Магнитострикция

Оглавление Введение Обменная магнитострикция Спонтанная магнитострикция и инвар-эффект Магнитострикция (магнитодипольная и одноионная) Гигантская анизотропная магнитострикция
Список литературы Введение Магнитострикция (от лат. натяжение, сжатие) — изменение формы и размеров тела при его намагни­чивании. Это явление свойственно как сильно маг­нитным (ферромагнитным), так и парамагнитным и диамагнитным веществам. Магнитострикция — результат проявления взаимодействий в магнитных телах. Изучение магнитострикции помогает выяс­нить природу указанных взаимодействий. Магни­тострикция неизменно привлекает внимание не только физиков, но также и инженеров с точки зре­ния конструирования новых приборов и техничес­ких устройств. Магнитострикция оценивается безразмерной величиной — относительным изменением размеров магнетика λ = dl/l, где dl — удлинение (или укорочение) при включении магнитного поля Н, а l — длина образца. В экспериментах обычно измеряется λ11 — продольная магнитострикция, когда напряжен­ность поля Н совпадает с направлением измерения, λ1 — поперечная магнитострикция, когда указанные направления взаимно перпендикулярны. Величи­ны λ11 и λ1 малы (даже для ферромагнетиков), и для их измерения применяются специальные методы и установки. Различают два вида магнитострикции: изотроп­ную (обменную) и анизотропную (магнитодиполь-ную и одноионную). Ниже в упрощенной и качест­венной форме объясняются механизмы их возникновения. Обменная магнитострикция Этот вид магнитострикции возникает в резуль­тате изменения обменного взаимодействия между магнитными моментами атомов Мат в кристалличе­ской решетке. Магнетизм атома обусловлен электронами (ядро атома дает очень малый вклад в магнетизм атома, и им обычно пренебрегают). Электроны атома участвуют в со­здании Мат двояко. Во-первых, каждый электрон, вращаясь вокруг ядра, образует микроскопичес­кий замкнутый ток, величина его равна произведе­нию микроскопического тока на площадь орбиты электрона. Этот магнитный момент называется орбитальным Морб и изображается в виде вектора, направленного перпендикулярно площади орбиты. Во-вторых, каждый электрон обладает своеобраз­ным "собственным" магнитным моментом (соглас­но выводам квантовой механики). Его называют спиновым Мсп (от англ. spin — вращение). Векторное сложение Морб и Мсп дает Мат. Следует отметить, что внутри атома Морб и Мсп связаны магнитными сила­ми (спин-орбитальным взаимодействием). В кристаллах ферромагнетиков, как было пока­зано в 30-е годы русским теоретиком Я.И. Френке­лем и немецким теоретиком В. Гейзенбергом, между электронами соседних магнитных атомов возникает особый вид взаимодействия, который они назвали обменным. Это электростатическое взаимодейст­вие, однако оно не простое (кулоновское), а кванто­вое. В механизме обменного взаимодействия элек­тронов важная роль отводится направлению спинов соседних атомов. Обменным его назвали потому, что в процессе данного взаимодействия электроны соседних магнитных атомов как бы обмениваются своими местами. Результатом обменного взаимо­действия электронов является то, что моменты Мсп электронов устанавливаются параллельно друг дру­гу, возникает спонтанная или самопроизвольная намагниченность (то есть без участия внешнего по­ля Н). Поскольку Мсп и Морб взаимосвязаны, то можно говорить, что спонтанная намагниченность Is создается упорядочиванием магнитных моментов Мат (намагниченность Is — это число однонаправ­ленных Мат в 1 см3 ферромагнетика). Спонтанная намагниченность обращается в нуль при температуре ТC, называемой точкой Кюри (по имени французского физика, открывшего ее). Величину обменного взаимодействия можно оце­нить по величине ТC. При этой температуре тепловое движение разрушает упорядоченное расположение моментов Мат, созданное обменным взаимодействи­ем. Отсюда следует, что чем