Указанный выше сплав носит название инвара (не изменяющего свои размеры при нагреве) и дав­но применяется в часовой и приборостроительной промышленности. В настоящее время существует большое число сплавов типа инвар; природа их ма­лого коэффициента теплового расширения магнит­ная. Явление компенсации коэффициента теплово­го расширения спонтанной магнитострикцией получило название инвар-эффекта. В гадолинии инвар-эффект анизотропен, то есть различен по разным осям гексагонального кристалла.

Магнитострикция (магнитодипольная и одноионная)

Кроме рассмотренной выше обменной магнито­стрикции в ферромагнетиках при приложении поля Н возникает анизотропная магнитострикция. Она сопутствует процессам намагничивания в полях бо­лее слабых, чем те, в которых проявляется парапро-цесс. Анизотропия ее состоит в том, что X по раз­личным осям кристалла имеют разные величины и знаки. Характерная черта анизотропной магнитост­рикции состоит в том, что при ней меняется форма образца (при ничтожно малом изменении объема).

В теории рассматриваются два механизма анизо­тропной магнитострикции: 1) магнитодипольный и 2) одноионный. В первом из них рассчитывается магнитное взаимодействие магнитных моментов Мат, расположенных в узлах кристаллической ре­шетки, при этом магнитные моменты Мат уподоб­ляются магнитным диполям (то есть маленьким магнитикам с северным и южным полюсами).

Магнитодипольное взаимодействие в кристал­лах кубической симметрии вдоль ребра и диагона­лей куба будет различным, следовательно, равно­весные расстояния между магнитными атомами в этих направлениях будут также различными, то есть магнитострикции будут разными по величине в этих направлениях. Однако данный механизм дает малый вклад в анизотропию магнитострикции фер­ромагнетиков.

Как показали исследования, главным для анизо­тропной магнитострикции является одноионный механизм. Определяющую роль в нем играет нали­чие у магнитного атома или иона (то есть заряжен­ного атома) орбитального магнитного момента Морб. Согласно теории, в этом случае электронное орбитальное облако приобретает несферическую (анизотропную) конфигурацию (на рис. 3, а оно ус­ловно изображено в виде эллипсоида). Наглядно механизм возникновения анизотропной магнито­стрикции можно представить следующим образом. Пусть анизотропный магнитный ион находится в кристаллической решетке в окружении других ио­нов, создающих электростатическое поле (оно обычно называется кристаллическим).

На рис. 3 условно показаны голубыми линиями кристалличе­ские поля, создаваемые окружающими ионами, от­ражающими локальную симметрию кристалла. При приложении поля Н магнитный момент иона Мат = Мсп + Морб ориентируется в направлении Н и од­новременно с ним поворачивается анизотропное электронное облако иона, которое возмущает элек­тростатическое поле окружающих ионов. В резуль­тате кристаллическая решетка испытывает анизот­ропные деформации в соответствии с симметрией кристалла. Эти деформации есть не что иное, как анизотропная магнитострикция.

Подобного вида анизотропная магнитострик­ция очень велика в редкоземельных металлах (не всех), так как их ионы обладают большими величи­нами орбитальных моментов Морб (см. далее об этом подробнее).

Редкоземельный металл гадоли­ний не имеет орбитального момента (Морб = 0) и его атомный момент Мат содержит только спиновую со­ставляющую (Мат = Мсп). Вследствие этого элек­тронное облако его иона имеет сферическую форму. Как следует из рис. 3,б, при приложении поля Н по -ворот электронного облака не приводит к возмуще­нию кристаллического поля окружающих ионов, следовательно, здесь не работает механизм одно-ионной магнитострикции. В Gd и его соединениях наблюдаемая анизотропная магнитострикция, по-видимому, обязана магнитодипольному механизму.

Ситуация с анизотропной магнитострикцией в металлах Fe, Ni, их сплавах и ферритах близка к слу­чаю Gd. Намагничивание в них происходит в ос­новном за счет спиновых моментов и в небольшой степени за счет орбитальных моментов. В этих маг­нетиках кристаллическое поле так сильно воздейст­вует на Морб, что они как бы закрепляются в решет­ке и теряют способность вращаться в направлении магнитного поля. Это явление принято называть за­мораживанием орбитального момента. Однако в некоторых из этих соединений замораживание Морб происходит не полностью. Поэтому в данных веще­ствах (например, ферритах) возникает анизотроп­ная магнитострикция одноионной природы, но много меньшая по величине, чем в редкоземельных магнетиках.

Гигантская анизотропная магнитострикция

В 1961—1965 годах было установлено, что анизотропная магнитострикция редкоземельных металлов тербия Tb, диспрозия Dy, их сплавов и ферритов-гранатов при низких температурах пре­вышает анизотропную магнитострикцию железа, кобальта, никеля и их сплавов в десятки, сотни и да­же тысячи раз (в монокристаллах). Несколько позд такая гигантская магнитострикция[1] была обна­ружена в так называемых интерметаллических соединениях TbFe2 и DyFe2. В них эта магнито­стрикция реализуется не только при низких темпе­ратурах, но и выше комнатных температур.

В табл. 1 приведены результаты измерения про­дольной магнитострикции насыщения (λs)11 (то есть в полях H = Hs) при температуре жидкого азота 78 К в поликристаллах Tb и Dy (для сравнения даны со­ответствующие значения (λs)11 для поликристаллов Fe, Co и Ni).

Огромных величин достигает λs в гексагональных кристаллах Tb и Dy (табл. 2). При этом она особенно велика вдоль гексагональной оси c и несколько меньше вдоль a. (На рис. 4, а показаны направления этих осей.) Видно, что эти значения в сотни раз больше, чем в кристалле Ni. (На рис. 4, б показаны направления осей кубического кристалла Ni симво­лами [111], [100] и [110].)

На рис. 5 представлены кривые магнитострик­ции λ(Н) гексагонального монокристалла Tb вдоль его оси c и в базисной плоскости при разных темпе­ратурах.

В поле, приложенном в базисной плоскости, магнитострикция сравнительно быстро стремится к насыщению (рис. 5, а), тогда как в направлении гек­сагональной оси c тенденция к насыщению не обна­руживается даже в очень сильном поле (Н= 150 кЭ).

Анализ приведенных результатов измерений по­казал, что за гигантскую магнитострикцию в Tb и Dy ответственны два механизма: одноионная маг-нитострикция и обменная магнитострикция (воз­никающая вдоль оси c, так как в этом направлении обменное взаимодействие сильно зависит от межа­томного расстояния).