Лекция № 1. Объекты исследования физики конденсированного состояния.

Лекция № 1. Объекты исследования физики конденсированного состояния.

Вопросы:

1) Определение конденсированного состояния.

2) Основные свойства и классификация конденсированных твердых тел.

3) Методы исследования конденсированных твердых тел и область их применения.

Определение конденсированного состояния.

Конденсированное состояние вещества, твёрдое и жидкое состояния вещества. В отличие от газообразного состояния, у вещества в конденсированном состоянии существует упорядоченность в расположении частиц (ионов, атомов, молекул).

Агрегатное состояние — состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Выделяют три основных агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ.

Изменения агрегатного состояния - это термодинамические процессы, называемые фазовыми переходами.

Выделяют следующие их разновидности:

· из твёрдого в жидкое — плавление;

· из жидкого в газообразное — испарение и кипение;

· из твёрдого в газообразное — сублимация;

· из газообразного в жидкое или твёрдое — конденсация;

· из жидкого в твёрдое — кристаллизация.

Основные свойства и классификация конденсированных твердых тел.

Твёрдое тело — это одно из четырёх агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия.

Выделяют пять классов твёрдых тел в зависимости от типа связи между атомами:

• Ионная связь (например, NaCl). Основными силами являются силы электростатического притяжения. Характерные свойства: в инфракрасной области — отражение и поглощение света в инфракрасной области; при низких температурах — малая электропроводность: при высоких температурах — хорошая ионная проводимость.

• Ковалентная связь (например, С (алмаз), Ge, Si).

• Металлическая связь (например, Cu, Al).

• Молекулярная связь (например, Ar[источник не указан 337 дней], СН4).

• Водородная связь (например, Н2О (лёд), HF).

По виду зонной структуры твёрдые тела классифицируют на проводники, полупроводники и диэлектрики.

• Проводники— зона проводимости и валентная зона перекрываются, таким образом электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию. К проводникам относят все металлы.

• Полупроводники — зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет менее 4 эВ. Для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники слабо пропускают ток.

• Диэлектрики — зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет более 4 эВ. Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят.

Основные свойства конденсированных твердых тел:

Существует три основных способа воздействия на твёрдые тела, соответствующие трём основным видам энергии: механический, термический и электромагнитный.

· Механические свойства связывают механические напряжения и деформации тела, согласно результатам широких исследований механических и реологических свойств твёрдых тел. В покое твёрдые тела сохраняют форму, но деформируются под воздействием внешних сил.

· Важнейшим тепловым свойством твёрдого тела является температура плавления — температура, при которой происходит переход в жидкое состояние. Изменение температуры вызывает деформацию твёрдого тела, в основном повышение температуры приводит к расширению.

Точечная симметрия конденсированных кристаллов.

Точечной группой называется группа операций симметрии, оставляющих неподвижной одну точку.

Всего возможно 11 точечных групп с поворотными осями симметрии. Группы поворотов N − Cn имеют единственный элемент симметрии − ось N, Группы диэдров N2 − D n содержат главную ось симметрии N и n осей.

Винтовые оси

Действие винтовой оси заключается в повороте и последующей трансляции (переносе) параллельно направлению этой оси.

Обратная решетка.

Обратная решётка — точечная трёхмерная решётка в абстрактном обратном пространстве, где расстояния имеют размерность обратной длины. Понятие обратной решётки удобно для описания дифракции рентгеновских лучей, нейтронов и электронов на кристалле. Обратная решётка (обратное пространство, импульсное пространство) является Фурье-образом прямой кристаллической решётки (прямого пространства).

Методы определения атомной структуры твердых тел.

Метод Лауэ. Немонохроматический пучок рентгеновских лучей (электронов или нейтронов) направляется на неподвижно закрепленный монокристалл.

Метод вращения монокристалла. Монокристалл вращается вокруг какой-либо фиксированной оси, направление которой заранее найдено методом Лауэ, в монохроматическом пучке рентгеновских лучей или нейтронов.

