ФЕРРОМАГНЕТИЗМ. МОЛЕКУЛЯРНОЕ ПОЛЕ ВЕЙССА

При классификации магнетиков мы отметили, что к ферро­магнетикам относят вещества, обладающие спонтанной намаг­ниченностью, т. е. имеющие отличную от нуля намагниченность даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Ферромагнетизм обнаруживают кристаллы только девяти химических элемен­тов: это три -металла (Fe, Co, Ni) и шесть -металлов (Gd, Dy, Tb, Но, Er, Tm). Однако, имеется огромное число ферромагнитных сплавов и химических соединений. Все эти вещества имеют различную кристаллическую структуру, отли­чаются значениями намагниченности насыщения и другими свойствами. Единственным общим признаком для всех ферро­магнетиков является наличие атомов с недостроенными d- или -оболочками. Эти атомы, как отмечалось выше, имеют неском­пенсированный магнитный момент. Наличие спонтанной намагниченности свидетельствует о том, что магнитные моменты атомов ориенти­рованы не случайным образом, как в парамагнетике, а упорядоченно-параллельно друг другу.

При обсуждении природы магнит­ных моментов в парамагнитных солях переходных элементов мы отмечали, что орбитальные моменты электронов -оболочки «заморожены». Следует ожидать поэтому, что ферромагнетизм связан с упорядочением спиновых мо­ментов. Эта гипотеза, высказанная впервые русским ученым Б. Розингом в 1892 г., была подтверждена в экс­периментах Эйнштейна—де Гааза и Барнетта, выполненных в 1915 г. В опыте Эйнштейна—де Гааза, схема которого приведена на рис. 1.4, наблю­дали вращение ферромагнитного об­разца (т. е. возникновение механиче­ского момента) при изменении магнитного момента, обусловленного внешним магнитным полем. Изменение магнитного момента цилиндрического образца 4 осуществлялось за счет пропускания тока в соленоиде 3. При этом образец поворачи­вался и закручивал нить 1. По углу можно определить гиро­магнитное отношение. Оказалось, что

,

т. е. оно совпадает с гиромагнитным отношением для спиново­го механического и магнитного моментов электрона.

Рис. 1.4. Схема опыта Эйнштейна — де Гааза: 1— упругая нить под­веса, 2 — зеркальце, 3 — соленоид, 4 — фер­ромагнитный образец, — источник света.

Барнетт, наоборот, наблюдал намагничивание железного стержня при быстром его вращении. Найденное из этого опыта отношение также совпадало с гиромагнитным отношением спиновых моментов. Таким образом, ясно, что в ферромагнети­ках упорядочиваются нескомпенсированные спиновые магнит­ные моменты атомов с недостроенными внутренними оболочка­ми. Какова природа этого магнитного упорядочения?

Для того, чтобы объяснить существование спонтанного маг­нитного момента, П. Вейсс высказал предположение о существовании в ферромагнетике внутреннего молекулярного поля . Согласно Вейссу, это поле, подобно внешнему магнитному полю в парамагнетике, создает в кристалле ферромагнетика параллельную ориентацию магнитных моментов атомов при . Предполагается, что поле пропорционально намагниченно­сти, т. е.

. (1.17)

Величина получила название постоянной молекулярного поля.

Таким образом, полное поле, действующее на атом в фер­ромагнетике:

. (1.18)

Найти магнитную восприимчивость теперь не сложно. Нужно рассмотреть поведение магнитных моментов атомов в магнитном поле . Для слабых полей и не очень низких температур получим приближенно:

, (1.19)

где . Отсюда

(1.20)

или

. (1.21)

Здесь, как и ранее, а параметр , имеющий размерность температуры, называ­ется температурой Кюри. Выражение (1.21) представляет со­бой закон Кюри—Вейсса.

Проанализируем, что произойдет, если в формуле (1.21) положить . Казалось бы, что магнитная восприимчивость становится бесконечной (при ), а затем отрицательной. Для ответа на вопрос, что фактически происходит в этом слу­чае, необходимо решить уравнение

. (1.22)

Здесь предположено, что магнитный момент атома обусловлен только спином электрона.

Пусть . Для уравнение (1.22) имеет решение . Та­ким образом, при ферромагнетик ведет себя как обычный парамагнетик. При появляется еще одно решение . Этот второй корень уравне­ния (1.22) можно найти графически (рис. 1.5). Результирующий магнитный момент единичного объема, т. е. намаг­ниченность, стремится при К к значению

. (1.23)

Рис. 1.5. Зависимость самопроизвольной на­магниченности ферромаг­нетика от температуры

Это означает, что все спины ориентированы параллельно, т. е. имеет место ферромагнитное упорядочение (в отсутствие внешнего магнитного поля). С повышением температуры само­произвольная намагниченность уменьшается, а затем исчезает при температуре Кюри. Такое поведение хорошо согласуется с опытом. Введение Вейссом внутреннего молекулярного поля позволило объяснить многие свойства ферромагнетиков. Одна­ко природа самого поля долгое время оставалась неизвестной. Предположение о том, что силы, ориентирующие спиновые магнитные моменты в ферромагнетике, имеют чисто магнитное происхождение, было экспериментально опровергнуто в 1927 г. Я. Г. Дорфманом.

ОПЫТ ДОРФМАНА

Если поле Вейсса действительно имеет магнитную природу, то оно должно быть очень большим. Энергия взаимодействия этого поля с магнитным моментом атома примерно равна сред­ней тепловой энергии, приходящейся на один атом в точке Кю­ри (поскольку при магнитный порядок разрушается). Для многих ферромагнетиков температура Кюри составляет не­сколько сотен или даже превышает тысячи кельвин. Таким об­разом,

.

Поскольку ,

.

Я. Г. Дорфман предпринял попытку измерить . Схема опыта Дорфмана представлена в двух проекциях на рис. 1.6. От источника 1 узкий пучок электронов пропускали через тонкую ( мкм) фольгу никеля 2, помещенную между полюсами элект­ромагнита 4. На фото­пластинке 3 регистриро­вали след пучка. При постановке опыта пред­полагалось, что если фольга намагничена до насыщения параллельно ее поверхности, то молекулярное поле ориен­тировано во всем образце параллельно внешнему полю , т. е. перпендикулярно скорости электронов в пучке (рис. 1.6, а). Если это внутреннее поле , имеет магнитную природу, то пучок электронов при прохожде­нии через фольгу должен отклоняться под действием суммарного поля . Это должно привести к смещению следа электронов на фотоснимке. При выбранных Дорфманом усло­виях опыта ожидалось получить смещение мм (рис. 1.6, б). Однако оказалось, что отклонение пучка электронов зна­чительно меньше ( мм). Это отклонение соответствовало воздействию поля Тл, т. е. значению магнитной индукции в образце. Отсюда был сделан вывод о немагнитной природе молекулярного поля Вейсса. Выполненные впоследствии опыты по отклонению электронов и мезонов в образцах железа и же­лезо-кобальтового сплава полностью подтвердили результат, полученный Дорфманом.

Рис. 1.6. Схема опыта Дорфмана: 1 — источник электронов, 2 — тонкая фольга никеля, 3 — фотопластинка, 4 — полюса электромагнита

Таким образом, оставалось предположить, что поле имеет электрическую природу. Однако в рамках классической теории объяснить такое, казалось бы, чисто магнитное явление, как ферроманетизм, какими-либо электрическими взаимодействия­ми не удалось. Только квантовая механика смогла решить эту задачу.