Материаловедение

Магнитострикционные материалы

Магнитострикционными материалами называются магнитные материалы (магнетики), у которых достаточно сильно проявляется магнитострикционный эффект – изменение формы и размеров тела при его намагничивании.

Явление магнитострикции открыто английским физиком Дж. Джоулем в 1842 г. Магнитострикционный эффект обратим: при изменении линейных размеров тела под действием внешних сил его магнитные свойства соответственно изменяются (это явление называется магнитоупругим эффектом).

К магнетикам относятся материалы, обладающие определенными магнитными свойствами, которые обусловливают их практическое применение. В основном это ферромагнетики – вещества, в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри ТC) устанавливается дальний порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах), т.е. проявляется способность намагничиваться в отсутствие внешнего магнитного поля. Ферромагнетики характеризуются большой положительной магнитной восприимчивостью, которая определяется отношением намагниченности единицы объёма вещества к напряженности намагничивающего магнитного поля. Соседние атомы ферромагнетика спонтанно (самопроизвольно) ориентируют свои магнитные моменты в одном из направлений лёгкого намагничивания кристаллов в пределах локальных областей – доменов.

Магнитные моменты соседних доменов направлены по-разному, так что в общем объёме вещества они компенсируют друг друга и результирующая намагниченность равна нулю. Однако под воздействием внешних магнитных полей магнитные моменты доменов легко изменяют своё направление, усиливая эти поля во много раз.

Ферромагнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и некоторые редкоземельные металлы (Nd, Sm, Gd, Tb, Dy и др.), а также многие сплавы.

Магнитострикция оценивается относительным изменением размеров магнетика λ = Δl/l, где Δl – удлинение (или укорочение) при включении магнитного поля, l – длина образца. В экспериментах обычно измеряется λ׀׀ – продольная магнитострикция, когда напряженность поля Н совпадает с направлением измерения, λ┴ – поперечная магнитострикция, когда указанные направления взаимно перпендикулярны.

Различают два вида магнитострикции: изотропную (обменную) и анизотропную (магнитодипольную и одноионную).

Изотропная магнитострикция возникает в результате изменения обменного взаимодействия между магнитными моментами атомов Мат в кристаллической решетке. Сущность данного явления заключается в следующем. Магнетизм атома обусловлен электронами атома, которые участвуют в создании Мат двояко. Во-первых, каждый электрон, вращаясь вокруг ядра, образует микроскопический замкнутый ток, величина которого равна произведению микроскопического тока на площадь орбиты электрона (орбитальный магнитный момент Морб). Во-вторых, согласно положениям квантовой механики, каждый электрон имеет собственный магнитный момент (спиновый магнитный момент Мсп). Внутри атома Морб и Мсп связаны магнитными силами (спин-орбитальным взаимодействием).

Между электронами соседних магнитных атомов возникает особый вид взаимодействия – так называемое обменное взаимодействие, результатом которого является то, что моменты Мсп электронов устанавливаются параллельно друг другу, возникает спонтанная (без участия внешнего магнитного поля) намагниченность, которая обращается в нуль при температуре ТC, поскольку при этой температуре тепловое движение разрушает упорядоченное расположение моментов Мат, созданное обменным взаимодействием.

Возникновение изотропной магнитострикции можно наглядно пояснить с помощью рис. 1. В области ТC атомы отстоят друг от друга на некотором равновесном расстоянии r0 (рис. 1, а). При включении магнитного поля с напряженностью Н моменты Мат поворачиваются по полю (рис. 1, б), что приводит к изменению обменной энергии, поскольку эта энергия зависит от направления спинов взаимодействующих электронов, принадлежащих соседним атомам.

Рис. 1. Схема возникновения изотропной магнитострикции

Состоянию ферромагнетика на рис. 1, б соответствует другое равновесное расстояние между атомами: r0 + Δr, где Δr есть обменная магнитострикция. В ферромагнетиках, кристаллическая решетка которых обладает кубической симметрией, величина Δr не зависит от направления в кристалле, следовательно, обменная магнитострикция будет изотропной. Это означает, что в кубическом кристалле величина Δr является одной и той же во всех направлениях последнего. Эта магнитострикция проявляется в изменении объема кристалла ΔV/V, при этом в большинстве ферромагнетиков она положительна, т.е. при включении внешнего магнитного поля объем образца увеличивается.

Кроме рассмотренной выше изотропной магнитострикции в ферромагнетиках при приложении магнитного поля возникает анизотропная магнитострикция. Она сопутствует процессам намагничивания в сравнительно слабых полях. Анизотропия ее состоит в том, что относительное изменение размеров магнетика λ по различным осям кристалла имеет разные величины и знаки. Характерная черта анизотропной магнитострикции состоит в том, что при ней меняется форма образца.

Известны два механизма анизотропной магнитострикции:

  1. магнитодипольный
  2. одноионный .

В первом из них имеет место магнитное взаимодействие магнитных моментов Мат, при котором последние ведут себя подобно магнитным диполям. Магнитодипольное взаимодействие в кристаллах кубической симметрии вдоль ребер и диагоналей куба является различным, следовательно, равновесные расстояния между магнитными атомами в этих направлениях также различны, т.е. магнитострикция имеет разную величину в этих направлениях. Данный механизм дает незначительный вклад в анизотропию магнитострикции ферромагнетиков. Доминирующим для анизотропной магнитострикции является одноионный механизм, в котором определяющую роль играет наличие у магнитного атома или иона орбитального магнитного момента Морб. В этом случае электронное орбитальное облако иона приобретает анизотропную (эллипсоидную) конфигурацию и поворачивается в направлении внешнего магнитного поля, возмущая электростатическое поле окружающих ионов. В результате кристаллическая решетка испытывает анизотропные деформации в соответствии с симметрией кристалла.

Рис. 2. Магнитострикционный преобразователь – излучатель ультразвука

Магнитострикционные материалы широко используются для изготовления магнитострикционных преобразователей – излучателей ультразвука. По конструкции такие преобразователи представляет собой сердечник из магнитострикционного материала с нанесённой на него обмоткой, на которую подается напряжение от электрического генератора (рис. 2). Сердечник обычно состоит из набора тонких листов, выполненных чаще всего их никеля и его сплавов (инвар и монель) либо других ферромагнитных материалов. Если сердечник находится в переменном магнитном поле, то он попеременно сжимается и растягивается, т. е. деформируется. Так как знак деформации не зависит от направления поля, то частота колебаний деформации будет в два раза больше частоты переменного возбуждающего поля. Для получения больших деформаций используют постоянное подмагничивание сердечника. Магнитострикционные излучатели, как правило, работают в условиях резонанса, когда частота возбуждающего поля совпадает (настроена в резонанс) с частотой собственных упругих колебаний сердечника. Такие излучатели отличаются большими относительными деформациями, повышенной механической прочностью, малой чувствительностью к температурным воздействиям. Вместе с тем по сравнению с пьезоэлектрическими излучателями они обеспечивают гораздо меньшие (на 1-2 порядка) частоты ультразвуковых колебаний.

В начале 1960- х годов было установлено, что анизотропная магнитострикция кристаллов некоторых магнетиков, в частности, тербия Tb, диспрозия Dy и их сплавов, при низких температурах во много раз превышает анизотропную магнитострикцию железа, кобальта, никеля и их сплавов. Позднее такая гигантская магнитострикция была обнаружена в интерметаллических соединениях TbFe2 и DyFe2. Явление гигантской магнитострикции представляет практический интерес с точки зрения конструирования новых устройств: генераторов мощного звука и ультразвука, устройств микроперемещений, нажимных устройств и др.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *