Электрические свойства диэлектриков

В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена в основном перемещением ионов. При низких температурах передвигаются слабосвязанные примесные ионы, при высоких – также ионы кристаллической решетки. Электропроводность диэлектриков, имеющих атомную или молекулярную решетку, определяется только движением примесных ионов. Их удельная электропроводность существенно ниже, чем материалов с ионным строением.

В твердых диэлектриках различают два вида электропроводности:

_· удельную объемную электропроводность γ_v=1/ p _v, Oм^-1·м^-1;

_· удельную поверхностную электропроводность γ _S =1/ p_S, Oм^-1.

Объемная электропроводность (p_V) определяет возможность протекания тока через толщу материала. Она измеряется в Ом·м. Поверхностное электросопротивление (р_S) определяет возможность протекания тока по ее поверхности. Оно характеризует состояние поверхностного слоя эиэлектрика (его увлажненность или загрязненность) и измеряется в Ом.

Сопротивление изоляции определяется как результирующее двух сопротивлений – объемного и поверхностного, включенных паралелльно друг другу:

R _из= R_VR_S/ (R_V+R_S) (1.30)

 

Для тела с постоянным сечением S и длиной l объемное сопротивление определяется по формуле:

 

R_V=p_Vl/S (1.31)

откуда:

p_V=R_VS/l (1.32)

 

Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата, выделенного на поверхности материала, если ток проходит через две противоположные стороны этого квадрата. Удельное поверхностное сопротивление рассчитывается по формуле

 

ρ _S=R_Sd/l (1.33)

 

где d – ширина параллельно установленных электродов; l – расстояние между ними.

Удельная объемная электропроводность выражается известной формулой:

 

γ _V=nuq (1.34)

 

где n, u, q – соответственно концентрация, подвижность, заряд свободных ионов.

Величина γ _V находится в экспоненциальной зависимости от температуры (поскольку п и и зависят от температуры экспоненциально):

 

γ _V=A exp() (1.35)

где W–энергия активации электропроводности; А – постоянная материала.

Так как носителями заряда являются и собственные, и примесные ионы с энергиями активации W_соб и W_пр, то

 

γ _V=A₁ exp()+ A₂ exp() (1.36)

 

Этой формуле соответствует линейная зависимость lnγ _V от обратной температуры (1 /T) (рис.1.4).

lnγ

 

 

А

 

 

Рисунок 1.4. – Температурная зависимость удельной объемной электропроводности диэлектрика

 

Высокотемпературная область (левее излома) соответствует области собственной электропроводности, низкотемпературная – примесной. Углы наклона участков прямой к оси абсцисс позволяют определить энергию активации носителей заряда и тип электропроводности (собственный или примесный), а отрезки, отсекаемые на оси абсцисс продолжением этих участков, – температурные интервалы областей собственной и примесной электропроводности.

В инженерных расчетах часто пользуются формулой =В exp , где В и b- постоянные материала.

Причем постоянная b равна (К^-1) электросопротивления. В диэлектриках кристаллического строения электропроводность неодинакова по разным кристаллографическим направлениям. Электропроводность материалов с ионной решеткой в ряде случаев зависит от валентности образующих ее ионов. Например, меньшей валентности может соответствовать большая проводимость.

Удельная электропроводность аморфных диэлектриков одинакова по всем направлениям, обусловлена составом материала и наличием в нем примесей. В высокомолекулярных соединениях она зависит также от наличия поперечных связей между макромолекулами и, следовательно, от степени полимеризации и полярности материала. Самая низкая электропроводность наблюдается у неполярных диэлектриков.

При увеличении напряженности приложенного поля удельная электропроводность диэлектриков существенно возрастает вследствие появления дополнительной электропроводности электронного характера, что при высоких значениях Е может привести к пробою. При этом . Характер изменения и в зависимости от различных факторов в целом сходны, но увлажнение и загрязнение поверхности сильнее снижает , чем . Поэтому для повышения применяют полировку, очистку и сушку поверхности, а также нанесение на нее лаков, глазурей и других гидрофобных покрытий с высоким значением

В действительности процесс электропроводности в диэлектриках является более сложным, поскольку свой вклад вносят поляризационные токи.