больше обменное взаи­модействие в ферромагнетике, тем выше должна быть температура ТC для разрушения магнитного порядка. Возникновение обменной магнитострикции можно наглядно пояснить следующим образом. Представим себе, что имеется цепочка магнитных атомов при температурах, близких к ТC. В области ТC большинство моментов Мат находятся в разупо-рядоченном состоянии, так как действие теплового движения на атомы больше, чем обменное взаимо­действие. Пусть r0 — равновесное расстояние между атомами, соответствующее этому состоянию фер­ромагнетика (рис. 1, а). Включим теперь поле Н. Моменты Мат повернутся по полю (рис. 1, б), но это приведет к изменению обменной энергии (по­скольку, согласно теории, данная энергия зависит от направления спинов взаимодействующих элек­тронов, принадлежащих соседним атомам). Состоянию ферромагнетика на рис. 1, б будет соответство­вать другое равновесное расстояние между атомами: r0 + dr, где dr есть не что иное, как обменная магни-тострикция. В ферромагнетиках, обладающих ку­бической симметрией, величина dr не зависит от направления в кристалле, следовательно, обменная магнитострикция будет изотропной. Это означает, что в кубическом кристалле величина dr будет од­ной и той же во всех направлениях последнего. Эта магнитострикция будет проявляться в изменении объема кристалла dV/V, при этом в большинстве ферромагнетиков она положительна, то есть при включении внешнего поля Н объем образца увели­чивается. Подобного рода магнитострик­ция сопутствует процессу намагничивания ферро­магнетика, при котором под влиянием Н происходит ориентация моментов Мат. Процесс напоминает на­магничивание парамагнетиков, поэтому он получил название парапроцесса. Парапроцесс особенно ин­тенсивен в области точки Кюри, и обменная магни­тострикция здесь достигает наибольшей величины. В ферромагнетиках, обладающих гексагональной структурой, например в редкозе­мельном металле гадолинии Gd, парапроцесс и об­менная магнитострикция обладают анизотропией. Спонтанная магнитострикция и инвар-эффект Магнитострикция, обусловленная изменением обменного взаимодействия, проявляется не только при приложении магнитного поля Н, но также при изменении температуры ферромагнетика (при от­сутствии Н). Это тепловая магнитострикция (ино­гда называемая термострикцией) особенно велика в области точки Кюри. В самом деле, из вида темпе­ратурной зависимости спонтанной намагниченнос­ти Is, представленной на рис. 2, а, следует, что число разупорядоченных моментов Мат особенно бурно возрастает при приближении к ТC. Это приводит к некоторому изменению обменной энергии, что, в свою очередь, вызывает обменную магнитострикцию (dV/V)T, однако в противоположность действию парапроцесса отрицательную (так как она сопутст­вует разупорядочиванию моментов Мат). У некоторых ферромагнетиков эффект спонтан­ной магнитострикции оказывает существенное влияние на тепловое расширение, так как приводит к частичной компенсации последнего. На рис. 2, б штриховой линией схематически показан темпера­турный ход коэффициента теплового расширения α = 1/l(dl/dТ) ферромагнитного сплава 36%Ni + + 64%Fe при отсутствии компенсирующего дейст­вия обменной магнитострикции, сплошная кривая — зависимость α(T), экспериментально наблюдаемая. Видно, что в определенном интервале температур а может приобретать очень низкие значения.
Указанный выше сплав носит название инвара (не изменяющего свои размеры при нагреве) и дав­но применяется в часовой и приборостроительной промышленности. В настоящее время существует большое число сплавов типа инвар; природа их ма­лого коэффициента теплового расширения магнит­ная. Явление компенсации коэффициента теплово­го расширения спонтанной магнитострикцией получило название инвар-эффекта. В гадолинии инвар-эффект анизотропен, то есть различен по разным осям гексагонального кристалла.
