что такое магнитная восприимчивость

Магнитная восприимчивость

Содержание

Определение

Магнитная восприимчивость определяется отношением намагниченности единицы объёма вещества к напряжённости намагничивающего магнитного поля. По своему смыслу восприимчивость является величиной безразмерной.

= М/Н, где M — намагниченность вещества под действием магнитного поля, Н — напряженность магнитного поля.

Иногда бывает полезно также ввести понятие удельной магнитной восприимчивости, равной восприимчивости единицы массы вещества. В СИ удельная восприимчивость измеряется в обратных килограммах (кг −1 ). Аналогично, молярная магнитная восприимчивость определяется как восприимчивость одного моля вещества и измеряется в обратных молях (моль −1 ).

Магнитная восприимчивость некоторых веществ

Реальные объекты могут обладать как положительными, так и отрицательными магнитными восприимчивостями. Примером веществ с отрицательной восприимчивостью могут служить диамагнетики — их намагниченность по направлению противоположна приложенному магнитному полю. Положительной восприимчивостью обладают, например, парамагнетики и ферромагнетики.

В ферромагнетиках магнитная восприимчивость может достигать весьма больших значений, составляя величины от нескольких десятков до многих тысяч единиц, причём наблюдается её сильная зависимость от напряжённости приложенного поля. Поэтому для удобства используют также дифференциальную магнитную восприимчивость, равную производной намагниченности единицы объёма вещества по напряжённости поля. В отсутствие поля магнитная восприимчивость ферромагнетиков отлична от нуля и имеет некоторое положительное значение , называемое начальной магнитной восприимчивостью. С увеличением напряжённости поля величина восприимчивости растёт, пока не достигает некоего максимума , после чего вновь уменьшается. В области очень сильных полей магнитная восприимчивость ферромагнетиков (при температурах, не очень близких к точке Кюри) падает практически до нуля, сравниваясь с величиной восприимчивости обычных парамагнетиков (эта область параметров называется областью парапроцесса). Вид зависимости магнитной восприимчивости ферромагнетика от напряжённости намагничивающего поля носит название кривой Столетова и обусловлен сложными механизмами намагничивания ферромагнетиков.

Типичные значения и :

8000 (в нормальных условиях).

Зависимость от температуры

Магнитная восприимчивость большинства веществ (за исключением большей части диамагнетиков и некоторых парамагнетиков — щелочных и, в меньшей степени, щёлочноземельных металлов) обычно зависит от температуры вещества. У парамагнетиков магнитная восприимчивость уменьшается с температурой, подчиняясь закону Кюри — Вейса. У ферромагнетиков магнитная восприимчивость с ростом температуры увеличивается, достигая резкого максимума вблизи точки Кюри (см. эффект Гопкинса).

Магнитная восприимчивость антиферромагнетиков увеличивается с ростом температуры до точки Нееля, а затем падает по закону Кюри — Вейса. [2]

Магнитная восприимчивость почв

Магнитная воприимчивость почв зависит от соотношения в ней диа-, пара-, и ферромагнетиков. Она возрастает в почвах, богатых окристаллизованными оксидами железа (что характерно в верхних горизонтах почв аридных районов), резко снижена в оглееных почвах и органических горизонтах, обыкновенно снижается при возрастании выветрелости первичных пород.

Источник

Что такое магнитная восприимчивость

По природе микроносителей магнетизма и характера взаимодействия их между собой и с внешним полем все вещества можно разделить на

Обычно «диа–» и «парамагнетики» объединяются в группу слабомагнитных веществ, которые в отсутствие внешнего магнитного поля не намагничены.

В группу сильномагнитных (магнитоупорядоченных) веществ входят «ферро–» и «ферримагнетики», имеющие большую намагниченность даже в отсутствие внешнего магнитного поля, а также «антиферромагнетики», имеющие очень малую суммарную намагниченность.

Сильномагнитные (магнитоупорядоченные) вещества

Кроме «диа–» и «парамагнетиков», слабо реагирующих на внешнее магнитное поле, существуют вещества, которые сильно намагничиваются даже в малых магнитных полях. К сильномагнитным веществам относятся твердые тела, обладающие следующими свойствами:

Магнитное упорядочение

Главное отличие сильномагнитных веществ от слабомагнитных состоит в степени упорядоченности магнитных моментов. Магнитное упорядочение есть взаимное самопроизвольное (без участия внешнего магнитного поля) выстраивание магнитных моментов в веществе.

Различают следующие типы магнитного упорядочения.

Ферромагнетизм наблюдается только у таких кристаллов, в решетке которых имеются атомы с незаполненными 3d или 4f электронными оболочками, обладающие не равным нулю значением результирующего спинового магнитного момента. Такими являются железо, никель, кобальт, некоторые редкоземельные элементы их сплавы, а также соединения MnS, EuO, CrTe и др.