Оптические свойства

К оптическим свойствам относятся свойства, связанные с генерацией, обнаружением и взаимодействием со средой оптического излучения, то есть электромагнитными волнами ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазона.

На этом взаимодействии основано разнообразное применение оптического излучения в научных, технических и практических целях, в частности в электронике (оптоэлектроника, лазерная техника и т.д.).

Оптические спектры возникают при квантовых переходах между уровнями энергии атомов, молекул, твердых и жидких тел, газов. Спектры испускания соответствуют квантовым переходам с верхних уровней на нижние, спектры поглощения – с нижних уровней на верхние.

Спектры, возникающие при квантовых переходах между электронными уровнями энергии в атомах, являются линейчатыми. Спектры, возникающие в молекулах при переходах между электронными, колебательными и вращательными уровнями, являются полосчатыми. При тепловом излучении твердых, жидких и газообразных тел возникает сплошной спектр. Чем выше температура, тем меньшей длине волны соответствует положение максимума такого спектра.

Различным диапазонам длин волн λ и частот ν колебаний соответствуют разные энергии фотонов hν, равные разности энергий уровней, между которыми происходит переход:

 

hν = ε₁ – ε₂ (1.37)

 

В таблице 1.3. приведены диапазоны значений λ, ν, hν итемператур Т, характеризующих энергии фотонов (hν = κΤ) для указанных трех видов оптического излучения.

 

Таблица 1.3. Характеристики видов оптического излучения

 

Излучение	λ, мкм	ν, с-1	hν, эВ	Т, К
инфракрасное	103 – 0,74	3*1011 – 4,0*1014	1,25*10-3 – 1,7	14 – 2,0*104
видимое	0,74 – 0,40	4*1014 – 7,5*1014	1,7 – 3,1	2,0*104– 3,6*107
ультрафиолетовое	0,40 –10-3	7,5*1014– 3,0*1016	3,1 – 125	3,6*107 –1,0*1010

 

При прохождении оптического излучения через вещество (среду) происходит эффект его поглощения – уменьшение интенсивности излучения по закону Бугера-Ламберга:

 

(1.38)

 

Где I₀ – интенсивность падающего луча, l – толщина поглощающей среды, k_λ – показатель поглощения, величина которого зависит от λ и природы вещества среды.

Зависимость k_λот λ называется спектром поглощения вещества. Спектр поглощения изолированных атомов имеет вид узких линий, то есть приходится на узкий интервал длин волн (сотые – тысячные доли нанометра). Спектр молекул, определяемых частотой их колебаний, приходится на широкий интервал длин волн (десятые доли – сотни нанометра), спектр твердых тел – на очень широкий интервал (сотни и тысячи нанометров). Последнее является следствием того, что энергия, переданная излучением одной частице, быстро передается в твердом теле всему коллективу частиц.

Процесс поглощения излучения связан с переходом электронов в атомах, ионах, молекулах поглощающих тел с более низких уровней энергии на более высокие, то есть с переходом частиц в возбужденное состояние.

В световых пучках не очень большой интенсивности I₀, k_λ не зависит от I.Но если исходная интенсивность очень велика, то большая доля поглощающих частиц, перейдя в возбужденное состояние и оставаясь в нем сравнительно долго, теряет дальнейшую способность поглощать излучение. В этих условиях k_λ становится функцией интенсивности. Наступает нелинейное поглощение света.

Обратный переход атомов, молекул из возбужденного состояния в невозбужденное связан с люминесценцией. Подлюминесценцией понимают излучение, избыточное над тепловым. Люминесценция присуща всем трем диапазонам излучения.

По виду возбуждения различают фото, радио и электролюминисценцию, что соответствует возбуждению светом, проникающей радиацией всех видов, электрическим полем.

Необходимым условием люминесценции является наличие дискретного энергетического спектра. Поэтому металлы, для которых характерен непрерывный энергетический спектр валентных электронов, не люминесцируют.

Изучение физических параметров поглощения света (излучения) и люминесценции позволяет получать информацию об энергетическом состоянии вещества, примесей, зонной структуре полупроводников, обнаруживать малые количества примесей и т.д.

К важным оптическим явлениям и характеристикам относятся поляризация, дифракция, преломление и отражение света, прозрачность среды.

С квантовых позиций поляризация света связана с одинаковым спиновым состоянием всех фотонов, образующих световой поток. Видов полной и частичной поляризаций много. Они возникают при разных физических воздействиях – при прохождении через анизотропную среду, двойном лучепреломлении, дифракции на ультразвуке, воздействии сильных магнитных и электрических полей (магнитооптика и электрооптика), отражении и преломлении света, в результате разных коэффициентов поглощения для разных поляризаций. Поляризованным является большинство видов лазерного излучения.

Различные виды воздействия на поляризацию света лежат в основе использования данного явления для диагностики оптически анизотропных кристаллов и сред, окрашивания поляризованного пучка белого цвета, изучения кристаллохимической и магнитной структуры твердых тел, исследования напряжений в прозрачных средах.

Распространение мощных световых пучков, например лазерных, и их взаимодействие с веществом изменяют не только закон, описывающий поглощение, но и другие оптические характеристики среды, в частности нелинейно зависящей от напряженности поля Е становятся поляризация и многие другие оптические явления и процессы.

Использование инфракрасных лазеров привело к открытию нелинейности поведения носителей заряда в полупроводниках, которая не проявляется в видимом диапазоне длин волн.

С взаимодействием оптического излучения со средой связаны явления отражения и преломления лучей. При падении лучей из первой среды на границу раздела со второй возникает излучение, распространяющееся от границы раздела обратно в первую среду. На характер отражения влияют размеры неровностей на границе раздела и степень упорядоченности в их расположении.

Если неровности малы по сравнению с длиной волны λ, то имеет место зеркальное отражение. Если они соизмеримы или размер неровностей больше λ(шероховатая поверхность) и неровности расположены беспорядочно, то отражение носит диффузный (рассеянный) характер. Если же неровности расположены упорядоченно, то характер отражения близок к отражению от дифракционной решетки. Отражение сопровождается преломлением света.

Важной характеристикой среды, используемой в диагностике ряда материалов, в том числе полупроводников, является прозрачность. Под прозрачностью понимают отношение потока излучения, прошедшего без изменения направления путь, равный единице, к потоку, вошедшему в эту среду в виде параллельного пучка. Прозрачность зависит от длины волны излучения.

Многие вещества, прозрачные для видимого света, оказываются непрозрачными для инфракрасного излучения (ИК) и наоборот. Пластинки германия и кремния, не прозрачные в видимом диапазоне, прозрачны для ИК излучения (германия для λ > 1,8 мкм, кремния для λ > 1,0 мкм).

Различные характеристики оптического излучения – интенсивность, частоту фазы, поляризованность и др. можно изменять во времени по заданному закону. Модуляцию света можно осуществлять разными способами, например, при помощи использования различного вида механических прерывателей. Наибольший интерес и возможности дает использование физических эффектов – электрооптических, магнитооптических, упругооптических, сопровождающих распространение световых потоков в разных условиях и средах.

 

Акустические свойства

К акустическим свойствам относятся свойства, связанные с генерацией, обнаружением и различными видами взаимодействия со средой упругих колебаний и волн от самых низких частот (от 0 Гц) до предельно высоких (10¹¹ – 10¹² Гц).

