Страница:
d-металлах обладает гораздо большей плотностью энергетических уровней, что благоприятствует действию обменных сил и приводит к появлению намагниченного состояния в Fe, Со, Ni и в их многочисленных сплавах.
Конкретные теоретические расчёты различных свойств ферромагнетиков проводятся как в квазиклассическом феноменологическом приближении, так и с помощью более строгих квантовомеханических атомных моделей. В первом случае обменное взаимодействие, приводящее к Ф., учитывается введением эффективного молекулярного поля (Б. Л. ,1897; П. ,1907), энергия Uкоторого квадратично зависит от J:
U= -NA( J slJ s0) 2
где N –число магнитно-активных атомов в образце, А –постоянная молекулярного поля ( А> 0), J s0–намагниченность насыщения при температуры. Уточнение этой трактовки Ф. дала квантовая механика, раскрыв электрическую обменную природу постоянной А(Я. И. ,В. ,1928). В частности, при низких температурах ( Т< Q) удалось провести более точный квантовый расчёт (Ф. ,1930), показавший, что уменьшение самопроизвольной намагниченности J s0ферромагнетика с ростом температуры можно в первом приближении описывать как возникновение элементарных магнитных возбуждений – ,носящих название или ферромагнонов. Каждый ферромагнон даёт уменьшение J s0на величину магнитного момента одного узла решётки. Число ферромагнонов растет с нагреванием ферромагнетика пропорционально T 3/2, поэтому температурная зависимость J sимеет вид:
J s= J s0(1 - a T 3/2) ,
где коэффициент (имеет порядок 10 -6 К -3/2и зависит от параметра обменного взаимодействия.
В отсутствие внешнего магнитного поля ( Н= 0) термодинамически устойчивому состоянию макроскопического ферромагнитного образца отвечает размагниченное состояние, ибо в противном случае на поверхности образца, как правило, возникают магнитные полюсы, создающие т. н. размагничивающее поле H 0,с которым связана большая положительная энергия. В то же время обменное взаимодействие стремится создать магнитный порядок с J¹ 0. В результате борьбы этих противоположных тенденций происходит разбиение ферромагнитного образца на –области однородной намагниченности. Теория Ф. качественно определяет размеры и форму доменов, которые зависят от конкуренции различных взаимодействий в кристалле ферромагнетика (Л. Д. и Е. М. ,1935). Равновесная структура доменов при J= 0 отвечает замкнутости магнитных потоков внутри образца. Между доменами существуют переходные слои конечной толщины, в которых J sнепрерывно меняет своё направление. На образование этих слоев затрачивается положительная энергия, но она меньше энергии поля H 0,которая возникла бы в отсутствие доменов. При некоторых критически малых размерах ферромагнитных образцов образование в них нескольких доменов может стать энергетически невыгодным, и тогда такие мелкие ферромагнитные частицы оказываются при Т< Q однородно намагниченными (т. н. однодоменные частицы).
Кривые намагничивания и петли гистерезиса в ферромагнетиках определяются изменениями объёма доменов с различными ориентациями J s в них за счёт смещения границ доменов, а также вращения векторов J sдоменов (см. ) .Магнитную восприимчивость ферромагнетиков можно приближённо представить в виде суммы: c = c смещ+ c вращ.анализ кривых намагничивания J( H) показывает, что в слабых полях c смещ> c вращ, а В сильных (после крутого подъёма кривой) c вращ> c смещ. Особый характер имеют процессы намагничивания и распределение намагниченности в .Из-за чувствительности доменной структуры и процессов намагничивания к строению кристаллов общая количественная теория кривых намагничивания ферромагнетиков пока находится в незавершённом состоянии. Обычно для определения зависимости J( Н) пользуются качественными физическими представлениями, лишь в случае идеальных монокристаллов в области, где c вращ> c смещ., возможен строгий количественный расчёт (Н. С. Акулов, 1928).
Теория кривых намагничивания и петель гистерезиса важна для разработки новых и улучшения существующих .
Связь Ф. с многими немагнитными свойствами вещества позволяет по данным измерений магнитных свойств получить информацию о различных тонких специфических особенностях электронной структуры кристаллов. Поэтому Ф. интенсивно исследуют на электронном и ядерном уровнях, применяя электронный , , ,рассеяние на ферромагнитных кристаллах различного типа корпускулярных излучений (с учётом влияния магнитных моментов взаимодействующих частиц) и т.д. В 70-е гг. 20 в. возникли интересные контакты Ф. с физикой элементарных частиц и астрофизикой. Здесь следует упомянуть об изучении в ферромагнетиках явлений аннигиляции позитронов, образования и позитрония (см. ) ,рассеяния мюонов, а в астрофизике – о проблеме магнетизма нейтронных звёзд ( ) .
Лит.:Акулов Н. С., Ферромагнетизм, М. – Л., 1939; Бозорт Р., Ферромагнетизм, пер. с англ., М., 1956; Вонсовский С. В., Шур Я. С., Ферромагнетизм, М. – Л., 1948; Дорфман Я. Г., Магнитные свойства и строение вещества, М., 1955; Туров Е. А., Физические свойства магнитоупорядоченных кристаллов, М., 1963; Теория ферромагнетизма металлов и сплавов. Сб., пер. с англ., М., 1963; Ахиезер А. И., Барьяхтар В. Г., Пелетминский С. В., Спиновые волны, М., 1967: Туров Е. А., Петров М. П., Ядерный магнитный резонанс в ферро- и антиферромагнетиках, М., 1969; Сверхтонкие взаимодействия в твердых телах, пер. с англ., М., 1970; Вонсовский С. В., Магнетизм. М., 1971; Becker R., Doring W., Ferromagnetismus, B., 1939; Kneller E., Ferromagnetismus, B., 1962; Magnetism, v. 1–4, N. Y. – L., 1963–66; Amorphous magnetism, L. – N. Y., 1973; Goodenough J. B., Magnetism and the Chemical Bond, N. Y. – L., 1963.
С. В. Вонсовский.
Рис. 2. Кривая безгистерезисного намагничивания (0 В m) и петля гистерезиса поликристаллического железа. Значению индукции В mсоответствует намагниченность насыщения J s.
Рис. 1. Ферромагнитная (коллинеарная) атомная стуктура гранецентрированной кубической решётки ниже точки Кюри Q; стрелками обозначены направления атомных магнитных моментов; J s— вектор суммарной намагниченности.
Рис. 3. Зависимость намагниченности J от напряжённости магнитного поля Н для трёх главных кристаллографических осей монокристалла железа (тип решётки — объёмно-центрированная кубическая, [100] — ось лёгкого намагничивания).
Рис. 4. Схематическое изображение температурной зависимости намагниченности насыщения J sферромагнетика, Q — точка Кюри.
Ферромагнетизм слабый
Ферромагнетики
Ферромагнин
Ферромагнитная плёнка
Ферромагнитный резонанс
Ферромарганец
Феррометр
Ферромолибден
Феррониобий
Ферронихром
Ферросиликохром
Ферросиликоцирконий
Ферросилиций
Ферросплавное производство
Ферросплавы
Ферротитан
Феррофосфор
Феррохром
Ферроцен
Конкретные теоретические расчёты различных свойств ферромагнетиков проводятся как в квазиклассическом феноменологическом приближении, так и с помощью более строгих квантовомеханических атомных моделей. В первом случае обменное взаимодействие, приводящее к Ф., учитывается введением эффективного молекулярного поля (Б. Л. ,1897; П. ,1907), энергия Uкоторого квадратично зависит от J:
U= -NA( J slJ s0) 2
где N –число магнитно-активных атомов в образце, А –постоянная молекулярного поля ( А> 0), J s0–намагниченность насыщения при температуры. Уточнение этой трактовки Ф. дала квантовая механика, раскрыв электрическую обменную природу постоянной А(Я. И. ,В. ,1928). В частности, при низких температурах ( Т< Q) удалось провести более точный квантовый расчёт (Ф. ,1930), показавший, что уменьшение самопроизвольной намагниченности J s0ферромагнетика с ростом температуры можно в первом приближении описывать как возникновение элементарных магнитных возбуждений – ,носящих название или ферромагнонов. Каждый ферромагнон даёт уменьшение J s0на величину магнитного момента одного узла решётки. Число ферромагнонов растет с нагреванием ферромагнетика пропорционально T 3/2, поэтому температурная зависимость J sимеет вид:
J s= J s0(1 - a T 3/2) ,
где коэффициент (имеет порядок 10 -6 К -3/2и зависит от параметра обменного взаимодействия.
В отсутствие внешнего магнитного поля ( Н= 0) термодинамически устойчивому состоянию макроскопического ферромагнитного образца отвечает размагниченное состояние, ибо в противном случае на поверхности образца, как правило, возникают магнитные полюсы, создающие т. н. размагничивающее поле H 0,с которым связана большая положительная энергия. В то же время обменное взаимодействие стремится создать магнитный порядок с J¹ 0. В результате борьбы этих противоположных тенденций происходит разбиение ферромагнитного образца на –области однородной намагниченности. Теория Ф. качественно определяет размеры и форму доменов, которые зависят от конкуренции различных взаимодействий в кристалле ферромагнетика (Л. Д. и Е. М. ,1935). Равновесная структура доменов при J= 0 отвечает замкнутости магнитных потоков внутри образца. Между доменами существуют переходные слои конечной толщины, в которых J sнепрерывно меняет своё направление. На образование этих слоев затрачивается положительная энергия, но она меньше энергии поля H 0,которая возникла бы в отсутствие доменов. При некоторых критически малых размерах ферромагнитных образцов образование в них нескольких доменов может стать энергетически невыгодным, и тогда такие мелкие ферромагнитные частицы оказываются при Т< Q однородно намагниченными (т. н. однодоменные частицы).
Кривые намагничивания и петли гистерезиса в ферромагнетиках определяются изменениями объёма доменов с различными ориентациями J s в них за счёт смещения границ доменов, а также вращения векторов J sдоменов (см. ) .Магнитную восприимчивость ферромагнетиков можно приближённо представить в виде суммы: c = c смещ+ c вращ.анализ кривых намагничивания J( H) показывает, что в слабых полях c смещ> c вращ, а В сильных (после крутого подъёма кривой) c вращ> c смещ. Особый характер имеют процессы намагничивания и распределение намагниченности в .Из-за чувствительности доменной структуры и процессов намагничивания к строению кристаллов общая количественная теория кривых намагничивания ферромагнетиков пока находится в незавершённом состоянии. Обычно для определения зависимости J( Н) пользуются качественными физическими представлениями, лишь в случае идеальных монокристаллов в области, где c вращ> c смещ., возможен строгий количественный расчёт (Н. С. Акулов, 1928).
