книги / Справочное пособие по магнитным явлениям

Рис. 5.5. Магнитный полупроводник. Удельное сопротивление магнитного по­

лупроводника	принимает		минимальное
значение вблизи		его	точки Кюри:
/ — уменьшение	заселенности			носителей;
2 — увеличение	сил	теплового		рассеяния

Ферритом называется непроводящее ферримагнитное вещество, имеющее достаточно большой суммарный магнитный момент, в котором за счет соответствующих обменных сил обра­ зуются домены аналогично тому, как они формируются в фер­ ромагнитных веществах.

В случае магнитного полупроводника, изготовленного из легированного феррита, внешние условия, влияющие на носи­ тель электрического заряда, могут различаться, находясь в диа­ пазоне от состояния относительной упорядоченности ниже точки Кюри до более хаотичных состояний выше этой точки. Вслед­ ствие того что тепловая активность способствует случайному рассеянию частиц-носителей, на упорядоченные движения этих частиц налагаются ограничения и при увеличении беспорядка удельное сопротивление вещества также увеличивается. Таким образом, состояние относительной упорядоченности изменяется от «спокойного» ферримагнетизма до «яростного» парамаг­ нетизма.

Магнитный полупроводниковый эффект объединяет в себе явления увеличения популяции частиц-носителей при повышении температуры и перехода от упорядоченных к случайным ориента­ циям магнетонов в точке Кюри, в результате чего кривая зависимо­ сти удельного сопротивления от температуры приобретает мини­ мум вблизи точки Кюри (рис. 5.5).

6. МЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

На любую систему действуют ограничивающие силы, стре­ мящиеся минимизировать содержание энергии в системе. К этим ограничивающим силам относятся и кулоновские силы магнитных систем. Если движение двух тел с магнитными за­ рядами навстречу одно другому приводит к уменьшению общей энергии системы, то существует сила притяжения между этими телами, и, наоборот, если такое движение увеличивает общую энергию системы, то эти тела взаимно отталкиваются.

Напряжнность магнитного поля — это одно из проявлений энергии системы. Если движение тела в магнитном поле ка­ ким-либо образом влияет на напряженность поля, то приложен­ ная к телу сила, стремящаяся переместить его в определенном направлении, будет минимизировать напряженность данного поля.

6.1. СИЛА АМПЕРА

Соглсно закону Био — Савара электрический ток, текущий в проводе, создает вокруг этого провода магнитное поле. На­ правление поля определяется правилом правой руки.

Ампер обнаружил, что два провода, по которым текут токи в противоположных направлениях, отталкиваются один от друго­ го, тогда как два провода с токами одного и того же направ­ ления взаимно притягиваются. В первом случае поля Био — Савара в области между двумя проводами ориентированы в одинаковых направлениях, так что они взаимно усиливаются, и напряженность суммарного поля увеличивается. Поскольку усиление поля требует увеличения поддерживающей его энергии, провода отталкиваются один от другого. Во втором случае, поскольку поля между двумя проводами направлены проти­ воположно, суммарное поле ослабляется, и требуемая для его поддержания энергия уменьшается; следовательно, провода должны притягиваться один к другому.

Проволочный контур, по которому течет электрический ток, принимает круглую форму, если этому не препятствуют нало­ женные на него механические связи. Это объясняется тем, что элементы тока на противоположных сторонах контура ориентиро­ ваны в противоположных направлениях и взаимно отталкиваются. И наоборот, элементы тока в смежных витках соленоида имеют одно и то же направление и поэтому притягиваются один к дру­ гому. В результате витки соленоида испытывают действие сил Ампера двух типов: радиальных сил, стремящихся растянуть каждый виток до максимально возможных размеров, и осевых сил, стремящихся сжать витки вдоль оси соленоида.

6.2. ПИНЧ-ЭФФЕКТ

Пинч-эффект — это явление, связанное с реакцией жидких проводников на силы сжатия, которые порождаются параллельны­ ми потоками частиц-носителей, входящих в состав жидкости.

Согласно положениям теории сил Ампера между отдельными частицами-носителями, движущимися однонаправленными, па­ раллельными потоками в одном проводнике, возникают силы взаимного притяжения. Эти же самые частицы-носители ис­ пытывают силы взаимного отталкивания, обусловленные их оди­ наковыми электрическими зарядами. При разных условиях пре­

обладающую роль могут играть силы одного или другого из двух указанных типов.

Взаимное притяжение между частицами-носителями создает в проводнике сжимающие силы, направленные радиально, Проводники из твердого вещества легко выдерживают такие радиальные, или поперечные, силы, тогда как жидкости и газы при этом не могут сохранить свою форму. В результате сжи­ мающая сила Ампера в жидком или газообразном проводнике может сжать такой проводник до нулевого радиуса, при этом говорят, что проводник «пережимается».

Можно сконструировать колебательные системы, основанные на пинч-эффекте. В них течение тока через жидкий проводник вызывает механическое пережатие. Последнее приводит к раз­ рыву проводника, тем самым нарушая его электрическую непре­ рывность и прекращая течение тока. Как только ток прекращает­ ся, исчезают силы, обусловливающие пинч-эффект, и жидкий проводник восстанавливает свою непрерывность. Этот процесс повторяется с регулярным прерыванием и восстановлением элек­ трического контакта.

