Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Магниттік құбылыстың түрі
Type of magnetic phenomenon
Ферримагниттік материал – магниттік моменттері бір-біріне қарама-қарсы бағытталған атомдар популяциясы бар материал, антиферромагнетизмдегідей, бірақ бұл моменттердің шамасы тең емес, сондықтан спонтанды магниттелу сақталады. Мысалы, бұл популяциялар әртүрлі атомдардан немесе иондардан (мысалы, Fe2+ және Fe3+) тұрған кезде болуы мүмкін. Ферромагниттік заттар сияқты, ферримагниттік заттар да магниттерге тартылады және тұрақты магниттер жасау үшін магниттелуге болады. Ең ерте белгілі магниттік зат, магнетит (Fe3O4), Луи Нель 1948 жылы ферримагнетизмді ашқанға дейін ферромагнит ретінде жіктелетін. Осы жаңалықтан бері ферримагниттік материалдарды қолданудың көптеген салалары табылды, мысалы, қатты дискілердің дискілері және биомедициналық қолданыстар.
A ferrimagnetic material is a material that has populations of atoms with opposing magnetic moments, as in antiferromagnetism, but these moments are unequal in magnitude, so a spontaneous magnetization remains. This can for example occur when the populations consist of different atoms or ions (such as Fe2+ and Fe3+). Like ferromagnetic substances, ferrimagnetic substances are attracted by magnets and can be magnetized to make permanent magnets. The oldest known magnetic substance, magnetite (Fe3O4), was classified as a ferromagnet before Louis Néel discovered ferrimagnetism in 1948. Since the discovery, numerous uses have been found for ferrimagnetic materials, such as hard drive platters and biomedical applications.
Тарих
ХХ ғасырға дейін барлық табиғи магниттік заттар ферромагниттер деп аталды. 1936 жылы Луи Нель антиферромагнетизм деп аталатын кооперативтік магнетизмнің жаңа түрінің бар екендігін ұсынған мақала жариялады. Mn2Sb-мен жұмыс істеген кезде француз физигі Шарль Гийо магниттік күш туралы қазіргі теориялардың материалдың әрекетін түсіндіруге жеткіліксіз екенін анықтады және оның әрекетін түсіндіру үшін модель жасады. 1948 жылы Нель Гийоның моделіндегі болжамдарға негізделген кооперативтік магнетизмнің үшінші түрі туралы мақала жариялады. Ол оны ферримагнетизм деп атады. 1970 жылы Нель магнетизмдегі еңбегі үшін физика саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды.
Until the twentieth century, all naturally occurring magnetic substances were called ferromagnets. In 1936, Louis Néel published a paper proposing the existence of a new form of cooperative magnetism he called antiferromagnetism. While working with Mn2Sb, French physicist Charles Guillaud discovered that the current theories on magnetism were not adequate to explain the behavior of the material, and made a model to explain the behavior. In 1948, Néel published a paper about a third type of cooperative magnetism, based on the assumptions in Guillaud's model. He called it ferrimagnetism. In 1970, Néel was awarded for his work in magnetism with the Nobel Prize in Physics.
Физикалық шығу тегі
Ферримагнетизмнің физикалық себептері ферромагнетизм мен антиферромагнетизмге ұқсас. Ферримагниттік материалдардағы магниттелу Паулидің тыйым салу принципінен туындайтын диполь-дипольдік және алмасу өзара әрекеттесулердің комбинациясынан пайда болады. Басты айырмашылық – ферримагниттік материалдарда материалдың элементар жасушасында әртүрлі типтегі атомдар болады. Бұған мысал жоғарыдағы суретте көрсетілген. Суретте кішкентай магниттік моменті бар атомдар үлкен моменті бар атомдардың бағытына қарама-қарсы бағытталған. Бұл құрылым антиферромагниттік материалдардағы құрылымға ұқсас, бірақ ферримагниттік материалдардағы жалпы момент нөлге тең емес, себебі қарама-қарсы бағытталған моменттердің шамасы әртүрлі. Ферримагниттерде белгілі бір сын температурасы бар, одан жоғары температурада олар ферромагниттер сияқты парамагниттікке айналады. Бұл температура (Кюри температурасы деп аталады) екінші реттік фазалық өтуге алып келеді, және жүйе енді спонтанды магниттелуді сақтай алмайды. Өйткені жоғары температурада жылулық қозғалыс дипольдердің бағытталу тенденциясын басып кетеді.
