Аморфные магнетики

Амо́рфные магене́тики — аморфные магнитоупорядоченные вещества, обладающие ближним порядком расположения атомов или ионов, сохраняющимся на дистанциях в несколько межатомных расстояний.

Физические основы

В отличие от кристаллических материалов, в аморфных магнетиках отсутствует дальний порядок расположения атомов, что приводит к значительным отличиям в их магнитных свойствах, связанным, в том числе, и с отсутствием кристаллографической анизотропии и дефектов, свойственных кристаллическим структурам.

Аморфные магнетики, как и аморфные вещества в целом, часто представляют как переохлаждённые жидкости. Удобно считать, что аморфное состояние вызвано переохлаждением жидкости, происходившим с такой скоростью понижения температуры, что кристаллизация не успевала осуществляться до перехода в твёрдое состояние (обычно менее 1 К/с), и система достигла состояния, когда подвижность частиц жидкости оказалось настолько низкой, что процесс кристаллизации практически прекратился, что позволило веществу остаться в аморфном состоянии в течение длительного времени. Это означает, что аморфные магнетики находятся в метастабильном неравновесном термодинамическом состоянии, следовательно, их свойства зависят от температуры. Устойчивость свойств проявляется в интервале температур, равном разности температуры кристаллизации аморфной фазы $T_{cr}$и температуры стеклования $T_{G}$:

$\Delta T=T_{cr}-T_{G}$.

При температурах, близких к $T_{G}$ наблюдается резкое повышение вязкости (для типичных аморфных магнетиков $\eta \thicksim 10^{13}$ Па).

При нагревании и превышении температуры аморфного магнетика $T_{cr}$ начинает происходит кристаллизация и аморфное состояние разрушается. Для типичных аморфных магнетиков температура $T_{cr}$ находится в пределах $600\div 800$ К.

Следует различать аморфное состояние и стеклообразное. У стеклообразных материалов существует обратимый переход из стеклообразного состояния в расплав и обратно, а у аморфных материалов при нагревании вначале происходит кристаллизация, а затем, после достижения температуры плавления, переход в жидкое состояние.

На основе этих представлений был построен ряд гипотез о внутренней структуре аморфных веществ. Оказалось, что структура и свойства аморфных магнетиков зависят от биографии образцов (скорости охлаждения и т. д.). Согласно Хёрду, величина обменных сил, действующих на магнитные электроны незаполненной оболочки иона, зависят от геометрического расположения лигандов (соседних ионов вещества) и расстояний между ними, а также от количества и расположения соседних ионов вещества. Эта зависимость особенно велика в аморфных и неупорядоченных веществах, где магнитные ионы находятся в произвольном окружении, что приводит к появлению локальных электрических полей в небольших объёмах вещества, которые ориентируют магнитные моменты ионов аморфных магнетиков. В результате этого процесса в больших объёмах вещества аморфных магнетиков возникает случайная магнитная анизотропия, определяющая макромагнитные свойства аморфных магнетиков.

Одним из определяющих факторов, влияющих на магнитные свойства аморфных веществ (магнетиков) является дисперсия межионных расстояний и наличие конкурирующих процессов обменного взаимодействия между магнитным ионами, что приводит к возникновению специфических, не свойственных кристаллическим веществам магнитных свойств аморфных магнетиков. Различные комбинации конкурирующих процессов, биографий образцов и внешних воздействий приводят к тому, что аморфные магнетики проявляют свойства асперомагнетизма, сперимагнетизма, сперомагнетизма, диамагнетизма, ферромагнетизма, и т. д.

При очень низких температурах аморфные сплавы из редкоземельных металлов переходят в новые состояния, называемое спиновыми стёклами, в которых магнитные моменты ионов «замораживаются», и спонтанная намагниченность вещества уменьшается практически до нуля.

Способы получения аморфных магнетиков

Основными методами получения аморфных магнетиков являются:

• осаждение металла из газовой фазы (вакуумное напыление, распыление и проведение химических реакций в газовой фазе;
• затвердевание металлов или сплавов, использование различных методов закалки из жидкого состояния;
• насыщение дефектами металлических кристаллов (облучение частицами поверхности или воздействия на поверхность ударными волнами).

Последний способ используется для получения неупорядоченных структур.

Необходимость обеспечения высокой скорости охлаждения в процессе изготовления аморфных материалов легла в основу методов спиннингования струй расплава на вращающийся медный диск, что обеспечивает скорость охлаждения $10^{6}$ $^{\circ }$C/c на контактной стороне диска и $10^{4}$ $^{\circ }$C/c на свободной стороне. Различие скоростей охлаждения приводит к созданию неравновесной кластерной аморфной структуры.

Широкое распространение получил метод получения аморфных микропроводов Улитковского — Тейлора, в котором металлическое ядро плавится и одновременно с этим покрывается стеклянной оболочкой толщиной до 15 мкм, после чего резко охлаждается и вытягивается в проволоку диаметром от 3 до 40 мкм.

Применение аморфных магнетиков

Аморфные магнетики применяются в технике, медицине, системах автоматического управления, магнитных покрытиях, компонентах, устройствах и методах неразрушающего контроля, а также в электротехнике (трансформаторы, магнитные экраны, постоянные магниты, звукозаписывающие головки), радиотехнике и системах записи информации. Как правило, используются магнитомягкие аморфные материалы, по своим магнитным свойствам близким к пермаллоям.

Литература

• Бозорт Р. М. Ферромагнетизм. — Москва : Изд. иностранной литературы, 1956.
• Mattis D. С. The theory of magnetism. — Berlin: Springer-Verlag, 1981.
• Хёрд К. М. Многообразие видов магнитного упорядочения в твёрдых телах. // Успехи физических наук, 1984, Т. 142, № 2, C. 331—355.
• Вонсовский С. В. Магнетизм. — Москва : Наука, 1984.
• Преображенский А. А., Бишард Е. Г. Магнитные материалы и элементы : учебник для вузов. — Москва : Высшая школа, 1986.
• Зайкова В. А., Старцева И. Е., Филиппов Б. Н. Доменная структура и магнитные свойства электротехнических сталей. — Москва : Наука, 1992.

Ссылки

• Структура и свойства неупорядоченных твёрдых тел

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Аморфные магнетики», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Аморфные_магнетики» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».