^Pt! - xRhx)5()

Mg0(100) supstrat

20 nm 0,5 mm

Rice. 1. Šematski prikaz tankih uzoraka

(SQUID) i vibracioni magnetometar. Magnetska struktura sintetiziranih filmova, odnosno orijentacija remanentne magnetizacije, proučavana je primjenom konverzione elektronske Mössbauerove spektroskopije (CEMS). Mössbauerova mjerenja su provedena na spektrometru u kojem se izvor 57Co gama zraka u Rh matrici kretao konstantnim ubrzanjem. Za registraciju konverzionih elektrona korišten je detektor elektrona napunjen mješavinom plinova He + 5% CH4 u koji je smješten ispitivani uzorak. Prilikom mjerenja Mössbauerovog efekta, gama zračenje iz izvora 57Co(Rh) usmjereno je okomito na površinu filma koji se proučava. Skala brzina spektrometra je kalibrirana korištenjem alfa željezne folije na sobnoj temperaturi, a radi veće preciznosti kalibracija je izvršena laserskim interferometrom. Veličine pomaka izomera određene su u odnosu na metalni a-Fe. Matematička obrada Mössbauerovih spektra izvršena je pomoću posebnog programa koji je omogućio određivanje položaja, amplitude i širine spektralnih linija iz eksperimentalnih Mössbauerovih spektra. Nadalje, na osnovu dobijenih podataka izračunata su efektivna magnetna polja na jezgri iona željeza (Hhf), kvadrupolna cijepanja (QS) i hemijski pomaci (CS).

2. REZULTATI I NJIHOVA DISKUSIJA

Na sl. Slika 2 prikazuje FEM spektre proučavanih FePt1-xRhx uzoraka. U spektru FePtx_xRhx pri x = 0, 2. i 5. linija Zeemanovog cijepanja u hiperfinom polju su odsutne, što ukazuje na orijentaciju magnetnih momenata okomito na površinu filma. Ovakva orijentacija efektivnog magnetnog polja nam omogućava da zaključimo da je laka os magnetsko-kristalne anizotropije okomita na površinu filma. Oduzimanje linija

x = 0,30 ■ .. .-w^

6 -4 -2 0 2 4 6 Brzina, mm ■ s-1

Rice. 2. Mössbauerovi spektri FePtj _ tankih filmova

Zeemanovo odvajanje iz spektra FeP1 pokazuje da u području „nulte“ brzina nema linija koje pripadaju ionima gvožđa u paramagnetnoj fazi, što znači da su svi Fe joni u uzorku u magnetno uređenom stanju.

Sa povećanjem koncentracije NR u sastavu filmova FeP^xRNRx, uočava se postepeno smanjenje efektivnih magnetnih polja, a pri x = 0,4 Zeemanove linije cijepanja „kolapsiraju“ u singlet. Ova promjena u spektru uzoraka s povećanjem koncentracije nuklearnog zračenja posljedica je prijelaza FeP1Ri sistema iz feromagnetnog stanja u paramagnetno stanje na sobnoj temperaturi mjerenja. Ovaj prijelaz nastaje zbog zamjene P iona jonima rodija i pojave paramagnetnih klastera. Sa povećanjem koncentracije nuklearnog zračenja, broj ovih klastera se povećava, što u konačnici dovodi do konačnog prijelaza uzorka u paramagnetno stanje (slika 3). Podaci iz FEM spektra potvrđeni su datim rezultatima istraživanja magnetizacije zasićenja (M).

filmovi FePtt _ xRhx.

VALIULLIN i dr.

Paramagnetna faza

Feromagnetna faza

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

Gđa, erg ■ Gs 1500

Rice. 3. Relativni sadržaj feromagnetne faze (određen relativnim površinama Mössbauerovih subspektra feromagnetne i paramagnetne faze) u zavisnosti od koncentracije nuklearnog zračenja u tankim filmovima Fe50(P1:1 _ xKIx)50.

mi na sl. 4. Slika pokazuje da kako se x povećava, uočava se monotono smanjenje M.

Metodom magnetronskog raspršivanja dobijeni su FePIR filmovi debljine 20 nm sa različitim sadržajem NR (FeP^ _ xRbx), gdje x varira od 0 do 0,4. Utvrđeno je da je pri x = 0 film feromagnetičan na sobnoj temperaturi, a laka os magnetokristalne anizotropije usmjerena je okomito na površinu filma. Feromagnetno uređenje u FeP^ xRiH na sobnoj temperaturi je očuvano u rasponu sadržaja rodija x< 0.32 с сохранением большой энергией магнитокристаллической анизотропии и обусловленной ею перпендикулярной ориентацией намагниченности. В изученном интервале 0.34 < х < 0.4 пленка БеР^ _ хКЬх находится в парамагнитном состоянии. Намагниченность насыщения для 0 < х < 0.32 находится в интервале 1000 >M > 500 erg ■ Gs-1 ■ cm-3.

Rad je izveden uz finansijsku podršku Ruske fondacije za osnovna istraživanja (grant br. 14-02-91151) i uz djelimično

J_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I

Rice. 4. Magnetizacija zasićenja (Ma) mjerena na temperaturi od 300 K u tankim filmovima Fe50(P111 _ xRAIx)50 ovisno o koncentraciji RR.

podrška Programu za unapređenje konkurentnosti Kazanskog federalnog univerziteta, koji finansira Ministarstvo obrazovanja i nauke Ruske Federacije.

