ле. Минимальное значение этого поля называется критическим. Оно определяется теми потенциальными барьерами, которые должна преодолевать граница перемагни-чивающейся области при движении через неоднородности материала.

Задержка в смещении границ доменов связана также с некоторыми видами неод-нородиостей, поскольку при их прохождении происходит образование локальной доменной структуры. По мере удаления основной границы от неоднородности сначала увеличиваются границы маленьких доменов, а затем, после их внезапного отрыва от основной границы, вокруг полости устанавливается новая доменная структура и выпрямляется основная cteHKa. Задерживающее действие неоднородности приводит к увеличению поля, необходимого для осуществления движения основной границы в окрестности неоднородности. Другие неоднородности, большие и малые, сказываются подобным же образом на смещении других границ и определяют коэрцитивную силу.

Если в ферромагнитном материале исключена возможность возникновения зародышей перемагничивания, то в нем вообще исключены процессы смещения и перемаг-ничивание может осуществляться лишь с помощью процесса вращения вектора намагниченности. Необратимый характер процессов перемагничивания как при смещении доменных границ, так и при вращении находит свое выражение в неоднозначности кривой намагничивания между отрицательным и положительным значениями коэрцитивной силы. Два устойчивых значения намагниченности на этом участке соответствуют двум минимумам свободной энергии, разделенным потенциальным барьером. Коэрцитивная сила соответствует тем граничным точкам этого двузначного участка, где энергетический барьер исчезает.

Вихревые токи при перемагничивании и магнитная вязкость

Процессы намагничивания и перемагничивания зависят не только от внешнего магнитного поля, но и от скорости его изменения. Одной из нричии этого является размагничивающее действие вихревых токов, возникающих при движении доменной стенки. Их создает электрическое поле, индуктируемое в тех областях, в которых произошло изменение направления намагниченности. Напряженность электрического поля и плотность вихревых токов зависят от скорости движения доменной стенки. Они определяются условием иметь в каждый момент времени в неперемагниченном объеме напряженность результирующего магнитного поля не больше коэрцитивной силы.

Задержку в изменении намагниченности ферромагнитного образца, которую нельзя отнести к действию вихревых токов.

объясняют явлением, которое называется магнитной вязкостью .

Такого рода магнитное последействие бывает двух типов: зависящее и не зависящее от температуры.

Временные эффекты в ферромагнетике условно можно также разделить на электронные и ионные. Электронные эффекты связаны с перераспределением электронной плотности оболочек 3d и 4s. По-видимому, этими процессами можно объяснить очень большие времена релаксации в мар-ганцово-цинковых ферритах при низких температурах, когда практически не происходит процесса диффузии ионов.

Ионные эффекты магнитного последействия связаны со структурными изменениями в кристаллической решетке. Именно такими изменениями может быть объяснено то, что в карбонильном железе присутствие следов углерода приводит к появлению температурно-зависимого последствия. В нормальном состоянии, т. е. до упругой деформации, атомы углерода в кристаллической решетке располагаются с одинаковой вероятностью в любом промежутке между атомами железа, например в центрах граней или ребер элементарной кубической ячейки. Под действием напряжений расстояния между атомами железа в соответствующих направлениях увеличиваются, повышая вероятность расположения атомов углерода именно в этих направлениях. Длительность перераспределения атомов углерода после наложения напряжений и определяет длительность как упругого, так и магнитного последействия. Связь между ними обусловлена зависимостью магнитных свойств от механических напряжений и магнитострикцией.

Динамическую петлю перемагничивания можно лишь условно назвать петлей гистерезиса, поскольку ее форму, кроме остаточного влияния предшествовавших состояний, определяют вихревые токи и магнитная вязкость. Именно под влиянием вихревых токов и вязкости динамическая петля при возрастании частоты приобретает эллиптический характер. В слабых полях динамическая петля имеет форму, также близкую к эллипсу.

Признаком такой формы петли является .синусоидальный характер изменения одновременно напряженности магнитного поля H{t)=HmS\ntut и магнитной индукции B(t)=Bm sin (at-8), т.е. отсутствие у них высших гармоник. В этом случае намагниченную среду характеризует комплексная магнитная проницаемость

/ = BliioH = [ir е~> = liri -

где [х,г = Вт/\)Нт=В/\ХаН - амплитудная проницаемость. Вещественная часть .iri = = \i,T cos 6 соответствует обратимым квазиупругим процессам, а мнимая часть -р,г2 = = \i,r sin 6 - процессам, связанным с рассеянием энергии. Потери энергии на перемагни-чнвание характеризуются мощностью

Pa = шц,.2 Цо = ЦоЯ? tg 6 = иа6/2,

где а и fc - полуоси эллипса в координатах Н к В.

Фазовый сдвиг б определяет потери на перемагничивание, т. е. энергию, рассеиваемую на необратимые процессы. Поэтому его называют углом потерь , причем

tg6 = [ir2/[irl.

В ферромагнитном образце конечных размеров вследствие поверхностного эффекта возникает неравномерное распределение электромагнитного поля, являющееся функцией координат и времени. Это вносит дополнительные осложнения при исследовании и расчете и без того сложных динамичесмх характеристик среды, обладающей магнитной вязкостью и нелинейными статическими характеристиками. В результате этого средняя комплексная магнитная проницаемость образца, в частности пластины или ленты, оказывается отличной от комплексной магнитной проницаемости материала, причем в разной степени для разных частот, крутизн и форм изменения внешнего магнитного поля при периодическом и импульсном воздействии.

3-4. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ Основные сведения

Сверхпроводимость - состояние материала, для которого характерно полное отсутствие сопротивления постоянному току и магнитного поля в толще сверхпроводника. Возникновение сверхпроводимости происходит при уменьшении температуры ниже определенного для каждого материала значения Гк, называемого температурой (точкой) сверхпроводящего перехода или критической Температурой . Для некоторых элементов при нормальном давлении критические температуры приведены

Таблица 3-5

Температура сверхпроводящего перехода и критическая магиитиая индукция для чистых элементов

Таблица 3-6

Критическая температура сплавов и химических соединений

В табл. 3-5 [3-15], a для некоторых сплавов и химических соединений - в табл. 3-6 [3-14].

Критическая температура зависит от давления, внешнего магнитного поля, технологии изготовления образцов (в пленках она иная), структура кристаллов и сплавов. Сверхпроводимость отсутствует в чистых металлах, имеющих атомный магнитный порядок, т. е. переходных металлах с незастроенными d- и f-оболочками (Со, Fe, Ni, Gd и др.) - атомный магнетизм и сверхпроводимость являются исключающими друг друга явлениями. Сравнительно мало пока обнаружено сверхпроводников в щелочных, щелочноземельных, благородных металлах, редких землях и актинидах. Высокие температуры сверхпроводящего перехода могут быть у таких химических соединении, компоненты которых имеют низкие Гк или вообще не являются сверхпроводниками. Например, у азота и углерода сверхпроводимость отсутствует, у чистых вольфрама, циркония и молибдена Гк<1 К, а для WC Тк=Ш К, у ZrN 7к= = 10,7 К, у МоС7к=14,ЗК. Открытие сверхпроводимости в полимере (SN)i: без участия металлических атомов означает начало нового этапа - изучения сверхпроводимости в органических соединениях. Наиболее высокими сверхпроводящими параметрами обладают сплавы и соединения на основе переходных металлов.

В магнитном поле вещество становится сверхпроводящим при критической температуре Г, более низкой, чем обычно (Тк):

BB,{i~r~/Tl),

где Во - критическая магнитная индукция при нулевой температуре; Вк - магнитная индукция, при которой происходит переход из сверхпроводящего состояния в нормальное при температуре Г<Гк. Значения Во приведены в табл. 3-5. Очень тонкая проволока чистого сверхпроводника обладает

более высокой критической магнитной индукцией, чем объемный образец. Некоторые сплавы, например ниобий-олово, имеют волокнистую структуру, вследствие чего и в больших образцах материала критическая напряженность магнитного поля высока.

Сверхпроводимость объясняется взаимодействием электрона с решеткой кристалла, при котором возникает межэлектронное притяжение. Оно связано с характером деформации (поляризации) кристаллической решетки электрическим полем движушегося электрона. Как известно из квантовой механики, кристаллическая решетка при температуре Г=ОК совершает нулевые колебания, соответствующие основному состоянию (п=0) гармонического осциллятора. Электрон, движущийся в кристалле, нарушает режим этих колебаний и переводит решетку в возбужденное состояние. Обратный переход ее сопровождается излучением энергии, которая поглощается другим электроном. Этот процесс может быть рассмотрен как излучение фонона электроном, движущимся в решетке, и с последующим поглощением фонона другим электроном.

