книги / Справочное пособие по магнитным явлениям

В результате процесса перемагничивания происходят потери энергии трех различных типов: во-первых, потери при выше­ описанном возбуждении петли гистерезиса, во-вторых, резистив­ ные потери из-за вихревых токов и, в-третьих, потери в резуль­ тате механических деформаций материала. Последние могут быть обусловлены либо силами Ленца, либо магнитострикцией.

Если стенки доменов прикреплены к дефектным областям, то, «отскакивая» от этих точек, они движутся с довольно боль­ шими скоростями. Результатом этого являются большие потери на вихревые токи, так как последние пропорциональны скорости смещения стенок доменов.

4.8. ВРАЩАТЕЛЬНЫЙ МАГНИТНЫЙ ГИСТЕРЕЗИС

Если диск из ферромагнитного материала помещен в магнит­ ное поле, параллельное плоскости диска, то возникает сопро­ тивление вращению диска. Следовательно, для вращения такого диска против крутящего момента требуются затраты энергии. В этих условиях намагниченность вещества диска не совпадает по направлению с приложенным магнитным полем, и угол ее ориентации зависит от формы петли гистерезиса данного вещества и от скорости вращения диска.

4.9. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ

Изменение внешнего магнитного поля может вызвать пере­ распределение энергии на атомном уровне, в том числе перерас­ пределение тепловой энергии. Если в результате этого некоторые узлы кристаллической решетки станут теплее, чем другие, то потребуется определенный период времени, чтобы данное тело в целом достигло теплового равновесия.

Магнитотепловое последействие — это задержка изменения "намагниченности, сопровождающая изменение приложенного поля и вызванная различными тепловыми явлениями, которые при­ водят к перераспределению локальных разностей температуры.

В некоторых случаях данный ион может занимать любое из двух положений в кристаллической решетке, различающихся малым приращением энергии. Перераспределение энергии, выз­ ванное изменениями магнитного поля, может обеспечить ука­ занное приращение энергии между двумя положениями, так что под влиянием соответствующего изменения поля этот ион может перейти из одного положения в другое. Такое переме­ щение не обязательно происходит мгновенно, поскольку оно зависит также и от случайной тепловой активности ионов в кристаллической решетке.

Магнитохимическое последействие — это задержка изменения намагниченности, сопровождающая изменение приложенного

поля и вызванная диффузией ионов из одной совокупности положений в кристаллической решетке в другую.

Эффект магнитного отпуска — это изменение размеров кри­ сталла, вызванное продолжением предшествующих движений ядер. В данном случае ионы перемещаются при изменении магнитного поля, однако в процессе периодического изменения ориентации поля они продолжают двигаться в одном и том же общем направлении, иными словами, они движутся под влиянием определенного изменения поля, но не возвращаются обратно при изменении направления поля на противоположное. Такое однонаправленное результирующее движение частиц в присутст­ вии двунаправленных периодических изменений поля продол­ жается до тех пор, пока кристалл не достигнет наиболее стабиль­ ных размеров.

5. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Электрон, движущийся по молекулярной орбите, обладает некоторым количеством потенциальной энергии. Таким образом, орбита сама по себе соответствует некоторому уровню потен­ циальной энергии.

Уровни потенциальной энергии «основных» орбит определя­ ются при условии, что ориентации всех электронных магнетонов остаются некогерентными из-за тепловой активности. Вследствие этой некогерентности по направлениям магнетонов не проис­ ходит обмена силами магнетонного происхождения между орби­ тальными электронами. Если же магнетоны орбитальных элек­ тронов упорядочены по направлению под влиянием приложен­ ного магнитного поля, то становится возможным взаимодейст­ вие между теми из них, которые движутся по орбитам соседних молекул. Такое взаимодействие увеличивает потенциальную энер­ гию одних орбит и уменьшает потенциальную энергию других. Соответствующие механизмы иллюстрируются на рис. 8.3 и 8.4. Хотя здесь показаны протонные магнетоны, точно такие же соотношения с притяжением или отталкиванием характерны и для электронных магнетонов. Коротко говоря, на магнетон воздействует иное магнитное поле, когда соседние магнетоны упорядочены по направлению, чем при случайном распределении ориентаций магнетонов. Эти изменения уровня энергии магнетонных орбит в результате взаимодействия не очень велики в срав­ нении с основной энергией орбиты, однако они могут быть обнаружены.

