| 21970318 23552 19854 932 1и упругих постоянных, коэффициентов линейного и объёмного расширения. При адиабатич. намагничивании и размагничивании ферромагнетики изменяют свою темп-ру (см. Магнитное охлаждение). Специфические особенности немагнитных свойств ферромагнетиков наиболее ярко проявляются вблизи Т = 0.
Поскольку самопроизвольная намагниченность ферромагнетиков сохраняется до Т = О, а в типичных ферромагнетиках темп-ра О может достигать ~ 103К, то k О = 10-13 эрг (k - Больцмана постоянная). Это означает, что энергия взаимодействия, к-рая ответственна за существование ферромагнитного порядка атомных магнитных моментов в кристалле, тоже должна быть порядка 10-13 эрг на каждую пару соседних магнитно-активных атомов. Такое значение энергии может быть обусловлено только электрич. взаимодействием между электронами, ибо энергия магнитного взаимодействия электронов двух соседних атомов ферромагнетика не превышает, как правило, 10-16эрг, и поэтому может обеспечить темп-ру Кюри лишь ~ 1К (такие ферромагнетики с т. н. диполь-ным магнитным взаимодействием тоже существуют). В общем случае магнитные взаимодействия в ферромагнетиках определяют их магнитную анизотропию. Классич. физика не могла объяснить каким образом электрич. взаимодействие может привести к Ф. Только квантовая механика позволила понять тесную внутр. связь между результирующим магнитным моментом системы электронов и их электростатич. взаимодействием, к-рое принято называть обменным взаимодействием.
Необходимым условием Ф. является наличие постоянных (независящих от Н) магнитных (спиновых или орбитальных, или обоих вместе) моментов электронных оболочек атомов ферромагнетиков. Это выполняется в кристаллах, построенных из атомов переходных элементов (атомов с недостроенными внутренними электронными слоями). Различают 4 осн. случая:
1) металлич. кристаллы (чистые металлы, сплавы и интерметаллич. соединения) на основе переходных элементов с недостроенными d-слоями (в первую очередь За-слоем у элементов группы железа);
2) металлич. кристаллы на основе переходных элементов с недостроенными f-слоями (редкоземельные элементы с недостроенным 4f-слоем); 3) неметаллич. кристаллич. соединения при наличии хотя бы одного компонента из переходных d- или f-элементов; 4) сильно разбавленные растворы атомов переходных d- или f-металлов в диамагнитной металлич. матрице. Появление в этих четырёх случаях атомного магнитного порядка обусловлено обменным взаимодействием.
В неметаллич. веществах (случай 3) это взаимодействие чаще всего носит косвенный характер, при к-ром магнитный порядок электронов недостроенных d-или f-слоёв в ближайших соседних парамагнитных ионах устанавливается при активном участии электронов внешних замкнутых слоев магнитно-нейтральных ионов (напр., О2-, S2-, Se2- и т. п.), расположенных обычно между магнитно-активными ионами (см. Ферримагнетизм). Как правило, здесь возникает анти ферромагнитный порядок, к-рый приводит либо к компенсированному антиферромагнетизму, если в каждой элементарной ячейке кристалла суммарный магнитный момент всех ионов равен нулю, либо к ферримагнетизму - если этот суммарный момент не равен нулю. Возможны случаи, когда взаимодействие в неметаллич. кристаллах носит ферромагнитный характер (все атомные магнитные моменты параллельны), напр. EuO, Eu2SiO4, CrBr3 и др.
Общим для кристаллов типа 1,2,4 является наличие в них системы коллективизированных электронов проводимости. Хотя в этих системах и существуют под-магничивающие обменные взаимодействия, но, как правило, магнитного порядка нет, а имеет место парамагнетизм пау-левского типа, если он сам не подавлен
Рис. 1. Ферромагнитная (кол-линеарная) атомная структура гранецен-трированной кубической решётки ниже точки Кюри 0; стрелками обозначены направления атомных магнитных моментов; JS - вектор суммарной намагниченности.
Рис. 2. Кривая безгистерезисного намагничивания (O Вm) и петля гистерезиса поликристаллического железа. Значению индукции Вт соответствует намагниченность насыщения JS.
