Спонтанного намагничивания

Рассмотрим характер излучательных переходов, основываясь на классической работе Эйнштейна, который еще в 1917 г. ввел понятие о спонтанных и индуцированных переходах. Система, состоящая из двух уровней, показана на 29. Если ?2 > ^к энергетический уровень 2 лежит выше уровня / и частица находится на уровне 2, то она может перейти на уровень /, испустив квант электромагнитного излучения /iv21 = Ег — ?\. При этом возможно как спонтанное, так и вынужденное излучение. Вероятность спонтанного излучения, т. е. того, что процесс произойдет за промежуток времени dt, составляет Л21 dt. При облучении происходит взаимодействие кванта излучения с частицами, составляющими систему, что приводит к одному из двух процессов: переходу частицы с уровня / на уровень 2 (поглощение) или, если частица была возбуждена, к обратному переходу (испускание). Вероятность, что какой-то из процессов произойдет за время dt, пропорциональна плотности излучения и (v) и поэтому может быть записана соответственно В12 и (v) dt и В21 и (v) dt.

включении накачки, в — возникновение спонтанного излучения, г, д —

Излучательная рекомбинация носителей заряда может произойти без электромагнитного воздействия, т. е. самопроизвольно. Такую рекомбинацию называют самопроизвольной или спонтанной. Так как спонтанное излучение случайно и имеет статистический характер, то оно некогерентно. Это обусловлено тем, что акты спонтанного излучения происходят независимо друг от друга в разные моменты времени.

При малом уровне спонтанного излучения необходимое условие лазерного усиления имеет вид

Таким образом, усиление вынужденного излучения или лазерное усиление требует, во-первых, инверсии населенностей (N%>Ni) и, во-вторых, подавления спонтанного излучения (светового шума). Наименьший уровень энергии накачки, при котором выполняется условие инверсии, называется порогом инверсии.

Рассмотрим с точки зрения когерентности спонтанное излучение,, испускаемое, например, тепловыми источниками света. Для таких источников характерно следующее: а — отдельные атомы испускают фотоны самопроизвольно, независимо друг от друга, на волновом языке фотонам можно сопоставить «отрезки» волн, которые называют обычно цугами, цуги от отдельных атомов не коррелированы друг с другом; б — излучение атомов изотропно, т. е. происходит практически с равной вероятностью во всех направлениях. Эти два обстоятельства и обусловливают низкие когерентные свойства спонтанного излучения.

Спонтанное излучение, носящее некогерентный, беспорядочный характер, обусловливает шум квантовых приборов. Усиление и ге-лерация электромагнитных сигналов всецело основаны на использовании когерентного, узкополосного вынужденного излучения. •Согласно (7.15) доля спонтанного излучения резко возрастает при увеличении частоты. Низким уровнем спонтанного излучения на радиочастотах объясняется возможность создания высокочувствительных усилителей с крайне малыми шумами. Поскольку вероят-

Рассмотрим, как зависят эти мощности от амплитуды колебаний. Мощность, отдаваемая активным веществом без учета спонтанного излучения, определяется на основании ф-лы (7.16):

В квантовых приборах свч диапазона основным видом шумов являются тепловые, энергия которых равномерно распределена в широкой полосе частот. В оптическом диапазоне роль основного источника шумов переходит к спонтанному некогерентному излучению, сосредоточенному в более узкой полосе частот, соответствующих переходам между рабочими уровнями. Отношение коэффициентов Эйнштейна для спонтанного и вынужденного излучения согласно (7.15) пропорционально кубу частоты. Поскольку при переходе от диапазона свч к оптическому частота меняется примерно в Ю4 раз, то доля спонтанного излучения возрастает в 1012 раз.

В оптическом диапазоне квантовые приборы вследствие повышенного уровня шумов используют обычно как генераторы. При переходе к диапазону ультрафиолетовых волн квантовые системы, ло-видимому, не смогут работать эффективно в качестве усилителен, поскольку дальнейший рост спонтанного излучения значительно снижает их чувствительность.

где А и В — коэффициенты Эйнштейна; они могут зависеть от частоты. Их величина также определяется типом молекулы и выбранной парой уровней, между которыми осуществляется переход. Л21 — коэффициент спонтанного излучения; Bi2 и В2\ — соответственно коэффициенты вынужденного излучения и поглощения. Заметим, что соответствующие вероятности

1. Для ферромагнетиков даже в отсутствие внешнего поля энергетически выгодным является параллельное расположение спинов соседних атомов. Такое состояние называют атомным ферромагнитным порядком. Следовательно, в отсутствие внешнего поля ферромагнетик уже находится в состоянии спонтанного (самопроизвольного) намагничивания, которому соответствует намагниченность технического насыщения Ms. При температуре Т >6 ферромагнитный атомный порядок разрушается и вещество переходит в парамагнитное состояние.

2. Основным положением является также существование в ферромагнетиках доменной структуры. Предположение об этом возникло в связи с тем, что потребовалось объяснить, почему у ненамагниченного ферромагнетика его результирующий магнитный момент равен нулю. Причем это противоречило теории о наличии спонтанного намагничивания. Однако такое противоречие легко объяснимо, если предположить, что весь объем ферромагнетика самопроизвольно разбивается на большое число локальных областей — доменов, каждый из которых находится в состоянии технического насыщения М„, и направления магнитных моментов всех доменов равновероятны. При этом внутри образца образуются замкнутые магнитные цепочки и его результирующий магнитный момент равен нулю (доменная структура с замкнутой магнитной цепью). Существование доменов было подтверждено экспериментально. Линейные размеры доменов составляют от тысячных до десятых долей миллиметра, магнитный момент равен около 10'5 магнитного момента отдельного атома. Доменная структура с замкнутой цепью является не единственной. В зависимости от размеров образца, его физических свойств и других причин существуют разные структуры: однодоменные, полосовые, лабиринтные, цилиндрические и т. д.

