Физический энциклопедический словарь - магнитострикция

В теории магнетизма М. рассматривают как результат проявления осн. типов вз-ствий в ферромагн. телах: электрического обменного вз-ствия и магн. вз-ствия (см. Ферромагнетизм), В соответствии с этим возможны два вида различных по природе магнитострикц. деформаций тел (их крист. решётки): за счёт изменения магн. сил (диполь-дипольных и спин-орбитальных) и за счёт изменения обменных сил.

При намагничивании феррои ферримагнетиков магнитные силы действуют в интервале от нулевого поля до поля напряжённостью Hs, в к-ром образец достигает техн. магн. насыщения Js. Намагничивание в этом интервале полей обусловлено процессами смещения границ между доменами и поворота магн. моментов доменов по полю. Оба эти процесса изменяют энергетич. состояние крист. решётки, что проявляется в изменении равновесных расстояний между

384

ее узлами. В результате атомы смещаются, происходит деформация решётки. М. этого вида зависит от направления и величины намагниченности J (т. е. анизотропна) и проявляется в осн. в изменении формы кристалла почти без изменения его объёма (линейная М.). Для расчёта линейной М. существуют феноменологич. ф-лы. Так, М. ферромагн. кристаллов кубич. симметрии, намагниченных до насыщения, рассчитывается по ф-ле:

где si, sj и i, j — направляющие косинусы вектора Js и направления измерения (относительно рёбер куба), a1 и a2 — константы анизотропии М., численно равные:

где (l//l)[100] и (tl/l)[111] — максимальные линейные М. соотв. в направлении ребра и диагонали ячейки, кристалла; их называют магнитострикц. постоянными. Величину s=(l/l)s наз. М. насыщения.

М., обусловленная обменными силами, в ферромагнетиках наблюдается в области намагничивания выше техн. насыщения, где магн. моменты доменов полностью ориентированы в направлении поля и происходит только рост абс. величины J (парапроцесс). М. за счёт обменных сил в кубич. кристаллах изотропна, т. е. проявляется в изменении объёма тела. В гексагональных кристаллах (напр., в Gd, Tb и др. редкозем. металлах) эта М. анизотропна. М. за счёт парапроцесса в большинстве ферромагнетиков при комнатных темп-рах мала, она мала и вблизи точки Кюри, где парапроцесс почти полностью определяет ферромагн. св-ва в-ва. Однако в нек-рых сплавах с малым коафф. теплового расширения (инварных магн. сплавах) М. велика [в магн. полях ~ 8•10⁴ А/м (10³ Э) отношение V/V~10^-5]. Значительная М. при парапроцессе характерна также для ферритов и редкозем. металлов и сплавов при разрушении ни создании в них магн. полем неколлинеарных магнитных структур.

М. относится к т, н. чётным магн. эффектам, т. к. она не зависит от знака магн. поля. Наиболее исследована М. в поликрист. ферромагнетиках. Обычно измеряется относит. удлинение образца в направлении ноля H (п р о д о л ь н а я М.) или перпендикулярно направлению поля (п о п е р е ч н а я М.). Для металлов и большинства сплавов продольная и поперечная М. в области полей техн. намагничивания имеют разные знаки, причём величина поперечной М. меньше, чем продольной, а в области парапроцесса эти величины имеют одинаковый знак (рис. 1). Для большинства ферритов как продольная, так и поперечная М. отрицательны. У Fe (рис. 2) продольная М. в слабом магн. поле положительна (удлинение тела), а в более сильном поле отрицательна (укорочение тела). Для Ni при всех значениях поля продольная М. отрицательна.

Рис. 1. Продольная (I) и поперечная (II) магнитострикция сплава Ni (36%) — Fe (64%). в слабых полях они имеют разные знаки, в сильных — при парапроцессе — одинаковый знак (здесь магнитострикция носит объёмный хар-р).

Рис. 2. Зависимость продольной магнитострикции ряда поликрист. металлов, сплавов и соединений от напряжённости магн. поля.

Большинство сплавов Fe — Ni, Fe — Со, Fe — Pt и др. имеют положительную продольную М.: l/l ~(1—10)•10^-6. Значительной продольной М. обладают сплавы Fe — Pt, Fe — Pd, Fe — Co, Mn — Sb, Mn — Cu — Bi, Fe — Rh. Среди ферритов наибольшая М. у CoFe2O4: l/l~ (2—25)•10^-4. Рекордно высока М. у нек-рых редкозем. металлов, их сплавов и соединений: у Tb и Dy, TbFe2 и DyFe2, ферритов-гранатов (напр., Tb3Fe5O12) l/l ~10^-3—10^-2 (в зависимости от величины приложенного поля, при низких темп-pax). М. примерно такого же порядка обнаружена у ряда соединений урана (U3As4, U3P4 и др.). Величина, знак и графич. ход зависимости М. от напряжённости поля и намагниченности зависят от структурных особенностей образца (кристаллографич. текстуры, примесей посторонних элементов, термич. и холодной обработки). М. в области техн. намагничивания обнаруживает явление гистерезиса (рис. 3). Исследование М., особенно в области техн. намагничивания, помогает в изысканиях новых магнитных материалов как с высокой М. (см. Магнитострикционные материалы), так и с низкой [напр., отмечено, что высокая магн. проницаемость сплавов Fe — Ni типа пермаллоя связана с тем, что в них мала М. (наряду с малым значением константы магнитной анизотропии)].

М. влияет на тепловое расширение ферро-, феррии антиферромагнетиков, т. к. действие обменных (а в общем случае и магнитных) сил проявляется не только в магн. поле, но также и при нагревании тел в отсутствии поля (т е р м о с т р и к ц и я). Изменение объёма тел вследствие термострикции особенно значительно

Рис. 3. Магнитострикц. гистерезис железа.

вблизи точек магнитных фазовых переходов (точек Кюри и Нееля, при темп-ре перехода коллинеарной магн. структуры в неколлинеарную и др.). Наложение этих изменений объёма на обычное тепловое расширение иногда приводит к аномально малому значению коэфф. теплового расширения у нек-рых материалов, напр. у сплавов типа инвар (36% Ni, 64% Fe).

Большие аномалии модулей упругости и внутр. трения, также наблюдаемые в ферро-, феррии антиферромагнетиках в окрестности точек Кюри и Нееля и др. магн. фазовых переходов, обязаны влиянию М., возникающей при нагреве. Кроме того, при воздействии на феррои ферри-магн. тела упругих напряжений в них даже при отсутствии внеш. магн. поля происходит перераспределение магн. моментов доменов (в общем случае изменяется и абс. величина самопроизвольной намагниченности домена). Эти процессы сопровождаются дополнит. деформацией тела магнитострикц. природы — механострикцией. В непосредств. связи с механострикцией находится явление изменения под влиянием магн. поля модуля упругости ферромагн. металлов (E-эффект).

Для измерения М. наибольшее распространение получили установки, работающие по принципу механооптич. рычага, позволяющие наблюдать относит. изменения длины образца ~10^-6. Ещё большую чувствительность дают радиотехн. и пнтерференц. методы. Получил распространение также метод проволочных датчиков, в к-ром на образец наклеивают проволочку, включённую в одно из плеч моста измерительного. Изменение длины

385

проволочки и её электрич. сопротивления при магнитострикц. изменении размеров образца с высокой точностью фиксируют электроизмерит. прибором. На явлении М. основано действие магнитострикц. преобразователей (датчиков) и реле, излучателей и приёмников ультразвука, фильтров и стабилизаторов частоты в радиотехн. устройствах, магнитострикц. линий задержки в акустике и т. д.

• Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Белов К. П., Упругие, тепловые и электрические явления в ферромагнетиках, 2 изд., М., 1957; Б о з о р т Р., Ферромагнетизм, пер. с англ., М., 1956; Редкоземельные ферромагнетики и антиферромагнетики, М., 1965; Белов К. П., Редкоземельные магнетики и их применение, М., 1980.

К. П. Белов.