Рис. 3. Зависимость намагниченности J от напряжённости магнитного поля Н для трёх главных кристаллографических осей монокристалла железа (тип решётки - объёмно-центрированная кубическая, [100]- ось лёгкого намагничивания).
Рис. 4. Схематическое изображение температурной зависимости намагниченности насыщения JS ферромагнетика, О - точка Кюри.
более сильным диамагнетизмом ионной решётки. Если всё же магнитный порядок возникает, то в случаях 1,2 и 4 он различен по своему происхождению. Во втором случае магнитно-активные 4f-слои имеют очень малый радиус по сравнению с параметром кристаллич. решётки. Поэтому здесь невозможна прямая обменная связь даже у ближайших соседних ионов. Такая ситуация характерна и для четвёртого случая. В обоих этих случаях обменная связь носит косвенный характер, осуществляют её электроны проводимости. В четвёртом типе ферромагнетиков (в отличие от случаев 1,2,3) магнитный порядок не обязательно связан с кристаллич. атомным порядком. Часто эти ферромагнетики представляют собой в магнитном отношении аморфные системы с неупорядоченно распределёнными по кристаллич. решётке ионами, обладающими атомными магнитными моментами (т. н. спиновые стёкла).
Наконец, в кристаллах 1-го типа электроны, принимающие участие в создании атомного магнитного порядка, состоят из бывших 3d- и 4s-электронов изолированных атомов. В отличие от 4f-слоёв редкоземельных ионов, имеющих очень малый радиус, более близкие к периферии 3d-электроны атомов группы Fe испытывают практически полную коллективизацию и совместно с 4s-электронами образуют общую систему электронов проводимости. Однако в отличие от нормальных (непереходных) металлов, эта система в d-металлах обладает гораздо большей плотностью энергетич. уровней, что благоприятствует действию обменных сил и приводит к появлению намагниченного состояния в Fe, Co, Ni и в их многочисл. сплавах.
Конкретные теоретич. расчёты различных свойств ферромагнетиков проводятся как в квазиклассич. феноменологическом приближении, так и с помощью более строгих квантовомеханич. атомных моделей. В первом случае обменное взаимодействие, приводящее к Ф., учитывается введением эффективного молекулярного поля (Б. Л. Розинг, 1897; П. Вейс, 1907), энергия U к-рого квадратично зависит от J:
U=-NA(JS/JSO)2,
где N - число магнитно-активных атомов в образце, А - постоянная молекулярного поля (А > 0), JSO - намагниченность насыщения при абсолютном нуле темп-ры. Уточнение этой трактовки Ф. дала квантовая механика, раскрыв электрич. обменную природу постоянной А (Я. И. Френкель, В. Гейзенберг, 1928). В частности, при низких темп-рах (Т " 0) удалось провести более точный квантовый расчёт (Ф. Блох, 1930), показавший, что уменьшение самопроизвольной намагниченности JSO ферромагнетика с ростом темп-ры можно в первом приближении описывать как возникновение элементарных магнитных возбуждений - квазичастиц, носящих название спиновых волн или ферромагнонов. Каждый ферромагнон даёт уменьшение JSOна величину магнитного момента одного узла решётки. Число ферромагнонов растёт с нагреванием ферромагнетика пропорционально T3/2 , поэтому температурная зависимость JS имеет вид:
JS = JSO(1-аT3/2),
где коэфф. а имеет порядок 10-6
К и зависит от параметра обменного взаимодействия. В отсутствие внешнего магнитного поля (Н = 0) термодинамически устойчивому состоянию макроскопического ферромагнитного образца отвечает размагниченное состояние, ибо в противном случае на поверхности образца, как правило, возникают магнитные полюсы, создающие т. н. размагничивающее поле Нo, с к-рым связана большая положит. энергия. В то же время обменное взаимодействие стремится создать магнитный порядок с J не =0. В результате борьбы этих противоположных тенденций происходит разбиение ферромагнитного образца на домены - области однородной намагниченности. Теория Ф. качественно определяет размеры и форму доменов, к-рые зависят от конкуренции различных взаимодействий в кристалле ферромагнетика (Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц, 1935). Равновесная структура доменов при J = О отвечает замкнутости магнитных потоков внутри образца. Между доменами существуют переходные слои конечной толщины, в к-рых J, непрерывно меняет своё направление. На образование этих слоев затрачивается положит. энергия, но она меньше энергии поля Но, к-рая возникла бы в отсутствие доменов. При нек-рых критически малых размерах ферромагнитных образцов образование в них нескольких доменов может стать энергетически невыгодным, и тогда такие мелкие ферромагнитные частицы оказываются при Т < 0 однородно намагниченными (т. н. однодоменные частиц ы).
