Физический энциклопедический словарь - магнитометр

При классификации по назначению выделяют две группы М. К первой, наиболее разветвлённой, относят приборы для измерения осн. хар-к магн. поля: напряжённости Н (в А/м или Э), индукции В (в Тл или Гс), магн. потока Ф (в Вб или Мкс); ко второй — приборы для измерения магн. св-в материалов и горных пород.

Помимо обобщающего наименования «М.», традиционного для 1-й группы приборов, нек-рые из них наз. в соответствии с наименованием единицы измеряемой величины (преим. Международной системы единиц), напр. тесламетр (реже гауссметр), веберметр.

К осн. хар-кам магн. поля, к-рые измеряют М. 1-й группы, относятся: абс. значение (модуль) вектора поля (Н или В), абс. значения составляющих (проекций) вектора поля в геомагнитной или др. системе координат (см. Земной магнетизм), направление вектора поля или его проекций (приборы, компас, буссоль, магн. теодолит, инклинатор, деклинатор, векторный М.), относит. изменения поля во времени (магн. вариометры) и пр-ве (градиентометры или дифференциальные М.).

М. 2-й группы измеряют след магн. св-ва горных пород и магн материалов: магнитный момент M (А•м²), намагниченность J (А/м), маг-

380

нитную восприимчивость  (каппа-метр), магн. проницаемость  (мюметр), зависимости J(H) и В(Н) (см. Намагничивания кривые), коэрцитивную силу Hс, потери на гистерезис и т. п.

По принципу действия М. подразделяют на неск. типов. М а г н и т о с т а т и ч е с к и е М.— приборы, основанные на вз-ствии измеряемого магн. ноля Hизм с постоянным (индикаторным) магнитом, имеющим магн. момент М. В поле Низм на магнит действует механич. момент I=[МНизм]. Момент в М. разл. конструкции уравновешивается: а) моментом кручения кварцевой нити (действующие по этому принципу кварцевые М. и универс. магн. вариометры на кварцевой растяжке обладают чувствительностью G ~ 1 нТл); б) моментом силы тяжести (магнитные весы с G~10 —15 нТл), в) моментом, действующим на вспомогательный эталонный магнит, установленный в определ. положении (оси индикаторного и вспомогат. магнитов в положении равновесия перпендикулярны). В последнем случае, определяя дополнительно период колебания вспомогат. магнита в поле .Низм, можно измерить абс. величину Низм (абс. метод Гаусса).

Рис. 1. Схема кварцевого магнитометра для измерения вертикальной составляющей (Z) напряжённости геомагн. поля: 1 — оптич. система зрит. трубы; 2 — оборотная призма для совмещения шкалы 9 с полем зрения; 3 — магниточувствит. система (пост. магнит на кварцевой растяжке 5); 4 — зеркало; 6 — магнит для частичной компенсации геомагн. поля (изменения диапазона прибора); 7 — кварцевая рамка; 8 — измерит. магнит (по углу его поворота определяют Z); 10 — система освещения шкалы.

М. этого типа имеют, как правило, только одну плоскость вращения пост. магнита (вертикальную или горизонтальную) и применяются для измерения соответствующей компоненты поля — обычно компоненты X, Y или Z, напряжённости геомагн. поля (рис. 1), а также для измерения градиента поля и абс. величины Н.

Модификации магнитостатич. М. с двумя параллельными магнитами на одной нити подвеса (астатич. системы) применяются также для измерения магн. св-в земных пород и магн. материалов.