Магнитострикция (магнитодипольная и одноионная) Кроме рассмотренной выше обменной магнито­стрикции в ферромагнетиках при приложении поля Н возникает анизотропная магнитострикция. Она сопутствует процессам намагничивания в полях бо­лее слабых, чем те, в которых проявляется парапро-цесс. Анизотропия ее состоит в том, что X по раз­личным осям кристалла имеют разные величины и знаки. Характерная черта анизотропной магнитост­рикции состоит в том, что при ней меняется форма образца (при ничтожно малом изменении объема). В теории рассматриваются два механизма анизо­тропной магнитострикции: 1) магнитодипольный и 2) одноионный. В первом из них рассчитывается магнитное взаимодействие магнитных моментов Мат, расположенных в узлах кристаллической ре­шетки, при этом магнитные моменты Мат уподоб­ляются магнитным диполям (то есть маленьким магнитикам с северным и южным полюсами). Магнитодипольное взаимодействие в кристал­лах кубической симметрии вдоль ребра и диагона­лей куба будет различным, следовательно, равно­весные расстояния между магнитными атомами в этих направлениях будут также различными, то есть магнитострикции будут разными по величине в этих направлениях. Однако данный механизм дает малый вклад в анизотропию магнитострикции фер­ромагнетиков. Как показали исследования, главным для анизо­тропной магнитострикции является одноионный механизм. Определяющую роль в нем играет нали­чие у магнитного атома или иона (то есть заряжен­ного атома) орбитального магнитного момента Морб. Согласно теории, в этом случае электронное орбитальное облако приобретает несферическую (анизотропную) конфигурацию (на рис. 3, а оно ус­ловно изображено в виде эллипсоида). Наглядно механизм возникновения анизотропной магнито­стрикции можно представить следующим образом. Пусть анизотропный магнитный ион находится в кристаллической решетке в окружении других ио­нов, создающих электростатическое поле (оно обычно называется кристаллическим). На рис. 3 условно показаны голубыми линиями кристалличе­ские поля, создаваемые окружающими ионами, от­ражающими локальную симметрию кристалла. При приложении поля Н магнитный момент иона Мат = Мсп + Морб ориентируется в направлении Н и од­новременно с ним поворачивается анизотропное электронное облако иона, которое возмущает элек­тростатическое поле окружающих ионов. В резуль­тате кристаллическая решетка испытывает анизот­ропные деформации в соответствии с симметрией кристалла. Эти деформации есть не что иное, как анизотропная магнитострикция. Подобного вида анизотропная магнитострик­ция очень велика в редкоземельных металлах (не всех), так как их ионы обладают большими величи­нами орбитальных моментов Морб (см. далее об этом подробнее). Редкоземельный металл гадоли­ний не имеет орбитального момента (Морб = 0) и его атомный момент Мат содержит только спиновую со­ставляющую (Мат = Мсп). Вследствие этого элек­тронное облако его иона имеет сферическую форму. Как следует из рис. 3,б, при приложении поля Н по -ворот электронного облака не приводит к возмуще­нию кристаллического поля окружающих ионов, следовательно, здесь не работает механизм одно-ионной магнитострикции. В Gd и его соединениях наблюдаемая анизотропная магнитострикция, по-видимому, обязана магнитодипольному механизму. Ситуация с анизотропной магнитострикцией в металлах Fe, Ni, их сплавах и ферритах близка к слу­чаю Gd. Намагничивание в них происходит в ос­новном за счет спиновых моментов и в небольшой степени за счет орбитальных моментов. В этих маг­нетиках кристаллическое поле так сильно воздейст­вует на Морб, что они как бы закрепляются в решет­ке и теряют способность вращаться в направлении магнитного поля. Это явление принято называть за­мораживанием орбитального момента. Однако в некоторых из этих соединений замораживание Морб происходит не полностью. Поэтому в данных веще­ствах (например, ферритах) возникает анизотроп­ная магнитострикция одноионной природы, но много меньшая по величине, чем в редкоземельных магнетиках. Гигантская анизотропная магнитострикция В 1961—1965 годах было установлено, что анизотропная магнитострикция редкоземельных металлов тербия Tb, диспрозия Dy, их сплавов и ферритов-гранатов при низких температурах пре­вышает анизотропную магнитострикцию железа, кобальта, никеля и их сплавов в десятки, сотни и да­же тысячи раз (в монокристаллах). Несколько позд такая гигантская магнитострикция[1] была обна­ружена в так называемых интерметаллических соединениях TbFe2 и DyFe2. В них эта магнито­стрикция реализуется не только при низких темпе­ратурах, но и выше комнатных температур. В табл. 1 приведены результаты измерения про­дольной магнитострикции насыщения (λs)11 (то есть в полях H = Hs) при температуре жидкого азота 78 К в поликристаллах Tb и Dy (для сравнения даны со­ответствующие значения (λs)11 для поликристаллов Fe, Co и Ni).
