Оглавление

Введение

Обменная магнитострикция

Спонтанная магнитострикция и инвар-эффект

Магнитострикция (магнитодипольная и одноионная)

Гигантская анизотропная магнитострикция

Список литературы

Введение

Магнитострикция (от лат. натяжение, сжатие) — изменение формы и размеров тела при его намагни­чивании. Это явление свойственно как сильно маг­нитным (ферромагнитным), так и парамагнитным и диамагнитным веществам. Магнитострикция — результат проявления взаимодействий в магнитных телах. Изучение магнитострикции помогает выяс­нить природу указанных взаимодействий. Магни­тострикция неизменно привлекает внимание не только физиков, но также и инженеров с точки зре­ния конструирования новых приборов и техничес­ких устройств.

Магнитострикция оценивается безразмерной величиной — относительным изменением размеров магнетика λ = dl/l, где dl — удлинение (или укорочение) при включении магнитного поля Н, а l — длина образца. В экспериментах обычно измеряется λ11 — продольная магнитострикция, когда напряжен­ность поля Н совпадает с направлением измерения, λ1 — поперечная магнитострикция, когда указанные направления взаимно перпендикулярны. Величи­ны λ11 и λ1 малы (даже для ферромагнетиков), и для их измерения применяются специальные методы и установки.

Различают два вида магнитострикции: изотроп­ную (обменную) и анизотропную (магнитодиполь-ную и одноионную). Ниже в упрощенной и качест­венной форме объясняются механизмы их возникновения.

Обменная магнитострикция

Этот вид магнитострикции возникает в резуль­тате изменения обменного взаимодействия между магнитными моментами атомов Мат в кристалличе­ской решетке. Магнетизм атома обусловлен электронами (ядро атома дает очень малый вклад в магнетизм атома, и им обычно пренебрегают). Электроны атома участвуют в со­здании Мат двояко. Во-первых, каждый электрон, вращаясь вокруг ядра, образует микроскопичес­кий замкнутый ток, величина его равна произведе­нию микроскопического тока на площадь орбиты

электрона. Этот магнитный момент называется орбитальным Морб и изображается в виде вектора, направленного перпендикулярно площади орбиты. Во-вторых, каждый электрон обладает своеобраз­ным "собственным" магнитным моментом (соглас­но выводам квантовой механики). Его называют спиновым Мсп (от англ. spin — вращение).

Векторное сложение Морб и Мсп дает Мат. Следует отметить, что внутри атома Морб и Мсп связаны магнитными сила­ми (спин-орбитальным взаимодействием).

В кристаллах ферромагнетиков, как было пока­зано в 30-е годы русским теоретиком Я.И. Френке­лем и немецким теоретиком В. Гейзенбергом, между электронами соседних магнитных атомов возникает особый вид взаимодействия, который они назвали обменным. Это электростатическое взаимодейст­вие, однако оно не простое (кулоновское), а кванто­вое. В механизме обменного взаимодействия элек­тронов важная роль отводится направлению спинов соседних атомов. Обменным его назвали потому, что в процессе данного взаимодействия электроны соседних магнитных атомов как бы обмениваются своими местами. Результатом обменного взаимо­действия электронов является то, что моменты Мсп электронов устанавливаются параллельно друг дру­гу, возникает спонтанная или самопроизвольная намагниченность (то есть без участия внешнего по­ля Н). Поскольку Мсп и Морб взаимосвязаны, то можно говорить, что спонтанная намагниченность Is создается упорядочиванием магнитных моментов Мат (намагниченность Is — это число однонаправ­ленных Мат в 1 см3 ферромагнетика).

Спонтанная намагниченность обращается в нуль при температуре ТC, называемой точкой Кюри (по имени французского физика, открывшего ее). Величину обменного взаимодействия можно оце­нить по величине ТC. При этой температуре тепловое движение разрушает упорядоченное расположение моментов Мат, созданное обменным взаимодействи­ем. Отсюда следует, что чем больше обменное взаи­модействие в ферромагнетике, тем выше должна быть температура ТC для разрушения магнитного порядка.

Возникновение обменной магнитострикции можно наглядно пояснить следующим образом. Представим себе, что имеется цепочка магнитных атомов при температурах, близких к ТC. В области ТC большинство моментов Мат находятся в разупо-рядоченном состоянии, так как действие теплового движения на атомы больше, чем обменное взаимо­действие. Пусть r0 — равновесное расстояние между атомами, соответствующее этому состоянию фер­ромагнетика (рис. 1, а). Включим теперь поле Н. Моменты Мат повернутся по полю (рис. 1, б), но это приведет к изменению обменной энергии (по­скольку, согласно теории, данная энергия зависит от направления спинов взаимодействующих элек­тронов, принадлежащих соседним атомам).

Состоянию ферромагнетика на рис. 1, б будет соответство­вать другое равновесное расстояние между атомами: r0 + dr, где dr есть не что иное, как обменная магни-тострикция. В ферромагнетиках, обладающих ку­бической симметрией, величина dr не зависит от направления в кристалле, следовательно, обменная магнитострикция будет изотропной. Это означает, что в кубическом кристалле величина dr будет од­ной и той же во всех направлениях последнего. Эта магнитострикция будет проявляться в изменении объема кристалла dV/V, при этом в большинстве ферромагнетиков она положительна, то есть при включении внешнего поля Н объем образца увели­чивается.

Подобного рода магнитострик­ция сопутствует процессу намагничивания ферро­магнетика, при котором под влиянием Н происходит ориентация моментов Мат. Процесс напоминает на­магничивание парамагнетиков, поэтому он получил название парапроцесса. Парапроцесс особенно ин­тенсивен в области точки Кюри, и обменная магни­тострикция здесь достигает наибольшей величины.

В ферромагнетиках, обладающих гексагональной структурой, например в редкозе­мельном металле гадолинии Gd, парапроцесс и об­менная магнитострикция обладают анизотропией.

Спонтанная магнитострикция и инвар-эффект

Магнитострикция, обусловленная изменением обменного взаимодействия, проявляется не только при приложении магнитного поля Н, но также при изменении температуры ферромагнетика (при от­сутствии Н). Это тепловая магнитострикция (ино­гда называемая термострикцией) особенно велика в области точки Кюри. В самом деле, из вида темпе­ратурной зависимости спонтанной намагниченнос­ти Is, представленной на рис. 2, а, следует, что число разупорядоченных моментов Мат особенно бурно возрастает при приближении к ТC. Это приводит к некоторому изменению обменной энергии, что, в свою очередь, вызывает обменную магнитострикцию (dV/V)T, однако в противоположность действию

парапроцесса отрицательную (так как она сопутст­вует разупорядочиванию моментов Мат).

У некоторых ферромагнетиков эффект спонтан­ной магнитострикции оказывает существенное влияние на тепловое расширение, так как приводит к частичной компенсации последнего. На рис. 2, б штриховой линией схематически показан темпера­турный ход коэффициента теплового расширения α = 1/l(dl/dТ) ферромагнитного сплава 36%Ni + + 64%Fe при отсутствии компенсирующего дейст­вия обменной магнитострикции, сплошная кривая — зависимость α(T), экспериментально наблюдаемая. Видно, что в определенном интервале температур а может приобретать очень низкие значения.