Электрические М. основаны на сравнении Низм с полем эталонной катушки Н=ki, где k — постоянная катушки, определяемая из её геом. и конструктивных параметров, i — измеряемый ток. Электрич. М. состоят из компаратора для измерения размеров катушки и её обмотки,

теодолита для точной ориентации оси катушки по направлению измеряемой компоненты поля, потенциометрич. системы для измерения тока i и чувствит. датчика — индикатора равенства полей. Чувствительность М. этого типа ~ 1 мкЭ, осн. область их применения — измерение горизонт. и вертик. составляющих геомагн. поля. Индукционные М. основаны на явлении электромагнитной индукции — возникновении эдс в измерит. катушке при изменении проходящего сквозь её контур магн. потока Ф. Изменение потока Ф в катушке может быть связано: а) с изменением величины или направления измеряемого поля во времени (приборы: индукц. вариометры, флюксметры). Простейший флюксметр (веберметр) представляет собой баллистический гальванометр, действующий в сильно переуспокоенном режиме (G ~ 10^-4 Вб/дел); применяются магнитоэлектрич. веберметры с G ~10^-6 Вб/дел, фотоэлектрич. веберметры с G ~ 10^-8 Вб/дел и др.; б) с периодич. изменением положения (вращением, колебанием) измерит. катушки в измеряемом поле (рис. 2). Простейшие тесламетры с катушкой на валу синхронного двигателя обладают G~10^-4 Тл.

Рис. 2. Блок-схема и конструкция преобразователя вибрац. тесламетра: 1 — измерит. катушка, укреплённая на торце пьезокристалла 2 (вибратора); 3 — зажим для крепления пьезокриоталла; 4 — усилитель сигнала; сигнал детектируется и измеряется прибором 5 магнитоэлектрич. системы; в — генератор эл.-магн. колебаний; 7 — источник питания.

У наиболее чувствительных вибрационных М. G ~ 0,1 — 1 нТл; в) с изменением магнитного сопротивления измерит. катушки, что достигается периодич. изменением магн. проницаемости пермаллоевого сердечника (он периодически намагничивается до насыщения вспомогательным перем. полем возбуждения). Действующие по этому принципу феррозондовые М. имеют G ~ 0,2 — 1 нТл (см. Феррозонд). Индукционные М. применяются для измерения магн. полей Земли и др. планет, техн. полей, в магнитобиологии и т. д.

Квантовые М.— приборы, основанные на ядерном магнитном резонансе, электронном парамагнитном.

резонансе, свободной прецессии магн. моментов ядер или эл-нов во внеш. магн. поле, Мейснера эффекте, Джозефсона эффекте и др. эффектах. Для наблюдения зависимости частоты  прецессии магн. моментов микрочастиц от Hизм (=Hизм, где  — магнитомеханическое отношение) необходимо создать макроскопич. магн. момент ансамбля микрочастиц — ядер или эл-нов (см. в ст. Сверхпроводящий магнитометр). Квант. М. применяются для измерения напряжённости слабых магн. полей (в т. ч. геомагн. и магн. поля в косм. пр-ве), в геологоразведке, в магнетохимии, в биофизике (G до 10^-5—10^-7 нТл). Значительно меньшую чувствительность (G~10^-5 Тл) имеют квант. М. для измерения сильных магн. полей.

Гальваномагнитные М. основаны на явлении искривления траектории электрич. зарядов, движущихся в магн. поле Hизм, под действием Лоренца силы (см. Гальваномагнитные явления). К этой группе М. относятся: М. на Холла эффекте (возникновении между гранями проводящей пластинки разности потенциалов, пропорциональной протекающему току и Hизм), М. на эффекте Гаусса (изменении сопротивления проводника в поперечном магн. поле Hизм), М. на явлении падения анодного тока в магнетронах и электроннолучевых трубках (вызванного искривлением траектории эл-нов в магн. поле) и др.

Рис. 3. Принципиальная схема тесламетра, основанного на эффекте Холла (компенсац. типа): e1 и E2 — источники пост. тока; r1 и r2 — резисторы; G — гальванометр; тА — миллиамперметр; ПХ — преобразователь Холла (ПП пластинка). Эдс Холла компенсируется падением напряжения на части калиброванного сопротивления r2, через к-рое протекает пост. ток.

На эффекте Холла основано действие различного рода тесламетров для измерения пост., перем. и импульсных магн. полей (с G ~10^-4—10^-5 Тл, рис. 3); градиентометров и приборов для исследования магн. с-в материалов. Чувствительность G тесламетров, работающих на основе эффекта Гаусса, достигает 10 мкВ/Тл; у электронно-вакуумных М. G ~ 30 нТл.

