ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2010, № 7, с. 92-96
= ДИСКУССИИ
УДК 537.611.2:550.383
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ МОДЕЛЕЙ В МАГНЕТИЗМЕ ГОРНЫХ ПОРОД
© 2010 г. В. И. Белоконь, Л. Л. Афремов, К. В. Нефедев
Дальневосточный государственный университет, Институт физики и информационных технологий E-mail: belokon@ifit.phys.dvgu.ru Поступила в редакцию 17.11.2009 г.
В журнале "Физика Земли", № 1, 2009 г нами была опубликована статья "Магнитное последействие в системе однодоменных взаимодействующих частиц и магнитная вязкость горных пород" [Афремов и др., 2009], в которой мы попытались с позиций модели однодоменных взаимодействующих частиц рассмотреть различные механизмы магнитной вязкости. Автор статьи "Какова же практическая значимость диффузионной магнитной вязкости в горных породах с однодоменными носителями намагниченности?" высказал массу претензий к этой работе. В первой части своей статьи он высказывает сомнения в целесообразности ее публикации и в наличии в ней новизны. Тем не менее, из заголовка статьи и того факта, что большая ее часть посвящена механизму магнитной вязкости ясно, что особое неудовольствие В.А. Большакова вызвало отсутствие в нашей работе дискуссии на тему относительного вклада термически-активационного и диффузионного механизмов магнитной вязкости. Сразу ответим на вопрос, поставленный в заголовке его статьи: при комнатной температуре и временах наблюдения 103—106 секунд в системе однородных однодомен-ных ферромагнитных зерен диффузионная магнитная вязкость, по нашему мнению, не играет никакой роли. Но это совсем не означает, что при высоких температурах и длительных временах выдержки в зернах с большим количеством дефектов диффузионным магнитным последействием можно пренебречь, а значит, надо уметь его оценивать.
Хорошо известно, что в последние годы практически исчезли публикации о магнетизме горных пород в российских "геофизических" журналах, а на различного рода конференциях, съездах и семинарах доклады, посвященные этой тематике, единичны и не вызывают интереса у большинства участников, (20—30 лет назад дело обстояло совсем иначе!). Когда стало ясно, что № 1 журнала "Физика Земли" приурочен к юбилею Научного Совета по Геомагнетизму, мы посчитали уместным на страницах этого журнала поместить краткий обзор своих работ, включив в него новые результаты, опубликованные нами в журналах, не попадающих в поле зрения геофизиков [Белоконь, Нефедов, 2001; Белоконь и др.
2005; 2006; 2007; Афремов и др., 1996а; 1996б; 1998; 1999]. Поэтому в нашей работе мало ссылок на других авторов: такие ссылки есть в наших исходных публикациях.
И еще одно общее замечание: если мы хотим установить соотношение между различными видами намагниченности (а это необходимо, и с этим согласен В.А. Большаков), то должны использовать единый подход, единую модель. В этом состоит практическая значимость моделей вообще. Если это модель однодоменных взаимодействующих частиц, то в ее рамках следует рассматривать все виды намагниченности, все эффекты магнитного последействия (в том числе и диффузионного).
Теперь о конкретных замечаниях:
1. Мы не декларируем новый подход к рассмотрению проблем магнитной вязкости. Мы "не исключаем, что механизм магнитного последействия в некоторых горных породах и спиновых стеклах имеет общую природу" [Афремов и др., 2009]. В наших работах [Белоконь и др., 2001; 2006; 2007] много внимания уделяется доказательству того, что релаксационные явления в спиновых стеклах и в системах однодоменных взаимодействующих частиц можно описать в рамках единого подхода, с той лишь разницей, что роль частиц в спиновых стеклах играют кластеры конечных размеров, состоящие из "ферромагнитных" атомов, случайным образом распределенных в немагнитной кристаллической либо аморфной матрице. В ответ на суждение В.А. Большакова о материалах, проявляющих свойства спиновых стекол, в таблице мы приводим перечень материалов, которые диагностируются как спиновые стекла, и ссылки на работы, в которых опубликованы результаты исследований этих материалов. Это работы последних лет, и в этом смысле ссылка В.А. Большакова на работу [Коренблит, Шендер, 1984] явно устарела. Из приведенной таблицы видно, что твердые кристаллические сплавы часто проявляют спин-стекольные свойства. Отметим также, что среди этих материалов есть магнетит и маггемит. Анализ ферромагнетизма бинарных сплавов с учетом функции распределения случайного поля об-
Таблица.
Вещество Структура Ссылка
(H3O)Fe3(OH)6(SO4)2 Монокристалл [Harrison, 2000]
FexTiS2 (x = 0.33) Поликристалл [Yoshioka, 1985]
Fe3o(Ali _ x-CUx) (x = 0.33) Металлические частицы в аморфной матрице [Torro, 1999]
Fe0.26Zn0.74F2 Поликристалл [Satooka, 1997]
CaO S1O2Fe1+я Fe^Op _ xy2 (0.16 < x < 0.66) Силикатное стекло с включениями магнетита и маггемита [Haglwara, 1998]
a-Fe90 _ xRuxZni0 (2.2 < x < 3.0) Поликристаллический сплав [Ryan, 2000]
Fe0.5Mn0.5TiO3 Монокристалл [Ito, 1990]
BaFe10.4Co0.8Ti0.8O19 Порошкообразный отвержденный нанокристалл [Muro, 1999]
Fe0.8Cr1.6Sn0.4S4 Поликристалл, полупроводник, структура шпинели [Абрамович, 1999]
Fe3O4 Порошкообразный нанокристаллический образец [Wang, 2004; Kóseoglu, 2008; Blanco, 2002' Boubeta, 2006]
(Fe0.50Mn0.50)xCui00 - x (x = 10, 20) Механически сплавленный образец [Alocen, 2002]
Mn77N123 Быстрозакаленный сплав [Сурженко, 1999]
MnnAgS9 Сплав [Mathieu, 2001]
MnxAlCu3 _ x (0.12 < x < 0.36) Поликристаллический образец, размер зерна 100 nm [Obrado,1999]
Y07Ca03MnO3 Структура перовскитa [Wang, 1998]
(La1 _ xTbx)2/3Ca1/3MnO3 (0.1 < x < 0.3) Перовскит, поликристалл [Nle, 1999]
CdCr17In0.3S4 Отвержденный порошок [Parker, 2006]
CoxCu1 _ x (0.1 < x < 0.3) Гранулированный сплав, ГЦК структура [Kalvius, 2003]
Crx _ V3NixTaS2 (x = 0.1) Поликристалл [Такзей, 1997]
Вещества, проявляющие спинстекольные свойства (написание химической формулы сохранено в виде, используемом авторами статей).
