Дипломная работа: Полное магнетосопротивление ферромагнетиков

1. Метод изучения литературы.

2. Метод эксперимента (баллистический метод).

Структура работы:

Во введении показана актуальность исследования физических свойств ферромагнитных металлов и сплавов, поставлена цель и задачи исследования.

В первой главе дан краткий обзор особенностей физических свойств ферромагнетиков, в частности железоникелевых сплавов.

Во второй главе представлено краткое изложение теории гальваномагнитных явлений и их классификация.

В третьей главе даются результаты измерений и их обсуждение.

В заключении суммируются результаты и выводы работы.

Апробация работы проводилась в апреле 2006 г. на научно – практической вузовской конференции «Методологические аспекты профессиональной подготовки будущих учителей в ВУЗЕ» по секции Общей и экспериментальной физики.

Глава 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАГНЕТИКАХ

§ 1 КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНЕТИКОВ

Магнетиками называются все вещества, способные намагничиваться во внешнем магнитном поле, т. е. создавать собственное (внутреннее) магнитное поле самого вещества. Магнетики подразделяются по своим магнитным свойствам на слабомагнитные и сильномагнитные вещества. К слабомагнитным веществам относятся парамагнетики и диамагнетики. Основную группу сильномагнитных веществ составляют ферромагнетики. Слабо- и сильномагнитные вещества отличаются величиной относительной магнитной проницаемости μ . Для слабомагнитных веществ μ незначительно отличается от единицы: для парамагнетиков , для диамагнетиков . Кроме того, μ для слабомагнитных веществ не зависит от индукции B ₀ , того магнитного поля, в котором намагничиваются вещества. Для сильномагнитных веществ и зависит от B ₀ .

К парамагнетикам относятся кислород, окись азота, алюминий, платина, редкоземельные элементы, щелочные и щелочноземельные металлы и другие вещества.

Для парамагнитных веществ μ зависит от температуры и убывает с повышением ее по закону , где T -термодинамическая температура, С — постоянная Кюри, характерная для данного вещества.

Диамагнетиками являются инертные газы (гелий, аргон и др.), многие металлы (золото, цинк, медь, ртуть, серебро), вода, стекло, мрамор, многие органические соединения. Для этих веществ относительная магнитная проницаемость не зависит от температуры.

К ферромагнетикам же относится сравнительно небольшая группа твердых кристаллических тел — так называемых переходных металлов (железо, никель, кобальт, гадолиний), а также ряд сплавов. Именно эти вещества будут интересовать нас прежде всего в данной работе.

§ 2 СТРОЕНИЕ И ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФЕРРОМАГНЕТИКАХ

Рассмотрим строение атомов ферромагнитных веществ (в изолированном состоянии). Как известно, электроны в атомах занимают различные энергетические уровни, определяемые квантовыми числами. Для наглядности часто пользуются представлением о том, что в атоме имеются более или менее резко разграниченные оболочки, содержащие определенное количество электронов, обращающихся вокруг ядра. Некоторые из оболочек в свою очередь подразделяются на слои или подоболочки. В теории атома принято различные оболочки и подоболочки обозначать индексами 1 s , 2 s , 2 p , 3 s , 3р, 3 d , 4 s и т. д. При этом цифра указывает номер оболочки, а буквой обозначается подоболочка. Электроны в атоме всегда стремятся занять места в оболочках и подоболочках, лежащих ближе к ядру, как более выгодных в энергетическом отношении.

Поэтому при образовании электронных оболочек атома, как правило, сначала заполняются оболочки и подоболочки, расположенные ближе к ядру, а затем уже более удаленные. Однако есть атомы, у которых эта последовательность заполнения мест электронами нарушается, а именно: максимальное число электронов в каждой оболочке не всегда достигается к моменту начала образования следующей оболочки. Тогда в атоме появляются так называемые незаполненные оболочки и подоболочки. Элементы, состоящие из таких атомов, называются переходными; к ним принадлежат, в частности, и элементы, обладающие сильными ферромагнитными свойствами (Fe, Со, Ni, Gd).