BIBLIOGRAFIJA

1. Kryder M.H., Gage E.C., McDaniel T.W., Challener W.A., Rottmayer R.E., Ju G, Hsia Y, Erden M.F. //Proc. IEEE. 2008. V. 96. br. 11. P. 1810.

2. Yuasa S., Miyajima H., Otani Y. // J. Phys. Soc. Jpn. 1994. V. 63. P. 3129.

3. Hasegawa T., Miyahara J., Narisawa T., Ishio S., Yamane H., Kondo Y., Ariake J., Mitani S., Sakuraba Y., Takanashi K. // J. Appl. Phys. 2009. V. 106. P. 103928.

4. Ivanov O.A., Solina L.V., Demshina V.A., Magat L.M. // FMM. 1973. T. 35. P. 92.

5. Kamzin A.S., Grigoriev L.A. // Pisma ZhTF-u. 1990. T. 16. br. 16. str. 38.

6. Xu D., Sun C., Chen J., Zhou T., Heald S.M., Bergman A., Sanyal B., Chow G.M. // J. Appl. Phys. 2014. V. 116. P. 143902.

Da biste nastavili čitati ovaj članak, morate kupiti cijeli tekst. Članci se šalju u formatu PDF na e-mail adresu navedenu prilikom plaćanja. Vrijeme isporuke je manje od 10 minuta

KARAMAN I., KIREEVA I.V., KRETININA I.V., KUSTOV S.B., PICORNELL K., POBEDERENNAYA Z.V., PONS J., CESARI E., CHUMLYAKOV Y.I. - 2010

Uvod Proučavanje sistema koji se sastoji od velikog broja čestica u interakciji jedan je od najvažnijih problema moderne fizike, a najzanimljivije je termodinamičko ponašanje supstanci kada dođe do određene vrste uređenja. Ovo sređivanje se događa na određenoj temperaturi, a prijelaz se događa u izuzetno uskom temperaturnom rasponu i naziva se fazni prijelaz (prijelaz tvari iz jedne faze u drugu).Fazni prijelazi povezani s uređenjem se javljaju u različitim fizičkim sistemima: binarnim legurama. , feromagneti i antiferomagneti, u dipolnim momentima u feroelektricima, elektronima u supravodnicima, u helijumu u superfluidnom stanju, itd. 2

Klasifikacija Od posebnog interesa u ponašanju makroskopskih (termodinamičkih) sistema su tačke faznog prelaza, jer se u njima svojstva sistema naglo menjaju. Postoje dvije opcije: Prvi slučaj – razdvajanje faza – je fazni prijelaz prvog reda. Kako nastanak nove faze dovodi do pojave površinske energije, jezgra male zapremine su energetski nepovoljna, dok dovoljno velika mogu nastati samo usled fluktuacija. Primeri ovog tipa prelaza su razdvajanje faza (para - tečnost, tečnost - čvrsta materija, para - čvrsta materija).U drugom slučaju, pojava novih svojstava nije povezana sa površinskom energijom. Takvi fazni prijelazi nazivaju se faznim prijelazima drugog reda i obično su praćeni promjenom simetrije stanja. Primjeri ove vrste prijelaza: strukturna preuređivanja u kristalima na određenoj temperaturi; prijelazi red–poremećaj u legurama; feromagnetski-paramagnetski prijelazi u spin sistemima i feromagnetnim metalima i legurama; pojava supravodljivosti i superfluidnosti 3

Parametar reda Za svaki fazni prijelaz postoji koncept parametra reda, čija prosječna vrijednost različita od nule u uređenoj fazi narušava simetriju feromagneta.Parametar reda je prosječna magnetizacija. Granična temperatura na kojoj se simetrija spontano prekida i na kojoj parametar reda postaje nula naziva se kritična temperatura 4

Parametar reda Ako parametar reda glatko nestaje na T=T c (ali sa beskonačnim derivatom zbog fluktuacija), onda je ovo fazni prijelaz drugog reda. Ako je ovisnost parametra reda u blizini područja faznog prijelaza dvosmislena, tada u sistemu se nužno uočava fazno razdvajanje, i to je prijelaz prvog reda.Teorija faznih prijelaza se zasniva na ideji polja uređenja koje nastaje zbog interakcije čestica. Teorija je najjednostavnija ako se pretpostavi da je ovo polje jednako prosječnom polju 5

Magnetski moment Razlog magnetskih svojstava tvari je magnetni moment vezan ili za elektron ili za mjesto rešetke gdje je elektron lokaliziran, što se obično javlja kada se elektron kreće po zatvorenim putanjama.Sljedeća klasifikacija tvari prema njihovoj magnetskoj svojstva su prihvaćena: 1) paramagnetni materijali: >1 magnetno polje se pojačava unutra; 2) dijamagnetni materijali: 1 magnetno polje unutra je ojačano; 2) dijamagnetni materijali: ">

Weissova aproksimacija Neka magnetni momenti međusobno djeluju: Polje koje djeluje na odabrani magnetni moment: Efektivno polje: Weissova aproksimacija molekularnog polja sastoji se u pretpostavci da se pravo ukupno polje u i-tom čvoru poklapa sa prosječnim poljem i ne zavisi od orijentacija i-tog leđa 9

