Ферромагнетиктердің спонтанды магниттелінуінің табиғаты

Ферромагнетиктердің спонтанды магниттелінуінің табиғаты

Теория Вейсс теориясы ферромагнетиктердің қасиеттерін түсіндірді, бірақ неліктен ферромагнетикатер спонтанды магниттелінеді?- деген сұраққа жауап берген жоқ. Неліктен доменнің ішінде ферромагнетика қанығу күйіне дейін магниттелінеді? Бұл сұрақтарға тек қана кванттық механика жауап береді.

Жалпыға белгілді ферромагниттік элементтер: темір (ﾵ ﾧ), никель (ﾵ ﾧ) және кобальт (ﾵ ﾧ). Ферромагниттік қасиеттерге сонымен қоса, өте сирек кездесетін екі элемент: гадолиний (ﾵ ﾧ) және диспрозий (ﾵ ﾧ) жатады, бірақ олар іс жүзінде қолданылмайды, себебі олардың Кюри температуралары аз, сәйкесінше 289 К және 105 К тең.

Темірдің гиромагниттік қатынасының ﾵ ﾧ тең екендігі, заттың ферромагнетик болуына «спин»-нің жауап беретінін көрсетеді, яғни электрондардың меншікті магниттік моменттері. Егер домен қанығу шамасына дейін магниттелетін болсап, онда электрондардың меншікті магниттік моменттері бір бағытта бағытталады. Нелліктен? Ферромагнетизмнің табиғаты қатты денелердің электрондық құрылымымен байланысты. 7.1 – кестеге көңіл бөлейік.

7.1 – кесте ( Ферромагнетиктердің сипаттамалары

Элемент	Атомның соңғы екі қабықшасының электрондық конфигурациясы	Атом радиусы, ﾵ ﾧ	Кюри температурасы, К
26. ﾵ ﾧ 27. ﾵ ﾧ 28. ﾵ ﾧ	ﾵ ﾧ ﾵ ﾧ ﾵ ﾧ	1,24 1,25 1,25	1043 1404 631

Мұнда ферромагнитті элементтердің кейбір параметрлері берілген. Ең бастысы, барлық ферромагниттер Менделеев кестесіндегі ауыспалы топ элементтері. Здесь приведены некоторые параметры ферромагнитных элементов. Прежде всего: все ферромагнетики – элементы переходной группы таблицы Менделеева. Оған дейінгі соңғы қабат (d-қабықша) толық толтырылмаса да, соңғы (валенттік) электрондық қабықша толтырыла береді. Соңғы ﾵ ﾧ қабықша толығымен толтырылған, оның магниттік моменті нөлге тең. Темір, мысалы алты 3d – электрондарға ие (толтырылған d қабықшада 10 электрон бар). ﾵ ﾧ спектрлерін зерттеулер осы алты электронның бесеуінің спиндері бір бағытта, ал біреуінің спині қарама-қарсы бағытта бағытталғанын көрсетеді. Бұл атомның спиндік магниттік моменті ﾵ ﾧ, мұндағы ﾵ ﾧ- электронның спиндік магниттік моменті.

Электрондар спиндерінің осылай орналасуларын қалай түсіндіруге болады? Бұл сұраққа жауапты Паули принципіне негізделген өзара әсерлесулердің электростатикалық энергиясына үлесі бар «алмасу энергиясы» деп аталатын шаманы ескере отырып табуға болады. Екі 3d электрондар спиндері бір бағытта болғанда, спиндері әртүрлі бағытта болғандағыдан әрірек орналасады. Паули принципіне сәйкес бір фазалық ұяшықта спині берілген бағыттағы бір ғана электрон орналаса алады. Сондықтан көрсетілген электрондар бір-бірінен алыс орналасқандықтан, олардың электростатикалық тебіліс энергиялары аз болады.

d- қабықшада фазалық кеңістіктің бес ұяшығы бар, сондықтан ﾵ ﾧ атомының 6-шы ﾵ ﾧ электроны спинінің бағыты қарама-қарсы бағытта болады. Бұл жерде алмасу энергиясының болуы электрондардың тартылуына алып келеді.

Магниттелген және магниттелмеген күйлер кезіндегі энергия айырмасы эВ-тің ондаған бір бөлігін құрайтындықтан, температураның артуы спонтанды магниттелуді жоюы мүмкін. Кюри температурасы деп аталатын температурада спонтанды магниттеліну шынында да жойылады (7.1-кестені қара).