Кривые намагничивания и петли гистерезиса в ферромагнетиках определяются изменениями объёма доменов с различными ориентациями JS в них за счёт смещения границ доменов, а также вращения векторов JS доменов (см. Намагничивание). Магнитную восприимчивость ферромагнетиков можно приближённо представить в виде суммы: х = xсмсщ + xвращ. Анализ кривых намагничивания J(H) показывает, что
В Слабых полях хсмещ >> хвращ, а в
сильных (после крутого подъёма кривой) хвращ " хсмещ. Особый характер имеют процессы намагничивания и распределение намагниченности в магнитных тонких плёнках. Из-за чувствительности доменной структуры и процессов намагничивания к строению кристаллов общая количеств. теория кривых намагничивания ферромагнетиков пока находится в незавершённом состоянии. Обычно для определения зависимости J (H) пользуются качественными физич. представлениями, лишь в случае идеальных монокристаллов в области, где хвращ >> xсмещ, возможен строгий количест-венный расчёт (Н. С. Акулов, 1928).
Теория кривых намагничивания и петель гистерезиса важна для разработки новых и улучшения существующих магнитных материалов.
Связь Ф. с многими немагнитными свойствами вещества позволяет по данным измерений магнитных свойств получить информацию о различных тонких специфич. особенностях электронной структуры кристаллов. Поэтому Ф. интенсивно исследуют на электронном и ядерном уровнях, применяя электронный ферромагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс, Мёссбауэра эффект, рассеяние на ферромагнитных кристаллах различного типа корпускулярных излучений (с учётом влияния магнитных моментов взаимодействующих частиц) и т. д. В 70-е гг. 20 в. возникли интересные контакты Ф. с физикой элементарных частиц и астрофизикой. Здесь следует упомянуть об изучении в ферромагнетиках явлений аннигиляции позитронов, образования мюония и позитрония (см. Позитрон), рассеяния мюонов, а в астрофизике - о проблеме магнетизма нейтронных звёзд (пульсаров). Лит.: Акулов Н. С., Ферромагнетизм, М. -Л., 1939; Бозорт Р., Ферромагнетизм, пер. с англ., М., 1956; Вонсовский
С. В., Шур Я. С., Ферромагнетизм, М. -Л., 1948; Дорфман Я. Г., Магнитные свойства и строение вещества, М., 1955; Туров Е. А., Физические свойства магнито-упорядоченных кристаллов, М., 1963; Теория ферромагнетизма металлов и сплавов. Сб., пер. с англ., М., 1963; Ахиезер А. И., Барьяхтар В. Г., Пелетминский С. В., Спиновые волны, М., 1967; Туров Е. А., Петров М. П., Ядерный магнитный резонанс в ферро- и антиферромагнетиках, М., 1969; Сверхтонкие взаимодействия в твердых телах, пер. с англ., М., 1970; Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Becker R., Coring W., Ferromagnetismus, В., 1939; Kneller Е., Ferromagnetismus, В., 1962; Magnetism, v. 1 - 4, N. Y.- L., 1963-66; Amorphous magnetism, L. -N. Y., 1973; Gооdenough J. В., Magnetism and the Chemical Bond, N. Y.- L., 1963. С. В. Вонсовский.
ФЕРРОМАГНЕТИЗМ СЛАБЫЙ, см. Слабый ферромагнетизм.
2723.htm
ФЕРРОМАГНИТНАЯ ПЛЁНКА, см. Магнитная тонкая плёнка.
ФЕРРОМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС, одна из разновидностей электронного магнитного резонанса; проявляется в избирательном поглощении ферромагнетиком энергии электромагнитного поля при частотах, совпадающих с собственными частотами wo прецессии магнитных моментов электронной системы ферромагнитного образца во внутреннем эффективном магнитном поле НЭф. Ф. р. в более узком смысле - возбуждение колебаний типа однородной (во всём объёме образца) прецессии вектора намагниченности J (спиновых волн с волновым вектором k = 0), вызываемое магнитным СВЧ-полем Н , перпендикулярным постоянному намагничивающему полю Но. Однородный Ф. р., как и электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), может быть обнаружен методами магнитной радиоспектроскопии. Поскольку магнитная СВЧ-восприимчивость (а следовательно, и поглощение) пропорциональна статической магнитной восприимчивости х0 = JS/Н0, где JS - намагниченность насыщения ферромагнетика, то при Ф. р. поглощение на неск. порядков больше, чем при ЭПР. Благодаря спонтанной намагниченности ферромагнетика поле НЭФ может существенно отличаться от внешнего поля Но (из-за магнитной анизотропии и размагничивающих эффектов поверхности образца; см. Размагничивающий фактор); обычно Нэф не =0 даже при Но = - 0 ("естественный" Ф. р.). Осн. характеристики Ф. р.- резонансные частоты, релаксация, форма и ширина линий поглощения, нелинейные эффекты - определяются коллективной многоэлектронной природой ферромагнетизма. Квантовомеханическая теория Ф. р. приводит к тому же выражению для частоты Ф. р. w0, как и классич. рассмотрение wo = yHэф, где у = gмБ/h - магнитомеханическое отношение, g - фактор спектроскопич. расщепления (Ланде множитель), мБ - магнетон Бора, h =h/2п - Планка постоянная. Через НЭФчастота соо зависит от формы образца, от ориентации Н0 относительно осей симметрии кристалла и от темп-ры. Наличие доменной структуры в ферромагнетике усложняет Ф. р., приводя к возможности появления нескольких резонансных пиков.
Обычно имеют дело с неоднородным Ф. р.- возбуждением магнитным СВЧ-полем неоднородных типов коллективных колебаний JS (спиновых волн с k не = 0), специфичных именно для ферромагнетиков. Существование неск. типов резонансных колебаний, ветвей Ф. р. (спиновых волн с k не = 0), наряду с колебаниями типа однородной прецессии (с k = 0) совершенно меняет характер магнитной релаксации и уши-рения линий поглощения при Ф. р. по сравнению с ЭПР. С квантовомеханиче-ской точки зрения процессы релаксации описываются как рассеяние спиновых волн друг на друге, на тепловых колебаниях (фонолах) и на электронах проводимости (в металлах). Напр., при однородном Ф. р. релаксация проявляется в уширении его линии поглощения на величину dwо = (дwо/дH) *dН = = 2/то, где то - время релаксации, т. е. среднее "время жизни" спиновой волны с k = 0. Ширина линии ДН для различных ферромагнетиков меняется в пределах от 0,1 до 103 э. Осн. роль в уширении линии играют статические неоднородности: примесные атомы, поры, дислокации, мельчайшие шероховатости на поверхности образца. Наиболее узкая линия (с dН = 0,53 э) наблюдалась в монокристалле соединения Y3Fe5O12 - иттриевом феррите со структурой граната. В металлич. ферромагнетиках один из главных механизмов уширения линий Ф. р. связан со скин-эффектом: СВЧ-поле из-за вихревых токов становится неоднородным и поэтому возбуждает широкий спектр спиновых волн. Существенную роль в рассеянии спиновых волн в металлич. ферромагнетиках играет также взаимодействие волн с электронами проводимости. Ширина наиболее узкой линии Ф. р. в металлических ферромагнетиках по порядку величины составляет 10 э.
Нелинейные эффекты Ф. р. определяются связью между однородной прецессией магнитных моментов и неоднородными типами колебаний, к-рые отсутствуют при ЭПР. Из-за указанной связи при увеличении амплитуды напряжённости магнитного поля Н до нек-рой критич. величины Нкр начинается очень быстрый (экспоненциальный) рост колебаний с определёнными волновыми числами (т. н. нестабильное возбуждение колебаний). Такой пороговый характер нестабильного возбуждения обусловлен тем, что при достижении Нкр нек-рые из спиновых волн с к не = 0 не успевают получаемую ими (от волн с k = 0) энергию передавать другим спиновым волнам или фононам.