Это смещение обусловлено небольшими изменениями орбиталь­ ной потенциальной энергии, вызванными взаимодействием элек­ тронных магнетонов. Кроме эффекта Зеемана магнитное поле

может вызвать изменение соотношений связи. Это также явля­ ется следствием изменений орбитальной энергии под влиянием приложенного магнитного поля. Поскольку тепловая актив­ ность тоже приводит к изменению соотношений связи, могут происходить различные взаимодействия с участием и магнитных полей, и температурных изменений, совместно влияющих на молекулярные структуры.

Непосредственным результатом указанных структурных из­ менений является зависимость удельного сопротивления, диэлек­ трической проницаемости, магнитной восприимчивости и формы поверхности Ферми данного вещества от характера распределения упорядоченных ориентаций магнетонов. Именно в той мере, в какой эти распределения определяются тепловыми и магнитными силами, электронные характеристики вещества также подвер­ жены изменениям под влиянием таких сил.

Поскольку намагниченность вносит определенный вклад в химические связи, изменение температуры вещества может повлечь за собой изменение намагниченности, и, наоборот, изменение намагниченности может повлиять на температуру. Магнитокалорический эффект — это изменение температуры, вызванное самопроизвольной намагниченностью вещества, а магнитотепловой эффект — это изменение температуры, вызван­ ное намагниченностью под влиянием приложенного магнитного поля. Эти два явления взаимосвязаны и обусловлены перерас­ пределением энергии между частицами и связями в молекулярных структурах. Такое перераспределение энергии может осуществ­ ляться посредством различных механизмов.

В то же время явление магнитного охлаждения — это результат действия лишь одного механизма. В этом случае про­ исходит уменьшение энтропии системы за счет внесения определенного порядка в тепловое беспорядочное состояние частиц парамагнитного вещества. Вообще говоря, упорядо­ ченная система обладает меньшей энергией, чем аналогичная неупорядоченная система. При магнитном охлаждении темпе­ ратура вещества несколько снижается под влиянием приложен­ ного внешнего магнитного поля. Если вещество уже имеет очень низкую температуру, то это небольшое снижение темпе­ ратуры может играть важную роль; в частности, такой метод полезен для получения температур, близких к абсолютному нулю.

5.1. ХИМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ

Согласно закону Вольта между двумя различными веществами, находящимися в контакте между собой, возникает разность электрических потенциалов. Значение этой разности потенциалов зависит от химической природы контактирующих веществ.

Среднее значение энергии свободных электронов, движу- 'щихся через вещество, называется граничной энергией Ферми, или уровнем Ферми. При заданных внешних условиях каждое вещество характеризуется определенной граничной энер­ гией Ферми. Если между двумя веществами с разными уров­ нями Ферми устанавливается контакт, то электроны перемеща­ ются из одного вещества в другое до тех пор, пока разность между уровнями Ферми этих веществ не будет уравновешена электрическим потенциалом между ними. Здесь миграция элек­ тронов под влиянием разности уровней Ферми порождает разность потенциалов Вольта.

При изменении внешних условий изменяется и разность потенциалов между двумя контактирующими веществами. Эти изменения разности потенциалов лежат в основе эффекта термопары, поскольку разность потенциалов имеет разные значения при разных температурах. Такое различие в разности потенциалов позволяет получать электрическое напряжение, создающее ток в электрической цепи.

В дополнение к этому граничная энергия Ферми зависит от анизотропии кристалла. Поэтому граничная энергия Ферми имеет разные значения при рассмотрении ее в разных направ­ лениях относительно осей кристаллической решетки. Поверхность Ферми — это представление изменения граничной энергии Ферми в сферической системе координат.

Любое явление, связанное с граничной энергией Ферми, зависит от структуры кристалла, от направления, по которому эта структура наблюдается, и от изменений этой структуры. Од­ ним из следствий изменения формы поверхности Ферми, в част­ ности, является отклонение электрического сигнала на выходе термопары при ее механической деформации.