менного взаимодействия [Белоконь, Семкин, 1993] показал, что обменное взаимодействие способно приводить к повышению локальной концентрации "ферромагнитных" атомов при условиях, обеспечивающих диффузию. Если учесть, что некоторые породы могут остывать в течении нескольких десятков и сотен тысяч лет, вторично прогреваться до высоких температур и долго остывать в магнитном поле, то роль диффузии в образовании намагниченности может оказаться существенной.
2. Много внимания В.А. Большаков уделил разделу статьи, в котором мы используем хорошо известные выражения для определения времени релаксации и приводим полученные в рамках модели однодоменных взаимодействующих частиц простые формулы, позволяющие в общих чертах понять свойства вязкой намагниченности. Прежде чем ответить на его замечания, обратимся к простейшей системе одинаковых однодоменных невзаимодействующих частиц с критическим полем Нс, ориентированных в направлении внешнего приложенного поля (высокая магнитная стабильность вязкой намагниченности, отмечаемая В.А. Большаковым в его статье, означает, что Нс по крайней мере не меньше 10 Эрстед). Вероятность переворота магнит-
ного момента зерна в единицу времени из состояния против поля к (условно "—") и Х+ по полю ("+").
X_ = foexp
X+ = fOexp
m ( Hc - h )-2 kT .
m (Hc + h)' 2 k T .
(1)
Если число частиц, ориентированных по полю п+, а против поля п_ (полное число частиц N = п+ + п_), то соответствующиее уравнение баланса имеют вид
dX+ dt dX_ dt
= - X+n+ + X_n_, = - X_n_ + X+ n
Из условия n_ = N — n+ следует dXa
dt
= - (X_ + X+)n+ + X_N,
откуда
-(X_ + X+)t
= - Ae +
X
X_ + X+
94
БЕЛОКОНЬ и др.
Постоянная интегрирования А определяется из начальных условий, а величина т = 1/(А,_ + А+) называется временем релаксации. Нет понятия "время релаксации по полю" и "время релаксации против поля", есть характерное время т установления равновесия в системе.
Итак
1
= /о I ехР
т( Н, к)
т(Нс — к)
2 кТ
+ ехр
т (Нс + к)" 2кТ .
(2)
а при ? > т магнитный момент системы определяется разностью
— +
тк = т —.
кТ
(3)
Если система выведена из состояния равновесия, то она приходит в равновесие через время I > т, где т определяется формулой (2) и при заданных т, Т и к < Нс зависит в основном только от Нс. Физический смысл здесь прост: время релаксации контролируется высотами потенциальных барьеров
т (Нс + к) т (Нс — к) - и -,
а намагниченность — разностью энергии в состоянии "+" и "-".
3. Обоснование введения множителя Н/В приведено нами в работах [Белоконь и др., 2001; 2006]. Что же касается совета сравнить наши результаты с полученными Данлопом в 1985 г или Щербаковым в 2000 г, то это пожелание имело бы смысл в том случае, если бы речь шла не об обзорной работе. Тем не менее, напомним, что теория вязкой намагниченности, базирующаяся на использовании диаграммы Прейза-ха-Нееля и приводящая практически к тем же результатам, которые получаются в модели однодо-менных частиц, опубликована нами еще в 1969 году [Шолпо, Белоконь, 1969]. Это не удивительно, поскольку система однодоменных частиц легко "ложится" на диаграмму Прейзаха-Нееля [Щербаков и др. 1991, с. 123]. Хотелось бы узнать, советовал ли В.А. Большаков Данлопу сравнить его результаты с нашими? Кстати, в работе [Шолпо, Белоконь, 1969] впервые проведены расчеты и сравнение с экспериментом кривой разрушения вязкой намагниченности, где учтен сдвиг спектра времени релаксации в процессе нагрева и проведена экспериментальная оценка частотного фактора^ на основе полученных закономерностей. Этот результат не так прост, и на основе закона Аррениуса его еще нужно уметь получить!
4. И, наконец, о роли диффузии. В нашей работе мы показали, как можно феноменологически описать диффузионное магнитное последействие в мо-
дели однодоменных частиц. Прежде всего, плотность энергии одноосной магнитной анизотропии Еа любого вида может быть выражена формулой
Еа = 1 Р(кЛ4,
где по дважды встречающимся индексам проводится суммирование от 1 до 3, I, — компонента вектора спонтанной намагниченности [Ахиезер и др., 1967], ви образуют симметричный тензор второго ранга, который, будучи приведенным к главным осям, имеет отличные от нуля компо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.