Фейнман - 07. Физика сплошных сред (1055671), страница 35

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 35)

Если нужно сделать постоянный магнит, то требуется найти материал с необычно широкой петлей гистерезиса, чтобы при выключении тока, когда мы спустимся к нулевому намагничивающему полю, намагниченность все же осталась большой. Для таких материалов границы доменов должны быть «эаморожены» на месте как можно крепче. Одним из таких материалов является замечательный сплав Алнико У (51Уа Ре, 8% А1, 14% №, 24% Со, 3% Сп). Довольно сложный состав этого сплава говорит о том кропотливом труде, который надо было затратить, чтоб создать хороший магнит.

Сколько терпения потребовалось для того, чтобы, сме- гй и г. 27.12. Пвтли гистврввиса сплава Алли«а 'в'. шивая по-разному пять компонент, проверять разные составы их до тех пор, пока не был найден идеальиый сплав! Когда Алнико Ч затвердевает, у нега появляется «вторая фаза», которая, осаждаясь, образует множество ма- заО Н, гс -зйз -«00 О 181 леньких зерен и вызывает очень большие внутренние напряжения. Движение доменных стенок в этом материале очень затруднено. А чтобы получить вдобавок нужное строение, Аляико 'Ч механически «обрабатывается» так, чтобы кристаллы выстраивались в форме продолговатых зерен в направлении будущей намагниченности.

При этом намагниченность, естественно, стремится смотреть в нужном направлении и противостоять аффектам анизотропии. Более того, в процессе приготовления материал даже охлаждается во внешнем магнитном поле, так что верка растут с правильяой ориентацией кристаллов. 11етля гистерезиса Алкико Ч приведена па фиг. 37.12. Видите, ояа в 500 раз шире петли гистерезиса мягкого железа, которую я вам показывал [см.фкг.36.8, стр.146). Обратимся теперь к другим сортам магериалоз. Для изготовления трансформаторов и моторов необходим материал, который был бы «мягким» в магнитном отношении, т.

е. такой, намагниченность которого могла бы легко изменяться, так что даже очень малое приложенное поле приводило бы к очень большой намагниченности. Для этого иужны чистые, хоровто отожжекпые материалы с очень малым количеством дислокаций и примесей, так чтобы доменные стенки могли легко двигаться. Аяизотропшо желательно сделать как можно меньше. Тогда если даже зерна материала расположены под «пеправильным» углом по отношению к полю, материал все равно будет легко намагничиваться. Мы говорили, что железо предпочитает намагничиваться в направлении [100[, тогда как никель предпочитает направление [111[, так что если мы будем в различных пропорциях смешивать железо и никель, то можно надеяться найти такую их пропорцию, когда сплав не будет иметь никакого Коерлиеис- иаа сила Н», гс Остаточное иагаитлое поле Вг, гс Материал 0,004 Сунермаллой Кремнистая (трансформаторная) сталь жслсео Армно Алнико У ( 5000) 0,05 0,6 550 12 000 4 000 13 000 3) д.

Необычные манн«гтпные матер«галы Здесь мне бы хотелось рассказать о некоторых более экзотических магнитных материалах. В периодической таблице есть немало элементов, имеющих незаполненные внутрен- предпочтительного направления, т. е. направления [100) и [111) будут эквивалентны. Оказывается, что это достигается при смешивании 70% никеля и 30% железа. Вдобавок (вероятно, по счастливой случайности, а быть может, по какой-то физической взаимосвязи между анизотропией и магнитострикционными аффектами) оказалось, что константы магнитостринг)ии железа и никеля имеют противоположные знаки. Для сплава этих двух металлов магнитострикция исчезает при содержании никеля около 80%.

Так что при содержании никеля где-то между 70 и 80% у нас получаются очень «мягкие» магнитные материалы — сплавы, которые очень легко намагничиваются. Они называются пермаллоями. Пермаллои используются в высококачественных трансформаторах (при низких уровнях сигналов), но совершенно не годятся для постоянных магнитов. Приготовлять пермаллои и работать с ними нужно очень осторожно. Магнитные свойства пермаллоя в корне меняются, если его деформировать выше предела его упругости, так что этот материал никоим образом нельзя сгибать. Иначе в результате возникновения дислокаций, поверхностей скольжения и других механических деформаций проницаемость его уменьшается и границы доменов уже будут двигаться не так легко.

Впрочем, былую высокую проницаемость можно восстановить отжигом при высокой температуре. Полезно для характеристики различных магнитных материалов оперировать какими-то числами. Двумя такими характеристиками являются значения В и ХХ в точках пересечения петли гистерезиса с осями координат (фиг. 3712).