Ферромагнитті дененің спиндері параллель аймақ домен деп талады. Әрбір домендегі магниттелу шамамен 1 Тл-ға тең. Егер де, қатты дене бір ғана доменнен тұратын болса, онда сыртқы магнит өрісі болмаған кезде оның магниттік моменті үлкен болып, ол күштірек сыртқы магнит өрісін тудырады да, ендеше оның магнит энергиясы көп болар еді. Сондықтан, кристалдық үлгіні көптеген кішкене домендерге бөледі, олардың өлшемдері мен магниттік моменттері кристалл энергиясының минимал мәнімен анықталады (7.3-сурет).

Антиферромагнетизм

ХХ ғасырдың 30 жылдары парамагнетиктерден ерекше қасиеттері бар қосылыстар (ﾵ ﾧ, ﾵ ﾧ, ﾵ ﾧ, ﾵ ﾧ тотықтары мен хлоридтері) табылды.

7.7-сурет ( Поликристалды антиферро-магнетик (в) мен

парамагнетиктің (а) магниттік қабылдағыштықтарының

температураға тәуелділігі. ﾵ ﾧ- Нееля температурасы

Көрініп тұрғандай ﾵ ﾧ (Нееля температурасы) бұл заттардың қасиеттері парамагнетиктерге қара-ғанда күрт өзгеше. ( ﾵ ﾧ болғанда бұл заттардың барлығы - кәдімгі парамагнетиктер).

Антиферромагнетизм – заттың магниттік реттелген күйі, көршілес атомдардың (молекулалардың) магниттік моменттері бір-біріне қарама-қарсы бағытталған (антипараллель). Сондықтан заттың магниттелуі толығымен алғанда нөлге тең. Мысалы, ﾵ ﾧ. Кристалдық құрылымы қарапайым: ﾵ ﾧ иондары сияқты ﾵ ﾧ иондары да гранецентрлік кубтық тор құрайды. Бұл екі тор (оларды торшалар деп атайды) ﾵ ﾧ иондарына жақын көршілес иондар тек қана оттегі иондары ғана болатындай етіп немесе керісінше құрастырылған. Көршілес торшалардағы ﾵ ﾧ иондарының магниттік моменттері антипараллель және бір-бірін компенсациялайды.

Температура жоғарылағанда жылулық қозғалыс спиндердің антипараллель бағыттарын реттеуге тырысады. Спиндердің бағытталынуының бұзылуы белгілі бір температурада күшті болады, ол Нееля температурасы ﾵ ﾧ деп аталады. Бұл кристалдық тордың бұзылуы емес, бар болғаны спиндердің белгілі бағыттарының бұзылуы – 2 реттік фазалық ауысу. ﾵ ﾧ болғанда көршілес атомдардың магниттік моменттерінің өзара алмаса әсерлесу күштері жылулық қозғалыстың бей-берекеттік әсерінен күштірек болады. ﾵ ﾧ жоғары температураларда антиферромагнетик қасиеттері жағынан парамагнетик сияқты.

Ферримагнетизм. Ферриттер

Ферриттер деп аталатын темір оксидтерінің тобы ерекше қарастыруды қажет етеді. Олар иондық кристалдар, олардың химиялық құрамы металл ( ﾵ ﾧ (мысалы, ﾵ ﾧ, ﾵ ﾧ, ﾵ ﾧ, ﾵ ﾧ және т.б.). Бұл топтағы ең белгілісі ﾵ ﾧ (ﾵ ﾧ, ﾵ ﾧК). Бұл қосылыс элементар ұяшығы 56 атомнан тұратын шпинельдік құрылым: 32-сі оттегі атомы, 24-і темір атомы, олардың ішінде 8-і ﾵ ﾧ және 16-сы и ﾵ ﾧ. Тетраэр болып орналасқан ﾵ ﾧспиндік магниттік моменттер октаэдр болып орналасқан ﾵ ﾧспиндік магниттік моменттерге қарама-қарсы бағытталған. Бұл иондардың спиндік моменттері антиферромагнитті реттелген, олар бір-бірін компенсациялайды. Бірақ та, ﾵ ﾧ бір жаққа ғана бағытталған және ол қорытқы магниттелінуді береді. Антиферромагниттік реттелуі толық компенсацияланбаған спиндік жүйелер нәтижесінде қорытқы магниттелуге ие болатын қатты денелер ферримагнетиктер деп аталады.