Interakcija razmene Interakcija između magnetnih momenata je čisto kvantne prirode - to je takozvana razmena interakcija.Za ansambl identičnih kvantnih čestica mora biti zadovoljen princip identičnosti - one moraju biti nerazlučive zbog principa neizvesnosti. Ako postoje samo dvije čestice, onda stanja sistema, dobijena jedno od drugog jednostavnim preuređivanjem obje čestice, moraju biti fizički potpuno ekvivalentna. To znači da se kao rezultat takvog preuređivanja, valna funkcija sistema može promijeniti samo za beznačajan fazni faktor. Dakle, postoje samo dvije mogućnosti: valna funkcija je ili simetrična (ovo je Boseova statistika) ili antisimetrična (ovo je Fermijeva statistika) 11

Interakcija razmene Razmotrimo sada dve izolovane čestice koje imaju kvantnu statistiku i, u prvoj aproksimaciji, nemaju interakciju.Kompletna talasna funkcija sistema: bozoni odgovaraju znaku +, a fermioni –, ostvarujući simetrične i antisimetrične situacije. sistem elektrona lokalizovanih u polju kristalne rešetke, uzimajući u obzir spin komponentu: Antisimetrična situacija - mora odgovarati simetričnoj spin komponenti, a simetrična situacija + mora odgovarati antisimetričnoj spin komponenti 12

Procjena integrala razmjene U slučaju J 12 >0, povoljno je da se spinovi poredaju paralelno ako je J 12 Pogodno je da se 0 okretaja poredaju paralelno ako je J 12 "> 0, povoljno je da se okreti poredaju paralelno ako je J 12 "> 0, povoljno je da se okreti poredaju paralelno ako J 12 " title="(!LANG :Procjena integrala razmjene U slučaju okretaja J 12 >0, povoljno je da će se poredati paralelno ako je J 12"> title="Procjena integrala razmjene U slučaju J 12 >0, povoljno je da se spinovi poredaju paralelno ako je J 12"> !}

- materijali koji stupaju u interakciju s magnetnim poljem, izraženo u njegovoj promjeni, kao i u drugim fizičkim pojavama - promjenama fizičkih dimenzija, temperature, provodljivosti, nastanku električnog potencijala itd. U tom smislu se gotovo sve tvari smatraju magnetskim ( budući da koji od njih ima magnetsku susceptibilnost koja nije baš nula), većina ih pripada klasama dijamagnetnih materijala (koji imaju malu negativnu magnetsku susceptibilnost - i donekle slabe magnetsko polje) ili paramagnetnih materijala (koji imaju malu pozitivnu magnetnu susceptibilnost - i donekle pojačavanje magnetnog polja); Feromagneti su rjeđi (imaju veću pozitivnu magnetsku susceptibilnost - i uvelike pojačavaju magnetsko polje), o još rjeđim klasama tvari u odnosu na djelovanje magnetskog polja na njih.

Klasifikacija magnetnih materijala i zahtjevi za njih
Magnetne supstance ili magneti su supstance koje imaju magnetna svojstva. Magnetna svojstva označavaju sposobnost supstance da stekne magnetni moment, tj. postaju magnetizirani kada su izloženi magnetnom polju. U tom smislu, sve supstance u prirodi su magnetne, jer kada su izložene magnetnom polju dobijaju određeni magnetni moment. Ovaj rezultujući makroskopski magnetni moment M je zbir elementarnih magnetnih momenata mi-atoma date supstance.

Elementarni magnetni momenti mogu biti inducirani magnetnim poljem ili postojati u supstanciji prije primjene magnetnog polja; u potonjem slučaju, magnetsko polje uzrokuje njihovu preferencijalnu orijentaciju.
Magnetska svojstva različitih materijala objašnjavaju se kretanjem elektrona u atomima, kao i činjenicom da elektroni i atomi imaju trajne magnetne momente.
Rotacijsko kretanje elektrona oko atomskih jezgara slično je djelovanju određenog strujnog kola i stvara magnetsko polje koje se na dovoljnoj udaljenosti pojavljuje kao polje magnetnog dipola s magnetnim momentom čija je vrijednost određena kao proizvod struje i površine kola oko koje struja teče. Magnetski moment je vektorska veličina i usmjeren je od južnog pola prema sjeveru. Ovaj magnetni moment se naziva orbitalni.

Sam elektron ima magnetni moment, koji se naziva spin magnetni moment.
Atom je složen magnetni sistem čiji je magnetni moment rezultat svih magnetnih momenata elektrona, protona i neutrona. Budući da su magnetni momenti protona i neutrona znatno manji od magnetnih momenata elektrona, magnetska svojstva atoma su u suštini određena magnetnim momentima elektrona. U materijalima od tehničkog značaja to su prvenstveno spin magnetni momenti.
Rezultirajući magnetni moment atoma određen je vektorskom sumom orbitalnih i spin magnetnih momenata pojedinačnih elektrona u elektronskoj ljusci atoma. Ove dvije vrste magnetnih momenata mogu se djelomično ili potpuno međusobno kompenzirati.

