Контрольные вопросы

1. Перечислить и охарактеризовать методы измерения намагниченности.

2. Рассказать об устройстве и принципе действия вибрационного магнитометра.

3. Основные магнитные характеристики вещества в постоянном магнитном поле.

4. Кривая намагничивания ферромагнетика.

5. Виды магнетизма. Магнетизм веществ, не обладающих атомным магнитным порядком. Магнитоупорядоченные материалы.

6. Размагничивающее поле образца и размагничивающий фактор.

7. Использование эффекта Холла для измерения напряженности постоянного и переменного магнитных полей.

/Л. 1; 2; 3; 4/

Лабораторная работа № 2 Исследование магнитных фазовых переходов в редкоземельных металлах и сплавах на их основе

Цель работы: определение по температурной зависимости намагниченности тяжелых редкоземельных материалов температуры фазовых переходов.

Используемое оборудование и материалы: вибрационный магнитометр, образцы редкоземельных материалов.

Теоретическая часть

В последние годы в технике все больше начинают использоваться редкоземельные магнитные материалы, свойства которых превосходят свойства материалов на основе железа или никеля. Как показали многочисленные исследования, большинство редкоземельных металлов магнитно упорядочивается при низких температурах. При этом в них обнаружены наряду с коллинеарными ферромагнитными и антиферромагнитными сложные неколлинеарные структуры типа геликоидальной, ферромагнитной спирали, циклоидального упорядочения. При изменении температуры в редкоземельных металлах обычно происходит переход от одной структуры к другой. Возникновение столь сложных магнитных структур обусловлено «конкуренцией» обменных взаимодействий ближних и дальних атомных соседей и связано с дальнодействующим характером обменного взаимодействия через электроны проводимости.

В табл. 1 приведены данные о магнитных структурах некоторых тяжелых редкоземельных металлов и температурные области существования этих структур (тяжелыми принято называть элементы второй половины группы лантанидов). Редкоземельные металлы имеют в магнитоупорядоченном со-стоянии намагниченность насыщения, значительно большую, чем намагниченность ферромагнетиков группы железа. Такая большая величина намагниченности обусловлена тем, что в редкоземельных металлах, в отличие от металлов группы железа, орбитальный момент не «заморожен» и принимает участие в создании полного магнитного момента, а также тем, что суммарные спиновые моменты атомов редкоземельных металлов больше, чем у металлов группы железа.

Большая величина намагниченности насыщения редкоземельных металлов позволяет в принципе использовать их в качестве сердечников для электромагнитов, работающих при низких температурах, например, сердечников сверхпроводящих магнитов. Однако, техническому применению чистых

Таблица 1

Магнитные структуры и области их существования

Гадолиний (Gd)	Коллинеарный ферромагнетик при Т≤ 298 К
Тербий (ТЬ)	Коллинеарный ферромагнетик при Т ≤ 219 К		Антиферромагнитный геликоид при 219 К ≤ Т ≤ 230 К
Диспрозий (Dy)	Коллинеарный ферромагнетик при Т ≤ 85 К		Антиферромагнитный геликоид при 85 К ≤ Т ≤ 174 К
Гольмий (Но)	Ферромагнитный геликоид при Т ≤ 20 К		Антиферромагнитный геликоид при 20 К ≤ Т ≤ 133 К
Эрбий (Ег)	Ферромагнитный геликоид при Т ≤ 20 К	Циклоидальная структура при 20 К≤ Т ≤ 53 К			Синусоидальная структура при 53 К ≤ Т 85К
Тулий (Тm)	Коллинеарный ферромагнетик при Т ≤ 25 К			Синусоидальная структура при 25 К≤ Т ≤ 60 К

редкоземельных металлов мешает их огромная анизотропия. Для большинства редкоземельных металлов (диспрозий, тербий, гольмий, эрбий) магнитное насыщение в направлении трудного намагничивания достигается только в полях порядка миллиона эрстед, поэтому в поликристаллических материалах, состоящих из хаотически ориентированных кристаллитов, не удается практически добиться полного магнитного насыщения, а монокристаллы редких земель пока весьма дороги.

Другая интересная особенность редкоземельных металлов - необычайно большая магнитострикция, на два-три порядка превышающая магнитострикцию металлов группы железа. В тербии и диспрозии при температуре жидкого азота магнитострикция имеет порядок 10^-3, тогда как в никеле при этой температуре λ~4·10^-5 (при комнатной температуре у никеля магнитострикция почти та же). Однако использование столь большой магнитострикции чистых редкоземельных металлов затруднено из-за низких температур магнитного упорядочения.

