и де Газа, осуществлённый в 1915г. В этом опыте железный цилиндр помещали в
соленоид и подвешивали на тонкой кварцевой нити по оси соленоида (рис50).
По соленоиду можно было пропускать ток. На кварцевой нити укрепляли
зеркальце, на которое направляли луч света. После отражения от зеркальца
этот луч попадал в виде «светового зайчика» на экране. При малейших
закручиваниях нити поворачивалось и зеркальце, а световой зайчик на экране
смещался. Получился весьма чувствительный индикатор закручивание нити.
Чтобы разобраться в опыте Эйнштейна и де Газа, необходимо уяснить сущность
закона сохранения импульса. Оказывается, каждое вращающееся тело обладает
некоторым моментом импульса Р, который определяется скоростями и
расстояниями тел или частиц тел относительно оси вращения. Чем больше
скорости v (или ?) и расстояние точки от оси вращения, тем больше величина
Р.
Установлено, что если на тело не действуют никакие силы, способные изменять
его вращения, то момент импульса Р сохраняется (Р=const). Ряд опытов и
часто наблюдаемые в жизни явления очень хорошо подтверждают законы
сохранения момента импульса. Наиболее простой пример - вращение фигуриста.
Если фигурист вращается, то стоит ему прижать руку к телу, как угловая
скорость его вращения возрастёт. Если же наоборот раскинет руки, то
угловая скорость его вращения уменьшится. Дело в том, что момент импульса
при вмещении фигуриста не должен изменяется. Но эта величина зависит от
угловой скорости ? и расстояния от оси вращения r. Поэтому, когда фигурист
прижимает руки, r уменьшается, ? - возрастает.
Обратимся теперь к интересующему нас опыту Эйнштейна и де Газа. Если
намагнитить стержень, пропустив по соленоиду ток определённого направления,
то все орбитальные и спиновые моменты в сердечнике должны сориентироваться
по полю.
[pic]
рис. 50
Определённым образом должны сориентироваться и механические моменты атомов.
Если же теперь сердечник перемагнитить, изменив направление тока в
соленоиде, то должна произойти переориентация, как магнитных моментов, так
и их механических моментов. А стержень в результате этого должен вращаться.
Однако возникшие в опыте Эйнштейна и де Газа при такой его постановке
эффект весьма незначителен и учёные усилили его, воспользовавшись явлением
механического резонанса. На соленоид подавалось переменное напряжение,
частота которого совпадала с частотой собственных крутильных колебаний
системы. Световой зайчик в этом случае смещался вполне заметно.
В опыте Эйнштейна и Де Газа было определенно гиромагнитное отношение Г.
Оно оказалось равным е/m, т.е. ферромагнетизм обусловлен не орбитальными, а
спиновыми магнитными моментами.
6.7. Ферромагнетизм и кристаллическая решётка. Доменная структура
ферромагнетиков.
Возникает вопрос: почему у парамагнетиков не появляются свойства, присущие
ферромагнетикам, ведь спиновые магнитные моменты есть и у электронов атомов
парамагнетиков. Оказывается, дело не только в наличии нескомпенсированных
спиновых магнитных моментов электронов, но и в существовании особого
взаимодействия между этими электронами в теле.
Ферромагнетизм присущ не любым веществам и веществам не в любом
состоянии, а возможен лишь в кристаллическом состоянии некоторых веществ и
при температурах ниже некоторой температуры, определённой для данного
вещества. Это - вещества, у которых в электронной оболочке есть
незаполненные внутренние слои, в них и получаются нескомпенсированные
спиновые моменты.
Объяснения сильной намагниченности ферромагнетиков впервые пытался дать
русский физик Б.Л.Розинг, который в 1892 г. высказал предположение о том,
что в ферромагнетиках под действием особых сил возникают определённые
намагниченные участки. В 1902г. французский физик П.Вейс высказал гипотезу
о наличии в ферромагнитном кристалле областей - доменов, которые
намагничены до насыщения. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные
моменты отдельных доменов направлены различно и общий магнитный момент тела
равен нулю. В магнитном поле эти намагниченные участки ориентируются по
полю.
Гипотеза Вейса о доменной структуре ферромагнетиков получила
теоретическое обоснование лишь в 1935г. в работах советских физиков
Л.Ландау и Е.Лившица.
Было установлено, что существуют особые силы, описываемые квантовой
механикой, которые заставляют все спины внутри домена выстраиваться
параллельно.
Хотя линейные размеры доменов невелики (от 10-2 до 10-5см), их удаётся
наблюдать в микроскопе. Ещё в 1931 г. советские физики Н.Акулов и М.Дехтяр,
а также независимо от них американский физик С.Биттер предложил метод
наблюдения доменной структуры ферромагнетиков, получивший название метода
порошковых фигур. Поверхность кристалла ферромагнетика полируют и наносят
на неё каплю водной суспензии тонко измельчённого ферромагнитного порошка,
частицы которого оседают на границах доменов. Благодаря этому они
становятся видимыми в микроскоп.
6.8. Антиферромагнетизм и ферримагнетизм (ферриты).
