Ферримагнитная материал является материал , который имеет население атомов с противоположными магнитными моментами , как и в антиферромагнетизмом . Для ферримагнетиков эти моменты не равны по величине, поэтому спонтанная намагниченность сохраняется. [1] Это может произойти, например, когда популяции состоят из разных атомов или ионов (таких как Fe 2+ и Fe 3+ ).
Ферримагнетизм часто путают с ферромагнетизмом . Самое старое известное магнитное вещество магнетит (Fe 3 O 4 ) был классифицирован как ферромагнетик до того, как Луи Неель открыл ферримагнетизм в 1948 году. [2] С момента открытия ферримагнетики были найдены многочисленные применения, такие как пластины для жестких дисков и биомедицинские приложения.
История
До двадцатого века все природные магнитные вещества назывались ферромагнетиками. В 1936 году Луи Нил опубликовал статью, в которой предлагал существование новой формы кооперативного магнетизма, которую он назвал антиферромагнетизмом. [3] Работая с Mn 2 Sb, французский физик Шарль Гийо обнаружил, что современные теории магнетизма не подходят для объяснения поведения материала, и создал модель для объяснения этого поведения. [4] В 1948 году Неэль опубликовал статью о третьем типе кооперативного магнетизма, основанную на предположениях модели Гийо. Он назвал это ферримагнетизмом. В 1970 году Неелс был удостоен Нобелевской премии по физике за свои работы в области магнетизма . [5]
Физическое происхождение
Ферримагнетизм имеет то же физическое происхождение, что и ферромагнетизм и антиферромагнетизм . В ферримагнетиках намагниченность также вызывается комбинацией диполь-дипольных взаимодействий и обменных взаимодействий, вытекающих из принципа исключения Паули . Основное отличие состоит в том, что в ферримагнетиках в элементарной ячейке материала находятся разные типы атомов . Пример этого можно увидеть на рисунке справа. Здесь атомы с меньшим магнитным моментом указывают в направлении, противоположном направлению больших моментов. Это устройство аналогично расположению в антиферромагнитных материалах, но в ферримагнетиках суммарный момент отличен от нуля, поскольку противоположные моменты различаются по величине.
Ферримагнетики имеют критическую температуру, выше которой они становятся парамагнитными, как и ферромагнетики. [6] При этой температуре (называемой температурой Кюри ) происходит фазовый переход второго рода [7], и система больше не может поддерживать спонтанную намагниченность. Это связано с тем, что при более высоких температурах тепловое движение настолько велико, что превышает тенденцию диполей к выравниванию.
Вывод
Существуют различные способы описания ферримагнетиков, самый простой из которых - теория среднего поля . В теории среднего поля поле, действующее на атомы, можно записать как:
Где - приложенное магнитное поле иполе, вызванное взаимодействиями между атомами. Следующее предположение тогда следующее:
Здесь - средняя намагниченность решетки, а - коэффициент молекулярного поля. Когда мы позволяем а также чтобы быть зависимым от позиции и ориентации, мы можем записать его в форме:
Здесь поле, действующее на i- ю подструктуру, и- коэффициент молекулярного поля между i- й и k- й субструктурами. Для двухатомной решетки мы можем обозначить два типа узлов, A и B. Мы можем обозначить количество магнитных ионов в единице объема, доля магнитных ионов на узлах A, и фракция на сайтах B. Тогда это дает:
Можно показать, что и это если только конструкции не идентичны. способствует параллельному выравниванию а также , пока способствует антипараллельному выравниванию. Для ферримагнетиков, так что брать будет удобно как положительное число и явно напишите знак минус перед ним. Для полных полей на A и B это дает:
Кроме того, мы введем параметры а также которые дают соотношение сил взаимодействий. Наконец, введем приведенные намагниченности:
с участием вращение i- го элемента. Затем это дает для полей:
Решения этих уравнений (здесь опущены) даются формулами
где - функция Бриллюэна . Самый простой случай, который нужно решить сейчас, - это. С. Это дает следующую пару уравнений:
с участием а также . Эти уравнения не имеют известного аналитического решения, поэтому их необходимо решить численно, чтобы найти температурную зависимость.