Существуют также М. экспериментального, прикладного и демонстрац. хар-ра, работа к-рых основана на изменении длины намагниченного стержня (см. Магнитострикция), на вращении плоскости поляризации света (см. Магнитооптика, Фарадея эф-

381

фект, Керра эффект) и т. д. М. каждого из указанных типов дополнительно различаются по осн. показателям: диапазону измерений, чувствительности, погрешности, скорости и способу отсчёта и т. д., а также по условиям эксплуатации. В частности, разработаны многочисл. типы М. для измерения магн. поля в условиях морской и аэромагн. съёмки, в околоземном и межпланетном косм. пр-ве.

• Яновский Б. М., Земной магнетизм, 2 изд., т. 2, Л., 1963; Ч е ч у р и н а Е. Н., Приборы для измерения магнитных величин, М., 1969; Померанцев Н. М., Рыжков В. М., Скроцкий Г. В., Физические основы квантовой магнитометрии, М., 1972; М и х л и н Б. 3., С е л е з н е в В. П., Селезнев А. В., Геомагнитная навигация, М., 1976.

МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ (гиромагнитные явления),

группа явлений, обусловленных взаимосвязью магн. и механич. моментов микрочастиц — носителей магнетизма. Любая микрочастица, обладающая определ. моментом количества движения (эл-н, протон, нейтрон, ат. ядро, атом), имеет также и определ. магнитный момент. Благодаря этому увеличение суммарного момента кол-ва движения микрочастиц, образующих физ. тело (образец), приводит к возникновению у образца дополнит. магн. момента; наоборот, при намагничивании образец приобретает дополнит. механич. момент.

Увеличение магн. момента (намагниченности) в ферромагн. образцах при их вращении было обнаружено в 1909 амер. физиком С. Барнеттом (см. Барнетта эффект). Обратный эффект — поворот свободно подвешенного ферромагн. образца при его намагничивании во внеш. магн. поле открыт в 1915 в опытах А. Эйнштейна и В. де Хааза (см. Эйнштейна — де Хааза эффект).

М. я. позволяют определить отношение магн. момента атома к его полному механич. моменту (гиромагнитное, или магнитомеханическое отношение) и сделать заключение о природе носителей магнетизма в разл. в-вах. Так было установлено, что в переходных Зd-металлах (Fe, Co, Ni) магн. момент обусловлен спиновыми моментами эл-нов (см. Спин). В др. в-вах (напр., редкозем. металлах) магн. момент создаётся как спиновыми, так и орбитальными моментами эл-нов.

В связи с созданием новых, в первую очередь резонансных, методов исследования магнетизма (см. Магнитный резонанс) интерес к М. я. уменьшился.

• Вонсовский С. В., Магнетизм., М., 1971.

Р. З. Левитин.

МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОТНОШЕНИЕ (гиромагнитное отношение),

отношение магнитного момента элем. ч-ц (и состоящих из них систем — атомов, молекул, ат. ядер и т. д.) к их моменту кол-ва движения (механич. моменту). Для каждой элем. ч-цы, обладающей отличным от нуля механич. моментом — спином, М. о. имеет определ. значение. Для разл. состояний ат. системы значения М. о. определяются по ф-ле: =g0, где 0 — единица М. о., g — Ланде множитель. В этом случае за единицу М. о. принимают его величину для орбит. движения эл-на в атоме: —е/2mес, где е — заряд эл-на, me — масса эл-на. Для ядер за единицу М. о. принимают аналогичную величину для протона: е!2mрС (mр — масса протона).

Величина М. о. определяет действие магн. поля на систему, обладающую магн. моментом. Согласно классич. теории, магн. момент во внеш. магн. поле напряжённостью Н совершает прецессию — равномерно вращается вокруг направления Н, сохраняя определ. угол наклона, с угл. скоростью =-Н. В частном случае, когда магн. момент обусловлен орбит. движением эл-нов, имеет место Лармора прецессия. Согласно квант. теории, масштаб магн. расщепления уровней энергии в магн. поле (см. Зеемана эффект) определяется М. о., он равен: ћН= g0nћH.

