Магнитострикция
случае электронное
орбитальное облако приобретает несферическую (анизотропную) конфигурацию
(на рис. 3, а оно условно изображено в виде эллипсоида). Наглядно механизм
возникновения анизотропной магнитострикции можно представить следующим
образом. Пусть анизотропный магнитный ион находится в кристаллической
решетке в окружении других ионов, создающих электростатическое поле (оно
обычно называется кристаллическим).
На рис. 3 условно показаны голубыми линиями кристаллические поля,
создаваемые окружающими ионами, отражающими локальную симметрию кристалла.
При приложении поля Н магнитный момент иона Мат = Мсп + Морб ориентируется
в направлении Н и одновременно с ним поворачивается анизотропное
электронное облако иона, которое возмущает электростатическое поле
окружающих ионов. В результате кристаллическая решетка испытывает
анизотропные деформации в соответствии с симметрией кристалла. Эти
деформации есть не что иное, как анизотропная магнитострикция.
Подобного вида анизотропная магнитострикция очень велика в
редкоземельных металлах (не всех), так как их ионы обладают большими
величинами орбитальных моментов Морб (см. далее об этом подробнее).
Редкоземельный металл гадолиний не имеет орбитального момента (Морб =
0) и его атомный момент Мат содержит только спиновую составляющую (Мат =
Мсп). Вследствие этого электронное облако его иона имеет сферическую форму.
Как следует из рис. 3,б, при приложении поля Н по -ворот электронного
облака не приводит к возмущению кристаллического поля окружающих ионов,
следовательно, здесь не работает механизм одно-ионной магнитострикции. В Gd
и его соединениях наблюдаемая анизотропная магнитострикция, по-видимому,
обязана магнитодипольному механизму.
Ситуация с анизотропной магнитострикцией в металлах Fe, Ni, их
сплавах и ферритах близка к случаю Gd. Намагничивание в них происходит в
основном за счет спиновых моментов и в небольшой степени за счет
орбитальных моментов. В этих магнетиках кристаллическое поле так сильно
воздействует на Морб, что они как бы закрепляются в решетке и теряют
способность вращаться в направлении магнитного поля. Это явление принято
называть замораживанием орбитального момента. Однако в некоторых из этих
соединений замораживание Морб происходит не полностью. Поэтому в данных
веществах (например, ферритах) возникает анизотропная магнитострикция
одноионной природы, но много меньшая по величине, чем в редкоземельных
магнетиках.
Гигантская анизотропная магнитострикция
В 1961—1965 годах было установлено, что анизотропная магнитострикция
редкоземельных металлов тербия Tb, диспрозия Dy, их сплавов и ферритов-
гранатов при низких температурах превышает анизотропную магнитострикцию
железа, кобальта, никеля и их сплавов в десятки, сотни и даже тысячи раз (в
монокристаллах). Несколько позд такая гигантская магнитострикция[1] была
обнаружена в так называемых интерметаллических соединениях TbFe2 и DyFe2. В
них эта магнитострикция реализуется не только при низких температурах, но и
выше комнатных температур.
В табл. 1 приведены результаты измерения продольной магнитострикции
насыщения (?s)11 (то есть в полях H = Hs) при температуре жидкого азота 78
К в поликристаллах Tb и Dy (для сравнения даны соответствующие значения
(?s)11 для поликристаллов Fe, Co и Ni).
[pic]
Огромных величин достигает ?s в гексагональных кристаллах Tb и Dy (табл.
2). При этом она особенно велика вдоль гексагональной оси c и несколько
меньше вдоль a. (На рис. 4, а показаны направления этих осей.) Видно, что
эти значения в сотни раз больше, чем в кристалле Ni. (На рис. 4, б показаны
направления осей кубического кристалла Ni символами [111], [100] и [110].)
[pic]
На рис. 5 представлены кривые магнитострикции ?(Н) гексагонального
монокристалла Tb вдоль его оси c и в базисной плоскости при разных
температурах.
В поле, приложенном в базисной плоскости, магнитострикция сравнительно
быстро стремится к насыщению (рис. 5, а), тогда как в направлении
гексагональной оси c тенденция к насыщению не обнаруживается даже в очень
сильном поле (Н= 150 кЭ).
[pic]
Анализ приведенных результатов измерений показал, что за гигантскую
магнитострикцию в Tb и Dy ответственны два механизма: одноионная маг-
нитострикция и обменная магнитострикция (возникающая вдоль оси c, так как в
этом направлении обменное взаимодействие сильно зависит от межатомного
расстояния).
Было обнаружено, что ряд ферритов-гранатов R3Fe5O12 (R = Tb, Dy, Ho)
в области гелиевых и азотных температур обладает гигантской
магнитострикцией (порядка 10-3).
В табл. 3 приведены результаты измерений ее в кристаллах этих веществ.
Видно, что она носит также анизотропный характер в направлениях [100] и
[111] и возникает, как и в металлах Tb и Dy, за счет механизма одноионной
анизотропии. Дело в том, что в ионах Tb, Dy (и других редкоземельных ионах)
ответственная за магнетизм 4f-электронная оболочка находится в "глубине"
иона; выше располагаются другие оболочки, которые экранируют ее от действия
внутрикристаллического поля, в результате чего орбитальный момент Морб не
замораживается этим полем. Более подробные сведения о гигантской
анизотропной магнитострикции в редкоземельных магнетиках приведены в
монографии.
[pic]
Необычайно высокая анизотропная магнитострикция наблюдалась в
актинидных магнетиках (урановых, нептуниевых и др.). Так, в соединениях US
при Т= 4,2 К величина ?[Ш] = 7000 • 10-6, а в NpFe2 ?[П1] = -8000 • 10-б. В
этих соединениях, так же как и в редкоземельных магнетиках, ответственны за
возникновение гигантской анизотропной магнитострикции орбитальные магнитные
моменты 5f-оболочек.
Список литературы
Белов К.П., Левитин Р.З., Никитин С.А. // Физика металлов и металловедение.
1961. Т. 11. С. 948.
Белов К.П., Соколов В.И. //Журн. эксперим. и теорет. физики. 1965. Т. 48.
С. 979.
Белов К.П. Магнитострикционные явления и их технические приложения. М.:
Наука, 1987.
Cоросовский образовательный журнал , Физика, №3, 1998.
-----------------------
[1] Гигантская магнитострикция в редкоземельных магнетиках (и в некоторых
соединениях урана) была открыта в 1961 году в Московском университете при
участии будущих Соросовских профессоров Р.З. Левитина, С.А. Никитина и
автора настоящей статьи (диплом на открытие № 225 по Госреестру СССР,
1980).
|
скачать работу