Влияние температуры
В отличие от ферромагнетизма формы кривых намагничивания ферримагнетизма могут принимать самые разные формы в зависимости от силы взаимодействий и относительного количества атомов. Наиболее заметными примерами этого свойства являются то, что направление намагничивания может меняться при нагревании ферримагнитного материала от абсолютного нуля до его критической температуры, и что сила намагниченности может увеличиваться при нагревании ферримагнитного материала до критической температуры, и то и другое не может произойти. для ферромагнитных материалов. Эти температурные зависимости также экспериментально наблюдались в NiFe 2/5 Cr 8/5 O 4 [8] и Li 1/2 Fe 5/4 Ce 5/4 O 4 . [9]
Температура ниже температуры Кюри , но при которой противоположные магнитные моменты равны (что приводит к нулевому чистому магнитному моменту), называется точкой компенсации намагниченности. Эта точка компенсации легко наблюдается в гранатах и сплавах редкоземельных элементов с переходными металлами (RE-TM). Кроме того, ферримагнетики также могут иметь точку компенсации углового момента , в которой чистый угловой момент равен нулю. Эта точка компенсации является решающей для достижения высокой скорости перемагничивания в устройствах магнитной памяти.
Влияние внешних полей
Когда ферримагнетики подвергаются воздействию внешнего магнитного поля, они демонстрируют так называемый магнитный гистерезис , когда магнитное поведение зависит от истории магнита. Они также демонстрируют намагниченность насыщения.; эта намагниченность достигается, когда внешнее поле достаточно велико, чтобы все моменты были выровнены в одном направлении. Когда эта точка достигнута, намагниченность не может увеличиваться, так как больше нет моментов для выравнивания. При снятии внешнего поля намагниченность ферримагнетика не исчезнет, но ненулевая намагниченность останется. Этот эффект часто используется при применении магнитов. Если впоследствии приложить внешнее поле в противоположном направлении, магнит будет размагничиваться дальше, пока в конечном итоге не достигнет намагниченности. Такое поведение приводит к так называемой петле гистерезиса . [10]
Свойства и использование
Ферримагнетики обладают высоким удельным сопротивлением и анизотропными свойствами. Анизотропии фактически индуцированный внешнее приложенное поле. Когда это приложенное поле выравнивается с магнитными диполями, оно вызывает чистый магнитный дипольный момент и заставляет магнитные диполи прецессировать с частотой, управляемой приложенным полем, называемой ларморовской или частотой прецессии . В качестве частного примера микроволновый сигнал, поляризованный по кругу в том же направлении, что и эта прецессия, сильно взаимодействует с магнитными дипольными моментами ; когда он поляризован в противоположном направлении, взаимодействие очень низкое. При сильном взаимодействии микроволновый сигнал может проходить через материал. Это свойство направленности используется при создании микроволновых устройств, таких как изоляторы , циркуляторы и гираторы . Ферримагнетики также используются для изготовления оптических изоляторов и циркуляторов . Ферримагнитные минералы в различных типах горных пород используются для изучения древних геомагнитных свойств Земли и других планет. Эта область исследований известна как палеомагнетизм . Кроме того, было показано, что ферримагнетики, такие как магнетит, могут использоваться для хранения тепловой энергии . [11]
Примеры
Самый старый известный магнитный материал, магнетит , представляет собой ферримагнитное вещество. В тетраэдрических и октаэдрических участках его кристаллическая структура обладает противоположным спином. Другие известные ферримагнетики включают железо-иттриевый гранат (ЖИГ); кубические ферриты, состоящие из оксидов железа с другими элементами, такими как алюминий , кобальт , никель , марганец и цинк ; и гексагональные ферриты, такие как PbFe 12 O 19 и BaFe 12 O 19 и пирротин , Fe 1-x S. [12]
Ферримагнетизм также может возникать в одномолекулярных магнитах . Классическим примером является додеканоядерная молекула марганца с эффективным спином S = 10, полученная в результате антиферромагнитного взаимодействия на металлических центрах Mn (IV) с металлическими центрами Mn (III) и Mn (II). [13]
Смотрите также
- Энергия анизотропии
- Орбитальная намагниченность
Рекомендации
- ^ Spaldin, Nicola A. (2011). Магнитные материалы: основы и приложения (2-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-88669-7. OCLC 607986416 .
