магнитострикция

МАГНИТОСТРИКЦИЯ (от лат. strictio - сжатие, натягивание), изменение формы и размеров тела при его намагничивании; открыто в железе Дж. П. Джоулем (J. P. Joule, 1842). Явление M. свойственно всем веществам как сильномагнитным (ферро-, ферри- и антиферромагнетикам), так и диа- и парамагнетикам, поскольку отражает взаимосвязь подсистем атомных магнитных моментов и кристаллической решётки. В сильномагн. веществах M. достигает значит, величины (относит, удлинение 10^-2). В диа- и парамагнетиках в большинстве случаев M. мала (10^-7-10^-5), но имеются исключения: Bi и редкоземельные парамагнетики, в к-рых она достигает 10~⁴. Существует ряд родственных M. явлений: спонтанная деформация решётки, или спонтанная M., сопутствующая изменению магн. состояния вещества при нагреве (иногда её наз. термострикцией); часть упругой деформации магнитострикц. природы, возникающей при действии механич. напряжений (механострикция); обратное по отношению к M. явление - изменение намагниченности магнетика при действии на него механич. напряжений (маг-нитоупругий эффект, или обратная M.).

В теории магнетизма рассматриваются разл. микро-скопич. механизмы M.: за счёт изменения магн. ди-полъ-диполъного взаимодействия, спин-орбитального взаимодействия, а также взаимодействия анизотропного электронного облака атома переходного элемента с внутрикристаллическим полем ("одноионная" M.) и за счёт изменения обменных сил как между атомами, так и между электронами. В ферро- и ферримагнетиках в диапазоне значений магн. поля, где протекают процессы смещения доменных границ и вращение векторов M_s спонтанной намагниченности (см. Намагничивание ),проявляется анизотропия M. - зависимость её величины и знака от направления в кристалле, при этом M. проявляется в изменении формы кристалла без изменения его объёма (линейная M.). Расчёты линейной M. в кристаллах осуществляют по феноменоло-гич. ф-лам. Так, для расчёта M. ферро- и ферримагн. кристаллов кубич. симметрии, намагниченных до насыщения, применяется ф-ла

где ,s_i, s_j и- направляющие косинусы векторов M_s и направления измерения по отношению к рёбрам куба, a₁ и a₂ - константы анизотропии M., численно равные:

где и - макс, линейные M. соответственно вдоль ребра и пространств, диагонали куба. Для ферро- и ферримагнетиков иной кристаллич. симметрии ф-лы для расчёта анизотропии M. носят более сложный характер. Путём усреднения по различным s_i, s_j, b_i и b_j может быть получена ф-ла для расчёта M. поликристаллич. образцов (при условии, что a₁ и a₂ одного знака и близки друг другу по величине). Так, для Ni и сплавов Fe - Ni применима ф-ла

где u - угол между направлением напряжённости магн. поля H и направлением измерения линейной M. внутри поликристаллич. образца. Обычно M. измеряют вдоль направления H (u = 0) и поперёк H (u = 90°), т. е. определяют значения продольной и поперечнойM. Для большинства ферромагнетиков они имеют разные знаки.

В области парапроцесса в кубич. ферромагнетиках M. проявляется в изменении объёма (объёмная M.), иногда её наз. обменной M., поскольку она обусловлена изменением обменного взаимодействия и обычно велика вблизи Кюри точки. Здесь её зависимость от H может быть рассчитана по феноменологич. ф-лам, вытекающим из термодинамич. теории фазовых переходов Ландау или теории молекулярного поля. Вдали от точки Кюри для большинства ферромагнетиков M. пара-процесса мала. Однако в т. н. зонных ферромагнетиках (см. Зонный магнетизм) она очень велика, даже при гелиевых темп-pax. Большая M. парапроцесса характерна для ферро- и ферримагнетиков при разрушении полем H существующих в них неколлинеарных магн. структур, т. к. при этом сильно изменяется обменная энергия.

M. относится к т. п. чётным магн. эффектам, т. к. не изменяет своей величины и знака при изменении направления поля H (или вектора M₈) на противоположное.

Рис. 1. Зависимость продольной магнитоетрикции (D//Z) от напряжённости магнитного поля H (1Э = 79,6 А/м) для ряда металлов, их соединений и сплавов.

В пьезомагнетиках (см. Пъезомагнетизм)наблюдается M., линейная по магн. полю. M. исследована во многих поли- и монокристаллич. образцах ферро- и ферримагнетиков. У Fe (рис. 1) продольная M. в слабом магн. поле положительна (удлинение тела), а в более сильном поле отрицательна (укорочение). Для Ni при всех значениях поля продольная M. отрицательна. Большинство сплавов: Fe - Ni, Fe - Со, Fe - Pt и др. имеют положит, продольную M.: ~(10-100)*10^-6, в то же время в них поперечная M. отрицательна. Для сплавов Fe - Ni т. н. инварного состава (30-45% Ni) при комнатных и даже низких темп-pax продольная и поперечная M. в полях H > H_s (область прозрачности) имеют одинаковые положит, знаки (рис. 2), здесь M. выражается в изменении объёма.

Рис. 2. Продольная (I) и поперечная (II) магнитострикция сплава, содержащего 36% Fe, 64% Ni. В слабых полях H они имеют разные знаки, в сильных (при парапроцессе) - одинаковый знак (здесь магнитострикция носит объёмный характер).

Необычайно высоки M. у нек-рых редкоземельных металлов, их сплавов и соединений: у Tb и Dy, TbFe₂ и DyFe₂, феррита-граната Tb₃Fe₅O₁₂ и др. (т. н. гигантская M.). В табл. приведены данные о M. в полях магн. насыщения редкоземельных магнетиков и для сопоставления - значения M. для Fe, Ni и Со.

Гигантская M. обнаружена у ряда соединений урана (U₃As₄, U₃ P₄) и др. актинидов. Микроскопич. природа огромной M. редкоземельных и актинидных магнетиков связана с сильным взаимодействием пространственно-анизотропного облака f-электронов атомов с впутрикристаллич. полем.

Исследование M., особенно в области техн. намагничивания, помогает в изысканиях новых магнитных материалов. Так, высокая магн. проницаемость сплавов типа пермаллоя связана с тем, что в них мала энергия магнитоупругой анизотропии вследствие малой величины M. (наряду с малым значением константы магн. кристаллографич. анизотропии). Эффект спонтанной M. влияет на тепловое расширение ферро-, ферри-и антиферромагнетиков, приводя в ряде случаев к компенсации его или к аномально малому коэф. теплового расширения (инвар-эффект). Большие аномалии модулей упругости, возникающие в нек-рых ферро- и анти-ферромагн. сплавах (элинварах) за счёт влияния спонтанной M., приводят к малым значениям температурных коэф. их модулей упругости. Кроме того, при воздействии на ферромагнетики упругих напряжений в них даже при отсутствии внеш. магн. поля происходит перераспределение магн. моментов доменов (в ряде случаев изменяется и абс. величина Af₈ домена), что приводит к изменению модулей упругости (явление ме-ханострикции).

В непосредств. связи с механострикцией находится изменение под влиянием внеш. магн. поля модуля упругости ферро-, ферри-и антиферромагн. тел (DE-эффект). M. является очень чувствительным индикатором к разл. магн. процессам и магнитным фазовым переходам, и поэтому её измерения широко используются при магн. исследованиях.

Для измерения M. применяют установки, работающие по принципу механооптич. рычага, позволяющие наблюдать относит, изменения длины образца ~10^-6. Ещё большую чувствительность дают радиотехн. и интерференц. методы. Распространён также метод проволочных датчиков, в к-ром на образец наклеивают проволочку (с большим уд. сопротивлением), включённую в одно из плеч измерит, моста. Применяются также разл. методики измерения динамич. M. (в переменных магн. полях).

На явлении M. основано действие магнитострикц. преобразователей: излучателей и приёмников звука, фильтров, стабилизаторов частоты, линий задержки в радиотехн. и акустич. устройствах, устройств микро-перемещений, реле и др. Для этого применяются магнитострикц. материалы с разл. параметрами.

Лит.: Белов К. П., Упругие, тепловые и электрические явления в ферромагнетиках, [2 изд.], M., 1957; его же, Магнитострикционные явления и их технические приложения, M., 1987; Вонсовский С. В., Магнетизм, M., 1971.

К. П. Белов.

   <<      Предметный указатель      >>