Теория кривых намагничивания и петель гистерезиса важна для разработки новых и улучшения существующих .
Связь Ф. с многими немагнитными свойствами вещества позволяет по данным измерений магнитных свойств получить информацию о различных тонких специфических особенностях электронной структуры кристаллов. Поэтому Ф. интенсивно исследуют на электронном и ядерном уровнях, применяя электронный , , ,рассеяние на ферромагнитных кристаллах различного типа корпускулярных излучений (с учётом влияния магнитных моментов взаимодействующих частиц) и т.д. В 70-е гг. 20 в. возникли интересные контакты Ф. с физикой элементарных частиц и астрофизикой. Здесь следует упомянуть об изучении в ферромагнетиках явлений аннигиляции позитронов, образования и позитрония (см. ) ,рассеяния мюонов, а в астрофизике – о проблеме магнетизма нейтронных звёзд ( ) .
Лит.:Акулов Н. С., Ферромагнетизм, М. – Л., 1939; Бозорт Р., Ферромагнетизм, пер. с англ., М., 1956; Вонсовский С. В., Шур Я. С., Ферромагнетизм, М. – Л., 1948; Дорфман Я. Г., Магнитные свойства и строение вещества, М., 1955; Туров Е. А., Физические свойства магнитоупорядоченных кристаллов, М., 1963; Теория ферромагнетизма металлов и сплавов. Сб., пер. с англ., М., 1963; Ахиезер А. И., Барьяхтар В. Г., Пелетминский С. В., Спиновые волны, М., 1967: Туров Е. А., Петров М. П., Ядерный магнитный резонанс в ферро- и антиферромагнетиках, М., 1969; Сверхтонкие взаимодействия в твердых телах, пер. с англ., М., 1970; Вонсовский С. В., Магнетизм. М., 1971; Becker R., Doring W., Ferromagnetismus, B., 1939; Kneller E., Ferromagnetismus, B., 1962; Magnetism, v. 1–4, N. Y. – L., 1963–66; Amorphous magnetism, L. – N. Y., 1973; Goodenough J. B., Magnetism and the Chemical Bond, N. Y. – L., 1963.
С. В. Вонсовский.
Рис. 2. Кривая безгистерезисного намагничивания (0 В m) и петля гистерезиса поликристаллического железа. Значению индукции В mсоответствует намагниченность насыщения J s.
Рис. 1. Ферромагнитная (коллинеарная) атомная стуктура гранецентрированной кубической решётки ниже точки Кюри Q; стрелками обозначены направления атомных магнитных моментов; J s— вектор суммарной намагниченности.
Рис. 3. Зависимость намагниченности J от напряжённости магнитного поля Н для трёх главных кристаллографических осей монокристалла железа (тип решётки — объёмно-центрированная кубическая, [100] — ось лёгкого намагничивания).
Рис. 4. Схематическое изображение температурной зависимости намагниченности насыщения J sферромагнетика, Q — точка Кюри.
Ферромагнетизм слабый
Ферромагнети'зм сла'бый,см.
.
Ферромагнетики
Ферромагне'тики,вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом состоянии), в которых ниже определённой температуры (
Q) устанавливается ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах, см.
)
.Среди химических элементов ферромагнитны
Fe, Со и Ni (3
d-металлы) и редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Но, Er (табл. 1).
Табл. 1. — Ферромагнитные металлы
Металлы Q, К J s0, гс* Fe 1043 1735,2 Co 1403 1445 Ni 631 508,8 Gd 289 1980 Tb 223 2713 Dy 87 1991,8 Ho 20 3054,6 Er 19,6 1872,6 * J s0–намагниченность единицы объёма при абсолютном нуле температуры.
Для 3 d-металлов и Gd характерна коллинеарная ферромагнитная атомная структура, а в остальных редкоземельных Ф. – неколлинеарная (спиральная и др.; см. ) .Ферромагнитны также многочисленные металлические бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с др. неферромагнитными элементами, сплавы и соединения Cr и Mn с неферромагнитными элементами (т. н. Гейслеровы сплавы), соединения ZrZn 2и Zr xM 1-xZn 2(где М – это Ti, Y, Nb или Hf, 0 Ј xЈ 1) ,Au 4V, Sc 3In и др. (табл. 2), а также некоторые соединения металлов группы актинидов (например, UH 3).
Табл. 2. — Ферромагнитные соединения
Соединения Q, К Соединения Q, К Fe 3AI 743 TbN 43 Ni 3Mn 773 DyN 26 FePd 3 705 EuO 77 MnPt 3 350 MnB 578 CrPt 3 580 ZrZn 2 35 ZnCMn 3 353 Au 4V 42–43 AlCMn 3 275 Sc 3ln 5–6 Особую группу Ф. образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов, например Fe или Со в диамагнитной матрице Pd. В этих веществах атомные магнитные моменты распределены неупорядоченно (при наличии ферромагнитного порядка отсутствует атомный порядок). Ферромагнитный порядок обнаружен также в аморфных (метастабильных) металлических сплавах и соединениях, аморфных полупроводниках, в обычных органических и неорганических стеклах, халькогенидах (сульфидах, селенидах, теллуридах) и т.п. Число известных неметаллических Ф. пока невелико. Это, например, ионные соединения типа La 1-xCa xMnO 5(0,4 > x> 0,2), EuO, Eu 2SiO 4, EuS, EuSe, EuI 2, CrB 3и т.п. У большинства из них точка Кюри лежит ниже 1 К. Только у соединений Eu, халькогенидов, CrB 3значение Q ~ 100 К.