- ^ Неэль, М. Луи (1948). "Магнитные свойства ферритов; ферримагнетизм и антиферромагнетизм" (PDF) . Annales de Physique . 12 (3): 137–198. DOI : 10.1051 / anphys / 194812030137 . ISSN 0003-4169 .
- ^ Неэль, Луи (1936). "Propriétés magnétiques de l'état métallique et énergie d'interaction entre atomes magnétiques" . Анналы телосложения . 11 (5): 232–279. DOI : 10.1051 / anphys / 193611050232 . ISSN 0003-4169 .
- ^ Смарт, Дж. Самуэль (сентябрь 1955 г.). "Теория ферримагнетизма Нееля" . Американский журнал физики . 23 (6): 356–370. DOI : 10.1119 / 1.1934006 . ISSN 0002-9505 .
- ^ «Нобелевская премия по физике 1970 года» . NobelPrize.org . Источник 2021-01-26 .
- ^ Саймон, Стивен Х. (21 июня 2013 г.). Основы Оксфордского твердого тела (первое издание). Оксфорд. ISBN 978-0-19-150210-1. OCLC 851099021 .
- ^ Бланделл, Стивен; Бланделл, Кэтрин М. (2010). Понятия по теплофизике (2-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-956209-1. OCLC 607907330 .
- ^ Цусима, Тачиро (август 1963 г.). «Магнитные свойства феррит-хромитового ряда никеля и кобальта» . Журнал Физического общества Японии . 18 (8): 1162–1166. DOI : 10,1143 / jpsj.18.1162 . ISSN 0031-9015 .
- ^ Гортер, EW; Шулкес, Дж. А. (1953-05-01). «Изменение спонтанного намагничивания в зависимости от температуры в шпинелях LiFeCr» . Физический обзор . 90 (3): 487–488. DOI : 10.1103 / Physrev.90.487.2 . ISSN 0031-899X .
- ^ Солер, МАГ; Патерно, LG (01.01.2017), Да Роз, Алессандра Л .; Феррейра, Маристела; де Лима Лейте, Фабио; Оливейра, Освальдо Н. (ред.), "6 - Магнитные наноматериалы" , наноструктуры , Уильям Эндрю издательство, С. 147-186,. DOI : 10.1016 / b978-0-323-49782-4.00006-1 , ISBN 978-0-323-49782-4, получено 2021-01-25
- ^ Гросу, Ярослав; Фаик, Абдессамад; Ортега-Фернандес, Иньиго; Д'Агуанно, Бруно (март 2017 г.). «Природный магнетит для хранения тепловой энергии: отличные теплофизические свойства, обратимый переход скрытой теплоты и контролируемая теплопроводность» . Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 161 : 170–176. DOI : 10.1016 / j.solmat.2016.12.006 .
- ^ Клейн, К. и Dutrow Б., минеральные науки 23изд., М., стр. 243.
- ^ Сессоли, Роберта; Цай, Хуэй Лянь; Schake, Ann R .; Ван, Шейи; Винсент, Джон Б.; Фолтинг, Кирстен; Гаттески, Данте; Христу, Джордж; Хендриксон, Дэвид Н. (1993). «Высокоспиновые молекулы: [Mn 12 O 12 (O 2 CR) 16 (H 2 O) 4 ]». Варенье. Chem. Soc . 115 (5): 1804–1816. DOI : 10.1021 / ja00058a027 .
Внешние ссылки
- СМИ, связанные с ферримагнетизмом, на Викискладе?