Во-вторых, в ферритах имеется доменная структура. Под доменом понимают локальную область объема феррита, которая находится в состоянии спонтанного намагничивания, т. е. без действия внешнего магнитного поля. При этом направления магнитных моментов всех доменов равновероятны.

самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью. При воздействии на них внешнего магнитного поля происходит: 1) рост магнитных доменов, магнитные моменты которых составляют наименьший угол с направлением поля (процесс смещения границ доменов); 2) поворот доменов в направлении поля (процесс ориентации). Магнитное насыщение достигается тогда, когда магнитные моменты доменов окажутся ориентированными в направлении поля. При снятии внешнего магнитного поля ориентация доменов частично сохраняется, что определяет гистерезис кривой намагничивания. При температуре выше точки Кюри области спонтанного намагничивания разрушаются и вещество перестает быть магнитным.

Известно, что ферро- и ферримагнитные тела состоят из областей самопроизвольного (спонтанного) намагничивания. Магнитное состояние каждой области характеризуется вектором намагниченности. Направление вектора намагниченности зависит от внутренних упругих напряжений и кристаллической структуры ферромагнитного тела.

Ферромагнетики обладают особым свойством — способностью намагничиваться в магнитном поле. Стержень из ферромагнитного материала, например, помещенный в магнитное поле катушки, через которую протекает ток, намагничиваясь, начинает проявлять сильные магнитные свойства. Сущность происходящего процесса связана с электрическими токами в веществе (преимущественно с вращением электронов вокруг своей оси, получившей название спина электрона). У ферромагнетиков магнитные свойства обусловлены собственными (спиновыми) магнитными моментами электронов. При определенных условиях в кристаллах могут возникать обменные силы, в результате которых магнитные моменты электронов ориентируются параллельно друг другу, и возникают области спонтанного (самопроизвольного) намагничивания, называемые доменами. В пределах каждого из доменов ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и имеет определенный магнитный момент. Направления магнитных моментов отдельных доменов (областей) различны, вследствие чего в отсутствие внешнего поля суммарный момент ферромагнетика равен нулю. Под действием внешнего поля намагниченные области ориентируются в направлении поля и тем самым во много раз усиливают внешнее поле. Когда все области спонтанного намагничивания сориентируются вдоль внешнего поля, наступает насыщение ферромагнетика. Поэтому значение магнитной проницаемости для ферромагнитных материалов значительно больше, чем для неферромагнитных. А следовательно, в ферромагнитных материалах при одной и той же напряженности магнитного поля магнитная индукция также во много раз больше, чем в неферромагнитных материалах. Большая магнитная проницаемость ферромагнетиков используется для того, чтобы усиливать магнитные поля в электрических машинах и аппаратах.

Известно, что ферромагнитные тела состоят из областей самопроизвольного (спонтанного^ намагничивания. Магнитное состояние каждой области характеризуется вектором намагниченности. Направление вектора намагниченности зависит от внутренних упругих напряжений и кристаллической структуры ферромагнитного тела.

Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от температуры, как показано на 9-7, переходя через максимум при температурах, близких к температуре (точке) Кюри. Для чистого железа точка Кюри составляет 768 °С, для никеля 358 °С, для кобальта 1131 °С. При температурах выше точки Кюри области спонтанного намагничивания нарушаются тепловым движением и материал перестает быть магнитным. Для характеристики изменения магнитной проницаемости при изменении температуры пользуются температурным коэффициентом магнитной проницаемости (К"1):

Равновесная магнитная структура достигается тогда, когда уменьшение магнитной энергии вследствие появления замыкающих доменов компенсируется ростом упругой энергии кристалла, вызванным деформацией этих доменов. В качестве примера на 11.12 приведена фотография доменной структуры кристаллита кремнистого же* леза; стрелками обозначены направления спонтанного намагничивания в соседних доменах. .

правления осей легкого намагничивания совпадают с пространственными диагоналями куба. В кристалле никеля восемь направлений легкого намагничивания. У кристалла кобальта только два направления легкого намагничивания, перпендикулярные плоскости базиса элементарной ячейки ( 7, а). Вектор спонтанной намагниченности домена при отсутствии внешних воздействий всегда направлен вдоль одной из осей легкого намагничивания. Чтобы отклонить вектор спонтанного намагничивания от направления оси легкого намагничивания, нужно затратить работу на преодоление энергии магнитной анизотропии. Удельная энергия намагничивания

При расположении всех векторов намагниченности доменов вдоль направления намагничивающего поля наступает техническое насыщение, соответствующее тому значению спонтанного намагничивания доменов, которое возможно при данной температуре. Дальнейшее весьма незначительное возрастание намагниченности происходит за счет парапроцесса, т. е. направляющего воздействия внешнего поля на дезориентированные тепловым движением магнитные моменты. Кривую намагничивания определяют как геометрическое место вершин гисте-резисных петель, получающихся при циклическом перемагничивании образца в поле возрастающей амплитуды ( 14).

Согласно современным представлениям, надежно обоснованным на опыте, сущность ферромагнетизма заключается в том, что сильная ориентировка элементарных магнитных моментов возникает в ферромагнетиках независимо от внешнего магнитного поля, так что ферромагнетик намагничен до насыщения, отвечающего данной температуре, уже без всякого поля ( 246, а). Наличие такого самопроизвольного или спонтанного намагничивания является наиболее характерным свойством ферромагнетиков. Самопроизвольное намагничивание возникает потому, что на элементарные магнитные моменты действуют силы молекулярного взаимодействия немагнитного происхождения.