Лит. см.при ст. .
С. В. Вонсовский.
Табл. 1. — Ферромагнитные металлы
Металлы Q, К J s0, гс* Fe 1043 1735,2 Co 1403 1445 Ni 631 508,8 Gd 289 1980 Tb 223 2713 Dy 87 1991,8 Ho 20 3054,6 Er 19,6 1872,6 * J s0–намагниченность единицы объёма при абсолютном нуле температуры.
Для 3 d-металлов и Gd характерна коллинеарная ферромагнитная атомная структура, а в остальных редкоземельных Ф. – неколлинеарная (спиральная и др.; см. ) .Ферромагнитны также многочисленные металлические бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с др. неферромагнитными элементами, сплавы и соединения Cr и Mn с неферромагнитными элементами (т. н. Гейслеровы сплавы), соединения ZrZn 2и Zr xM 1-xZn 2(где М – это Ti, Y, Nb или Hf, 0 Ј xЈ 1) ,Au 4V, Sc 3In и др. (табл. 2), а также некоторые соединения металлов группы актинидов (например, UH 3).
Табл. 2. — Ферромагнитные соединения
Соединения Q, К Соединения Q, К Fe 3AI 743 TbN 43 Ni 3Mn 773 DyN 26 FePd 3 705 EuO 77 MnPt 3 350 MnB 578 CrPt 3 580 ZrZn 2 35 ZnCMn 3 353 Au 4V 42–43 AlCMn 3 275 Sc 3ln 5–6 Особую группу Ф. образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов, например Fe или Со в диамагнитной матрице Pd. В этих веществах атомные магнитные моменты распределены неупорядоченно (при наличии ферромагнитного порядка отсутствует атомный порядок). Ферромагнитный порядок обнаружен также в аморфных (метастабильных) металлических сплавах и соединениях, аморфных полупроводниках, в обычных органических и неорганических стеклах, халькогенидах (сульфидах, селенидах, теллуридах) и т.п. Число известных неметаллических Ф. пока невелико. Это, например, ионные соединения типа La 1-xCa xMnO 5(0,4 > x> 0,2), EuO, Eu 2SiO 4, EuS, EuSe, EuI 2, CrB 3и т.п. У большинства из них точка Кюри лежит ниже 1 К. Только у соединений Eu, халькогенидов, CrB 3значение Q ~ 100 К.
Лит. см.при ст. .
С. В. Вонсовский.
Ферромагнин
Ферромагни'н,то же, что
.
Ферромагнитная плёнка
Ферромагни'тная плёнка,см.
.
Ферромагнитный резонанс
Ферромагни'тный резона'нс,одна из разновидностей электронного магнитного резонанса; проявляется в избирательном поглощении
энергии электромагнитного поля при частотах, совпадающих с собственными частотами w
0прецессии магнитных моментов электронной системы ферромагнитного образца во внутреннем эффективном магнитном поле
Н
эф.Ф. р. в более узком смысле – возбуждение колебаний типа однородной (во всём объёме образца) прецессии вектора намагниченности
J(
с волновым вектором
k=
0), вызываемое магнитным СВЧ-полем
H
^, перпендикулярным постоянному намагничивающему полю
H
0. Однородный Ф. р., как и
(ЭПР), может быть обнаружен методами магнитной
.Поскольку магнитная СВЧ-восприимчивость (а следовательно, и поглощение) пропорциональна статической
c
0=
J
s
/H
0
,где
J
s– намагниченность насыщения ферромагнетика, то при Ф. р. поглощение на несколько порядков больше, чем при ЭПР. Благодаря спонтанной намагниченности ферромагнетика поле
Н
эфможет существенно отличаться от внешнего поля
H
0(из-за
и размагничивающих эффектов поверхности образца; см.
)
,обычно
Н
эф(0 даже при
H
0= 0 («естественный» Ф. р.). Основные характеристики Ф. р. – резонансные частоты, релаксация, форма и ширина линий поглощения, нелинейные эффекты – определяются коллективной многоэлектронной природой
.Квантовомеханическая теория Ф. р. приводит к тому же выражению для частоты Ф. р. w
0, как и классическому рассмотрение w
0= g
Н
эф,где g
= gm
Б/
–
, g –фактор спектроскопического расщепления (
)
,m
Б–
Бора,
=
h/2p
–
.Через
Н
эфчастота w
0зависит от формы образца, от ориентации
H
0относительно осей симметрии кристалла и от температуры. Наличие доменной структуры в ферромагнетике усложняет Ф. р., приводя к возможности появления нескольких резонансных пиков.
Обычно имеют дело с неоднородным Ф. р. – возбуждением магнитным СВЧ-полем неоднородных типов коллективных колебаний J s(спиновых волн с k¹ 0), специфичных именно для ферромагнетиков. Существование нескольких типов резонансных колебаний, ветвей Ф. р. (спиновых волн с k¹ 0), наряду с колебаниями типа однородной прецессии (с k= 0) совершенно меняет характер магнитной релаксации и уширения линий поглощения при Ф. р. по сравнению с ЭПР. С квантовомеханической точки зрения процессы релаксации описываются как рассеяние спиновых волн друг на друге, на тепловых колебаниях ( ) и на электронах проводимости (в металлах). Например, при однородном Ф. р. релаксация проявляется в уширении его линии поглощения на величину Dw 0= , где t 0– время релаксации, т. е. среднее «время жизни» спиновой волны с k= 0 .Ширина линии D Ндля различных ферромагнетиков меняется в пределах от 0,1 до 10 3 э. Основную роль в уширении линии играют статические неоднородности: примесные атомы, поры, ,мельчайшие шероховатости на поверхности образца. Наиболее узкая линия (с D Н= 0,53 э) наблюдалась в монокристалле соединения Y 3Fe 5O 12– иттриевом со структурой граната. В металлических ферромагнетиках один из главных механизмов уширения линий Ф. р. связан со : СВЧ-поле из-за вихревых токов становится неоднородным и поэтому возбуждает широкий спектр спиновых волн. Существенную роль в рассеянии спиновых волн в металлических ферромагнетиках играет также взаимодействие волн с электронами проводимости. Ширина наиболее узкой линии Ф. р. в металлических ферромагнетиках по порядку величины составляет 10 э.
Нелинейные эффекты Ф. р. определяются связью между однородной прецессией магнитных моментов и неоднородными типами колебаний, которые отсутствуют при ЭПР. Из-за указанной связи при увеличении амплитуды напряжённости магнитного поля Н ^до некоторой критической величины Н ^, крначинается быстрый (экспоненциальный) рост колебаний с определёнными волновыми числами (т. н. нестабильное возбуждение колебаний). Такой пороговый характер нестабильного возбуждения обусловлен тем, что при достижении Н ^, кр ,некоторые из спиновых волн с k¹ 0 не успевают получаемую ими (от волн с k= 0) энергию передавать другим спиновым волнам или фононам.
Магнитоупругие взаимодействия в ферромагнетиках (см. ) могут привести к параметрическому возбуждению нестабильных колебаний кристаллической решётки (фононов) магнитным СВЧ-полем и обратному эффекту – возбуждению спиновых волн СВЧ-полем упругих напряжений ( ) .Изучение Ф. р. привело к созданию на его основе многих СВЧ-устройств: вентилей и циркуляторов, генераторов, усилителей, параметрических преобразователей частоты и ограничителей мощности.
Впервые на резонансный характер поглощения сантиметровых электромагнитных волн ферромагнетиками указал в 1911–13 В. К. .
Лит.:Ферромагнитный резонанс и поведение ферромагнетиков в переменных магнитных полях. Сб., пер. с англ., М., 1952; Ферромагнитный резонанс, М., 1961; Гуревич А, Г,, Ферриты на сверхвысоких частотах, М., 1960; его же, Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках, М,, 1973; Моносов Я. А., Нелинейный ферромагнитный резонанс, М., 1971; Magnetism, A treatise on modern theory and materials, v. I, N. Y. – L., 1963.
С. В. Вонсовский.
Обычно имеют дело с неоднородным Ф. р. – возбуждением магнитным СВЧ-полем неоднородных типов коллективных колебаний J s(спиновых волн с k¹ 0), специфичных именно для ферромагнетиков. Существование нескольких типов резонансных колебаний, ветвей Ф. р. (спиновых волн с k¹ 0), наряду с колебаниями типа однородной прецессии (с k= 0) совершенно меняет характер магнитной релаксации и уширения линий поглощения при Ф. р. по сравнению с ЭПР. С квантовомеханической точки зрения процессы релаксации описываются как рассеяние спиновых волн друг на друге, на тепловых колебаниях ( ) и на электронах проводимости (в металлах). Например, при однородном Ф. р. релаксация проявляется в уширении его линии поглощения на величину Dw 0= , где t 0– время релаксации, т. е. среднее «время жизни» спиновой волны с k= 0 .Ширина линии D Ндля различных ферромагнетиков меняется в пределах от 0,1 до 10 3 э. Основную роль в уширении линии играют статические неоднородности: примесные атомы, поры, ,мельчайшие шероховатости на поверхности образца. Наиболее узкая линия (с D Н= 0,53 э) наблюдалась в монокристалле соединения Y 3Fe 5O 12– иттриевом со структурой граната. В металлических ферромагнетиках один из главных механизмов уширения линий Ф. р. связан со : СВЧ-поле из-за вихревых токов становится неоднородным и поэтому возбуждает широкий спектр спиновых волн. Существенную роль в рассеянии спиновых волн в металлических ферромагнетиках играет также взаимодействие волн с электронами проводимости. Ширина наиболее узкой линии Ф. р. в металлических ферромагнетиках по порядку величины составляет 10 э.
Нелинейные эффекты Ф. р. определяются связью между однородной прецессией магнитных моментов и неоднородными типами колебаний, которые отсутствуют при ЭПР. Из-за указанной связи при увеличении амплитуды напряжённости магнитного поля Н ^до некоторой критической величины Н ^, крначинается быстрый (экспоненциальный) рост колебаний с определёнными волновыми числами (т. н. нестабильное возбуждение колебаний). Такой пороговый характер нестабильного возбуждения обусловлен тем, что при достижении Н ^, кр ,некоторые из спиновых волн с k¹ 0 не успевают получаемую ими (от волн с k= 0) энергию передавать другим спиновым волнам или фононам.
Магнитоупругие взаимодействия в ферромагнетиках (см. ) могут привести к параметрическому возбуждению нестабильных колебаний кристаллической решётки (фононов) магнитным СВЧ-полем и обратному эффекту – возбуждению спиновых волн СВЧ-полем упругих напряжений ( ) .Изучение Ф. р. привело к созданию на его основе многих СВЧ-устройств: вентилей и циркуляторов, генераторов, усилителей, параметрических преобразователей частоты и ограничителей мощности.
Впервые на резонансный характер поглощения сантиметровых электромагнитных волн ферромагнетиками указал в 1911–13 В. К. .
Лит.:Ферромагнитный резонанс и поведение ферромагнетиков в переменных магнитных полях. Сб., пер. с англ., М., 1952; Ферромагнитный резонанс, М., 1961; Гуревич А, Г,, Ферриты на сверхвысоких частотах, М., 1960; его же, Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках, М,, 1973; Моносов Я. А., Нелинейный ферромагнитный резонанс, М., 1971; Magnetism, A treatise on modern theory and materials, v. I, N. Y. – L., 1963.
С. В. Вонсовский.
Ферромарганец
Феррома'рганец,
,основной компоненты которого железо и марганец. Углеродистый Ф., содержащий 75–79% Mn, до 7% С (остальное Fe и примеси), получают в руднотермических или доменных печах из марганцевого концентрата. Средне- и малоуглеродистый (рафинированный) Ф., содержащий 86–89% Mn, до 1,5 и до 0,5% С (соответственно), получают в руднотермических печах силикотермическим способом (см.
) из
,марганцевых концентратов и низкофосфористого марганцевого шлака. Ф. применяют для раскисления и легирования стали. Наряду с Ф. выпускается металлический марганец, получаемый электротермическим или электролитическим способом. Азотированный (около 6% N) рафинированный Ф. или металлический марганец получают выдерживанием порошков в атмосфере азота при 900 °С.
Феррометр
Ферро'метр,устройство для определения мгновенных значений индукции (
B
t) и напряжённости (
H
t) магнитного поля в ферромагнитных образцах. Ф. позволяет по точкам строить симметричные динамические петли перемагничивания ферромагнитных образцов (см.
) в переменных периодических магнитных полях (обычно промышленные частоты), а также осуществлять запись петель перемагничивания двухкоординатным самописцем на бумаге или на экране
.
Принцип действия Ф. основан на том, что мгновенные значения B tи H tпропорциональны средним значениям их производных за определённый промежуток времени. Средние значения переменных электрических величин в Ф. измеряются за время, кратное полупериоду изменения магнитного поля, магнитоэлектрическим прибором ( ) суправляемым выпрямителем (управление осуществляется ,устанавливающим начальный момент воздействия поля на Ф.). Производная индукции dB/dtнаходится по эдс ев измерительной катушке, навитой на исследуемый образец: е= -w 2 SЧ( dB/dt) ,где w 2 –число витков катушки ( рис. ), S– сечение образца. Мгновенное значение напряжённости намагничивающего поля H tрассчитывается по величине тока i,производная которого определяется по значению эдс e mво вторичной обмотке катушки взаимной индуктивности М(её первичная обмотка w 1включена последовательно в намагничивающую цепь): e m = - МЧ( di/dt) ,где М –коэффициент взаимной индуктивности катушки.
Для нахождения точек динамической петли перемагничивания определяют B tи H tдля нескольких положений фазовращателя (обычно через равные доли периода) и по полученным данным строят петлю. Основную кривую намагничивания получают как геометрическое место вершин симметричных динамических петель перемагничивания. В СССР Ф. типа У-542 выпускаются серийно, существуют также образцы высокочастотных Ф. – Ф-2М и Ф-3 (до 10 кгц) .
Лит.:Магнитные измерения, М., 1969; Кифер И. И., Испытания ферромагнитных материалов, 3 изд., М., 1969, с. 197.
И. И. Кифер.
Принципиальная электрическая схема феррометра: Г — магнитоэлектрический гальванометр; МУВ — механически управляемый выпрямитель; ФВ — фазовращатель; П — переключатель; w 1— намагничивающая катушка; w 2— измерительная катушка; М — катушка взаимной индуктивности; АТ — автотрансформатор.
Принцип действия Ф. основан на том, что мгновенные значения B tи H tпропорциональны средним значениям их производных за определённый промежуток времени. Средние значения переменных электрических величин в Ф. измеряются за время, кратное полупериоду изменения магнитного поля, магнитоэлектрическим прибором ( ) суправляемым выпрямителем (управление осуществляется ,устанавливающим начальный момент воздействия поля на Ф.). Производная индукции dB/dtнаходится по эдс ев измерительной катушке, навитой на исследуемый образец: е= -w 2 SЧ( dB/dt) ,где w 2 –число витков катушки ( рис. ), S– сечение образца. Мгновенное значение напряжённости намагничивающего поля H tрассчитывается по величине тока i,производная которого определяется по значению эдс e mво вторичной обмотке катушки взаимной индуктивности М(её первичная обмотка w 1включена последовательно в намагничивающую цепь): e m = - МЧ( di/dt) ,где М –коэффициент взаимной индуктивности катушки.
Для нахождения точек динамической петли перемагничивания определяют B tи H tдля нескольких положений фазовращателя (обычно через равные доли периода) и по полученным данным строят петлю. Основную кривую намагничивания получают как геометрическое место вершин симметричных динамических петель перемагничивания. В СССР Ф. типа У-542 выпускаются серийно, существуют также образцы высокочастотных Ф. – Ф-2М и Ф-3 (до 10 кгц) .
Лит.:Магнитные измерения, М., 1969; Кифер И. И., Испытания ферромагнитных материалов, 3 изд., М., 1969, с. 197.
И. И. Кифер.
Принципиальная электрическая схема феррометра: Г — магнитоэлектрический гальванометр; МУВ — механически управляемый выпрямитель; ФВ — фазовращатель; П — переключатель; w 1— намагничивающая катушка; w 2— измерительная катушка; М — катушка взаимной индуктивности; АТ — автотрансформатор.
Ферромолибден
Ферромолибде'н,
,содержащий ~ 60% Mo (остальное Fe и примеси); получают внепечным силикотермическим процессом (см.
)
с добавлением алюминия из обожжённого молибденитового концентрата. Ф. применяют при выплавке конструкционной стали и жаропрочных сплавов.
Феррониобий
Ферронио'бий,
,содержащий около 60% Nb (или Nb + Ta), 10–12,5% Si, 2–6% Al, 3–8% Ti (остальное Fe и примеси); выплавляют электропечным алюминотермическим способом (см.
) из пирохлорового концентрата или технической пятиокиси ниобия. Ф. применяют при выплавке конструкционной стали и жаропрочных сплавов.
Ферронихром
Ферронихро'м,см. в статьях
,
.
Ферросиликохром
Ферросиликохро'м,см.
.
Ферросиликоцирконий
Ферросиликоцирко'ний,см.
.
Ферросилиций
Ферросили'ций,
,основные компоненты которого железо и кремний (среднее содержание Si 90, 75, 65, 45, 25 и 18%, остальное Fe и примеси); выплавляют из кварцитов (реже кварца) в мощных руднотермических печах. Ф. применяют для раскисления и легирования стали, а богатые сорта также для восстановления металлов из окислов (см.
)
.
Ферросплавное производство
Ферроспла'вное произво'дство, получение
на специализированных заводах чёрной металлургии. Наиболее распространён электротермический (электропечной) способ получения ферросплавов (т. н. электроферросплавов); по виду восстановителя он разделяется на углевосстановительный, которым получают углеродистые ферросплавы (5–8% С) и все кремнистые сплавы, и металлотермический (к нему условно относят и силикотермический), которым получают сплавы с пониженным содержанием углерода (0,01–2,5% С).
Углевосстановительным процессом (см. ) ,осуществляемым главным образом в мощностью 16,5–72 Мва,получают ,кристаллический кремний, силикоалюминий, ,ферросиликокальций, , ,углеродистый и , ,комплексные сплавы на кремнистой основе, а также низкофосфористый марганцевый шлак; производство доменных ферросплавов очень незначительно по масштабам и постоянно сокращается (бедный ферросилиций и ферромарганец), т.к. они больше загрязнены примесями и стоят дороже электроферросплавов.
Низкоуглеродистые (рафинированные) ферросплавы получают в дуговых (рафинировочных) электропечах мощностью 2,5–5,5 Мваметаллотермическим способом (см. ) .силикотермическим (см. ) –низко- и безуглеродистые сплавы марганца и хрома, (в шихту добавляют алюминий), (в шихту добавляют коксик), ,алюминотермическим (см. ) –металлический хром, безуглеродистый феррохром, , ,силикоцирконий, различные с редкими и редкоземельными металлами.
Среднеуглеродистый феррохром получают также в конвертерах с кислородным дутьём (из углеродистого феррохрома). Для получения азотсодержащих (азотированных) сплавов марганца, хрома и ванадия применяют электропечи сопротивления и индукционные печи.
Внепечным алюминотермическим способом выплавляют ,металлический хром и ванадий, внепечным силикотермическим способом – (в шихту добавляют алюминий).
Примерно 97% производимых в СССР ферросплавов (без учёта феррофосфора) составляют сплавы с кремнием, марганцем и хромом. производство этих сплавов материало- и энергоёмко и обычно связывается с мощными источниками рудного сырья и дешёвой электроэнергии.
Лит.:Производство ферросплавов, 2 изд., М., 1957; Рысс М. А., Производство ферросплавов, М., 1975; Щедровицкий Я. С., Производство ферросплавов в закрытых печах, М., 1975; Дуррер Р., Фолькерт Г., Металлургия ферросплавов, пер. с нем., 2 изд., М., 1976.
В. А. Боголюбов.
Углевосстановительным процессом (см. ) ,осуществляемым главным образом в мощностью 16,5–72 Мва,получают ,кристаллический кремний, силикоалюминий, ,ферросиликокальций, , ,углеродистый и , ,комплексные сплавы на кремнистой основе, а также низкофосфористый марганцевый шлак; производство доменных ферросплавов очень незначительно по масштабам и постоянно сокращается (бедный ферросилиций и ферромарганец), т.к. они больше загрязнены примесями и стоят дороже электроферросплавов.
Низкоуглеродистые (рафинированные) ферросплавы получают в дуговых (рафинировочных) электропечах мощностью 2,5–5,5 Мваметаллотермическим способом (см. ) .силикотермическим (см. ) –низко- и безуглеродистые сплавы марганца и хрома, (в шихту добавляют алюминий), (в шихту добавляют коксик), ,алюминотермическим (см. ) –металлический хром, безуглеродистый феррохром, , ,силикоцирконий, различные с редкими и редкоземельными металлами.
Среднеуглеродистый феррохром получают также в конвертерах с кислородным дутьём (из углеродистого феррохрома). Для получения азотсодержащих (азотированных) сплавов марганца, хрома и ванадия применяют электропечи сопротивления и индукционные печи.
Внепечным алюминотермическим способом выплавляют ,металлический хром и ванадий, внепечным силикотермическим способом – (в шихту добавляют алюминий).
Примерно 97% производимых в СССР ферросплавов (без учёта феррофосфора) составляют сплавы с кремнием, марганцем и хромом. производство этих сплавов материало- и энергоёмко и обычно связывается с мощными источниками рудного сырья и дешёвой электроэнергии.
Лит.:Производство ферросплавов, 2 изд., М., 1957; Рысс М. А., Производство ферросплавов, М., 1975; Щедровицкий Я. С., Производство ферросплавов в закрытых печах, М., 1975; Дуррер Р., Фолькерт Г., Металлургия ферросплавов, пер. с нем., 2 изд., М., 1976.
В. А. Боголюбов.
Ферросплавы
Ферроспла'вы,полупродукты металлургического производства – сплавы железа с кремнием, марганцем, хромом и др. элементами, используемые при выплавке стали (для раскисления и легирования жидкого металла, связывания вредных примесей, придания металлу требуемой структуры и свойств), а также при получении других Ф. (т. н. передельные Ф.). К Ф. условно относят некоторые сплавы, содержащие железо лишь в виде примесей (например, силикомарганец, силикокальций) и, кроме того, некоторые металлы и неметаллы в технически чистом виде (металлический марганец, металлический хром, кристаллический кремний). Т. н. комплексные Ф. содержат несколько компонентов.
Восстановление окислов ведущего элемента Ф. (Mn, Cr и др.) углеродом в присутствии железа протекает при более низкой температуре, быстрее, полнее и с меньшими энергетическими затратами. Температура плавления Ф., за редким исключением, ниже температуры плавления чистого металла; это облегчает его растворение при введении в жидкую сталь, приводит к уменьшению угара ведущего элемента. Стоимость элемента в Ф. ниже, чем в технически чистом металле. Стандартное содержание компонентов в Ф. обусловлено химическим составом сырья, условиями выплавки Ф. и введения их в жидкую сталь. О способах получения Ф. см. в статьях , , , , и др., а также в ст. .
Лит.см. при ст. .
В. А. Боголюбов.
Восстановление окислов ведущего элемента Ф. (Mn, Cr и др.) углеродом в присутствии железа протекает при более низкой температуре, быстрее, полнее и с меньшими энергетическими затратами. Температура плавления Ф., за редким исключением, ниже температуры плавления чистого металла; это облегчает его растворение при введении в жидкую сталь, приводит к уменьшению угара ведущего элемента. Стоимость элемента в Ф. ниже, чем в технически чистом металле. Стандартное содержание компонентов в Ф. обусловлено химическим составом сырья, условиями выплавки Ф. и введения их в жидкую сталь. О способах получения Ф. см. в статьях , , , , и др., а также в ст. .
Лит.см. при ст. .
В. А. Боголюбов.
Ферротитан
Ферротита'н,
,содержащий до 35 или более 60% Ti, 1–7% Al, 1–4,5% Si, до 3% Cu (остальное Fe и примеси); получают внепечным алюминотермическим способом (см.
)
из ильменитового концентрата и титановых отходов (низкопроцентный Ф.) или сплавлением в электрической печи железных и титановых отходов (высокопроцентный Ф.). Ф. применяют для раскисления и легирования стали.
Феррофосфор
Феррофо'сфор,
,основные компоненты которого – железо и фосфор (2–25% Р); выплавляется в доменной печи (путём восстановления апатитов или фосфоритов в присутствии железной руды или стружки) либо получается как попутный продукт при электротермическом производстве жёлтого фосфора. Ф. применяют при выплавке конструкционных сталей и литейных чугунов.
Феррохром
Феррохро'м,
,содержащий около 70% Сr (остальное Fe и примеси). Сырьём для получения Ф. служат хромовые руды (52–58% Сr
2О
3). Углеродистый Ф. (6–8% С) выплавляют в рудовосстановительных печах, рафинированный Ф. – среднеуглеродистый (0,8–1,5% С), малоуглеродистый (0,1–0,5% С) и безуглеродистый (0,01–0,06% С) – в рафинировочных электропечах силикотермическим способом (см.
)
,среднеуглеродистый Ф. получают также в специальном конвертере из углеродистого Ф., а безуглеродистый – смешиванием в ковше хромоизвесткового и силикохромового расплавов. Безуглеродистый Ф. в брикетах получают обезуглероживанием сбрикетированных порошков среднеуглеродистого и углеродистого Ф. в вакуумной печи при 1380 °С; если по окончании этого процесса печь заполнить азотом, то после некоторой выдержки образуется азотированный Ф. (около 6% N). Ф. применяют для легирования стали, а передельный Ф. – в качестве полупродукта при выплавке
.
Ферроцен
Ферроце'н,дициклопентадиенилжелезо, (C
2H
5)
2Fe, оранжевые кристаллы, хорошо растворимые в органич. растворителях,
t
пл173–174 °С.
Ф. – первый синтезированный в 1951 представитель большой группы металлоорганических соединений – металлоценов (см.
Ф. – первый синтезированный в 1951 представитель большой группы металлоорганических соединений – металлоценов (см.