Магнитные фазовые переходы в редкоземельных металлах и их сплавах можно разделить на следующие основные типы:

1. фазовый переход из парамагнитного состояния в магнитоупорядоченное (в ферромагнитное при температуре Кюри либо в антиферромагнитное при температуре Нееля);

2. спин-переориентационные переходы, к которым следует отнести: а) переходы из антиферромагнитного состояния с геликоидальной, спиральной или другой периодической структурой в ферромагнитное состояние; б) спин-переориента-ционные переходы вследствие изменения величины и знака констант магнитной анизотропии; в) спин-переориентацион-ные переходы вблизи температуры Кюри анизотропных ферромагнитных металлов и сплавов в магнитном поле, направленном вдоль оси трудного намагничивания.

Температурная зависимость намагниченности диспрозия при Н||а и Н||b имеет обычный «вейссовский» характер в сильных магнитных полях, превышающих максимальное критическое магнитное поле H_кр=11 кЭ. В магнитном поле Н< (Н_кр)_макс, приложенном в базисной плоскости, при нагревании диспрозия происходит резкое уменьшение намагниченности при температуре θ₁(Н) (рис. 1). Температура θ₁(Н) соответствует переходу из ферромагнитной фазы в антиферромагнитную. Чем больше магнитное поле, тем выше температура θ₁(Н). При Н → 0, θ₁(Н) → θ₁(0) = 85 К. Дальнейшее нагревание образца диспрозия приводит к появлению максимума на кривой температурной зависимости намагниченности в точке θ₂=179 К, где происходит фазовый переход из антиферромагнитного состояния в парамагнитное.

Кривая намагничивания монокристалла Dy, измеренная в поле, приложенном в базисной плоскости вдоль направления легчайшего намагничивания, приведена для Т=130 К на рис. 2.

Рис.1. Температурная зависимость удельной намагниченности монокристалла диспрозия в базисной плоскости (вдоль оси а) при различных магнитных полях: 1) 1 кЭ; 2) 4 кЭ; 3) 7 кЭ, 4) 10 кЭ; 5) 12 кЭ.

Анализ процессов намагничивания в этом случае можно провести основываясь на нейтронографических данных и теоретических вычислениях, выполненных на основе модели молекулярного поля (результаты расчета представлены на рис. 2 пунктирной линией, ориентации магнитных моментов в базисных плоскостях изображены стрелками).

Рис.2 Кривая намагничивания монокристалла диспрозия, измеренная при Т =130 К в поле, приложенном вдоль оси а: экспериментальная кривая - сплошная линия; теоретическая - пунктирная линия.

Если H<H_кр, то магнитное поле приводит к небольшой деформации геликоидальной магнитной структуры, вызывая поворот магнитных моментов слоев на небольшой угол по направлению к полю. Здесь намагниченность невелика, а восприимчивость не зависит от поля.

При значении магнитного поля, равном критическому H_кр, происходит скачкообразный переход от деформированной геликоидальной структуры к веерообразной магнитной структуре, близкой к ферромагнитной, но с небольшими колебаниями магнитных моментов около направления поля.

Если приложить еще более сильное магнитное поле H₀≈2H_кр, то все магнитные моменты устанавливаются параллельно полю. На рис. 2 схематически представлено расположение магнитных моментов в базисных плоскостях для различных участков кривой намагничивания.

Гольмий обнаруживает похожие на диспрозий магнитные переходы в магнитных полях в области существования геликоидальной антиферромагнитной структуры в интервале температур θ₁ – θ₂. Температура перехода парамагнетизм - антиферромагнетизм θ₂=130 К. Однако вблизи θ₁=19 К переход в ферромагнитное состояние происходит через сложную последовательность промежуточных неколлинеарных структур. Разрушение ферромагнитной спирали, существующей в гольмии при T<θ₁, в магнитном поле Н||а и Н||Ь также имеет довольно сложный характер.

Особенности магнитного поведения эрбия и тулия по сравнению с ТЬ, Dу и Но состоят в том, что в этих металлах магнитная анизотропия стремится ориентировать магнитные моменты вдоль гексагональной оси c.

На рис. 3 представлены кривые намагничивания эрбия при 4,2 К. Если поле приложено вдоль гексагональной оси с, то происходит постепенное «захлопывание» раствора конуса ферромагнитной спирали, которое продолжается даже в полях выше чем 150 кЭ. В поле, приложенном в базисной плоскости Н||а, имеет место резкий переход при H=17 кЭ, затем при H>17 кЭ реализуется сложная магнитная структура и только в сильных полях H>150 кЭ магнитные моменты ориентируются параллельно друг другу. Согласно нейтронографическим исследованиям при H>17 кЭ и T=4 К в эрбии реализуется веерная магнитная структура.

Р ис. 3. Кривые намагничивания монокристалла эрбия при 4,2 К, измеренные вдоль осей а(V), б(О) и с(∆).