7.8 ( сурет Магниттік қабылдағыштың (ﾵ ﾧ)-нің температураға тәуелділігі

(а)- парамагнетиктер, (в)- ферромагнетиктер және (с)- ферримагнетиктер

Мұнда да бірнеше магниттік торшалардың спиндері қарама-қарсы бағытталған, бірақ торшалардың магниттік моменттері бір-біріне тең емес, сондықтан қорытқы магниттік момент бар болады. Торшалар олардың құрамында валенттілігі басқа иондар немесе басқа металдар иондары болуымен ерекшеленеді. Ферримагнетизм, ферромагнетизм сияқты ﾵ ﾧ болғанда орнайды (Кюри температурасы).

Ферримагнетизмді жалпылама түрде магниттік реттелген күй деп қарастыруға болады. Бұл тұрғыдан алғанда, ферромагнетизм дегеніміз, затта тек қана бір торша болатын жекеше жағдай; антиферромагнетизм дегеніміз барлық торшалар бірдей магниттік иондардан тұратын және олардың қорытқы магниттік моменті нөлге тең болатын жағдай. Әртүрлі торшалардың иондары арасында магниттік моменттерді антипараллель етуге тырысатын теріс алмаса өзара әсерлесулер болады. ﾵ ﾧ болғанда жылулық энергия алмасу энергиясынан көп болады да, зат парамагниттік қасиеттерге ие болады.

Магнетиктердің барлық үш тобы арасындағы температуралық тәуелділіктің айырмашылықтары 7.8- суретте көрсетілген. Ферримагнетиктер өте күшті емес магнит өрістерінде өздерін ферромагнетик сияқты ұстайды (домендерге бөлінеді, гистерезис тұзағы бар, олар тік бұрышты). Ферримагнетиктердің көп бөлігі диэлектриктер немесе жартылай өткізгіштер болып табылады, яғни олардың электрлік кедергілері көп, металл ферромагнетиктердің кедергілерінен шамамен 105 – 1015 есе үлкен. Сондықтан олар жоғары жиілікті, асқын жоғары жиілікті қондырғыларда кең қолданылады, себебі олардағы құйынды токтар шамасы аз. Тік бұрышты гистерезис тұзағы оларды есте сақтау қондырғыларында қолдануға мүмкіндік береді.

ӘДЕБИЕТТЕР

1. 
   Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3. ( М., 1979. – 304 с.
   
2. 
   Епифанов Г.И. Физические основы микроэлектроники. ( М.: Советское радио, 1971. – 376 с.
   
3. 
   Бушманов Б.Н., Хромов Ю.А. Физика твердого тела: Пер. с англ. – М.: Высшая школа, 1971. – 224 с.
   
4. 
   Уэрт Ч., Томсон Р. Физика твердого тела: Пер. с англ. – М.: Мир, 1969.
   
5. 
   Спроул Р. Современная физика: Пер. с англ. – М.: Физ-мат. ГИЗ, 1961.
   
6. 
   Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. ( М.: Высшая школа, 1998.
   

МаЗМҰНЫ

КІРІСПЕ.................................................................................................................. 3

БАЙЛАНЫС КҮШТЕРІ. ҚАТТЫ ДЕНЕЛЕРДІҢ ІШКІ ҚҰРЫЛЫМЫ.......... 4

Ван-дер-Ваальс күштері........................................................................................ 4

Иондық байланыс................................................................................................... 7 Коваленттік байланыс........................................................................................... 9

Металдық байланыс............................................................................................. 13

Сутектік байланыс................................................................................................ 15

Әртүрлі байланыс түрлерін салыстыру.............................................................. 16

Тебіліс күштері..................................................................................................... 17

Кристалдық тор.....................................................................................................18

Кристалдардағы бағыттар мен жазықтықтарды, түйіндерді белгілеу........... 21

Байланыс күштері сипатына байланысты қатты денелерді классификациялау .................................................................................................................................24

Полиморфизм құбылысы..................................................................................... 30

Кристалдық торлардағы олқылықтар пен дефектілер...................................... 32

ІІ бөлім

ҚАТТЫ ДЕНЕЛЕРДІҢ МЕХАНИКАЛЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ ............................. 37

Серпімді және пластикалық деформации. Гук заңы......................................... 37

Кристалдардың пластикалыққа өтуінің негізгі заңдылықтары...................... 41

Механикалық двойникование............................................................................ 46

Ығысуға кристалдардың теориялық және нақты беріктіктері......................... 47

Дислокация туралы түсінік. Дислокацияның негізгі түрлері.......................... 49