5.2. ЭФФЕКТ НЕРСТА

Эффектом Нерста называют магнитное проявление эффекта Зеебека, когда выходное напряжение термопары зависит от напряженности магнитного поля, а также от температурного градиента.

Термоэлектрические эффекты являются результатом воз­ никновения разности граничных энергий Ферми при различных температурных условиях. Воздействие магнитного поля на ани­ зотропный кристалл может изменить форму поверхности Ферми, характеризующей анизотропию кристалла. Это приводит к из­ менению разностей граничной энергии Ферми, возникающих при двух различных температурах. Вследствие того что намагничен­ ность изменяет форму поверхности Ферми, приложенное извне магнитное поле вносит изменения в эффект Томсона и эффект Пельтье, а это влечет за собой соответствующие изменения эффекта Зеебека.

Рис. 5.1. Эффект Нерста. Напряжение иа выходе термопары изменяется, если

На рис. 5.1 показана термопара, на один спай которой воз­ действует внешнее магнитное поле, упорядочивающее ориентации магнетонов. В другом спае, не испытывающем влияния внешнего поля, ориентации магнетонов имеют случайное распределение. Два спая термопары могут находиться под воздействием одного и того же магнитного поля или разных полей, причем эти поля могут изменяться по величине и направлению. Хотя возможно бес­ численное количество различных явлений, сопровождающих эти изменения, в основе этих явлений лежат всегда одни и те же механизмы: эффект Зеебека определяется соотношением между двумя поверхностями Ферми, тогда как эффект Нерста явля­ ется результатом деформации этих поверхностей под влиянием приложенных магнитных полей.

5.3.УПОРЯДОЧЕНИЕ ОРИЕНТАЦИЙ МАГНЕТОНОВ

Вферромагнитных и антиферромагнитных веществах магнетоны самопроизвольно выстраиваются по направлению, образуя регулярные структуры, под воздействием обменных сил.

Антиферромагнитные магнетоны формируют структуры с индиви­ дуальным противодействием, а ферромагнитные магнетоны — структуры с групповым противодействием. Что касается пара­ магнитных магнетонов, то они вследствие тепловой активности образуют динамическую структуру с непрерывно меняющимися и случайно распределенными ориентациями. Эти относительно свободные магнетоны могут быть упорядочены по направлению под действием приложенных внешних полей.

Ферромагнитные вещества становятся парамагнитными при температурах выше их точки Кюри, тогда как антиферромаг­ нитные вещества становятся парамагнитными при температурах выше их точки Нееля.

Переход магнетонов от упорядоченной структуры к слу­ чайному распределению ориентаций при критических темпе­ ратурах аналогичен превращению твердого тела в жидкость при его плавлении. В последнем случае наблюдается процесс перехода от регулярного распределения положений молекул в твердом теле к беспорядочному их распределению в жидкости, подобный процессу перехода от регулярного распределения ориентаций* магнетонов к беспорядочному распределению. В рамках этой аналогии парамагнетизм уподобляется свойствам жидкого вещества.

Однако степень неупорядоченности распределения ориен­ таций магнетонов при критических температурах представляет собой менее крутую функцию температуры, чем аналогичная характеристика кристаллических твердых веществ вблизи точки плавления. Переход от самопроизвольно сформировав­ шейся упорядоченной структуры к парамагнетизму занимает определенную температурную область, в пределах которой он является обратимым и воспроизводимым. Кроме того, при по­ мощи легирования и других методов можно изменять характе­ ристики процесса в этой области — его крутизну и характерные значения температуры, при этом изменения условий нарушения ферромагнетизма обычно влекут за собой более существенные последствия, чем изменения условий нарушения антиферро­ магнетизма.

5.4. ТЕРМОФЕРРОМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ

Магнитная восприимчивость служит мерой способности маг­ нитного поля упорядочивать ориентации магнетонов данного вещества таким образом, чтобы они усиливали это поле. Посколь­ ку ферромагнитные вещества самопроизвольно способствуют процессам упорядочения ориентаций магнетонов, магнитная восприимчивость таких веществ обычно намного больше, чем парамагнитных. Однако ферромагнитные вещества превращаются в парамагнитные при температуре выше точки Кюри. Вследствие этого при переходе в области точки Кюри значения магнитной восприимчивости резко изменяются (рис. 5.2). Это изменение магнитной восприимчивости ферромагнитных веществ в окрестно­ сти точки Кюри называется термоферромагнитным эффектом.