Эти значения называются остатоцнмм магнитным полем В, и моэрцитивной силой ХХ,. В табл. 37.1 приведены эти характеристики для некоторых материалов. ТаблиЦа с».г ° СВОЙСТВА НККОТОРЫХ ФКРРОМАГНИТНЫХ МАТВРИАЛОВ ние электронные оболочки, а следовательно, и атомные магнитные моменты.

Так, сразу вслед за ферромагнитными элементами — железом, никелем и кобальтом — вы найдете хром и марганец. Почему же они не ферромагнитны? Ответ заключается в том, что в выражении (37.1) член с )ь для этих элементов имеет протизоположыььй знак. В решетке хрома, например, направления магнитных моментов атомов чередуются друг за другом ~фиг. 37ЛЗ, б). Так что со своей точки зрения хром зсс лсе «магнетккр, но с точки зрения технических применений это пе представляет интереса, так как не дает внсшнего магнитного эффекта.

Таким образом, хром — пример материала, в котором квантовомеханический эффект вызывает чередование направлений спинов. Такой материал называется антидоерромагнетиком. Упорядочивание магнитных моментов в антнферромагнитных материалах зависит и от температуры. Ниже критической температуры все спины выстраиваются в чередующейся последовательности, но если материал нагрет выше определенной температуры, которая по-прежнему называется температурой Кюри, направления спинов внезапно становятся случайными. Этот резкий внутренний переход можно наблюдать на кривой удельной теплоемкости.

Он проявляется еще в некоторых особых «магнитных» эффектах. Например, существование чередующихся спинов можно проверить по рассеянию нейтронов на кристалле хрома. Нейтрон сам по себе имеет спин (и магнитный момент), поэтому амплитуда его рассеяния различна в зависимости от того, параллелен ли его спин спину рассеивателя или противоположен. В результате нейтронная интерференцнонная картина для чередующихся спиноз отлична от картины при случайном их распределении.

1)1~ Ф и в. бг.18. Относительная ориснтазия авситронних сионов в рохли«них матсриавах: а — Ферроматмтик; б — антибкрромасистит в — «ир рот, (. )оь ® Му'е ° ш Ф и е. 37.ла. Кристалликескал структура минерала еикикель (мзоиеоо). пони иге+ еаниееают тетраедри. некие места, и каксднй ие ние окружен еетнрьме ионами кислорода; иоки Аво еаниманнк октаедрикскне листа, и катдий окрунеен шестью ионами кислорода. Существует еще один сорт веществ, у которых квантовомеханический эффект 'приводит к чередующимся спинам электронов, но которые тем не менее являются ебгрромагнетиками, т.

е. их кристаллы имеют постоянную результирующую намагниченность. Идея, лежащая в основе объяснения свойств таких материалов, иллюстрируется схемой на фиг. 37.14. На схеме показана кристаллическая структура минерата, известного под названием шпинели (МяОА!аОе), который, как это показано, не является магнетиком.

Этот минерал содержит два сорта металлических атомов — магний н алюминий. Если теперь заменить магний и алюминий магнитными элементами типа железа, т. е. вместо немагнитных атомов вставить магниепнмг, то получится преинтереснейший эффект. Давайте назовем один сорт атомов металла а, а другой сорт — Ь; необходимо рассмотреть разные комбинации сил! Существует взаимодействие а — Ь, которое старается направить спины атома а и атома Ь противоположно, нбо квантовая механика всегда требует, чтобы спины были противоположны (за исключением таинственных кристаллов железа, никеля и кобальта).

Затем существует взаимодействие а — а, которое старается направить противоположно спины атомов а; кроме того, есть еще взаимодействие Ь вЂ” Ь, которое старается направить противоположно спины атомов Ь. Конечно, сделать все противоположным всему (а противоположно Ь и а противоположно а и Ъ противоположно Ь) невозможно. По-видимому, благодаря удаленности атомов а ипрнсутствию атомов кислорода (с достоверностью мы не знаем, почему) оказывается, что взаимодействие а — Ь сильнее взаимодействий а — а н Ь вЂ” Ь. Словом, природа в этом случае воспользовалась решением, в котором спины всех атомов Ь параллельны друг другу, а все атомы а тоже параллельны друг другу, но между собой эти две системы спиноз протигдпдлолены.

Такой распорядок благодаря более сильному взаимодействию а — Ь соответствует наиниашей энергии. В результате спины всех атомов а направлены вверх, а спины всех атомов 6 — вниз (может быть, конечно, и наоборот). Но если магнитные моменты атомов а и атомов Ь нг равны друг другу, то создается картина, показанная на фиг. 37.13, г: материал может оказаться спонтанно намагниченным.

Характеристики

Список файлов книги