Обменное взаимодействие

Источник

Что такое магнитная восприимчивость

Создание высокоэффективных термоэлектрических преобразователей энергии является одной из актуальных технических задач. Исследование закономерностей изменения магнитной восприимчивости термоэлектрических материалов на основе висмута, сурьмы и теллура в зависимости от количества и типа легирующей примеси дает информацию о состоянии электронной системы кристалла и требует использования высокоточных методов, так как данные материалы обладают малой диамагнитной восприимчивостью (

Для реализации метода Фарадея в используемой установке применяются маятниковые весы, конструкция которых предложена Доменикали [1]. В неоднородном магнитном поле на тело с магнитным моментом действует сила, направленная вдоль поля и равная произведению магнитного момента образца на величину градиента поля

F_обр=M_{обр обр}, (1)

где ось ОХ совпадает с направлением .

Если образец жестко скреплен с катушкой, через которую пропускается ток I_К, создающий магнитный момент противоположный магнитному моменту образца, то можно подобрать величину этого тока таким образом, чтобы скомпенсировать силу, действующую на образец. Таким образом, маятниковые весы вернутся в положение равновесия, если сила F_К, действующая на катушку,

F_K = I_к NS _K (2)

равна по величине и противоположна по направлению силе, действующей на образец F_обр :

σ_обр =. (4)

Описанная выше методика измерения магнитной восприимчивости термоэлектрических материалов используется в температурном интервале 80-400К. Относительная погрешность весового метода для маятника с внутренней компенсацией при измерениях магнитной восприимчивости диамагнитных образцов составляет 3-4 %.

Описанная методика изучения магнитных свойств вещества использовалась для исследования полевых зависимостей намагниченности и магнитной восприимчивости легированных кристаллов теллурида висмута и сплавов висмут-сурьма. Магнитная восприимчивость χ кристаллов теллурида висмута определялась в двух конфигурациях, при ориентации вектора напряженности магнитного поля Н параллельно (χ_║) и перпендикулярно (χ_┴) плоскости скола кристалла, Н┴С и Н║С соответственно. Результаты исследования магнитной восприимчивости χ_║ и χ_┴ кристаллов Bi₂Te₃ и твердых растворов Bi₂Te₃— Bi₉₇Sb₃Sn_0.02 приведены в таблице.

Таблица 1. Результаты исследования магнитной восприимчивости χ_║ и χ_┴ кристаллов Bi₂Te₃ и твердых растворов Bi₂Te₃— Bi₉₇Sb₃Sn_0.02

Источник

Научная электронная библиотека

Бичурин М И, Петров В М,

4.1. Влияние постоянного электрического поля на магнитную восприимчивость

Данный раздел посвящен влиянию постоянного электрического поля на магнитную восприимчивость. Теория предсказывает резонансную зависимость магнитной восприимчивости от электрического поля. Далее рассматривается методика вычисления МЭ коэффициентов с учетом влияния подложки и изгибных деформаций образца.

Изучение высокочастотной восприимчивости композита имеет важное значение для практического использования МЭ эффекта. Взаимодействие электрической и магнитной подсистем в композите может быть описано путем введения MЭ восприимчивости. В общем случае, МЭ восприимчивость определяется следующими соотношениями [43, 45].

(29)

где Р – электрическая поляризация; М – намагниченность;
Е и Н – напряженности внешних электрического и магнитного полей, cE и cM – электрическая и магнитная восприимчивости, а cEM и cME – МЭ восприимчивости, причем Р, М, Е и Н в (29), как правило, содержат переменную и постоянную составляющие. Например, P = P0 + p exp(iωt).

Для СВЧ диапазона МЭ восприимчивость определяется выражениями:

(30)

В уравнении (30) восприимчивости зависят от постоянных полей. Рассмотрим тензор магнитной восприимчивости композита, в который вносит вклад MЭ взаимодействие [41, 42, 43]. Образец подвергается влиянию постоянных электрического и магнитного полей и переменного магнитного поля. Плотность термодинамического потенциала можно записать в виде:

где W0 – плотность термодинамического потенциала при Е = 0, а

(32)

где B_ikn и b_ijkn– линейная и билинейная MЭ константы, соответственно. Число независимых составляющих определяется структурой материала. Для поляризованных композитов основной вклад в WМE вносит линейная MЭ константа Bikn. Если композит не поляризован, то билинейная MЭ константа является доминирующей. Обе MЭ константы (линейная и билинейная) важны, если композит поляризован частично [45]. Воспользуемся методом эффективных размагничивающих факторов [45], чтобы решить линейное уравнение движения намагниченности и получить следующее выражение для магнитной восприимчивости:

(33)

Здесь γ – магнитомеханическое отношение; ω – угловая частота;
–размагничивающие факторы, описывающие эффективные поля магнитной анизотропии, 1′, 2′, 3′ является системой координат, в которой ось 3′ направлена вдоль равновесной намагниченности. В уравнении (33) суммирование ведется по всем видам магнитной анизотропии. MЭ взаимодействие соответствует дополнительному слагаемому (i = Е) [49, 50].