Метод порошка (Дебая). Пучок монохроматических лучей падает на поликристаллический образец. Падающие лучи отражаются от тех кристаллитов, которые по отношению к направлению падающего пучка оказываются ориентированы так, что выполняется условие Вульфа-Брэггов.

Силы Ван-дер-Ваальса.

Силы Ван-дер-Ваальса — силы межмолекулярного (и межатомного) взаимодействия с энергией 10—20 кДж/моль.

Энергия связи.

Энергия связи ядра– минимальная энергия, необходимая для того, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны (протоны и нейтроны).

Ядро – система связанных нуклонов, состоящая из Z протонов (масса протона в свободном состоянии m_p) и N нейтронов (масса нейтрона в свободном состоянии m_n).

Молекулярные кристаллы.

Молекулярный кристалл — кристалл, образованный из молекул. Молекулы связаны между собой слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, внутри же молекул между атомами действует более прочная ковалентная связь.

Свойства кристаллов.

Для типичных молекулярных кристаллов характерны низкие температуры плавления, большие коэффициенты теплового расширения, высокая сжимаемость, малая твёрдость. В обычных условиях большинство молекулярных кристаллов — диэлектрики. Некоторые молекулярные кристаллы, например органические красители, — полупроводники.

Ионные кристаллы.

Ионные кристаллы представляют собой кристаллы, состоящие из ионов, связанных между собой электростатическимпритяжением. Ионные кристаллы характеризуются сильным поглощением инфракрасного излучения, и у них есть плоскости, вдоль которых они легко расщепляются. Ионные кристаллы обычно имеют высокую температуру плавления и хорошо растворимы в полярных растворителях (в частности в воде).

Для того чтобы с помощью сил электростатического притяжения между валентными электронами и ионными остовами образовать из атомов твердые тела, необходимо выполнить следующие четыре условия:

1. Положительно заряженные ионные остовы должны находиться на таком расстоянии друг от друга, чтобы при этом было сведено до минимума кулоновское отталкивание между ними.

2. Валентные электроны должны находиться на определенных расстояниях друг от друга, отвечающих тому же требованию.

3. Одновременно со вторым условием валентные электроны должны быть настолько близко расположены от положительных ионов, чтобы кулоновское притяжение между разноименными зарядами было максимально.

4. При выполнении всех этих условий потенциальная энергия системы может уменьшиться, однако это должно происходить таким образом, чтобы кинетическая энергия системы лишь немного возросла.

Энергия Маделунга.

При образовании устойчивой кристаллической структуры основной вклад в энергию связи дает электростатическая энергия, которую называют энергией Маделунга.

Величина − энергия Маделунга.

Определение постоянной Маделунга.

Покажем пример расчета постоянной Маделунга на бесконечной цепочке ионов противоположных знаков.

Для расчета энергии сцепления ионного кристалла часто используется формула Борна−Ланде:

.

Если известны заряды ионов и структура кристалла (из них можно рассчитать постоянную Маделунга), то для вычисления энергии сцепления нужно знать еще показатель степени в потенциале сил отталкивания n. Его обычно определяют из сжимаемости кристалла æ. По определению,

,

Ковалентные кристаллы.

Ковалентные кристаллы - кристаллы с ковалентными химическими межатомными связями.

Ковалентные кристаллы обладают высокой твёрдостью, упругостью, некоторые из них - хрупкие. Ковалентные кристаллы обычно имеют высокую теплопроводность.

Многие Ковалентные кристаллы находят широкое техническое применение: используются, напр., природный и синтетические алмазы, в больших количествах производятся особо чистые кристаллы кремния, являющиеся основой полупроводниковой электронной техники, а также К. к. Ge, GaAs и др.

Металлы.

Металлы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность, ковкость и металлический блеск.

Свойства металлов

Деформация.

Деформация — изменение объема или формы твердого тела без изменения его массы под действием внешней силы. Деформация — это процесс, при котором изменяется расстояние между какими-либо точками тела. Простейшие виды деформации: растяжение, сжатие, сдвиг, кручение, изгиб.

Закон Гука.

При деформации тела возникает сила, которая стремится восстановить прежние размеры и форму тела. Эта сила возникает вследствие электромагнитноговзаимодействия между атомами и молекулами вещества. Ее называют силой упругости.

Простейшим видом деформации являются деформации растяжения и сжатия.

Fx = Fупр = –kx.

Это соотношение выражает экспериментально установленный закон Гука.

Закон Гука может быть обобщен и на случай более сложных деформаций (например, при деформации изгиба) -

Упругую силу действующую на тело со стороны опоры (или подвеса), называют силой реакции опоры. При соприкосновении тел сила реакции опоры направлена перпендикулярно поверхности соприкосновения. Поэтому ее часто называют силой нормального давления.

Фотоны.

Фотон — элементарная частица, переносчик электромагнитного взаимодействия, квант электромагнитного поля. Фотоны обозначаются буквой γ, поэтому их часто называют гамма-квантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практически синонимичны.

Физические свойства фотона.

Фотон относится к калибровочным бозонам. Он не имеет массы покоя и электрического заряда, стабилен. Спин фотона равен 1, но из-за нулевой массы более правильное число — спиральность; по этой же причине внутренняя чётность фотона не определена. Является истинно нейтральной частицей (или, иными словами, является античастицей для самого себя). Зарядовая чётность отрицательная. Фотон участвует в электромагнитном и гравитационном взаимодействии.

Функция Блоха.

Теорема Блоха, которая в трехмерном случае гласит: собственные функции волнового уравнения с периодическим потенциалом имеют вид произведения плоской волны на функцию , периодическую в решетке кристалла:

Функцию часто называют блоховской волновой функцией.

Зоны Бриллюэна.

Волновая функция и энергия электрона в кристалле являются периодическими функциями волнового вектора с периодом (или квазиимпульса ).

Если в -пространстве (или -пространстве) построить обратную решетку, растянутую в 2pраз, т.е. решетку с векторами , то все -пространство можно разделить на области, в которых имеются физически эквивалентные состояния. Эти области называются зонами Бриллюэна.

· Первая зона Бриллюэна представляет собой элементарную ячейку Вигнера – Зейтца для обратной решетки, растянутой в 2pраз.

· Вторая зона строится аналогичным образом. В обратной решетке, параметры которой растянуты в 2p раз, выбранный при построении первой зоны Бриллюэна за начало отсчета узел, соединяют прямыми линиями с ближайшими эквивалентными узлами, но уже лежащими на поверхности второй координационной сферы. Затем строят плоскости, перпендикулярные этим прямым и проходящим через их середину. В результате получают вторую зону Бриллюэна в виде замкнутого многогранника.

Поверхность Ферми.

Поверхность Ферми – изоэнергетическая поверхность в пространстве квазиимпульсов (p-пространстве), соответствующая фермы-энергии :

Фазовый переход в металле сопровождается изменением его поверхности Ферми. Так, при переходе из парамагнитного в ферро-магнитное состояние происходит расщепление поверхности Ферми на две - для электронов с различно направленными спинами.

Внешнее воздействие на металл может привести к изменению геометрии поверхности Ферми: может возникнуть или исчезнуть полость поверхности Ферми и (или) разорваться либо образоваться перемычка у поверхности Ферми. При этом электронные характеристики металла обнаруживают аномалии, называемые электронным топологическим переходом в нормальном металле.

Модель Кронига-Пенни.

Модель Кронига-Пенни - одномерная, точно решаемая модель движения электронов в периодич. поле, иллюстрирующая природу возникновения энергетич. зон в кристалле.

Заполнение зон электронами.