У ферромагнетиков есть домены, в которых все спины ориентированы
параллельно (рис52,а). В 1933г. Л.Ландау предсказал, что должны
существовать вещества, у которых спины в доменах ориентированы
антипараллельно (рис52,б). Такие вещества действительно существуют(MnO,
MnS,NiCr и др.), и они получили название антиферромагнетиков. Пока эти
вещества не получили практического применения, но теоретическое их изучение
представляет очень большой интерес.
а
б рис. 52
Кристаллическую решётку антиферромагнетика можно рассматривать в простейшем
случае как совокупность двух пространственных решёток, как бы «вдвинутых»
одна в другую. Каждую из таких решёток называют подрешёткой. Ориентация
магнитных моментов в каждой подрешётке одинаковая у всех элементов
подрешётки, а во «вдвинутых» друг в друга подрешётках - антипараллельная.
Каковы же свойства антиферромагнетиков? При низких температурах магнитная
проницаемость этих веществ мала. С ростом температуры наблюдается
увеличение значения магнитной проницаемости ?. Но есть определённая
температура, при которой вещество теряет свои антиферромагнитные свойства и
при более высокой температуре ведёт себя уже как обычный парамагнетик. Эта
точка у антиферромагнетиков, аналогичная точке Кюри для ферромагнетиков,
получила название точки Неля.
Антиферромагнетики трудно отличить от других магнитных веществ. Легче
всего это сделать путём определения зависимости магнитной проницаемости
вещества от температуры. Если у вещества есть максимум проницаемости при
некоторой температуре, то это антиферромагнетик. Эта температура - точка
Неля.
Большое практическое значение приобрели вещества, получившие название
ферритов. Чтобы понять свойства феррита, представим себе кристалл,
структура которого соответствует двум подрешеткам, причём эти подрешётки
имеют магнитные моменты, различные по величине и противоположные по
направлению. Полные компенсации магнитных моментов в этом случае не
происходит. Такое вещество ведет себя подобно ферромагнетику, но с более
сложной зависимостью намагниченности от температуры.
Ферриты представляют собой твёрдые растворы, состоящие из окиси железа
и окиси одного или нескольких металлов. Получают их спеканием при
температуре 900 - 1400°С мелкораздробленных и перемещённых окислов.
Применяют их в основном в приборах, работающих на токах сверхвысоких
частот, в тех случаях, когда надо понизить потери в сердечниках катушек.
Ферриты - полупроводники, их удельное сопротивление значительно больше
удельного сопротивления металлических ферромагнетиков. Магнитная
проницаемость их достаточно велика.
VII Жидкие кристаллы.
Удивительный мир жидких кристаллов открылся глазами ученых сравнительно
давно. Но за последние 15-20 лет произошёл огромный скачок в понимании
природы жидкокристаллического состояния физических свойств этих веществ, их
роли в современной науке и технике. И сейчас уже нет сомнений в том, что
без этих материалов, разнообразных по своим свойствам, высокоэкономичных,
сравнительно простых в изготовлении и применении, дальнейший научно-
технический прогресс не может обойтись.
Самые первые сведения о таких веществах были сообщены в 1888 году
австрийским ботаником Ф.Рейницером, который синтезировал необычные
кристаллы. При их нагревании получалась жидкость, которая в зависимости от
температуры была то мутной, то прозрачной, то приобретала синеватый цвет.
Немецкий физик О.Леман начал систематическое изучение таких веществ и
установил, что открыто особое состояние, присущее многим органическим
соединениям. Жидкие кристаллы делятся на нематическую жидкость,
холестерическую и смектическую жидкость.
7.1.Нематическая жидкость.
Жидкости сильно отличаются от газов и твёрдых кристаллов. Атомы или
молекулы, из которых состоит жидкость, не могут разойтись на сколь угодно
большое расстояние друг от друга. Это означает, что в жидкости очень важны
силы притяжения между атомами или молекулами. То же самое можно сказать и о
твёрдом кристалле, но в кристалле эти силы настолько велики, что атомы
вынуждены занимать в нём определённые места, образуя трёхмерную
кристаллическую решётку. В такой решётке всегда имеются выделенные
направления, называемые осями кристалла. Вдоль этих направлений атомы
располагаются в строго периодическом порядке. В обычной жидкости нет
никаких выделенных направлений, она не обладает собственной формой, потому
что молекулы жидкости не столь прочно связаны друг с другом и могут
перемещаться в пространстве – перескакивать с места на место.
Таким образом, в текучей жидкости молекулы только в среднем находятся на
некотором характерном расстоянии друг от друга. Ответ на вопрос, как
взаимодействуют между собой молекулы и чему равно среднее расстояние а
между ними, дает квантовая механика. Оказывается, что на больших
расстояниях между молекулами их взаимодействие определяется силами
притяжения, а на очень
малых расстояниях – силами отталкивания
Следовательно, молекулы не могут сблизиться на сколь угодно малое
расстояние из-за очень больших сил отталкивания - в этом случае говорят,
что молекулы не могут проникать друг в друга.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