(34)

где β является матрицей направляющих косинусов осей (1′, 2′, 3′) по отношению к кристаллографической системе координат (1, 2, 3).

(35)

Уравнение (35) позволяет определить МЭ константы композита и, следовательно, интерпретировать полученные данные о резонансном ME эффекте. Далее находим общее выражение для тензора магнитной восприимчивости феррит-пьезоэлектрического композита, рассматривая структуру с симметрией 3m или 4mm. В этом случае уравнение (32) имеет вид:

(36)

где b66 = (b11 – b12)/2 для точечной группы симметрии 3m и B22 = b14 = b41 = 0 для 4mm. Будем считать, что матрица направляющих косинусов имеет вид

(37)

где Θ – угол между равновесной намагниченностью и осью симметрии кристалла. Рассмотрим образец в форме диска в базисной плоскости с одноосной магнитной анизотропией. В этом случае получаем из уравнений (34), (35) и (36):

(38)

Подставляя выражение (37) в уравнение (34) можно получить выражение для компонентов тензора магнитной восприимчивости.
Рассмотрим частный случай электрического поля, направленного вдоль оси симметрии структуры, т. е. Е01 = 0 = Е02, Е03 = E0 и получим

(39)

Для дискового образца, намагниченного вдоль оси симметрии, уравнения (5) и (39) запишутся в виде

(40)

Положим, что потери энергии в уравнении движения намагниченности записываются как iwa(M0•m)/M0, где a – параметр диссипации. Тогда компоненты тензора магнитной восприимчивости являются комплексными величинами:

(41)

Как следует из формул (33) и (40), зависимость магнитной восприимчивости от внешнего постоянного электрического поля имеет резонансный характер. Характер этой зависимости можно объяснить тем, что посредством MЭ взаимодействия внешнее электрическое поле приводит к изменению эффективного магнитного поля Heff в уравнении (40)

Изменение возникает благодаря механической связи пьезоэлектрической и магнитострикционной фаз, и феноменологически описано MЭ константами Bikn и bijkn в формулах (3) и (4). Таким образом, изменение внешнего постоянного электрического поля действует так же, как изменение магнитного поля и приводит к резонансной зависимости. Выражения для компонентов восприимчивости могут быть получены с помощью размагничивающих факторов, в соответствии с уравнением (33).

Рис. 17 показывает зависимость действительных и мнимых частей магнитной восприимчивости от статического магнитного поля для слоистых образцов ФЛ-ЦТС, ФН-ЦТС и ЖИГ-ЦТС. Результаты указаны для двухслойного диска на частоте 9,3 ГГц для перпендикулярно направленных полей Н и Е. Диапазон статического поля выбирается так, чтобы включить в него ФМР в феррите. При приложении E = 300 кВ/см наблюдается сдвиг резонансного магнитного поля в сторону меньших значений. Величина сдвига определяется МЭ константами, которые в свою очередь, сильно зависят от констант магнитострикции. Большая
магнитострикция ФН приводит к относительно сильному сдвигу резонансного поля, индуцированному электрическим полем, в структуре ФН-ЦТС по сравнению с ЖИГ-ЦТС. Сдвиг также связан с шириной резонансной линии. Это может быть объясняется тем, что ширина резонансной линии зависит от эффективного поля анизотропии, которое зависит от магнитострикции.

Рис. 17. Теоретическая зависимость действительной (а) и мнимой(б) частей магнитной восприимчивости от подмагничивающего поля для двухслойных структур ФЛ-ЦТС (кривые 1 и 2), ФН– ЦТС (кривые 3 и 4)
и ЖИГ– ЦТС (кривые 5 и 6) для частоты 9,3 GHz.
Кривые 1, 3 получены при E = 0, кривые 2, 4 – для E = 300 kV/cm.

Рис. 18 показывает расчетные действительную и мнимую части магнитной восприимчивости как функции приложенного электрического поля на частоте 9,3 ГГц. Постоянное магнитное поле устанавливается равным резонансному полю. Таким образом, рис. 18 иллюстрирует резонансную зависимость компонентов магнитной восприимчивости от постоянного электрического поля. Ширина резонанса измеряется в единицах электрического поля и обратно пропорциональна параметру 2M0(B31 – B33). Как следует из уравнения (40), узкий резонанс свидетельствует о сильном МЭ эффекте в композиционных материалах. В частности, двухслойная структура ФН-ЦТС показывает более узкую резонансную линию, чем структура ЖИГ-ЦТС. Рис. 17 и 18 представляют собой магнитные спектры композитов, полученные при использовании соответственно магнитной и электрической разверток.

Рис. 18. Теоретическая зависимость действительной (а) и мнимой(б) частей магнитной восприимчивости от постоянного электрического поля для двухслойных структур ФЛ-ЦТС (кривые 1 и 2), ФН– ЦТС (кривые 3 и 4) и ЖИГ– ЦТС (кривые 5 и 6) для частоты 9,3 GHz. Кривые 1, 3 получены при E = 0, кривые 2, 4 – для E = 300 kV/cm

Источник