Варианты заполнения зон электронами:

1. Если предположить, что последняя зона, в которой есть электроны, заполнена частично, то она будет считаться валентной, а электроны – валентными.

2. Если валентная зона заполнена полностью и отделена от следующей за ней свободной зоны широкой (2-3 эВ) запрещенной зоной не занятой электронами.

3. Если валентная зона заполнена полностью и отделена от следующей за ней свободной зоны широкой (>2-3 эВ) запрещенной зоной (энергетической щелью).

Классификация дефектов.

Все реальные твердые тела (монокристаллические и поликристаллические) содержат дефекты структуры, являющиеся нарушениями периодичности пространственного расположения атомов.

По своей природе дефекты решетки идеального кристалла разделяют на собственные (или структурные) и примесные (химические). Под химическими дефектами понимают связанные с наличием примесей отклонения от правильной решетки идеального кристалла. К структурным, собственным, дефектам относят геометрические отклонения от регулярного расположения атомов в идеальном кристалле.

Выделяют четыре класса дефектов:

1.Точечные (нульмерные), размеры которых не превышают одного или нескольких межатомных расстояний. К ним относятся вакансии, межузельные атомы, дефекты Френкеля и Шоттки, а также их антидефекты.

2.Линейные (одномерные), представляющие собой нарушение периодичности в одном измерении. К ним относятся дислокации, микротрещины.

3.Поверхностные (двумерные), к которым относятся границы зерен и двойников, дефекты упаковки, межфазные границы, стенки доменов, поверхность кристалла.

4.Объемные (трехмерные) – это микропустоты.

Радиационные дефекты.

Радиационные дефекты - дефекты кристаллической структуры, образующиеся при их облучении потоками частиц или квантов электромагнитного излучения.

Радиационные дефекты - метастабильные образования, их концентрацию и природу можно изменить нагревом. Такая термообработка иногда может сопровождаться полным восстановлением исходной структуры.

Примерами применений радиационно-технологических процессов, основанных на использовании свойств радиационных дефектов, являются повышение коррозионной стойкости металлов под влиянием ионной имплантации,деформационное упрочнение облучённых ионных кристаллов, ускоренная полимеризация пластмасс, нейтронное трансмутационное легирование Si и др.

Дислокации.

Дислокация— линейный дефект или нарушение кристаллической решётки твёрдого тела. Наличие дислокаций существенно влияет на механические и другие физические свойства твердого тела.

Выделяют два основных типа дислокаций: краевые и винтовые.

Линия, отделяющая дефектную область кристалла от бездефектной, называется линией дислокации.

С математической точки зрения, дислокация — это топологический дефект, называемый также солитоном. Дислокации относятся к стабильным образованиям. Две противоположно ориентированные дислокации, встретившись, могут взаимно уничтожиться (аннигилировать), но одиночная дислокация не может исчезнуть, если не выйдет на грань кристалла.

Контур и вектор Бюргерса.

Контур Бюргерса – это цепочка векторов, соединяющая смежные атомы.

Начало и конец контура в разрыве соединяет вектор Бюргерса , равный смещению, произведенному дислокацией.

Величина и направление не зависят от размера контура Бюргерса, его конфигурации и выбора точки начала контура.

Следствие:

1.Вектор Бюргерса - есть вектор трансляции решетки, т.к. после скольжения решетка сохраняется, т.е. собственно пластический сдвиг не сопровождается разрушением

2.Вектор Бюргерса может менять свою величину только скачком.

Энергия, необходимая для образования дислокации.

Сдвиг атомной плоскости, приводящий к образованию дислокации, означает перемещение множества частиц – по крайней мере, одного ряда атомов – с одной кристаллографической плоскости на другую.

Под внутренним радиусом сдвига подразумевается та часть кристалла, где искажения решетки, вызванные дислокацией, максимальны. Эту часть называют ядром дислокации. Принято считать, что она захватывает около трех периодов решетки, т.е. 3b (10^{-9 м).}

Внешний радиус сдвига показывает расстояние между двумя соседними дислокациями.

Такое расстояние связано с плотностью дислокаций, под которой подразумевается число дислокаций, приходящихся на единицу поверхности сечения кристалла. Ориентировочно r_вн = 10^-5…10^{-2 м.}

Одно из важнейших свойств дислокаций состоит в том, что они никогда не обрываются внутри кристалла, а либо выходит на его поверхность – таких подавляющее большинство, либо замыкаются в петлю.

Закон Дюлонга-Пти.

Дюлонг Пьер Луи (1785 — 1838) и Пти Алексис Перез (1791 — 1820) — француз­ские физики. Закон, на­званный их именами, был сформулирован в 1819 г. Ученые экспериментально установили, что:

«... про­изведение удельной теп­лоемкости и атомного ве­са для простых тел в кристаллическом состоя­нии является величиной почти постоянной».

Согласно закону равнораспределения,«средняя энергия системы равна про­изведению числа степеней свободы на kT / 2».

C = = 3R.

Это соотношение носит название закона Дюлонга-Пти

Теория теплоемкости Дебая.

Теплоемкость твердого тела должна существенно уменьшаться при понижении температуры кристалла ниже его характеристической (дебаевской) температуры.

Исследуя вопрос о внутренней энергии кристаллов, Дебай нашел, что при температурах, близких к абсолютному нулю, внутренняя энергия твердого тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры

.

Теплоемкость металлов.

Теплопроводность металлов.

Теплопроводность — способность материальных тел к переносу энергии (теплообмену) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела, осуществляемому хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности.

Диффузия в твердых телах.

Молекулы любого вещества находятся на некотором расстоянии друг от друга и беспрерывно хаотично движутся. Именно поэтому отдельные молекулы курочки (как ни странно это звучит) хаотично перемещаясь, проникают в промежутки между молекулами воздуха, сталкиваются с ними и, таким образом, перемещаются все дальше и дальше от источника, т.е. от блюда с вкуснятиной. Это и есть явление диффузии.

Диффузия в газах и жидкостях происходит легче и быстрее, чем диффузия в твердых телах, так как молекулы в газах и жидкостях, соответственно, движутся свободнее, и расстояние между ними больше, чем в твердом теле.

Поляризация диэлектриков.

Поляризацией диэлектрика называется процесс приобретения им отличного от нуля макроскопического дипольного момента.
Степень поляризации диэлектрика характеризуется векторной величиной, которая называется поляризованостью или вектором поляризации (P). Поляризованность определяется как электрический момент единицы объема диэлектрика

.

В диэлектриках различают следующие типы поляризации: электронную, ориентационную и решеточную (для ионных кристаллов).

Электронная или деформационная поляризация.

Она характерна для неполярных молекул. Такую молекулу можно грубо, но удовлетворительно для наших целей, представить в виде двух равномерно заряженных шаров, центры которых совпадают в отсутствии поля и смещаются друг относительно друга во внешнем поле.

Ионная поляризация.

Ионная поляризация наблюдается в веществах с ионной химической связью и проявляется в смещении друг относительно друга разноименно заряженных ионов.

Вектор поляризованности.

Результирующее влияние диэлектрика на электрическое поле оценивают векторной величиной, называемой поляризованностьюР (вектором поляризации).

Средняя интенсивность поляризации Pср определяется как сумма дипольных моментов в единице объема диэлектрика, а чтобы найти поляризованность в данном месте поля, надо выбрать достаточно малый объем ΔV:

Единица измерения поляризованности

[P] = [ql/V] = Кл*м/м3 = Кл/м².