Обмен виртуальными фононами согласно квантовомеханической теории и создает дополнительное притяжение между электронами. Если это притяжение превысит при низких температурах кулоновское отталкивание электронов, возникает сверхпроводимость. При этом электронная система превращается в связанный коллектив, для возбуждения которого требуется затрата конечной энергии. Возбужденное состояние отделено от основного некоторым энергетическим интервалом, называемым энергетической щелью Д.

Притяжение между электронами будет наиболее сильным, если они обладают противоположными импульсами и спинами. Поэтому электронную систему в сверхпроводнике можно представить состоящей из связанных пар таких электронов, а возбуждение электронной системы -как разрыв такой пары. Электронные пары называют часто куперовскики по имени Купера, показавшего, что основное состояние нормального металла является неустойчивым относительно сколь угодно слабого притяжения между электронами на поверхности Ферми, в результате чего в такой системе электронам энергетически выгодно разбиться на связанные пары с нулевым суммарным импульсом и спином. Энергетическая щель Д является мерой связи между электронами пары. Ее размеры составляют около 10 мкм, т.е. примеррю в 10 раз больше периода решетки (около 10- нм).

Сверхпроводимость обусловлена взаимодействием электронов с фононами (решеткой кристалла). Энергия фонона fi-w не может быть сколь угодно большой, так как длина соответствующей акустической волны ограничена в кристалле снизу размером, приблизительно равном периоду решетки. Макси-

мальная энергия фонона соответствует в температурной шкале дебаевской темпера-ре Тц. Поэтому переходить в связанное состояние в сверхпроводнике могут лишь электроны, расположенные вблизи уровня Ферми (Wir~10* К) в слое толщиной ft со* 10 К. Из этого следует, что температура сверхпроводящего перехода не может превосходить температуры Дебая, хотя благодаря межэ.яектронному притяжению Гк оказывается приблизительно на порядок меньше То- Для многих элементов хорошо подтверждается экспериментально соотношение для энергетической щели при нулевой температуре Д(0) = 1,76 йГк.

При температуре, отличной от абсолютного нуля, хаотическое тепловое движение приводит к возбуждению электронной системы и ослабляет притяжение между электронами. Поэтому энергетическая щель при данной температуре Д(Г) !Д(0) V1-Г/Гк.

Электрическое сопротивление обусловлено диссипативным взаимодействием движущейся электронной системы (тока) с кристаллической решеткой или примесями. При наличии щели в энергетическом спектре квантовые переходы электронной системы не всегда возможны. При малых скоростях своего движения электронная система не возбуждается, что и означает движение без трения , т.е. отсутствие электрического сопротивления (р=0). Сверхпроводимость исчезает, если плотность тока превышает некоторое критическое значение.

Элехтромагиитные свойства сверхпроводников

Одно из наиболее фундаментальных свойств сверхпроводников заключается в том, что магнитное поле не проникает в его толщу (эффект Мейсснера). Это соответствует нулевой относительной магнитной проницаемости (рг=0) и идеальному диамагнетизму (Х=-1). Нулевое значение индукции в толще сверхпроводящего образца является результатом того, что во внешнем магнитном поле на его поверхности возникает стационарный электрический ток, собственное магнитное поле которого противоположно внешнему полю и полностью его компенсирует внутри образца. Поверхностный слой сверхпроводника (обычно несколько десятков нанометров) обладает особыми свойствами, связанными с отличной от нуля напряженностью магнитного поля и экранирующими незатухающими токами.

Существенная особенность электродинамики сверхпроводников заключена в нелокальном характере связи плотности тока с внешним полем. Это обусловлено тем, что электроны в сверхпроводнике пространственно связаны, коррелированы друг с другом. Если поле изменяет состояние одного электрона, то это благодаря межэлектронному взаимодействию влияет на поведение другого электрона. Вследствие нелокального характера электродинамики сверхпроводящего состояния ток в какой-либо точке зависит не