Огромных величин достигает λs в гексагональных кристаллах Tb и Dy (табл. 2). При этом она особенно велика вдоль гексагональной оси c и несколько меньше вдоль a. (На рис. 4, а показаны направления этих осей.) Видно, что эти значения в сотни раз больше, чем в кристалле Ni. (На рис. 4, б показаны направления осей кубического кристалла Ni симво­лами [111], [100] и [110].)
На рис. 5 представлены кривые магнитострик­ции λ(Н) гексагонального монокристалла Tb вдоль его оси c и в базисной плоскости при разных темпе­ратурах. В поле, приложенном в базисной плоскости, магнитострикция сравнительно быстро стремится к насыщению (рис. 5, а), тогда как в направлении гек­сагональной оси c тенденция к насыщению не обна­руживается даже в очень сильном поле (Н= 150 кЭ). Анализ приведенных результатов измерений по­казал, что за гигантскую магнитострикцию в Tb и Dy ответственны два механизма: одноионная маг-нитострикция и обменная магнитострикция (воз­никающая вдоль оси c, так как в этом направлении обменное взаимодействие сильно зависит от межа­томного расстояния).
Было обнаружено, что ряд ферритов-гранатов R3Fe5O12 (R = Tb, Dy, Ho) в обла­сти гелиевых и азотных температур обладает гигант­ской магнитострикцией (порядка 10-3). В табл. 3 приведены результаты измерений ее в кристаллах этих веществ. Видно, что она носит так­же анизотропный характер в направлениях [100] и [111] и возникает, как и в металлах Tb и Dy, за счет механизма одноионной анизотропии. Дело в том, что в ионах Tb, Dy (и других редкоземельных ионах) ответственная за магнетизм 4f-электронная оболоч­ка находится в "глубине" иона; выше располагают­ся другие оболочки, которые экранируют ее от дей­ствия внутрикристаллического поля, в результате чего орбитальный момент Морб не замораживается этим полем. Более подробные сведения о гигант­ской анизотропной магнитострикции в редкозе­мельных магнетиках приведены в монографии.

Необычайно высокая анизотропная магнитострикция наблюдалась в ак­тинидных магнетиках (урановых, нептуниевых и др.). Так, в соединениях US при Т= 4,2 К величина λ[Ш] = 7000 • 10-6, а в NpFe2 λ[П1] = -8000 • 10-б. В этих соединениях, так же как и в редкоземельных магнетиках, ответственны за возникновение ги­гантской анизотропной магнитострикции орби­тальные магнитные моменты 5f-оболочек. Список литературы 1.Белов К.П., Левитин Р.З., Никитин С.А. // Физика металлов и металловедение. 1961. Т. 11. С. 948. 2.Белов К.П., Соколов В.И. //Журн. эксперим. и теорет. физики. 1965. Т. 48. С. 979. 3.Белов К.П. Магнитострикционные явления и их тех­нические приложения. М.: Наука, 1987. 4.Cоросовский образовательный журнал , Физика, №3, 1998. [1] Гигантская магнитострикция в редкоземельных магне­тиках (и в некоторых соединениях урана) была открыта в 1961 году в Московском университете при участии буду­щих Соросовских профессоров Р.З. Левитина, С.А. Ни­китина и автора настоящей статьи (диплом на открытие № 225 по Госреестру СССР, 1980).