Ferrimagnetism has the same physical origins as ferromagnetism and antiferromagnetism. In ferrimagnetic materials the magnetization is also caused by a combination of dipole–dipole interactions and exchange interactions resulting from the Pauli exclusion principle. The main difference is that in ferrimagnetic materials there are different types of atoms in the material's unit cell. An example of this can be seen in the figure above. Here the atoms with a smaller magnetic moment point in the opposite direction of the larger moments. This arrangement is similar to that present in antiferromagnetic materials, but in ferrimagnetic materials the net moment is nonzero because the opposed moments differ in magnitude. Ferrimagnets have a critical temperature above which they become paramagnetic just as ferromagnets do. At this temperature (called the Curie temperature) there is a second order phase transition, and the system can no longer maintain a spontaneous magnetization. This is because at higher temperatures the thermal motion is strong enough that it exceeds the tendency of the dipoles to align.
Температураның әсері
Ферромагнетизмнен өзгеше, ферримагнетизмнің магниттелу қисықтары өзара әрекеттесу күшіне және атомдардың салыстырмалы мөлшеріне қарай түрлі пішінге ие болуы мүмкін. Осы қасиеттің ең айқын мысалдары – ферримагниттік материалды абсолюттік нөлден оның өтімді температурасына дейін қыздырғанда магниттелу бағытының кері өзгеруі, сондай-ақ ферримагниттік материалды өтімді температураға дейін қыздырғанда магниттелу күшінің артуы. Бұл екі құбылыс ферромагниттік материалдарда байқалмайды. Бұл температуралық тәуелділіктер NiFe2/5Cr8/5O4 және Li1/2Fe5/4Ce5/4O4 материалдарында тәжірибе жүзінде де анықталған. Кюри температурасынан төмен, бірақ қарама-қарсы магниттік моменттер тең болатын (соның салдарынан, жалпы магниттік моменті нөлге тең болатын) температура, магниттелу компенсациялық нүктесі деп аталады. Бұл компенсациялық нүкте гранаттар мен сирек кездесетін жер металдары – өткіш металл қорытпаларында (RE TM) оңай байқалады. Бұдан өзге, ферримагниттерде бұрыштық импульс компенсациялық нүктесі де болуы мүмкін, онда жалпы бұрыштық импульс жоғалады. Бұл компенсациялық нүкте магниттік жад құрылғыларында магниттелуді жылдам өзгерту үшін маңызды рөл атқарады.
Unlike ferromagnetism, the magnetization curves of ferrimagnetism can take many different shapes depending on the strength of the interactions and the relative abundance of atoms. The most notable instances of this property are that the direction of magnetization can reverse while heating a ferrimagnetic material from absolute zero to its critical temperature, and that strength of magnetization can increase while heating a ferrimagnetic material to the critical temperature, both of which cannot occur for ferromagnetic materials. These temperature dependencies have also been experimentally observed in NiFe2/5Cr8/5O4 and Li1/2Fe5/4Ce5/4O4. A temperature lower than the Curie temperature, but at which the opposing magnetic moments are equal (resulting in a net magnetic moment of zero) is called a magnetization compensation point. This compensation point is observed easily in garnets and rare earth–transition metal alloys (RE TM). Furthermore, ferrimagnets may also have an angular momentum compensation point, at which the net angular momentum vanishes. This compensation point is crucial for achieving fast magnetization reversal in magnetic memory devices.
Сыртқы өрістердің әсері
Ферримагниттер сыртқы магнит өрісіне ұшыраған кезде, магниттік гистерезис деп аталатын құбылысты көрсетеді, онда магниттік мінез-құлық магниттің бұрынғы тарихына байланысты болады. Олар сондай-ақ қанығу магниттелуін көрсетеді; бұл магниттелу сыртқы өріс барлық моменттерді бір бағытта бағытталғанша күшті болған кезде жетеді. Осы нүктеге жеткенде, магниттелу арта алмайды, себебі бағытталуға басқа моменттер қалмайды. Сыртқы өріс алынғанда, ферримагниттің магниттелуі жоғалып кетпейді, бірақ нөлдік емес магниттелу сақталады. Бұл эффект көбінесе магниттерді қолдануда пайдаланылады. Егер сыртқы өріс кері бағытта қолданылса, магнит одан әрі демагнетиттендіріледі, соңында магниттелу нөлге жетеді. Осы мінез-құлық гистерезис цикл деп аталады.