Диапазон частот от 16 Гц до 20кГц улавливается органами слуха человека, диапазон ниже 16 Гц относится к инфразвуку, выше 20 кГц – к ультразвуку, высокочастотный диапазон 10¹² – 10¹³ Гц – к гиперзвуку.

Особым случаем акустических волн являются поверхностные акустические волны (ПАВ). Эти волны распространяются вдоль свободной поверхности твердого тела или вдоль границы твердого тела с другими средами. При удалении от границы эти волны затухают.

ПАВ бывают двух видов:

1) с вертикальной поляризацией, когда упругие колебания частиц среды под воздействием ПАВ происходят в плоскости вертикальной границе;

2) с горизонтальной поляризацией, когда эти колебания параллельны границе и перпендикулярны направлению распространения волны.

Упругие акустические волны генерируются любыми явлениями, вызывающими местное изменение давления или механические напряжения. Разные источники генерируют акустические волны разной частоты.

Распространение акустических волн характеризуется скоростью звука с_з. Скорость звука очень мала по сравнению со скоростью оптических излучений (света). Она зависит от агрегатного состояния и природы материала: с_з в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, чем в твердых телах. В таблице 1.4. приведены значения скорости звука для некоторых веществ.

 

Таблица 1.4. Скорость звука в веществах

 

№	вещество	Скорость звука сз, м/с
	Воздух
	Водород
	Вода
	Ртуть
	Золото
	Стекла	3760 – 4800
	Железо
	Плавленый кварц
	Алюминиевые сплавы

 

В изотропных твердых телах с_з зависит от модулей упругости, в анизотропных твердых телах скорость звука анизотропна. В пьезо- и сегнетоэлектриках с_з зависит не только от модулей упругости, но и от пьезомодулей и напряженности электрического поля, в ферромагнетиках – от напряженности магнитного поля.

Измерение с_з используется для определения модулей упругости твердых тел, дебаевской температуры, для исследования зонной структуры полупроводников, определения уровня Ферми в металлах и др.

При распространении звуковой волны происходит поглощение звука, значительно более слабое, чем поглощение оптических излучений. Поглощение связано с переходом энергии звуковой волны в другие формы энергии, в основном в тепловую. Следствием такого поглощения является затухание звука, то есть уменьшение его интенсивности и амплитуды.

При распространении акустических волн большой интенсивности (амплитуды), как и при прохождении оптического излучения большой интенсивности, наблюдается явление нелинейности. При этом дифракция волн и рассеяние звука становятся зависящими не только от частоты и скорости звуковой волны, как в линейной акустике, но и от амплитуды волны, синусоидальная форма искажается, возникают давление звукового излучения и др.

Эффект нелинейности связан с тем, что при распространении акустических волн большой интенсивности изменяются свойства самой среды, что сказывается на распространении как данной волны, так и других возмущений.

Особое значение в электронике имеет взаимодействие акустических волн с электронами – акустоэлектронное взаимодействие (АЭВ) и с электронными волнами – акустооптическое взаимодействие (АОВ).

АЭВ проявляет себя при ультразвуковых и гиперзвуковых колебаниях частотой 10⁷ – 10¹³ Гц, когда под воздействием распространяющейся акустической волны происходит упругая деформация решетки кристалла и изменение его внутрикристаллического поля. При этом энергия и импульс ультразвуковой и гиперзвуковой волн передаются электронам проводимости (частный случай электрон-фононного взаимодействия).

Передача энергии приводит к дополнительному электронному поглощению звука и разогреву электронного газа, а передача импульса – к возникновению тока или э.д.с. в металле или полупроводнике (акустоэлектрический эффект) в направлении распространения звука (эффект увлечения). Кроме изменения электропроводности, АЭВ изменяет теплоемкость и теплопроводность.

Механизм АЭВ различен для кристаллов разной природы. В ионных кристаллах и металлах имеет место ионное взаимодействие – акустическая волна смещает ионы из положения равновесия, возникают ионный ток и поле, действующее на электроны проводимости.

