Антиферромагнетики. Теория Нееля. Ферримагнетики.

Антиферромагнетики отличаются от ферромагнетиков знаком обменного интеграла. Если для ферромагнетиков J > 0, то для антиферромагнетиков J < 0 и для них более выгодной оказывается антипараллельная ориентация спинов (рис.1б). Магнитную структуру АФ-магнетика можно представить состоящей из двух "магнитных подрешеток", вложенных одна в другую. Суммарные намагниченности подрешеток равны по абсолютной величине и противоположны по знаку, поэтому общая намагничен­ность антиферромагнетика равна нулю в не очень сильных внеш­них полях. В сильных внешних полях наблюдается поворот на некоторый угол спинов в той подрешетке, в которой они направлены против поля, и появляется слабая намагниченность.

Для АФ-магнетиков также существует определенная температу­ра - температура Нееля T_N , выше которой магнитное упорядочение разрушено тепловым движением, и вещество ведет себя как парамагнетик.

Теория антиферромагнетизма была построена в 1948 году Неелем на основе модели обменного поля. Согласно теории Нееля, вводятся обменные поля для каждой из подрешеток (обо­значим их а- и b-подрешетки):

, (13)

где - «внутриподрешеточные», - «межподрешеточные» множители Вейсса, причем . Внутриподрешеточные множители Вейсса обычно, но не всегда, меньше межподрешеточных. Обозначим их , где величины a и b меньше единицы.

Для намагниченности подрешеток аналогично (7) запишем:

, (14)

где М_а0, M_b0 - намагниченности насыщения подрешеток.

При высоких температурах, когда

, получим

(15)

где С_а, С_b -постоянные Кюри для подрешеток:

, . (16)

После преобразований получаем из (15)

; , (17)

где , .

Суммарная намагниченность подрешеток а и b

. (18)

Отсюда магнитная восприимчивость

. (19)

При , т.е. .

Теперь из уравнения

(20)

можно найти температуру Нееля

. (21)

Ферримагнетики по своей магнитной структуре похожи на анти­ферромагнетики, но намагниченности подрешеток а и b в них различны по абсолютной величине, поэтому суммарная намагниченность ферримагнетика не равна нулю. Отличие М_a от М_b возникает или из-за того, что в разных подрешетках нахо­дятся разные магнитные ионы, или из-за различного количества одних и тех же ионов в подрешетках а и b. Так как при выводе формулы (21) мы не накладывали никаких предварительных условий на величины, входящие в нее, то эта же формула будет справедлива и для температуры магнитного фазового перехода в ферримагнетиках.

Контрольные вопросы к работе «Магнитное упорядочение и магнитный фазовый переход в магнетиках»

1. Что общего и чем отличаются друг от друга ферримагнетики и антиферромагнетики?

2. Что такое «обменное поле» и какова его природа?

3. Как обменное взаимодействие зависит от расстояния?

4. Что такое «магнитная подрешетка»?

5. Сколько магнитных подрешеток может быть у ферримагнетика?

Описание установки

Внешний вид установки для измерения температуры магнитного фазового перехода (температуры Кюри) приведен на рисунках 2-5.

Лабораторная установка состоит из прибора «Измеритель иммитанса Е7-20»(1), печки (2) с блоком питания (3), цифрового вольтметра (4) для регистрации э.д.с. термопары. Внутри печки находится катушка, в которой в качестве сердечника помещен исследуемый образец. Принцип измерения температуры Кюри основан на измерении индуктивности катушки с образцом при сканировании по температуре в цикле нагревания и охлаждения образца. При переходе через температуру Кюри в цикле нагрева индуктивность катушки уменьшится, а при охлаждении восстановится до прежнего значения.

Рис. 2. Внешний вид установки для измерения температуры магнитного фазового перехода (температуры Кюри)