М. А. Ельяшевич.

МАГНИТООПТИКА (магнетооптика),

раздел физики, изучающий изменения оптич. свойств в-ва под действием магн. поля. Подавляющее большинство магнитооптич. явлений связано с расщеплением уровней энергии атома (снятием вырождения). Непосредственно это расщепление проявляется в Зеемана эффекте. Др. магнитооптич. эффекты по существу явл. следствием эффекта Зеемана и связаны с особенностями поляризац. хар-к зеемановских оптич. переходов и с закономерностями распространения поляризов. света в среде, обладающей дисперсией. Спецификой магнитооптич. эффектов является то, что в магн. поле, помимо обычной линейной оптической анизотропии, появляющейся в среде под действием электрич. поля или деформаций, возникает циркулярная анизотропия, связанная с неэквивалентностью двух направлений вращения в плоскости, перпендикулярной полю. Это важное обстоятельство явл. следствием аксиальности магн. поля.

Наиболее просто осн. явления М. можно классифицировать феноменологически в зависимости от направления магн. поля. При этом рассматриваются два осн. случая: 1) волн. вектор светового излучения k параллелен магн. полю Н и 2) волн. вектор света перпендикулярен магн. полю. Явление Зеемана наблюдается в обоих случаях, причём различие поляризац. хар-к компонент зеемановского расщепления влечёт за собой различный хар-р индуцированной магн. полем анизотропии в этих случаях. Так, при распространении монохроматич. света вдоль поля (при продольном эффекте Зеемана) его правои левоциркулярно поляризованные составляющие поглощаются по-разному (т. н. магнитный циркулярный дихроизм), а при распространении света поперёк поля (поперечном эффекте Зеемана) имеет место магнитный линейный дихроизм, т. с. разное поглощение составляющих, линейно поляризованных параллельно и перпендикулярно магн. полю (см. Поляризация света). Эти поляризац. эффекты имеют сложную зависимость от длины волны излучения (сложный спектр. ход), знание к-рой позволяет определить величину и хар-р зеемановского расщепления в тех случаях, когда оно много меньше ширины спектральных линий. (Аналогичные эффекты могут наблюдаться и в люминесценции.)

Расщепление спектр. линий влечёт за собой соответствующее расщепление дисперс. кривых, характеризующих зависимость показателя преломления среды от длины волны излучения (см. Дисперсия света, Преломление света). В результате при продольном (по полю) распространении показатели преломления для света с правой и левой круговыми поляризациями становятся различными (магнитное циркулярное двойное лучепреломление), а линейно поляризованный монохроматич. свет, проходя через среду, испытывает вращение плоскости поляризации. Последнее явление носит назв. Фарадея эффекта. В области линии поглощения фарадеевское вращение проявляет характерную немонотонную зависимость от длины волны — эффект М а к а л у з о — К о р б и н о. При поперечном относительно магн. поля распространении света различие показателей преломления для линейных поляризаций приводит к линейному магнитному двойному лучепреломлению, известному как Коттона — Мутона эффект (или эффект Фохта). Изучение и использование всех этих эффектов входит в круг проблем совр. М.

Один из важных разделов совр. М.— исследование влияния слабых магн. полей на излучения газов (в т. ч. и газовых лазеров). При этом в эксперименте регистрируется изменение пространств. и поляризац. хар-к излучения под действием магн. поля (Ханле эффект).

Оптич. анизотропия среды в магн. поле проявляется также и при отражении света от её поверхности. При намагничивании среды происходит изменение поляризации отражённого света, хар-р и степень к-рой зависят от взаимного расположения поверхности, плоскости поляризации падающего света и вектора намагниченности. Этот эффект наблюдается в первую очередь в ферромагнетиках и носит назв. магнитооптического Керра эффекта.