В ряде полупроводников (Ge. Si) и полуметаллов (Bi, Sb, As) реализуется потенциал – деформационное взаимодействие – под взаимодействием ультразвуковой волны изменяется ширина запрещенной зоны, появляются области пониженной и повышенной плотности зарядов, действующие на электроны проводимости.

В пьзополупроводниках А^IIB^VI (CdS, CdSe, ZnS, ZnO), A^IIIB^V (InSb, GaAs) и других проявляется пьезоэлектрическое взаимодействие – деформация этих кристаллов сопровождается появлением электрического поля и наоборот.

От механизма АЭВ зависит величина электронного поглощения ультразвуковой волны. Она максимальна в пьзоэлектриках. В металлах и обычных полупроводниках электронное поглощение становится заметным только при низких (гелиевых) температурах.

Передача импульса ультразвуковой волны электронам проводимости приводит к появлению акустоэлектрического тока. Если к кристаллу приложено еще и внешнее постоянное электрическое поле Е,создающее дрейф электронов в направлении ультразвуковой волны, то АЭВ существенно зависит от скоростей дрейфа v_др и распространения звука с_з. При v_др < с_з ультразвуковая волна поглощается электронным газом, при v_др>с_з электроны отдают свою кинетическую энергию ультразвуковой волне, происходит ее усиление (увеличение амплитуды). Это усиление представляет практический интерес для поверхностных акустических волн.

АЭВ приводит к ряду нелинейных акустических эффектов, особенно заметных в пьезоэлектриках, используемых в акустоэлектронике, в элементах памяти.

Большинство акустооптических устройств работает на использовании явления дифракции света на ультразвуковых волнах.

Упругие деформации в звуковой волне приводят к периодическому изменению показателя преломления n среды. В результате, в среде возникает структура, аналогичная дифракционной решетке, период которой равен длине волны звука λ_з. Если в такой среде распространяется луч света, то в среде возникают дифракционные пучки света. Их характеристики – направление в пространстве, поляризация, интенсивность – зависят от параметров звукового поля (γ, I ) и от угла θ, под которым светом падает на звуковой пучок.

Частота дифрагированного света отличается от частоты падающего света на величину частоты звука. На выходе из акустического пучка световая волна оказывается модулированной по фазе и отклоненной по направлению.

Взаимодействие звуковых волн в твердых телах и жидкостях с оптическим излучением эффективно используется в электронике, лазерной технике, оптике с целью управления амплитудой, поляризацией, спектральным составом и направлением распространения оптического луча.

С помощью дифракции света на ультразвуковых волнах определяются характеристики звуковых полей, поглощения и скорости звука, модули упругости упругооптических и магнитооптических материалов, создаются устройства для приема сигналов в ультразвуковых линиях задержки.

На взаимодействии распространяющихся в кристалле ультразвуковых и гиперзвуковых волн частотой от 10 мГц до 1,5 ГГц между собой и с электронами, а также на использовании поверхностных акустических волн основано применение акустоэлектронных устройств для преобразования и обработки электрических радиосигналов.

Магнитные свойства

Вещества обладают магнитными свойствами благодаря магнитным моментам, возникающим при движении электронов (магнитные моменты атомных ядер приблизительно в тысячу раз меньше, чем магнитные моменты электронов).

Существуют два основных вида движения электронов, приводящих к возникновению магнитных моментов: орбитальное (по орбите вокруг ядра) и спиновое (вокруг собственной оси). Соответственно различают орбитальный и спиновый магнитные моменты.

Спиновый магнитный момент равен одному магнетону Бора, Дж/Т:

М_{m сп} = = 9,273 * 10^-24 (1.39)

 

где е, m – заряд и масса электрона.

Кроме этих двух основных видов движения электронов, имеется еще один, проявляющийся при наложении внешнего магнитного поля. В этом случае электрон, движущийся по замкнутой орбите, изменяет траекторию своего движения: вместо линейной она становится спиралевидной.