Типы поляризации

В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:

• Электронная — смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10⁻¹⁵ с). Не связана с потерями.
• Ионная — смещение узлов кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки. Время протекания 10⁻¹³ с, без потерь.
• Дипольная (Ориентационная) — протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.
• Электронно-релаксационная — ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.
• Ионно-релаксационная — смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.
• Структурная — ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.
• Самопроизвольная (спонтанная) — возникает в отсутствие внешнего электрического поля. Наблюдается в материалах, состоящих из отдельных доменов (областей). В каждом из доменов имеет своё, отличное от других доменов, направление, в результате чего суммарный дипольный момент материала равен нулю. При наложении внешнего электрического поля дипольные моменты доменов ориентируются вдоль поля. Возникающая при этом поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля; наблюдается явление гистерезиса. Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики).
• Резонансная — ориентация частиц, собственные частоты колебания которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.
• Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объёмных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения; имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.

Связь между диэлектрической проницаемостью и поляризуемостью.

Поляризация реальных диэлектриков имеет обычно сложный характер. Она является совокупностью отдельных простейших видов поляризации.

Макроскопический параметр диэлектрика – его диэлектрическая проницаемость e. Она связана с дипольным моментом P и напряженностью поля E соотношением

- уравнение Клаузиуса-Мосотти. Величину называют удельной поляризацией диэлектрика. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость полярных веществ сильно зависит от их температуры и частоты внешнего электрического поля. При низких температурах, когда подвижность молекул и радикалов, входящих в состав молекул, мала, поворот диполей на большие углы невозможен, и в материале наблюдается поляризация электронного упругого смещения и дипольно-упругая поляризация. При увеличении частоты электрического поля время действия поля на диполи за половину периода уменьшается, а следовательно, уменьшается величина поляризации и снижается величина диэлектрической проницаемости. Влияние частоты электрического поля на тангенс угла потерь в полярных и не полярных диэлектриков. При нахождении диэлектрика в электрическом поле в нем развиваются два процесса: электропроводность и поляризация. Оба процесса сопровождаются потерями энергии электрического поля. Потери на электропроводность при росте частоты снижаются. Диэлектрические потери. Диэлектрические потери — часть энергии электрического поля, необратимо преобразующаяся в теплоту в диэлектрике, т. е. диэлектрические потери — это электрическая мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле. Виды диэлектрических потерь 1) Потери на электропроводность. Обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную. 2) Релаксационные потери. Обусловлены активными составляющими поляризационных токов. Характерны для диэлектриков, обладающих замедленными видами поляризации, и проявляются в области достаточно больших частот, когда сказывается отставание поляризации от изменения поля. 3) Ионизационные потери.Свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии. 4) Резонансные потери. Наблюдаются в некоторых газах при строго определенной частоте и выражаются в интенсивном поглощении энергии электромагнитного поля.

Сегнетоэлектрики.

Сегнетоэлектрики - вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических свойств, которые проявляются лишь в определенном диапазоне температур.

Сегнетоэлектрики находят применение: для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью; для изготовления материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств; в вычислительной технике — для ячеек памяти; для модуляции и преобразования лазерного излучения; в пьезо- и пироэлектрических преобразователях.

Классификация магнетиков.

Принято различать три класса магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

1.Диамагнетизм – явление универсальное. Оно обусловлено законом электромагнитной индукции. В момент включения магнитного поля элементарные молекулярные токи в веществе изменяются таким образом, чтобы воспрепятствовать возникновению внешнего поля, т.е. индуцированный дополнительный магнитный момент направлен против внешнего поля.

2.Парамагнетики. К парамагнетикам относятся вещества, атомы которых имеют незаполненные электронные оболочки, причем число электронов на них должно быть нечетно.

3.Ферромагнетики. В этих веществах между отдельными атомами возникает особый вид взаимодействия, имеющий сугубо квантово-механическое происхождение и поэтому нами не рассматриваемый. Это взаимодействие носит название обменного. Благодаря этому взаимодействию в ферромагнетиках возникают малые, но конечные области – так называемые домены, где все атомные магнитные моменты оказываются упорядоченными так, что каждый домен намагничен.