Поскольку обменные силы в ферромагнетиках могут поддер­ живать устойчивость доменов, при изменении температуры ориентации магнетонов остаются более или менее упорядочен­ ными и взаимные соотношения между ними изменяются незна­ чительно. Хотя магнитная восприимчивость ферромагнитных веществ зависит от температуры, эта зависимость выражена довольно слабо. Но при переходе через точку Кюри обменные силы ослабевают, тепловые возмущения хаотизируют ориентации магнетонов, и магнитная восприимчивость, характерная для

Рис. 5.2. Термоферромагнихный эффект. Температуру ферромагнитного веще­ ства в области его перехода от ферромагнетизма к парамагнетизму можно определять по измеренной индуктивности катушки, намотанной вокруг образца

этого вещества:

/ — область перехода Кюри

ферромагнитного вещества, переходит в магнитную восприим­ чивость, характерную для парамагнитного вещества. Эти из­ менения могут быть весьма существенными. На рис. 5.3 приведе­ на иллюстрация механизмов упорядочения ориентаций магне­ тонов для термоферромагнитного эффекта и для эффекта Каб­ реры — Торроя.

Беспорядочное распределение кристаллов в металлах и ог­ раниченность размеров как кристаллов, так и самих доменов сглаживают переход между характеристиками вещества в об­ ласти точки Кюри. Не все домены распадаются при одной и той же температуре или при одной и той же напряженности приложенного магнитного поля. Поэтому существует определен­ ный диапазон температур и напряженностей магнитного поля,

впределах которого часть доменов распадается, а остальные сохраняют свою структуру. Наклон кривой магнитной воспри­ имчивости при переходе от полного ферромагнетизма к полному парамагнетизму определяет характер изменения дифференциаль­ ной магнитной восприимчивости. Именно эта зависимость лежит

воснове одного из полезных явлений электропреобразования. Прибор, основанный на этой зависимости, целесообразно

использовать только в том температурном диапазоне, где про­ исходит превращение вещества из ферромагнитного в парамаг­ нитное. Однако имеется возможность регулировать положение точки Кюри, изменяя химический состав вещества. Например, если смешивать в разных пропорциях МРегО* и 2пРеа04, то точка Кюри смеси может принимать любое заданное значение в пределах от 300 до 800 К.

Конечно, существует и термоантиферромагнитный эффект. Он всегда сопровождается либо эффектом Кабреры — Торроя, либо термоферримагнигным эффектом.

так и от направления внешнего магнитного поля, эффект Ка­ бреры— Торроя проявляется по-разному при разных условиях приложения внешнего поля.

Эффект Кабреры — Торроя всегда сопровождается термофер­ ромагнитным эффектом.

5.6. ТЕРМОФЕРРИМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ

Значительное изменение диэлектрической проницаемости феррита вблизи его точки Кюри будем называть термоферримагнитным эффектом (рис. 5.4). В результате этого эффекта конденсатор, в котором используется феррит в ка­ честве диэлектрика, существенно изменяет свою емкость в окрестности точки Кюри данного феррита.

Рис. 5.4. Термоферримагннтный эффект. Из-за влияния упорядоченности магне­ тонов по ориентациям способность ферритового конденсатора накапливать элек­ трический заряд зависит как от температуры, так и от магнитного поля, кото­ рое воздействует на ферритовый элемент конденсатора:

1 , 2 — характеристики при воздействии двух различных магнитных полей

В ферритах происходит взаимодействие между магнетонами (магнитными диполями) и электрическими диполями. Степень упорядоченности или случайности распределения ориентаций первых влияет на упорядоченность ориентаций вторых. По­ скольку диэлектрическая проницаемость определяется тем, на­ сколько легко электрические диполи упорядочиваются по направ­ лению внешним электрическим полем, любые факторы, влия­ ющие на возможность такого упорядочения, сказываются на диэлектрической проницаемости.

Вследствие того что структуры упорядоченности ориентаций магнетонов зависят как от абсолютной величины напряженности, так и от направления внешнего магнитного поля, термоферри-