Большая советская энциклопедия:
Магнитострикция
(от магнит и лат. strictio — сжатие, натягивание)
изменение формы и размеров тела при намагничивании. Явление М. было открыто Дж. Джоулем (См. Джоуль) в 1842. В ферро- и ферримагнетиках (Fe, Ni, Со, Gd, Tb и других, ряде сплавов, ферритах) М. достигает значительной величины (относительное удлинение l / l — 10-6—10-2). В антиферромагнетиках, парамагнетиках и диамагнетиках М. очень мала. Обратное по отношению к М. явление — изменение намагниченности ферромагнитного образца при деформации — называется магнитоупругим эффектом, иногда — Виллари эффектом.
В современной теории магнетизма М. рассматривают как результат проявления основных типов взаимодействий в ферромагнитных телах: электрического обменного взаимодействия (См. Обменное взаимодействие) и магнитного взаимодействия (см. Ферромагнетизм). В соответствии с этим возможны 2 вида различных по природе магнитострикционных деформаций кристаллические решётки: за счёт изменения магнитных сил (диполь-дипольных и спин-орбитальных) и за счёт изменения обменных сил.
При намагничивании ферро- и ферримагнетиков (См. Ферримагнетики) магнитные силы действуют в интервале полей от 0 до поля напряжённостью Hs, в котором образец достигает технического магнитного насыщения Is. Намагничивание в этом интервале полей обусловлено процессами смещения границ между доменами (См. Домены) и вращения магнитных моментов доменов. Оба эти процесса изменяют энергетическое состояние кристаллической решётки, что проявляется в изменении равновесных расстояний между её узлами. В результате атомы смещаются, происходит магнитострикционная деформация решётки. М. этого вида носит анизотропный характер (зависит от направления и величины намагниченности J) и проявляется в основном в изменении формы кристалла почти без изменения его объёма (линейная М.). Для расчёта линейной М. существуют полуэмпирические формулы. Так, М. ферромагнитных кристаллов кубической симметрии, намагниченных до насыщения, рассчитывается по формуле:
,
где si, sj и i, j — направляющие косинусы соответственно вектора Js и направления измерения относительно рёбер куба, а1 и a2 — константы анизотропии М., численно равные , , где и — максимальные линейные М. соответственно в направлении ребра и диагонали ячейки кристалла. Величину s = (l / l) s называют М. насыщения или магнитострикционной постоянной.
М., обусловленная обменными силами, в ферромагнетиках наблюдается в области намагничивания выше технического насыщения, где магнитные моменты доменов полностью ориентированы в направлении поля и происходит только рост абсолютной величины Js (Парапроцесс, или истинное намагничивание). М. за счёт обменных сил в кубических кристаллах изотропна, то есть проявляется в изменении объёма тела. В гексагональных кристаллах (например, гадолинии) эта М. анизотропна. М. за счёт парапроцесса в большинстве ферромагнетиков при комнатных температурах мала, она мала и вблизи точки Кюри, где парапроцесс почти полностью определяет ферромагнитные свойства вещества. Однако в некоторых сплавах с малым коэффициентом теплового расширения (инварных магнитных сплавах) М. велика [в магнитных полях ~ 8104 а/м (103 э) отношение V / V ~ 10-5]. Значительная по величине М. парапроцесса возникает также в ферритах (См. Ферриты) при разрушении или создании магнитным полем неколлинеарных магнитных структур (См. Магнитная структура).
М. относится к так называемым чётным магнитным эффектам, так как она не зависит от знака магнитного поля. Экспериментально больше всего изучалась М. в поликристаллических ферромагнетиках. Обычно измеряется относительное удлинение образца в направлении поля (продольная М.) или перпендикулярно направлению поля (поперечная М.). Для металлов и большинства сплавов продольная и поперечная М. в области полей технического намагничивания имеют разные знаки, причём величина поперечной М. меньше, чем продольной, а в области парапроцесса эти величины одинаковы (рис. 1). Для большинства ферритов как продольная, так и поперечная М. отрицательны; причина этого ещё не ясна. Величина, знак и графический ход зависимости М. от напряжённости поля и намагниченности зависят от структурных особенностей образца (кристаллографической текстуры, примесей посторонних элементов, термической и холодной обработки). У Fe (рис. 2) продольная М. в слабом магнитном поле положительна (удлинение тела), а в более сильном поле — отрицательна (укорочение тела). Для Ni при всех значениях поля продольная М. отрицательна. Сложный характер М. в поликристаллических образцах ферромагнетиков определяется особенностями анизотропии М. в кристаллах соответствующего металла. Большинство сплавов Fe — Ni, Fe — Co, Fe — Pt и других имеют положительный знак продольной М.: l / l — (1—10)10-5. Наибольшей продольной М. обладают сплавы Fe — Pt, Fe — Pd, Fe — Со, Mn — Sb, Mn — Cu — Bi, Fe — Rh. Среди ферритов наибольшая М. у CoFe2O4, Tb3Fe5O12, Dy3Fe5O12: l / l — (2—25)10-4. Рекордно высока М. у некоторых редкоземельных металлов, их сплавов и соединений, например у Tb и Dy, у TbFe2 и DyFe2: l / l — 10-3—10-2 (в зависимости от величины приложенного поля). М. примерно такого же порядка обнаружена у ряда соединений урана (U3As4, U3P4 и других).
М. в области технического намагничивания обнаруживает явление Гистерезиса (рис. 3). На М. в сильной степени влияют также температура, упругие напряжения и даже характер размагничивания, которому подвергался образец перед измерением.
Всестороннее изучение М. прежде всего способствует выяснению физической природы сил, которые определяют ферри-, антиферро- и ферромагнитное поведение вещества. Исследование М., особенно в области технического намагничивания, играет также большую роль при изысканиях новых магнитных материалов; например, отмечено, что высокая магнитная проницаемость сплавов типа пермаллоя связана с тем, что в них мала М. (наряду с малым значением константы магнитной анизотропии).
С магнитострикционными эффектами связаны аномалии теплового расширения ферро-, ферри- и антиферромагнитных тел. Эти аномалии объясняются тем, что магнитострикционные деформации, вызываемые обменными (а в общем случае и магнитными) силами в решётке, проявляются не только при помещении указанных тел в магнитное поле, но также при нагревании их в отсутствии поля (термострикция). Изменение объёма тел вследствие термострикции особенно значительно при магнитных фазовых переходах (См. Фазовый переход) (в точках Кюри и Нееля, при температуре перехода коллинеарной магнитной структуры в неколлинеарную и других). Наложение этих изменений объёма на обычное тепловое расширение (обусловленное тепловыми колебаниями атомов в решётке) иногда приводит к аномально малому значению коэффициента теплового расширения у некоторых материалов. Экспериментально доказано, например, что малое тепловое расширение сплавов типа Инвар объясняется влиянием возникающих при нагреве отрицательных магнитострикционных деформаций, которые почти полностью компенсируют «нормальное» тепловое расширение таких сплавов.
С М. связаны различные аномалии упругости в ферро-, ферри- и антиферромагнетиках. Резкие аномалии модулей упругости и внутреннего трения, наблюдаемые в указанных веществах в районе точек Кюри и Нееля и других фазовых магнитных переходов, обязаны влиянию М., возникающей при нагреве. Кроме того, при воздействии на ферро- и ферримагнитные тела упругих напряжений в них даже при отсутствии внешнего магнитного поля происходит перераспределение магнитных моментов доменов (в общем случае изменяется и абсолютная величина самопроизвольной намагниченности домена). Эти процессы сопровождаются дополнительной деформацией тела магнитострикционной природы — механострикцией (См. Механострикция), которая приводит к отклонениям от закона Гука. В непосредственной связи с механострикцией находится явление изменения под влиянием магнитного поля модуля упругости Е ферромагнитных металлов (Е-эффект).
Для измерения М. наибольшее распространение получили установки, работающие по принципу механооптического рычага, позволяющие наблюдать относительные изменения длины образца до 10-6. Ещё большую чувствительность дают радиотехнический и интерференционный методы. Получил распространение также метод проволочных датчиков, в котором на образец наклеивают проволочку, включенную в одно из плечей моста измерительного (См. Мост измерительный). Изменение длины проволочки и её электрического сопротивления при магнитострикционном изменении размеров образца с высокой точностью фиксируется электроизмерительным прибором.
М. нашла широкое применение в технике. На явлении М. основано действие магнитострикционных преобразователей (датчиков) и реле, излучателей и приёмников ультразвука, фильтров и стабилизаторов частоты в радиотехнических устройствах, магнитострикционных линий задержки и т.д.
Лит.: Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Белов К. П., Упругие, тепловые и электрические явления в ферромагнетиках, 2 изд., М. — Л., 1957; Бозорт Р., Ферромагнетизм, перевод с английского, М., 1956; Редкоземельные ферромагнетики и антиферромагнетики, М., 1965; Ультразвуковые преобразователи, перевод с английского, под редакцией И. П. Голяминой, М., 1972.
К. П. Белов.
Рис. 1. Продольная (кривая I) и поперечная (кривая II) магнитострикция сплава Ni (36 %) — Fe (64 %). В слабых полях они имеют разные знаки, в сильных — при парапроцессе — одинаковый знак (здесь магнитострикция носит объёмный характер).
Рис. 2. Зависимость продольной магнитострикции ряда поликристаллических металлов, сплавов и соединений от напряжённости магнитного поля.
Рис. 3. Магнитострикционный гистерезис железа, обусловленный его магнитным гистерезисом.
Большой словарь иностранных слов:
[< лат. strictio натягивание] – изменение формы ферромагнитных тел – железа, кобальта, никеля – при помещении их в магнитное поле (при намагничивании их).
Орфографический словарь Лопатина:
орф.
магнитострикция, -и
Физический энциклопедический словарь:
(от магнит и лат. strictio — сжатие, натягивание), изменение формы и размеров тела при его намагничивании; открыто англ. учёным Дж. Джоулем (1842). В ферро- и ферримагнетиках (Fe, Ni, Со, Gd, Tb, Dy и др., в ряде сплавов, ферритах) М. достигает значит. величины (относит. удлинение Dl/l =10-5—10-2). В антиферро-, пара- и диамагнетиках М. в большинстве случаев очень мала (10-6—10-7). Обратное по отношению к М. явление — изменение намагниченности ферромагн. образца при деформации — наз. магнитоупругим эффектом или Виллари эффектом.
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 ферро- и 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 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 bi, bj — направляющие косинусы вектора Js и направления измерения (относительно рёбер куба), a1 и a2 — константы анизотропии М., численно равные:
где (Dl//l)(100) и (Dtl/l)(111) — максимальные линейные М. соотв. в направлении ребра и диагонали ячейки, кристалла; их называют магнитострикц. постоянными. Величину ls=(Dl/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 DV/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.: Dl/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: Dl/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) Dl/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-, ферри- и 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-, ферри- и антиферромагнетиках в окрестности точек Кюри и Нееля и др. магн. фазовых переходов, обязаны влиянию М., возникающей при нагреве. Кроме того, при воздействии на ферро- и 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 (DE-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 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.
Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона:
Область явлений, вызываемых натяжениями, получающимися при намагничении тел (см. Магнетизм).
© «СловоТолк.Ру» — толковые и энциклопедические словари, 2007-2020