Молекулярное поле Вейсса.

Согласно Вейссу внутреннее магнитное поле подобно внешнему магнитному полю в парамагнетиках и создает в кристалле ферромагнетика параллельную ориентацию магнитных моментов атомов в отсутствие внешнего магнитного поля (B = 0).

- закона Кюри–Вейсса.

Хотя тепловое движение атомов и разрушает дальний порядок в расположении спиновых магнитных моментов, некоторый спиновый порядок, хотя и более слабый, все же продолжает существовать. Он представляет собой своего рода ближний порядок в расположении спинов, когда данный атом окружен небольшой областью, в которой спины более или менее одинаково ориентированы. Это явление существует, по-видимому, во всех ферромагнитных твердых телах при температуре выше точки Кюри.

Опыт Дорфмана.

Опыт Дорфмана Я.Г. (1927г.) - немагнитная природа внутреннего молекулярного поля в ферромагнетике. Если фольга намагничена до насыщения и поле Вейса имеет магнитную природу, то отклонение электронного пучка должно управляться эффективным полем B_a + B_w, существенно более сильным (B_w ~ 10³ Тл). В эксперименте Дорфмана же отклонение соответствовало эффективному полю B_a ~ 1 Тл, что свидетельствовало в пользу электростатической природы поля Вейса.
- Схема опыта Дорфмана.

Спиновые волны.

1) В магнитоупорядоченных средах (магнетиках) волны нарушений «спинового порядка». В ферромагнетиках, антиферромагнетиках и ферритах спины атомов и связанные с ними магнитные моменты в основном состоянии строго упорядочены.

2) Спиновые волны в немагнитных металлах — колебания спиновой плотности электронов проводимости, обусловленные обменным взаимодействием между ними. Существование спиновых волн в немагнитных металлах проявляется в некоторых особенностях электронного парамагнитного резонанса.

Ферромагнитные домены.

Ферромагнитные домены - макроскопические области ферромагнетика с раздельными ориентациями спонтанной однородной намагниченности в одном из возможных направлений, соответствующих минимуму энергии магнитной анизотропии одного или нескольких типов (естественной кристаллографической, наведённой, анизотропии формы, магнитоупругой, поверхностной), а в общем случае и энергии намагниченности во внешнем магнитном, магнитостатическом и упругом полях.

Магнитный резонанс.

Магнитный резонанс-резонансное (избирательное) поглощение радиочастотного излучения некоторыми атомными частицами, помещенными в постоянное магнитное поле.

Различают магнитные резонансы двух основных видов: электронный парамагнитный резонанс и ядерный магнитный резонанс.

Метод магнитного резонанса представляет собой универсальный инструмент исследований, применяемый в столь различных областях науки, как биология, химия, геология и физика.

Эффекты Мейснера.

Эффект Мейснера (в некоторых источниках — эффект Мейсснера) — полное вытеснение магнитного поля изобъёма проводника при переходе в сверхпроводящее состояние. Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками Мейснером и Оксенфельдом.

Физическое объяснение.

При охлаждении сверхпроводника, находящегося во внешнем постоянном магнитном поле, в момент переходав сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью вытесняется из его объёма. Этим сверхпроводник отличается от идеального проводника, у которого при падении сопротивления до нуля индукция магнитного поля в объёме должна сохраняться без изменения.

Критическое магнитное поле.

Критическое магнитное поле в сверхпроводниках -характерное значение напряжённости постоянного магнитного поля, превышение которого вызывает проникновение магнитного поля с поверхности в глубь сверхпроводника на расстояния L, превышающие глубину проникновения магнитного поля . Критическое магнитное поле зависит от температуры Т и свойств материала сверхпроводника.

Эффекты Джозефсона.

При понижении температуры многие металлы и сплавы переходят в сверхпроводящее состояние. Этот переход происходит при вполне опред<