Дислокацияның орын ауыстыруы үшін қажетті күштер.................................. 54

Дислокация көздері. Кристалдарды беріктендіру............................................. 56

Қатты денелердің морт беріктілігі..................................................................... 60

Молекула aралық өзара әсерлесулер арқылы ﾵ ﾧ анықтау.............................. 62

Қатты денелердің уақытша беріктілігі ...............................................................65

Қатты денелердің беріктіліктерін арттыру жолдары........................................ 69

ІІІ бөлім

ФИЗИКАЛЫҚ СТАТИСТИКА ЭЛЕМЕНТТЕРІ.............................................. 72

Бөлшектер ұжымын сипаттаудың термодинамикалық және статистикалық әдістері. Химиялық потенциал........................................................................... 72

Фермиондар мен бозондар. Азғындалмаған және азғындалған бөлшектер ұжымдары. ............................................................................................................ 73

Таралу функциясы.................................................................................................74

Микробөлшектердің фазалық кеңістігі, оның квантталуы туралы ұғым...... 74

Азғындалу температурасы................................................................................... 77

Азғындалмаған газға арналған таралу функциясы. Максвелл-Больцман таралу функциясы................................................................................................ 78

Азғындалған газ фермиондарға арналған таралу функциясы. Ферми-Дирак таралу функциясы .................................................................................................79

Азғындалған газ фермиондардың орташа энергиясы. Электрондық газдың қысымы........................................................................................................... 82

Бозе-Эйнштейннің таралу функциясы................................................................83

ҚАТТЫ ДЕНЕЛЕРДІҢ ЭЛЕКТРЛІК ҚАСИЕТТЕРІ ........................................85

Қатты денелердегі (кристалдағы) атомдардың байланысы............................. 85

Кристалдық тордағы электрондардың динамикасы. Эффективті масса......... 87

Металдардың электрөткізгіштігі......................................................................... 88

Кристалдардағы энергетикалық зоналар........................................................... 91

Жартылай өткізгіштер......................................................................................... 93

Жартылай өткізгіштердің меншікті өткізгіштігі............................................... 93

Жартылай өткізгіштердің қоспалы өткізгіштігі............................................... 97

ﾵ ﾧ ауысудың пайда болуы мен жұмыс принципі....................................... 100

Ішкі фотоэффект (фотоөткізгіштік).................................................................. 105

Фотоэлектрлік құралдар.....................................................................................105

Күн батареялары.................................................................................................105

Электрондардың шығу жұмысы....................................................................... 107

Потенциалдардың контактілік айырмасы....................................................... 108

Термоэлектрлік құбылыстар.Зеебек құбылыстары....................................... 109

Пельтье құбылысы............................................................................................. 111

ҚАТТЫ ДЕНЕЛЕРДІҢ ЖЫЛУЛЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ...................................... 112

Кристалдық тордың қалыпты тербелістері туралы ұғым ............................. 112

Тордың қалыпты тербеліс спектрі.................................................................... 113

Дебай температурасының сипаттамасы .......................................................... 114

Гармоникалық осциллятор. Фонондар............................................................ 115

Диэлектриктердің жылу сиымдылығы (Дебай теориясы) ............................. 117

Электрондық газдың жылу сиымдылығы (металдардың жылу сиымдылығы) ...............................................................................................................................119

Қатты денелердің жылулық ұлғаюы................................................................ 120

Қатты денелердің жылу өткізгіштігі ............................................................... 121

Тордың жылу өткізгіштігі (диэлектриктердің)............................................... 121

Металдардың жылу өткізгіштіктері .................................................................122

Видеман-Франц заңы......................................................................................... 123

VІ бөлім

АСҚЫН ӨТКІЗГІШТІК.................................................................................... 124

Асқын өткізгіштердің негізгі қасиеттері.......................................................... 124

Асқын өткізгіштік табиғаты. БКШ-теориясының сапалық жақтары ...........127

Джозефсон эффектісі .........................................................................................130

Жоғары температуралы асқын өткізгіштік ......................................................131

VІІ БӨЛІМ

ҚАТТЫ ДЕНЕЛЕРДІҢ МАГНЕТИЗМІ .......................................................... 132

Атомдардың магниттік моменттерінің табиғаты........................................... 132

Ферромагнетиктердің негізгі қасиеттері ..........................................................134

Ферромагнетиктердің спонтанды магниттелінуінің табиғаты ......................137

Антиферромагнетизм ........................................................................................ 139

Ферримагнетизм. Ферриттер............................................................................. 140