Магнитоупругие взаимодействия в ферромагнетиках (см. Магнитострикция) могут привести к параметрич. возбуждению нестабильных колебаний кристал-лич. решётки (фононов) магнитным СВЧ-полем и обратному эффекту - возбуждению спиновых волн СВЧ-полем упругих напряжений (гиперзвуком). Изучение Ф. р. привело к созданию на его основе многих СВЧ-устройств: вентилей и циркуляторов, генераторов, усилителей, параметрич. преобразователей частоты и ограничителей мощности.
Впервые на резонансный характер поглощения сантиметровых электромагнитных волн ферромагнетиками указал в 1911-13 В. К. Аркадьев.
Лит.: Ферромагнитный резонанс и поведение ферромагнетиков в переменных магнитных полях. Сб., пер. с англ., М., 1952; Ферромагнитный резонанс, М., 1961; Гуревич А. Г., Ферриты на сверхвысоких частотах, М., 1960; его же, Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках, М., 1973; Моносов Я. А., Нелинейный ферромагнитный резонанс, М., 1971; Magnetism, A treatise on modern theory and materials, v. 1, N. Y.- L., 1963.
С. В. Вонсовский.
ФЕРРОМАГНОН, то же, что магнон.
ФЕРРОМАРГАНЕЦ, ферросплав, осн. компоненты к-рого железо и марганец. Углеродистый Ф., содержащий 75-79% Мп, до 7% С (остальное Fe и примеси), получают в руднотермич. или доменных печах из марганцевого концентрата. Средне- и малоуглеродистый (рафинированный) Ф., содержащий 86-89% Мп, до 1,5 и до 0,5% С (соответственно), получают в руднотермич. печах силикотер-мич. способом (см. Силикотермия) из силикомарганца, марганцевых концентратов и низкофосфористого марганцевого шлака. Ф. применяют для раскисления и легирования стали. Наряду с Ф. выпускается металлич. марганец, получаемый электротермическим или электроли-тич. способом. Азотированный (ок. 6% N) рафинированный Ф. или металлич. марганец получают выдерживанием порошков в атмосфере азота при 900 0С.
ФЕРРОМЕТР, устройство для определения мгновенных значений индукции (Bt) и напряжённости (Ht) магнитного поля в ферромагнитных образцах. Ф. позволяет по точкам строить симметричные динамич. петли перемагничивания ферромагнитных образцов (см. Намагничивания кривые) в переменных периодич. магнитншх полях (обычно пром. частоты), а также осуществлять запись петель перемагничивания двухкоординатным самописцем на бумаге или на экране осциллографа.
Принцип действия Ф. основан на том, что мгновенные значения Bt и Htпропорциональны средним значениям их производных за определённый промежуток времени. Средние значения переменных электрич. величин в Ф. измеряются за время, кратное полупериоду изменения магнитного поля, магнитоэлектрич. прибором (гальванометром) с управляемым выпрямителем (управление осуществляется фазовращателем, устанавливающим начальный момент воздействия поля на Ф.). Производная индукции dB/dt находится по эдс е в измерит. катушке, навитой на исследуемый образец: е= -w2S*(dB/dt), где w2 - число витков катушки (рис.), S - сечение образца. Мгновенное значение напряжённости намагничивающего поля Ht рассчитывается по величине тока i, производная к-рого определяется по значению эдс ем во вторичной обмотке катушки взаимной индуктивности М (её первичная обмотка w1 включена последовательно в намагничивающую цепь): ем = = -М * (di/dt), где М - коэфф. взаимной индуктивности катушки.
Для нахождения точек динамич. петли перемагничивания определяют Bt и Htдля нескольких положений фазовраща-теля (обычно через равные доли периода) и по полученным данным строят петлю. Осн. кривую намагничивания получают как геометрич. место вершин симметричных динамич. петель перемагничивания. В СССР Ф. типа У-542 выпускаются серийно, существуют также образцы высокочастотных Ф.- Ф-2М и Ф-3 (до 10 кгц).