Prema svojim magnetnim svojstvima, materijali se dijele u sljedeće grupe:
a) dijamagnetski (dijamagneti),
b) paramagnetski (paramagnetski),
c) feromagnetski (feromagneti),
d) antiferomagnetski (antiferomagneti),
e) ferimagnetski (ferimagneti),
f) metamagnetski (metamagnetski).

A) Dijamagneti
Dijamagnetizam se manifestira u magnetiziranju tvari prema smjeru vanjskog magnetskog polja koje djeluje na nju.
Dijamagnetizam je karakterističan za sve supstance. Kada se tijelo uvede u magnetsko polje, u elektronskom omotaču svakog njegovog atoma, zbog zakona elektromagnetne indukcije nastaju inducirane kružne struje, odnosno dodatno kružno kretanje elektrona oko smjera magnetskog polja. Ove struje stvaraju u svakom atomu inducirani magnetni moment, usmjeren, prema Lenzovom pravilu, prema vanjskom magnetskom polju (bez obzira da li je atom u početku imao svoj magnetni moment ili ne i kako je bio orijentiran). U čisto dijamagnetnim supstancama, elektronske ljuske atoma (molekula) nemaju trajni magnetni moment. Magnetski momenti koje stvaraju pojedinačni elektroni u takvim atomima međusobno se kompenziraju u odsustvu vanjskog magnetskog polja. To se posebno događa kod atoma, jona i molekula sa potpuno ispunjenim elektronskim omotačima u atomima inertnih plinova, u molekulima vodika i dušika.

Izduženi uzorak dijamagnetnog materijala u jednoličnom magnetskom polju orijentiran je okomito na linije polja (vektor jačine polja). Izgurava se iz neujednačenog magnetnog polja u smjeru smanjenja jačine polja.

Inducirani magnetni moment I, stečen 1 molom dijamagnetne tvari, proporcionalan je vanjskoj jakosti polja H, tj. I=χN. Koeficijent χ naziva se molarna dijamagnetna osjetljivost i ima negativan predznak (pošto su I i H usmjereni jedno prema drugom). Obično je apsolutna vrijednost χ mala (~10-6), na primjer, za 1 mol helijuma χ = -1,9·10-6.

Klasični dijamagneti su takozvani inertni plinovi (He, Ne, Ar, Kr i Xe), čiji atomi imaju zatvorene vanjske elektronske ljuske.

Dijamagneti takođe uključuju: inertne gasove u tečnom i kristalnom stanju; spojevi koji sadrže ione slične atomima inertnih plinova (Li+, Be2+, Al3+, O2-, itd.); halogeni u gasovitom, tečnom i čvrstom stanju; neki metali (Zn, Au, Hg, itd.). Dijamagneti, tačnije superdijamagneti, sa χD = - (1/4) ≈ 0,1, su supravodnici; kod njih je dijamagnetski efekat (izbacivanje vanjskog magnetskog polja) uzrokovan površinskim makroskopskim strujama. Dijamagneti obuhvataju veliki broj organskih supstanci, a za poliatomska jedinjenja, posebno ciklična (aromatična i dr.), magnetna osetljivost je anizotropna (tabela 6.1).

Tabela 6.1 – Dijamagnetska osjetljivost brojnih materijala

B) Paramagneti
Paramagnetizam je svojstvo tvari (paramagneta) da se magnetiziraju u smjeru vanjskog magnetskog polja, a za razliku od fero-, feri- i antiferomagnetizma, paramagnetizam nije povezan s magnetskom atomskom strukturom, a u odsustvu vanjskog magnetskog polja. polju, magnetizacija paramagneta je nula.

Paramagnetizam je uglavnom uzrokovan orijentacijom, pod utjecajem vanjskog magnetskog polja H, intrinzičnih magnetnih momenata µ čestica paramagnetne tvari (atoma, jona, molekula). Priroda ovih momenata može se povezati s orbitalnim kretanjem elektrona, njihovim spinom, a također (u manjoj mjeri) sa spinom atomskih jezgara. Na µH « kT, gdje je T apsolutna temperatura, magnetizacija paramagnetskog M je proporcionalna vanjskom polju: M = χH, gdje je χ magnetska osjetljivost. Za razliku od dijamagnetizma, za koji je χ< 0, при парамагнетизме восприимчивость положительна; её типичная величина при комнатной температуре (Т ≈ 293 К) составляет 10-7 – 10-4.

Paramagnetski – magnet sa prevlastom paramagnetizma i odsustvom magnetnog atomskog reda. Paramagnet se magnetizira u smjeru vanjskog magnetskog polja, tj. ima pozitivnu magnetnu susceptibilnost, koja u slabom polju na ne baš niskoj temperaturi (tj. daleko od uslova magnetnog zasićenja) ne zavisi od jačine polja. Pošto se slobodna energija paramagnetika smanjuje u magnetskom polju, u prisustvu gradijenta polja ona se uvlači u područje veće jačine magnetnog polja. Konkurencija dijamagnetizma i pojava magnetskog reda velikog dometa ili supravodljivosti ograničavaju područje postojanja materije u paramagnetnom stanju.

Paramagnetski materijal sadrži najmanje jedan od sljedećih tipova paramagnetnih nosača.