М. тв. тела интенсивно развивалась в 60—70-х гг. 20 в. В особенности это

382

относится к М. полупроводников и таких магнитоупорядоченных кристаллов, как ферриты и антиферромагнетики.

Одно из осн. магнитооптич. явлений в ПП состоит в появлении (при помещении их в магн. поле) дискр. спектра поглощения оптич. излучения зa краем сплошного поглощения, соответствующего оптич. переходу между зоной проводимости и валентной зоной (см. Полупроводники, Твёрдое пело). Эти т. н. осцилляции коэфф. поглощения, или осцилляции магнитопоглощения, обусловлены специфич. «расщеплением» в магн. поле указанных зон на системы подзон — подзон Ландау. Оптич. переходы между подзонами ответственны за осцилляции поглощения. Возникновение подзон Ландау вызвано тем, что эл-ны проводимости и дырки совершают в магн. поле орбит. движение в плоскости, перпендикулярной полю. Энергия такого движения может изменяться лишь скачкообразно (дискретно) — отсюда дискретность оптич. переходов. Эффект осцилляции магнитопоглощения широко используется для определения параметров зонной структуры ПП. С ним связаны п т. н. междузонные эффекты Фарадея и Фохта в ПП.

Подзоны Ландау расщепляются в магн. поле вследствие того, что эл-н обладает собственным моментом кол-ва движения — спином. При определ. условиях наблюдается вынужденное рассеяние света на эл-нах в ПП с переворотом спина относительно магн. поля. При таком процессе энергия рассеиваемого фотона изменяется на величину спинового расщепления подзоны, к-рое для нек-рых ПП весьма велико. На этом эффекте основано плавное изменение частоты излучения мощных лазеров и создан светосильный ИК спектрометр сверхвысокого разрешения (см. Инфракрасная спектроскопия),

Большой раздел М. полупроводников составляет изучение зеемановского расщепления уровней энергии мелких водородоподобных примесей и экситонов (см. также Квазичастицы). Наблюдение магнитопоглощения и отражения ИК излучения в узкозонных ПП позволяет исследовать коллективные колебания электронной плазмы (см. Плазма твёрдых тел) и её вз-ствие с фононами.

В прозрачных ферритах и антиферромагнетиках магнитооптич. методы применяют для изучения спектра спиновых волн, экситонов, примесных уровней энергии и пр. В отличие от диамагнетиков и парамагнетиков, во вз-ствии света с магнитоупорядоченными средами гл. роль играют не внеш. поля, а внутр. магн. поля этих сред (их напряжённости достигают 10⁵—10⁶ Э), к-рые определяют спонтанную намагниченность (подрешёток или кристалла в целом) и её ориентацию в кристалле. Магнитооптич.

св-ва прозрачных ферритов и антиферромагнетиков могут быть использованы в системах управления лазерным лучом (напр., для создания модуляторов света, см. Модуляция света) и для оптич. записи и считывания информации, особенно в ЭВМ.

Создание лазеров привело к обнаружению новых магнитооптич. эффектов, проявляющихся при больших интенсивностях светового потока. Показано, в частности, что поляризованный по кругу свет, проходя через прозрачную среду, действует как эфф. магн. поле и вызывает появление намагниченности среды (т. н. обратный эффект Фарадея).

Магнитооптич. методы используются при исследованиях квант. состояний, ответственных за оптич. переходы, спектров электронного парамагн. резонанса в ат. и конденсиров. средах, физ.-хим. структуры в-ва, электронной структуры металлов и ПП, фазовых переходов и пр.

• Б о р н М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; В о н с о в с к и й С. В., Магнетизм, М, 1971; З а п а с с к и й В. С., Ф е о ф и л о в П. П., Развитие поляризационной магнитооптики парамагнитных кристаллов, «УФН», 1975, т. 116, в. 1, с. 41: Писарев Р. В., Магнитное упорядочение и оптические явления в кристаллах, в кн.: Физика магнитных диэлектриков, Л., 1974.

В. С. Запасский, Б. П. Захарченя.