Лит.: Магнитные измерения, М., 1969; Кифер И. И., Испытания ферромагнитных материалов, 3 изд., М., 1969, с. 197.
И. И. Кифер.
ФЕРРОМОЛИБДЕН, ферросплав, содержащий ~60% Мо (остальное Fe и примеси); получают внепечным силико-термич. процессом (см. Силикотермия) с добавлением алюминия из обожжённого молибденитового концентрата. Ф. применяют при выплавке конструкционной стали и жаропрочных сплавов.
ФЕРРОНИОБИЙ, ферросплав, содержащий ок. 60% Nb (или Nb + Та), 10- 12,5% Si, 2-6% А1, 3-8% Ti (остальное Fe и примеси); выплавляют электропечным алюминотермич. способом (см. Алюминотермия) из пирохлорового концентрата или технич. пятиокиси ниобия. Ф. применяют при выплавке конструкц. стали и жаропрочных сплавов.
ФЕРРОНИХРОМ, см. в статьях Никелевые сплавы, Нихром.
ФЕРРОСИЛИКОХРОМ, см. Силикохром.
ФЕРРОСИЛИКОЦИРКОНИЙ, см. Силикоцирконий.
ФЕРРОСИЛИЦИЙ, ферросплав, осн. компоненты к-рого железо и кремний (ср. содержание Si 90, 75, 65, 45, 25 и 18%, остальное Fe и примеси); выплавляют из кварцитов (реже кварца) в мощных руднотермич. печах. Ф. применяют для раскисления и легирования стали, а богатые сорта также для восстановления металлов из окислов (см. Силикотермия).
ФЕРРОСПЛАВНОЕ ПРОИЗВОДСТВО, получение ферросплавов на специа-лизиров. з-дах чёрной металлургии. Наиболее распространён электротермич. (электропечной) способ получения ферросплавов (т. н. электроферросплавов); по виду восстановителя он разделяется на углевосстановительный, к-рым получают углеродистые ферросплавы (5-8%С) и все кремнистые сплавы, и мёталлотермический (к нему условно относят и силико-термический), к-рым получают сплавы с пониженным содержанием углерода (0,01-2,5%С).
Углевосстановительным процессом (см. Карботермия), осуществляемым гл. обр. в руднотермических печах мощностью 16,5-72 Мва, получают ферросилиций, кристаллич. кремний, силикоалюминий, силикокальций, ферросиликокальций, силикомарганец, силикохром, углеродистый ферромарганец и феррохром, феррофосфор, комплексные сплавы на кремнистой основе, а также низкофосфористый марганцевый шлак; произ-во доменных ферросплавов очень незначительно по масштабам и постоянно сокращается (бедный ферросилиций и ферромарганец), т. к. они больше загрязнены примесями и стоят дороже электроферросплавов.
Низкоуглеродистые (рафинированные) ферросплавы получают в дуговых (рафинировочных) электропечах мощностью 2,5-5,5 Мва металлотермическим способом (см. Металлотермия): силикотермическим (см. Силикотермия) - низко- и безуглеродистые сплавы марганца и хрома, феррованадий (в шихту добавляют алюминий), ферровольфрам (в шихту добавляют коксик), силикоцирконий; алюминотермическим (см. Алюминотермия) - металлический хром, безуглеродистый феррохром, феррониобий, ферробор, силикоцирконий, различные лигатуры с редкими и редкоземельными металлами.
Среднеуглеродистый феррохром получают также в конвертерах с кислородным дутьём (из углеродистого феррохрома). Для получения азотсодержащих (азотированных) сплавов марганца, хрома и ванадия применяют электропечи сопротивления и индукционные печи.
Внепечным алюминотермич. способом выплавляют ферротитан, метал-лич. хром и ванадий, внепечным сили-котермич. способом - ферромолибден (в шихту добавляют алюминий).
Примерно 97% производимых в СССР ферросплавов (без учёта феррофосфора) составляют сплавы с кремнием, марганцем и хромом. Произ-во этих сплавов материало- и энергоёмко и обычно связывается с мощными источниками рудного сырья и дешёвой электроэнергии.
Лит.: Производство ферросплавов, 2 изд., М., 1957; Рысс М. А., Производство ферросплавов, М., 1975; Щ |