По своей природе различают следующие виды магнетизма: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм. На рисунке 1.5. показана ориентация магнитных моментов.

 

↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑

↑ ↓ ↑ ↓ ↓ ↑ ↓ ↑ ↑ ↓ ↑ ↓ ↓ ↑ ↓ ↑

↑ ↓ ↑ ↓ ↓ ↑ ↓ ↑ ↑ ↓ ↑ ↓ ↓ ↑ ↓ ↑

 

Рисунок 1.5. – Ориентация магнитных моментов соседних атомов при 0К в веществах разной магнитной природы: 1 – парамагнетик; 2 – ферромагнетик; 3 – антиферромагнетик; 4 – ферримагнетик

Приведем основные магнитные характеристики. Магнитный момент тела М равен произведению намагниченности J на объем тела V:

 

М = J V (1.40)

 

Намагниченность вещества – его способность изменять свой магнитный момент под действием внешнего магнитного поля напряженностью Н характеризуется магнитной восприимчивостью æ:

J = æ Н (1.41)

Результирующее магнитное поле в веществе называется магнитной индукцией В. Величина В связана с напряженностью внешнего магнитного поля Н и намагниченностью вещества J соотношением:

 

В = Н + 4πJ (1.42)

 

Способность вещества менять свою индукцию В при воздействии внешнего поля Нхарактеризуется магнитной проницаемостью μ:

 

В = μН (1.43)

 

Зависимости J, а также В и, следовательно, μ от Н нелинейные. Предел значения μ при напряженности Н, стремящейся к нулю, называется начальной магнитной проницаемостью μ_н.

Магнитная проницаемость связана с магнитной восприимчивостью соотношением:

Μ = 4π æ + 1 (1.44)

 

Физическая природа диамагнетизма связана со спиралевидным вращением электронов по замкнутым орбитам, индуцированным внешним полем и вызывающим возникновение незатухающих вихревых микротоков. Внутренняя намагниченность, возникающая в теле под воздействием внешнего магнитного поля, направлена навстречу этому полю, поэтому диамагнитная восприимчивость æ_mD – величина отрицательная.

Основной вклад в диамагнетизм атома вносят внешние электроны. Диамагнетизмом обладают все без исключения вещества. Но преобладающим видом магнетизма он является только в веществах с заполненными электронными оболочками: инертных газах, ионах типа Na⁺. Cl^-, полупроводниках (германии, кремнии, селене и др.).

Если вещества наряду с диамагнетизмом обладают и другими видами магнетизма, то роль последних перекрывает роль диамагнетизма. Диамагнитная восприимчивость твердых тел имеет порядок величины 10^-5 – 10^-6 Гс/Э (Гаусс на эрстед).

Под парамагнетизмом понимают свойство тела намагничиваться во внешнем поле Н в направлении поля. Следовательно, парамагнитная восприимчивость – величина положительная. Поэтому парамагнитные тела притягиваются к полюсам магнита, а диамагнитные отталкиваются. Суммарная намагниченность парамагнетиков равна сумме внешнего и внутреннего полей.

Основной чертой парамагнитных тел является наличие у них атомов собственных магнитных моментов (орбитального и спинового), но в силу межатомного взаимодействия магнитные орбитальные моменты двух спаренных электронов погашают друг друга. В результате все заполненные электронные оболочки и орбитали имеют нулевой орбитальный магнитный момент и не дают вклада в парамагнитные свойства. Парамагнетизм обнаруживается только от неспаренных валентных электронов – электронов проводимости.

Спиновые моменты не испытывают такого взаимодействия кристаллического поля, и поэтому их вклад в магнитный момент атома в твердых телах значителен.

В отсутствие внешнего поля магнитные моменты атомов за счет теплового движения ориентированы беспорядочно, в результате чего намагниченность парамагнетиков в этих условиях равна нулю. Этим они отличаются от ферромагнетиков.