Посмотрим теперь, каким образом устроен атом ферромагнитного металла, например железа, и какими магнитными свойствами он обладает, будучи в изолированном состоянии, а также находясь в окружении других атомов железа. Атом железа содержит 26 электронов, которые можно подразделить на четыре оболочки. Первая, самая внутренняя оболочка содержит два электрона (1 s -электроны), вторая — восемь (2 s - и 2 p -электроны), третья - 14 (3 s -, Зр-, З d -электроны) и последняя—два (4 s -электроны). При этом вторая оболочка состоит из двух (s и р ), а третья — из трех (s , p ud ) подоболочек (рис. 1).

Рис. 1. Электронные оболочки и подоболочки в атоме железа. Электроны незаполненной подоболочки 3d являются элементарными «магнитиками» железа

Третья и четвертая оболочки атома не достроены: при нормальной достройке в первой из них должно было быть 18 электронов, а во второй — 32. Недостающие четыре электрона в третьей оболочке приходятся на подоболочку 3 d . В электронных оболочках некоторые электроны имеют спины, ориентированные в одном направлении, другие — в прямо противоположном; эти направления спинов для последующего удобно обозначить положительными и отрицательными знаками. Рис. 1 показывает, сколько электронов с положительными и отрицательными спинами имеется в каждой оболочке атома железа; мы видим, что первая и вторая оболочки содержат одинаковое число электронов с положительными и отрицательными спинами. Магнитные спиновые моменты электронов в каждой из этих оболочек взаимно компенсируют друг друга так, что последние в магнитном отношении являются нейтральными.

В третьей оболочке первые две подоболочки 3 s и 3 p , как видно из рис. 1, нейтральны в магнитном отношении, тогда как в подоболочке 3d имеется пять электронов с положительным спином и один с отрицательным. Таким образом, четыре электронных спина из подоболочки 3d остаются нескомпенсированными, а, следовательно, весь атом в целом имеет определенный результирующий магнитный момент. Наружные — «валентные» — электроны атома железа, находящиеся в оболочке 4s, в общем случае также могут быть нескомпенсированы. Опыты установили, однако, что эти электроны (вообще очень слабо связанные с атомом) существенно не могут менять магнитного момента атома.

Итак, элементарными «магнитиками» являются не все электроны атома железа, а только небольшая часть их, В атомах никеля в создании магнитного момента атома принимает участие еще меньшее число электронов, чем в железе.

В изолированных атомах железа и никеля орбитальные движения электронов также дают некоторый магнитный момент. Однако если эти атомы становятся частью металла, то магнитное поле не производит заметного действия на электронные орбиты, и они почти не участвуют в создании магнитных моментов атомов. Это доказывают магнетомеханические опыты, в частности опыт Эйнштейна – де Гааза. Причины такого «замораживания» электронных орбит в атомах ферромагнитных металлов в настоящее время еще не совсем ясны.

Экспериментальные исследования показывают, что вещества, имеющие атомы с недостроенными оболочками, всегда обладают своеобразными магнитными свойствами. Согласно таблице Менделеева атомы с незаполненными оболочками имеют элементы переходной группы: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Со, Ni, Pd, Pt; редкоземельные элементы: Gd, Dy, Er, Yb и др. Эти элементы, как правило, всегда обнаруживают сильный парамагнетизм, а некоторые из них—Fe, Ni, Со и Gd — сильный ферромагнетизм.

Бросающейся в глаза особенностью ферромагнитных тел является их способность к сильному намагничиванию, вследствие которой магнитная проницаемость этих тел имеет очень большие значения. У железа, например, магнитная проницаемость достигает значений, которые в тысячи раз превосходят значения у парамагнитных и диамагнитных веществ. Намагничивание ферромагнитных тел было изучено в опытах А. Г. Столетова и других ученых.

Эти опыты показали, сверх того, что, в отличие от парамагнитных и диамагнитных веществ, магнитная проницаемость ферромагнитных веществ сильно зависит от напряженности магнитного поля, при которой производят ее измерение. Так, например, в слабых полях магнитная проницаемость, железа достигает значений 5—6 тысяч, а в сильных полях значения, падают до нескольких сот и ниже.

Для характеристики явления намагничивания вещества вводится величина I , называемая намагниченностью вещества. Намагниченность в СИ определяется формулой:

,

где μ – относительная магнитная проницаемость вещества,

- индукция магнитного поля в вакууме,

- индукция магнитного поля в веществе.