When ferrimagnets are exposed to an external magnetic field, they display what is called magnetic hysteresis, where magnetic behavior depends on the history of the magnet. They also exhibit a saturation magnetization ; this magnetization is reached when the external field is strong enough to make all the moments align in the same direction. When this point is reached, the magnetization cannot increase, as there are no more moments to align. When the external field is removed, the magnetization of the ferrimagnet does not disappear, but a nonzero magnetization remains. This effect is often used in applications of magnets. If an external field in the opposite direction is applied subsequently, the magnet will demagnetize further until it eventually reaches a magnetization of This behavior results in what is called a hysteresis loop.
Қасиеттері мен қолданылуы
Ферримагниттік материалдар жоғары кедергіге ие және анизотроптық қасиеттерімен сипатталады. Анизотропия, негізінен, сыртқы қолданылған өріс арқылы туындайды. Бұл қолданылған өріс магниттік дипольдермен бағытталғанда, ол жалпы магниттік диполь моментін тудырады және магниттік дипольдерді қолданылған өріспен бақыланатын Лармор немесе прецессия жиілігінде прецессияға келтіреді. Мысалы, микротолқындық сигнал, егер оның поляризациясы осы прецессия бағытында болса, магниттік диполь моменттерімен күшті өзара әрекеттеседі; ал кері бағытта поляризацияланғанда өзара әрекеттесу өте әлсіз болады. Өзара әрекеттесу күшті болған жағдайда, микротолқындық сигнал материалдан өте алады. Осы бағыттық қасиет микротолқынды құрылғылар, мысалы, изоляторлар, циркуляторлар және гираторлар жасауда қолданылады. Ферримагниттік материалдар оптикалық изоляторлар мен циркуляторларды жасау үшін де қолданылады. Жер және басқа планеталардың ежелгі геомагниттік қасиеттерін зерттеу үшін әртүрлі тау жыныстарындағы ферримагниттік минералдар пайдаланылады. Бұл зерттеу саласы палеомагнетизм деп аталады. Бұған қоса, магнетит сияқты ферримагниттерді жылу энергиясын сақтау үшін қолдану мүмкіндігі дәлелденді.
Ferrimagnetic materials have high resistivity and have anisotropic properties. The anisotropy is actually induced by an external applied field. When this applied field aligns with the magnetic dipoles, it causes a net magnetic dipole moment and causes the magnetic dipoles to precess at a frequency controlled by the applied field, called Larmor or precession frequency. As a particular example, a microwave signal circularly polarized in the same direction as this precession strongly interacts with the magnetic dipole moments; when it is polarized in the opposite direction, the interaction is very low. When the interaction is strong, the microwave signal can pass through the material. This directional property is used in the construction of microwave devices like isolators, circulators, and gyrators. Ferrimagnetic materials are also used to produce optical isolators and circulators. Ferrimagnetic minerals in various rock types are used to study ancient geomagnetic properties of Earth and other planets. That field of study is known as paleomagnetism. In addition, it has been shown that ferrimagnets such as magnetite can be used for thermal energy storage.
Мысалдар
Ең көне белгілі магниттік материал – магнетит – ферримагниттік зат. Оның кристалдық құрылымындағы тетраэдрлік және октаэдрлік орындар қарама-қарсы спинге ие. Басқа белгілі ферримагниттік материалдарға иттрий темір гранаты (YIG), алюминий, кобальт, никель, марганец және мырыш сияқты басқа элементтермен темір оксидтерінен тұратын кубтық ферриттер, сондай-ақ гексагонды немесе спинельдік типтегі ферриттер, оның ішінде рений ферриті ReFe2O4, PbFe12O19 және BaFe12O19, сонымен қатар пирротит Fe1−xS жатады. Ферримагнетизм жеке молекулалық магниттерде де кездеседі. Классикалық мысал – Mn(IV) металл орталықтары мен Mn(III) және Mn(II) металл орталықтары арасындағы антиферромагниттік өзара әрекеттесу нәтижесінде пайда болған S = 10 тиімді спиніне ие он ядролы марганец молекуласы.
The oldest known magnetic material, magnetite, is a ferrimagnetic substance. The tetrahedral and octahedral sites of its crystal structure exhibit opposite spin. Other known ferrimagnetic materials include yttrium iron garnet (YIG); cubic ferrites composed of iron oxides with other elements such as aluminum, cobalt, nickel, manganese, and zinc; and hexagonal or spinel type ferrites, including rhenium ferrite, ReFe2O4, PbFe12O19 and BaFe12O19 and pyrrhotite, Fe1−xS. Ferrimagnetism can also occur in single molecule magnets. A classic example is a dodecanuclear manganese molecule with an effective spin S = 10 derived from antiferromagnetic interaction on Mn(IV) metal centers with Mn(III) and Mn(II) metal centers.