При приложении внешнего поля Н магнитные моменты атомов ориентируются преимущественно по полю. С ростом Н намагниченность парамагнетика растет по закону J = æ_mпН, где æ_mп– магнитная восприимчивость 1 см³ вещества (для парамагнетиков æ равен 10⁷ – 10^-4). Если поле Н очень велико, то все магнитные моменты будут ориентированы по полю, наступает магнитное насыщение.

С повышением температуры при неизменном Н возрастает дезориентирующее действие теплового движения.

В веществах, в которых нет электронов проводимости, магнитные моменты электронных оболочек атомов скомпенсированы и магнитным моментом обладает лишь ядро. В таких веществах парамагнетизм очень мал (10^-9 – 10^-12) и может наблюдаться лишь при сверхнизких температурах (Т=0,1 К).

Ядерный парамагнетизм при отсутствии сильного взаимодействия между спинами ядер и электронными оболочками атомов характеризуется величиной

 

æ_mя= (1.45)

 

где M_mя – магнитный момент ядра, равный примерно 0,001 магнитного момента электрона, откуда æ_mя≈10^-6 æ_mэ.

Исследование парамагнитных свойств с помощью электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР) позволяют определять магнитные моменты отдельных атомов, ионов, молекул, ядер, изучать строение отдельных молекул и комплексов, осуществлять тонкий структурный анализ материалов.

Для этого используется резкое размагничивание парамагнетиков в условиях теплоизоляции (адиабатически), при котором спины приобретают хаотическую ориентацию, сопровождающуюся понижением температуры (магнитное охлаждение).

Ферромагнетизм, как и парамагнетизм, связан со спиновыми магнитными моментами электронов. Но в отличие от парамагнетиков в ферромагнетиках имеются отдельные микрообласти (домены), в которых ниже определенной температуры (температуры Кюри Т_с) спиновые моменты всех атомов одинаково ориентированы и в отсутствие внешнего магнитного поля. Домен представляет собой микрообласть размером около микрометра, самопроизвольно намагниченную до насыщения при температуре ниже Т_с.

В отсутствие внешнего поля векторы намагниченности разных доменов ориентированы беспорядочно и взаимно компенсируются. При наложении внешнего магнитного поля векторы намагничивания всех доменов постепенно переориентируются вдоль поля. По завершении этого процесса (в полях Н≈8 кА/м) достигается предельное значение намагниченности J_S и индукции В_m. Значение J_S максимально Т=0К. С повышением температуры J_S уменьшается и при Т= Т_с становится равным нулю, ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние.

Возникновение доменов обусловлено тем, что обменное взаимодействие понижает энергию соседних атомов, но одновременно увеличивает суммарный магнитный момент объема ферромагнетика и магнитостатическую энергию (магнитное поле, распространение в окружающее пространство). Минимизация общей магнитной энергии и достигается за счет разбиения на домены.

Для спонтанного намагничивания должны соблюдаться два условия:

1) наличие некомпенсированных спинов;

2) отношение межатомного расстояния у соседних атомов а к диаметру электронной подоболочки с некомпенсированными спинами d должны лежать в пределах =2÷5.

При отношении <2 обменное взаимодействие приводит к антипараллельному расположению соседних спинов, то есть к антиферромагнетизму. При отношении >5 обменное взаимодействие в пределах домена ослабляется, упорядоченность в ориентировке спинов отсутствует. Состояние тела будет парамагнитным.

Помимо обменного взаимодействия, между спинами соседних атомов в кристалле имеет место взаимодействие между спинами и атомами решетки, из-за чего результирующий магнитный момент располагается вдоль некоторых преимущественных кристаллографических направлений, называемых осями легкого намагничивания: <100> для о.ц.к., <111> для г.ц.к. и <0001> г.к. Энергия магнитных моментов минимальна, когда они ориентированы в направлении легкого намагничивания.