A) Atomi, molekuli ili ioni s nekompenziranim magnetnim momentima u prizemnom ili pobuđenim stanjima sa energijom pobude Ei<< kТ. Парамагнетики этого типа обладают ориентацией ланжевеновским парамагнетизмом, зависящим от температуры Т по Кюри закону или Кюри – Вейса закону, в них возможно магнитное упорядочение. [Похожий по проявлениям магнетизм неоднородных систем малых ферро- или ферримагнитных однодоменных частиц (кластеров) в жидкостях или твердых матрицах выделен в особый вид – суперпарамагнетизм].

Ovaj tip nosača je prisutan u parovima metala neparne valencije (Na, Tl); u gasu od molekula O2 i NO; u nekim organskim molekulima sa slobodnim radikalima; u solima, oksidima i drugim dielektričnim spojevima 3d-, 4f- i 5f-elemenata; u većini retkih zemnih metala.

B) Iste čestice koje imaju orbitalni magnetni moment u pobuđenom stanju sa energijom pobude Ei<< kТ. Для таких парамагнетиков характерен не зависящий от температуры поляризационный парамагнетизм.

Ovaj tip nosioca paramagnetizma manifestuje se u nekim jedinjenjima d- i f-elemenata (Sm i Eu soli, itd.).

B) Kolektivizirani elektroni u djelomično popunjenim energetskim pojasevima. Karakterizira ih spin Paulijev paramagnetizam, koji je relativno slabo ovisan o temperaturi i, po pravilu, pojačan interakcijama elektron-elektrona. U d-opsezima, spinski paramagnetizam je praćen primjetnim Van Vleckovim paramagnetizmom.

Ova vrsta nosača preovlađuje u alkalnim i zemnoalkalnim metalima, d-metalima i njihovim intermetalnim jedinjenjima, aktinidima, kao i u visoko provodljivim radikal-ionskim organskim solima

P/S materijal sa wikija
Paramagnetne tvari su tvari koje su magnetizirane u vanjskom magnetskom polju u smjeru vanjskog magnetskog polja (JH) i imaju pozitivnu magnetsku osjetljivost. Paramagneti pripadaju slabo magnetnim supstancama; magnetska permeabilnost se neznatno razlikuje od jedinice u > ~ 1.
Termin "paramagnetizam" uveo je 1845. Michael Faraday, koji je podijelio sve supstance (osim feromagnetnih) na dija- i paramagnetne.
Atomi (molekuli ili joni) paramagnetnog materijala imaju svoje magnetne momente, koji se pod uticajem spoljašnjih polja orijentišu duž polja i na taj način stvaraju rezultujuće polje koje prevazilazi spoljašnje. Paramagnetne supstance se uvlače u magnetno polje. U odsustvu vanjskog magnetskog polja, paramagnetski materijal nije magnetiziran, jer su zbog termičkog kretanja unutrašnji magnetni momenti atoma orijentirani potpuno nasumično.
Paramagnetski materijali uključuju aluminijum (Al), platinu (Pt), mnoge druge metale (alkalne i zemnoalkalne metale, kao i legure ovih metala), kiseonik (O2), azot oksid (NO), mangan oksid (MnO), gvožđe hlorid (FeCl3) i drugi.
Fero- i antiferomagnetne supstance postaju paramagnetne na temperaturama koje su veće od Curie ili Neel temperature (temperatura faznog prelaza u paramagnetno stanje).

B) Feromagneti

Feromagneti- tvari (obično u čvrstom kristalnom ili amorfnom stanju) u kojima se, ispod određene kritične temperature (Curiejeva tačka), uspostavlja feromagnetski poredak dugog dometa u magnetnim momentima atoma ili iona (u nemetalnim kristalima) ili momenti putujućih elektrona (u metalnim kristalima). Drugim riječima, feromagnet je supstanca koja (na temperaturi ispod Curie tačke) može magnetizirati u odsustvu vanjskog magnetskog polja.

Svojstva feromagneta
1. Magnetna susceptibilnost feromagneta je pozitivna i znatno veća od jedinice.
2. Na ne previsokim temperaturama feromagneti imaju spontanu (spontanu) magnetizaciju, koja se u velikoj meri menja pod uticajem spoljašnjih uticaja.
3. Feromagnete se odlikuju fenomenom histereze.
4. Feromagnete privlače magnet.

Paramagnetne tvari uključuju tvari u kojima je magnetni moment atoma ili molekula različit od nule u odsustvu vanjskog magnetskog polja:

Stoga se paramagneti, kada se uvedu u vanjsko magnetsko polje, magnetiziraju u smjeru polja. U odsustvu vanjskog magnetskog polja, paramagnet nije magnetiziran, jer su zbog termičkog kretanja svi magnetni momenti atoma nasumično orijentirani, pa je stoga magnetizacija nula (slika 2.7 a). Kada se paramagnetna tvar unese u vanjsko magnetsko polje, uspostavlja se preferencijalna orijentacija magnetnih momenata atoma duž polja (slika 2.7 b). Potpuna orijentacija je spriječena toplinskim kretanjem atoma, koje teži raspršivanju momenata. Kao rezultat ove preferencijalne orijentacije, paramagnet se magnetizira, stvarajući vlastito magnetsko polje, koje ga, postavljeno na vanjsko, jača. Ovaj efekat se naziva paramagnetski efekat ili paramagnetizam.

