Питання і завдання до розділу 1

1. Які явища лежать в основі магнітоелектроніки?

2. Перелічіть магніторезистивні ефекти, що знаходять широке застосування в сучасній магнітоелектроніці.

3. Чим обумовлені магнітні властивості речовин?

4. Класичні уявленнями про моменту імпульсу та магнітний момент електрона.

5. Орбітальний моменту імпульсу і магнітний момент електрона в квантовій механіці.

6. Поясніть зміст магнетона Бора.

7. Гіпотеза С.Гаудсмітт та Дж,Уленбек .

8. Спін і спін-орбітальна взаємодія.

9. 1. Які перспективи використання прецесії спіну електрона для запису інформації.

10. Повний механічний момент атома. Два способи визначення.

11. Повний магнітний момент атома.

12. Якими квантовими числами визначається стан ізольованого електрона в кулонівському полі ядра?

13. Принцип В.Паулі у квантовій теорії.

14. Які явища підтверджують ідею дискретного, квантованого характеру величин, що описують стан електрона та атома?

Розділ 2 магнітні властивості речовини

Магнетизм - це універсальна властивість усіх тіл, яка виявляється в процесі їхньої взаємодії із зовнішнім магнітним полем. Така універсальність зумовлена тим, що довільне середовище містить рухомі заряди, а рухома частинка з електричним зарядом створює власне магнітне поле. Магнітне поле такої частинки обов'язково взаємодіятиме із зовнішнім магнітним полем.

Відомо, що ізольовані магнітні полюси в природі не виявлені, вони завжди існують парами, один з яких називають позитивним, а другий - негативним. Таку пару полюсів називають диполем. Мікроскопічна (атомна) теорія показує, що магнітний дипольний момент, який виникає в матеріалах, зумовлюється такими рухами заряджених частинок в атомах:

• орбітальним рухом електронів навколо ядер;

• спіном електронів, тобто обертанням електронів навколо власної осі;

• спіном ядер, який зумовлений існуванням спінів у протонів та нейтронів.

Якщо помістити речовину у магнітне поле напруженістю , то вона намагнічуватиметься, тобто в речовині виникатиме результуючий магнітний момент, який складається з елементарних магнітних моментів окремих заряджених частинок . Мірою намагнічення речовини є намагніченість , рівна магнітному моменту одиниці об'єму речовини:

.

У невеликих полях між намагніченістю та магнітним полем лінійна залежність:

, (2.1)

де - об'ємна магнітна сприйнятливість речовини.

Крім об'ємної сприйнятливості іноді використовують молярну сприйнятливість або - питому сприйнятливість. Ці величини зв'язані між собою такими співвідношеннями:

,

де , - відповідно густина та молярна маса речовини.

Очевидно, що всередині намагніченої речовини створюється власне внутрішнє поле, тому для опису магнітного поля у речовині вводять ще один вектор - магнітну індукцію :

, (2.2)

де називають магнітною проникливістю середовища, - магнітна стала.

Магнетики - клас речовин, які можуть породжувати магнітне поле або видозмінювати зовнішнє магнітне поле.

Усі речовини в природі відносять до слабомагнітних або сильномагнітних магнетиків. Традиційна класифікація магнітних речовин ґрунтується на поділу їх за величиною та знаком магнітної сприйнятливості . Ізотропні речовини, для яких <0 (напрями та є антипаралельними), називають діамагнетиками. Для всіх інших речовин ^>0 (напрями та є паралельними) , при цьому матеріали, для яких сприйнятливість коливається в межах 10^-4 -10^-6, називають парамагнетиками. Якщо >>1, то реалізується випадок феромагнітних матеріалів.

Слабомагнітними магнетиками є пара- і діамагнетики. Основною різницею між ними є те, що атоми парамагнетиків на відміну від діамагнетиків мають власні магнітні моменти, які орієнтуються уздовж силових ліній зовнішнього магнітного поля, тобто парамагнетик намагнічується. За відсутності цього поля магнітні моменти у зв'язку з коливальним рухом розоріентовані і вектор намагніченості . Властивості намагнічуваная мають і діамагнетики, але особливість цього процесу в них полягає у тому, що під дією сили Лоренца виникає індукований, магнітний момент, який завжди направлений проти зовнішнього магнітного поля (із цієї причини на діамагнетики діє виштовхувальна сила з боку зовнішнього магнітного поля). Оскільки у пара- і діамагнетиків відносно мала намагніченість ( ), а магнітна сприйнятливість має величину порядку 10^-4 -10^-6, то їх віднесли до слабомагнітних речовин.

Отже, поведінка таких речовин неоднакова в неоднорідному зовнішньому полі: діамагнетик буде виштовхуватись з поля, а парамагнетик - втягуватися в область найбільшої напруженості.

Суттєва взаємодія між магнітними моментами зумовлює такі ефекти:

- феромагнетизм, який реалізується тоді, коли всі атомні магнітні моменти розміщуються паралельно;

• антиферомагнетизм спостерігається в кристалах, в яких пари рівних атомних магнітних моментів розміщуються антипаралельно;

• феримагнетизм реалізується тоді, коли значення магнітних моментів, які є антипаралельними, не рівні між собою, внаслідок чого немає повної компенсації антипаралельних магнітних моментів сусідніх атомів

Відповідно речовини з такими типами розміщення магнітних моментів називають феромагнетиками, аитиферомагнетиками та феримагнетиками і відносять до класу сильномагнітних речовин.

Наведена схема класифікації магнітних речовин не є універсальною, оскільки не враховує всі можливі взаємодії в матеріалах. Так, зокрема, існують речовини, які важко однозначно віднести до одного з перелічених типів магнетиків. Відомі монокристали, які є парамагнітними вздовж однієї осі та діамагнітними - відносно іншої. Деякі кристали намагнічуються вздовж однієї осі як феромагнетики, а стосовно іншої - як слабомагнітні речовини (парамагнетики, феримагнетики). Крім того, антиферомагнітні кристали за поведінкою в магнітному полі відносять до слабомагнітних речовин, тоді як за природою виникнення феримагнетики близькі до феромагнетиків.

У фізиці твердого тіла, яка використовує симетричні аспекти, застосовують також класифікацію магнетиків, в основу якої покладено наявність (або відсутність) упорядкування магнітних моментів атомів. Згідно з цим критерієм, усі кристали розділяють на дві групи: впорядковані магнетики (феромагнетики, феримагнетики, антиферомагнетики) та невпорядковані магнетики (діамагнетики, парамагнетики).