Работа, затрачиваемая внешним магнитным полем на поворот вектора намагниченности J_i из направления легкого в направление трудного намагничивания, называется энергией магнитной кристаллографической анизотропии Е_ан.

Домены с разной ориентировкой отделены друг от друга переходными областями, в которых ориентировка спинов плавно переходит от ориентировки одного домена к ориентировке другого. Эти переходные области во многом похожи на границы зерен в поликристаллах. Они обладают повышенной энергией и при стремлении системы к уменьшению общей энергии способны мигрировать в сторону домена с более высокой энергией, уменьшая тем самым его объем.

Толщина границы обычно на порядок меньше размера домена. В тонких магнитных пленках можно организовать упорядоченное движение доменов и даже отдельных фрагментов доменной границы, соответствующим образом создавая магнитные управляющие поля. На этом принципе реализованы запоминающие устройства с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД ЗУ) и ряд магнитооптических приборов для управления световым лучом.

К числу важнейших характеристик магнитных материалов, определяющих области их применения, относится форма предельной петли гистерезиса. Ферромагнетики с узкой петлей гистерезиса и низкой коэрцитивной силой (Н_с <2,4÷4,0 кА/м) называются магнитно-мягкими, а с высоким (Н_с > 4,0 кА/м) – магнитно-твердыми. При необходимости максимального снижения магнитных потерь Н_с не должна превышать нескольких десятков ампер на метр.

Магнитное взаимодействие электронов вызывает также изменение межатомных расстояний и соответственно размеров и формы тела – это явление носит название магнитострикции. Это явление связано с изменением магнитных и обменных сил и сложно зависит от напряженности поля, электронной структуры – валентных электронов, кристаллографического направления, примесей и др. В ферромагнетиках магнитострикция достигает значительных величин. Относительное удлинение в них может иметь значения Наибольшей магнитострикцией обладают некоторые редкоземельные металлы. Например, у диспрозия , что в 30 раз больше, чем у никеля. Магнитострикция разных материалов может различаться не только абсолютной величиной, но и знаком изменения размеров. Магнитострикция находит широкое применение в ультразвуковых генераторах, линиях задержки и др. Не следует смешивать с магнитострикцией другое явление – изменение намагниченности ферромагнитного тела при деформации (магнитоупругий эффект). Одновременным воздействием деформации и намагничивания можно изменять величину Н_с, облегчать или затруднять намагничивание, изменять форму петли гистерезиса.

В некоторых твердых телах обменное взаимодействие электронов соседних атомов вызывает при некоторой температуре (ниже температуры Неля Т_N) антипараллельное упорядочение спинов, антиферромагнетизм, в противоположность тому, что имеет место в ферромагнетиках.

При температуре выше Т_N вещество является парамагнетиком. Примером антиферромагнетиков является оксид марганца MnO.

Не полностью компенсированное антиферромагнитное упорядочение спиновых магнитных моментов называется ферримагнетизмом. Наиболее важными ферриманетиками являются ферриты – ионные соединения с общей формулой MFe₂O₄ (или MO Fe₂O₃), где М – металл.

Напряженность магнитного поля Н (А/м) пропорциональна току, протекающему через проводник. Она может быть рассчитана для бесконечно длинного прямолинейного проводника по формуле Н=I/2πr и для тороида и бесконечно длинного соленоида H=nI, где r – расстояние от проводника до точки, где измеряется поле, n-число витков на единицу длины соленоида, I-сила тока, текущего через проводник (А).

Магнитный момент М (А м²). Любое вещество, помещенное в магнитное поле напряженности Н, намагничивается и приобретает магнитный момент. Его величину можно непосредственно измерить магнитометром. Магнитным моментом обладает также круговой ток: M=IS, где S-площадь контура тока.

Намагниченность J(A/м) – магнитный момент единицы объема J=M/V. Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля со