Магнитострикция

область явлений, вызываемых натяжениями, получающимися при намагничении тел (см. Магнетизм).

(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 Δl / 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 H_s, в котором образец достигает технического магнитного насыщения I_s. 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 s_i, s_j и β_i, β_j — направляющие косинусы соответственно вектора J_s и направления измерения относительно рёбер куба, а₁ и a₂ — константы анизотропии М., численно равные _s = (Δl / 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 J_s(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 Магнитострикция 8․10⁴ а/м(10³э) отношение ΔV / V Магнитострикция 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.: Δl / 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: Δl / 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: Δl / 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 упругостиЕ ферромагнитных металлов (ΔЕ-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.

МАГНИТОСТРИКЦИЯ (от магнит и лат. strictio - сжатие - натягивание), изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании; вызывается изменением энергетического состояния кристаллической решетки в магнитном поле и, как следствие, расстояний между узлами решетки. Наибольших значений магнитострикция достигает в ферро- и ферримагнетиках, в которых магнитные взаимодействия частиц особенно велики. Обратное по отношению к магнитострикции явление - Виллари эффект.

Magnetostriction — Магнитострикция.

Изменения габаритов тела при воздействии магнитного поля.

magnetostrictionmagnetostriction

magnetostrictive effect, direct magnetostriction, magnetostriction

МАГНИТОСТРИКЦИЯ

(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.

магнитостри́кция

(от магнит и лат. strictio — сжатие, натягивание), изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании; вызывается изменением энергетического состояния кристаллической решётки в магнитном поле и, как следствие, расстояний между узлами решётки. Наибольшее значений магнитострикция достигает в ферро- и ферримагнетиках, в которых магнитные взаимодействия частиц особенно велики. Обратное по отношению к магнитострикции явление — Виллари эффект.

* * *

МАГНИТОСТРИ́КЦИЯ (от магнит(см. МАГНИТ) и лат. strictio — сжатие, натягивание), изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании. Магнитострикцию рассматривают как результат проявления основных типов взаимодействий в ферромагнитных телах: электрического обменного взаимодействия(см. ОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ) и магнитного взаимодействия. В соответствии с этим возможны два вида различных по природе магнитострикционных деформаций кристаллической решетки(см. КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА): за счет изменения магнитных сил (диполь-дипольных и спин-орбитальных) и за счет изменения обменных сил.

Различают линейную и спонтанную магнитострикцию.

Спонтанная магнитострикция — искажение кристаллической структуры, вызванное спонтанной намагниченностью. Возникает при переходе вещества из парамагнитного в ферромагнитное состояние в процессе охлаждения до температуры ниже точки Кюри(см. КЮРИ ТОЧКА).

Линейная (индуцированная) магнитострикция связана с искажениями кристаллической решетки под действием внешнего поля.

Магнитострикцию оценивают значением относительной деформации образца в направлении магнитного поля ДL/L. Численное значение коэффициента магнитострикции зависит от типа структуры, кристаллографического направления, напряженности магнитного поля и температуры. При этом линейная магнитострикция может быть как положительной, так и отрицательной, т.е. размеры образца могут как увеличиваться, так и уменьшаться. Относительную магнитострикционную деформацию, возникающую при магнитном насыщении образца, называют константой магнитострикции s. Константа магнитострикции уменьшается при нагревании ферромагнетика и обращается в нуль при температуре перехода вещества в парамагнитное состояние (точка Кюри(см. КЮРИ ТОЧКА)).

В большинстве ферромагнетиков(см. ФЕРРОМАГНЕТИК) относительная спонтанная деформация при температурах значительно ниже точки Кюри по порядку величины равна 10^-5. Рентгенографические методы не всегда фиксируют такие малые искажения решетки. Однако в некоторых ферромагнетиках спонтанную деформацию домена можно заметить рентгенографически, например, в случае кобальтового феррита, где анизотропная спонтанная деформация достигает величины порядка 10^-4. Особенно велика анизотропная спонтанная деформация решетки (порядка 10^-3) у некоторых редкоземельных металлов (Tb, Dy, Ho, Er). Очень большая относительная линейная магнитострикция наблюдается при комнатной температуре в сплавах редкоземельных металлов с железом, например в TbFe₂ (МАГНИТОСТРИКЦИЯ10^-3). В слабых полях железо и никель имеют разный знак коэффициента магнитострикции. Это обстоятельство используется при получении железоникелевых сплавов типа пермаллой(см. ПЕРМАЛЛОЙ) с большой начальной магнитной проницаемостью. В пермаллоях с содержанием никеля МАГНИТОСТРИКЦИЯ80% коэффициенты магнитострикции вдоль всех основных кристаллографических направлений становятся близкими к нулю. Наибольших значений магнитострикция достигает в ферро- и ферримагнетиках, в которых магнитные взаимодействия частиц особенно велики. В антиферромагнетиках(см. АНТИФЕРРОМАГНЕТИК), парамагнетиках(см. ПАРАМАГНЕТИК) и диамагнетиках(см. ДИАМАГНЕТИК) магнитострикция очень мала. Обратное по отношению к магнитострикции. явление — изменение намагниченности ферромагнитного образца при деформации — называется магнитоупругим эффектом, иногда Виллари эффектом(см. ВИЛЛАРИ ЭФФЕКТ).

Изменение размеров ферромагнетика при намагничивании сопровождается появлением в нем внутренних напряжений и деформаций, которые препятствуют смещению доменных границ. Магнитострикция, как и кристаллографическая анизотропия, затрудняет процесс намагничивания ферромагнетика в слабых полях. Поэтому высокой магнитной проницаемостью обладают те магнитные материалы, у которых малы константы анизотропии и магнитострикции.

Магнитострикция относится к так называемым четным магнитным эффектам, так как она не зависит от знака магнитного поля.

Явление магнитострикции широко используется в технике при изготовлении различных приборов: магнитострикционных датчиков, преобразователей, резонаторов, ультразвуковых устройств фильтров и стабилизаторов частоты в радиотехнических устройствах, магнитострикционных линий задержки и т.д.

— явление изменения формы и размеров тела при намагничивании; характерна для ферромагнитных веществ и измеряется относительной величиной удлинения ферромагнетика при намагничивании его до насыщения.

МАГНИТОСТРИКЦИЯ — изменение размеров и формы кристаллических тел (главным образом ферро- и ферримагнетиков) при намагничивании; вызывается изменением энергетического состояния кристаллической решётки в магнитном поле и, как следствие, расстояний между узлами решётки. М. зависит от напряжённости поля. Удлинение тела при М. незначительно, оно обычно составляет стотысячные доли от первоначальной длины. Относительное удлинение может быть продольным или поперечным. Обратное явление — изменение намагниченности тела при его деформации — называется магнитоупругим эффектом (см.).