Sl.2.7. Paramagnetski in

odsustvo polja(a) i in

vanjsko magnetsko polje (b)

Paramagnetski materijali takođe pokazuju Larmorovu precesiju i dijamagnetski efekat, kao i sve supstance. Ali dijamagnetski efekat je slabiji od paramagnetnog i njime se potiskuje, ostajući nevidljiv. Za paramagnete, χ je također mali, ali pozitivan, reda ~10 -7 –10 -4 , što znači da je μ nešto veće od jedan.

Kao i za dijamagnetne materijale, ovisnost magnetske osjetljivosti paramagnetnih materijala od vanjskog polja je linearna ( Sl.5.8).

Preferencijalna orijentacija magnetnih momenata duž polja zavisi od temperature. Kako temperatura raste, toplinsko kretanje atoma se povećava, stoga orijentacija u jednom smjeru postaje otežana, a magnetizacija se smanjuje. Francuski fizičar P. Curie ustanovio je sljedeći obrazac: gdje je C Curiejeva konstanta, ovisno o vrsti tvari. Klasičnu teoriju paramagnetizma razvio je 1905. P. Langevin.

2.10 Feromagnetizam. Feromagneti. Domenska struktura feromagneta.

.7. feromagnetizam. Feromagneti. @

Feromagneti su čvrste kristalne tvari koje imaju spontanu magnetizaciju u odsustvu vanjskog magnetskog polja. .Atomi (molekuli) takvih supstanci imaju magnetni moment različit od nule. U nedostatku vanjskog polja, magnetni momenti unutar velikih područja su orijentirani na isti način (više o tome kasnije). Za razliku od slabo magnetnih dija- i paramagneta, feromagneti su visoko magnetne supstance. Njihovo unutrašnje magnetsko polje može biti stotine i hiljade puta veće od vanjskog. Za feromagnete, χ i μ su pozitivni i mogu doseći vrlo velike vrijednosti, reda veličine ~10 3 . Samo feromagneti mogu biti trajni magneti.

Zašto feromagnetna tijela pokazuju tako jaku magnetizaciju? Zašto toplotno kretanje u njima ne ometa uspostavljanje reda u rasporedu magnetnih momenata? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, pogledajmo neka važna svojstva feromagneta.

Ako glavnu krivu magnetizacije prikažemo u koordinatama (B, H) (slika 2.10, kriva 0-1), dobićemo malo drugačiju sliku: pošto , tada kada se dostigne vrijednost J us, magnetna indukcija nastavlja rasti zajedno sa linearnim rastom:

= μ 0 + const, const = μ 0 J us.

Feromagnete karakteriše ovaj fenomen histereza(od grčkog hysteresis – kašnjenje, kašnjenje).

Magnetizaciju tela ćemo dovesti do zasićenja, povećavajući jačinu spoljašnjeg polja (slika 2.10, tačka 1), a zatim ćemo smanjiti H. U ovom slučaju, zavisnost B(H) ne prati prvobitnu krivulju 0-1 , ali nova kriva 1-2. Kada se napon smanji na nulu, magnetizacija tvari i magnetska indukcija će nestati. Kod N=0, magnetna indukcija ima vrijednost V ost različitu od nule, što se naziva zaostala indukcija. Magnetizacija J ost, koja odgovara B ost, naziva se zaostala magnetizacija, a feromagnet poprima svojstva trajnog magneta. V ost i J ost postaju nula samo pod uticajem polja suprotnog smera od prvobitnog. Naziva se vrijednost jačine polja H c pri kojoj preostala magnetizacija i indukcija nestaju prisilna sila(od latinskog coercitio - zadržavanje). Nastavljajući djelovati na feromagnet naizmjeničnim magnetskim poljem, dobijamo krivulju 1-2-3-4-1, tzv. histerezna petlja. U ovom slučaju, čini se da reakcija tijela (B ili J) zaostaje za uzrocima koji je uzrokuju (H).

Postojanje rezidualne magnetizacije omogućava proizvodnju trajnih magneta, jer feromagneti sa Bres ≠ 0 imaju konstantan magnetni moment i stvaraju konstantno magnetsko polje u prostoru koji ih okružuje. Takav magnet bolje zadržava svoja svojstva, što je veća prisilna sila materijala od kojeg je napravljen. Magnetni materijali se obično dijele prema vrijednosti Hc na magnetno mekana(tj. sa niskim H reda od 10 -2 A/m i, shodno tome, sa uskom histerezisnom petljom) i magnetno tvrda(H sa ~10 5 A/m i širokom histerezisnom petljom). Za proizvodnju transformatora potrebni su meki magnetni materijali čija se jezgra stalno remagnetizira naizmjeničnom strujom. Ako jezgro transformatora ima veliku histerezu, ono će se zagrijati tijekom preokretanja magnetizacije, što će trošiti energiju. Transformatori stoga zahtijevaju materijale koji su što je moguće više bez histereze. Feromagneti s uskom histerezisnom petljom uključuju legure željeza s niklom ili željeza s niklom i molibdenom (permaloy i supermalloy).

Magnetski tvrdi materijali (uključujući ugljik, volfram, hrom i aluminijum-nikl čelik) koriste se za izradu trajnih magneta.

Preostala trajna magnetizacija će postojati neograničeno ako feromagnet nije izložen jakim magnetnim poljima, visokim temperaturama i deformacijama. Sve informacije snimljene na magnetne trake - od muzike do video programa - pohranjuju se zahvaljujući ovom fizičkom fenomenu.

Bitna karakteristika feromagneta su ogromne vrijednosti magnetske permeabilnosti i magnetske osjetljivosti. Na primjer, za željezo μ max ≈ 5000, za permaloju – 100000, za supermaloju – 900000. Za feromagnete, vrijednosti magnetske susceptibilnosti i magnetske permeabilnosti su funkcije jačine magnetnog polja H (slika 2.11). Sa povećanjem jačine polja, vrijednost μ prvo brzo raste na μ max, a zatim opada, približavajući se vrijednosti μ=1 u vrlo jakim poljima. Stoga, iako formula B = μμ 0 H ostaje važeća za feromagnetne tvari, linearni odnos između B i H je narušen.

Drugi magnetomehanički efekat je Villari efekat– promjena, pa čak i nestanak preostale magnetizacije tijela kada se ono potrese ili deformiše (otkrio E. Villari 1865. godine). Zbog toga bi trajni magneti trebali biti zaštićeni od udara.

Zagrijavanje na feromagnete djeluje na sličan način kao i deformacija. S povećanjem temperature, zaostala magnetizacija počinje opadati, isprva slabo, a zatim, kada se postigne određena dovoljno visoka temperaturna karakteristika svakog feromagneta, dolazi do oštrog smanjenja magnetizacije na nulu. Tijelo tada postaje paramagnetno. Temperatura na kojoj dolazi do takve promjene svojstava naziva se Curie point, u čast P. Curieja koji ga je otkrio. Za gvožđe, Curie tačka je 770ºC, za kobalt - 1130ºC, za nikl - 358ºC, za gadolinijum - 16ºC. Ovaj prijelaz nije praćen oslobađanjem ili apsorpcijom topline i predstavlja fazni prijelaz drugog reda. Svi ovi fenomeni nalaze svoje objašnjenje kada se razmatra struktura feromagneta.

Prema svojim magnetskim svojstvima, sve tvari se dijele na slabo magnetne i jako magnetne. Osim toga, magneti se klasificiraju ovisno o mehanizmu magnetizacije.

Dijamagneti

Dijamagneti se klasifikuju kao slabo magnetne supstance. U nedostatku magnetnog polja, oni se ne magnetiziraju. U takvim supstancama, kada se uvedu u vanjsko magnetsko polje, kretanje elektrona u molekulima i atomima se mijenja tako da nastaje usmjerena kružna struja. Struju karakteriše magnetni moment ($p_m$):

gdje je $S$ površina zavojnice sa strujom.

Magnetna indukcija koju stvara ova kružna struja, pored vanjskog polja, usmjerena je protiv vanjskog polja. Vrijednost dodatnog polja može se pronaći kao:

Svaka supstanca ima dijamagnetizam.

Magnetska permeabilnost dijamagnetnih materijala se vrlo malo razlikuje od jedinice. Za čvrste materije i tečnosti, dijamagnetna osetljivost je reda približno $(10)^(-5),\ $za gasove je znatno manja. Magnetska osjetljivost dijamagnetnih materijala ne ovisi o temperaturi, što je eksperimentalno otkrio P. Curie.

Dijamagneti se dijele na "klasične", "anomalne" i supravodnike. Klasični dijamagnetski materijali imaju magnetnu osjetljivost $\varkappa

U slabim magnetnim poljima, magnetizacija dijamagnetnih materijala je proporcionalna jačini magnetnog polja ($\overrightarrow(H)$):

gdje je $\varkappa$ magnetska osjetljivost medija (magneta). Slika 1 prikazuje zavisnost magnetizacije “klasičnog” dijamagnetika od jačine magnetnog polja u slabim poljima.

Paramagneti

Paramagnetne supstance se takođe klasifikuju kao slabo magnetne supstance. Paramagnetski molekuli imaju trajni magnetni moment ($\overrightarrow(p_m)$). Energija magnetnog momenta u vanjskom magnetskom polju izračunava se po formuli:

Minimalna energetska vrijednost se postiže kada se smjer $\overrightarrow(p_m)$ poklapa sa $\overrightarrow(B)$. Kada se paramagnetna tvar unese u vanjsko magnetsko polje u skladu s Boltzmannovom distribucijom, javlja se preferencijalna orijentacija magnetnih momenata njenih molekula u smjeru polja. Pojavljuje se magnetizacija tvari. Indukcija dodatnog polja poklapa se sa vanjskim poljem i shodno tome ga pojačava. Ugao između smjera $\overrightarrow(p_m)$ i $\overrightarrow(B)$ se ne mijenja. Do preorijentacije magnetnih momenata u skladu s Boltzmannovom distribucijom dolazi zbog sudara i interakcija atoma međusobno. Paramagnetska osjetljivost ($\varkappa $) ovisi o temperaturi prema Curiejevom zakonu:

ili Curie-Weissov zakon:

gdje su C i C" Curie konstante, $\trougao $ je konstanta koja može biti veća ili manja od nule.

Magnetska susceptibilnost ($\varkappa $) paramagnetika je veća od nule, ali je, kao i dijamagnetika, vrlo mala.

Paramagnete se dijele na normalne paramagnete, paramagnetne metale i antiferomagnete.

Za paramagnetne metale, magnetska osjetljivost ne ovisi o temperaturi. Ovi metali su slabo magnetni $\varkappa \approx (10)^(-6).$

U paramagnetnim materijalima postoji fenomen koji se zove paramagnetna rezonanca. Pretpostavimo da se u paramagnetnom materijalu koji je u vanjskom magnetskom polju stvara dodatno periodično magnetsko polje, vektor indukcije ovog polja je okomit na vektor indukcije konstantnog polja. Kao rezultat interakcije magnetnog momenta atoma sa dodatnim poljem, stvara se moment sile ($\overrightarrow(M)$) koji teži da promijeni ugao između $\overrightarrow(p_m)$ i $ \overrightarrow(B).$ Ako se frekvencija naizmjeničnog magnetnog polja i frekvencija precesije atomskog kretanja poklapaju, tada moment koji stvara naizmjenično magnetsko polje ili stalno povećava ugao između $\overrightarrow(p_m)$ i $ \overrightarrow(B)$, ili se smanjuje. Ovaj fenomen se naziva paramagnetna rezonanca.

U slabim magnetnim poljima, magnetizacija u paramagnetnim materijalima je proporcionalna jačini polja i izražava se formulom (3) (slika 2).

Feromagneti

Feromagneti su klasifikovani kao visoko magnetne supstance. Magneti čija magnetna permeabilnost dostiže velike vrednosti i zavisi od spoljašnjeg magnetnog polja i prethodne istorije nazivaju se feromagneti. Feromagneti mogu imati zaostalu magnetizaciju.

Magnetska osjetljivost feromagneta je funkcija jačine vanjskog magnetnog polja. Zavisnost J(H) prikazana je na Sl. 3. Magnetizacija ima granicu zasićenja ($J_(nas)$).

Postojanje granice zasićenja magnetizacije ukazuje da je magnetizacija feromagneta uzrokovana preorijentacijom nekih elementarnih magnetnih momenata. U feromagnetima je uočen fenomen histereze (slika 4).

Feromagneti se, pak, dijele na:

Mekano magnetno. Supstance visoke magnetne permeabilnosti, lako se magnetiziraju i demagnetiziraju. Koriste se u elektrotehnici, gdje rade sa naizmjeničnim poljima, na primjer u transformatorima.
Magnetski tvrd. Tvari sa relativno malom magnetskom permeabilnosti, teško magnetizirane i demagnetizirane. Ove supstance se koriste za stvaranje trajnih magneta.

Primjer 1

Zadatak: Zavisnost magnetizacije za feromagnet prikazana je na Sl. 3. J(H). Nacrtajte B(H) krivu. Postoji li zasićenje za magnetnu indukciju, zašto?

Pošto je vektor magnetne indukcije povezan sa vektorom magnetizacije relacijom:

\[(\overrightarrow(B)=\overrightarrow(J\ )+\mu )_0\overrightarrow(H)\ \left(1.1\right),\]

tada kriva B(H) ne dostiže zasićenje. Grafikon zavisnosti indukcije magnetnog polja od jačine spoljašnjeg magnetnog polja može se prikazati kao što je prikazano na Sl. 5. Takva kriva se naziva krivulja magnetizacije.

Odgovor: Ne postoji zasićenje za krivulju indukcije.

Primjer 2

Zadatak: Dobiti formulu za paramagnetnu osjetljivost $(\varkappa)$, znajući da je mehanizam magnetizacije paramagneta sličan mehanizmu naelektrisanja polarnih dielektrika. Za prosječnu vrijednost magnetskog momenta molekule u projekciji na osu Z možemo napisati formulu:

\[\left\langle p_(mz)\right\ranngle =p_mL\left(\beta \right)\left(2.1\right),\]

gdje je $L\left(\beta \right)=cth\left(\beta \right)-\frac(1)(\beta )$ Langevinova funkcija sa $\beta =\frac(p_mB)(kT). $

Pri visokim temperaturama i malim poljima dobijamo:

Stoga, za $\beta \ll 1$ $cth\left(\beta \right)=\frac(1)(\beta )+\frac(\beta )(3)-\frac((\beta )^3 )(45)+\dots $, ograničavajući funkciju linearnim članom u $\beta $ dobijamo:

Zamjenom rezultata (2.3) u (2.1) dobivamo:

\[\left\langle p_(mz)\right\ranngle =p_m\frac(p_mB)(3kT)=\frac((p_m)^2B)(3kT)\ \left(2.4\right).\]

Koristeći odnos između jačine magnetnog polja i magnetne indukcije ($\overrightarrow(B)=\mu (\mu )_0\overrightarrow(H)$), uzimajući u obzir da se magnetska permeabilnost paramagnetnih materijala malo razlikuje od jedinice, možemo pisati:

\[\left\langle p_(mz)\right\ranngle =\frac((p_m)^2(\mu )_0H)(3kT)\left(2.5\right).\]

Tada će magnetizacija izgledati ovako:

Znajući da odnos između modula magnetizacije i modula vektora napona ima oblik:

Za paramagnetnu osjetljivost imamo:

\[\varkappa =\frac((p_m)^2m_0n)(3kT)\ .\]

Odgovor: $\varkappa =\frac((p_m)^2(\mu )_0n)(3kT)\ .$