6.3. МАГНИТНАЯ ЖЕСТКОСТЬ

Проводящая жидкость при своем движении стремится пере­ мещаться в направлении силовых линий магнитного поля. Согласно закону Лоренца частица-носитель испытывает дейст­ вие силы, если она движется поперек силовых линий поля, если же ее движение направлено вдоль силовых линий, то такая сила отсутствует.

Когда проводящая жидкость течет через магнитное поле, причем у частиц-носителей имеется определенная тенденция отклоняться от направления силовых линий поля и двигаться в поперечном направлении, силы Лоренца стремятся восстано­ вить направление движения частиц-носителей, чтобы течение

происходило в направлении	поля.
Магнитная жесткость	проявляется в виде сил про­
дольного растяжения и	поперечного сжатия, приложенных

к движущейся проводящей жидкости под влиянием внешнего магнитного поля и противодействующих любому поперечному смещению частиц жидкости по отношению к направлению маг­ нитного поля.

6.4. ИЗМЕНЕНИЕ РАЗМЕРОВ

Вещества, подверженные поляризации любого типа, несколь­ ко изменяют свои размеры. Эти изменения являются результатом действия сил взаимного притяжения или отталкивания, возни­ кающих между отдельными диполями, электрическими или маг­ нитными, при различных структурах их распределения. На

Рис. 6.1. Парамагнитная деформация. При помещении в магнитное поле тела

из парамагнитного вещества его размеры несколько изменяются:

| — магнетон

рис. 3.5 иллюстрируются две структуры распределения магнето­ нов, при которых в присутствии внешнего упорядочивающего поля могут наблюдаться изменения размеров, противоположные по характеру.

У ферромагнитных веществ наблюдается явление магнитострикции (см. гл. 16), заключающееся во взаимной зависимости между напряженностью магнитного поля и механической дефор­ мацией. У неферритных веществ внешнее магнитное поле может вызвать деформации, но упомянутая зависимость отсутствует. На рис. 6.1 иллюстрируется возникновение деформации пара­ магнитного материала под влиянием магнитного поля. Здесь внешнее магнитное поле заставляет магнетоны образовать упо­ рядоченную по ориентациям структуру, порождающую деформа­ цию. Однако деформация не может сама по себе упорядочить случайно распределенные ориентации магнетонов и создать какую-либо регулярную структуру, которая породила бы маг­ нитное поле.

Любая сила, изменяющая размеры тела,— тепловая, меха­ ническая, магнитная или электрическая — должна привести так­ же к изменению удельной электрической проводимости и удель­ ной теплопроводности вещества, из которого состоит тело. Неко­ торые связанные с этим явления более подробно обсуждены в следующих параграфах.

6 .5. ОТВЕРДЕВАНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ферромагнитные материалы становятся более жесткими в присутствии магнитного поля. Если такое поле оказывает влияние на атомную структуру вещества, то это приводит к из­

менению характеристик вещества, зависящих от его атомной структуры, в частности изменяются механические свойства ве­ щества и происходит целый ряд различных явлений электропре­ образования (некоторые из них описаны в гл. 16). В зависимости от того, насколько подвержена этому влиянию структурная жесткость материала, может изменяться его коэффициент упругости.

6.6. ПОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СИЛ

Магаетоны со спином обладают как магнитным, так и меха­ ническим моментом. Одновременное присутствие этих моментов в одном и том же теле создает благоприятные условия для взаимодействия между моментами каждого из этих двух типов и различными внешними вынуждающими полями.

Эффект Эйнштейна — де Гааза заключается в том, что пара­ магнитное тело стремится совершить вращательное движение, если его внезапно намагнитить. Магнитное поле вынуждает вращающиеся системы электронов упорядочивать свои ориента­ ции, и при этом все они должны прецессировать в одном и том же направлении, пока не достигаут новых устойчивых ориентаций. Переходное крутящее усилие, приложенное к телу, является результатом суммарного действия прецессий всех магнетонов.

Эффекты Эйнштейна— де Гааза, Барнетта и Максвелла представляют собой частные разновидности гиромагнитных

Рис. 6.2. Эффект Барнетта. Тело из парамагнитного вещества, вращающееся относительно своей оси, намагничивается в направлении этой оси:

| — магнетон

явлений. Тело из магнитоэлектрического материала, показан­ ное на рис. 3.14, будет стремиться совершить вращательное движение под влиянием электрического поля; механизмы, вы­ зывающие это явление, аналогичны механизмам эффекта Эйн­ штейна — де Гааза.

6.7. ЭФФЕКТ БАРНЕТТА

Явление, обратное по отношению к эффекту Эйнштейна — де Гааза, состоит в том, что парамагнитный цилиндр намагни­ чивается, если его вращать с большой скоростью. Значение намагниченности пропорционально скорости вращения.

Этот эффект Барнетта обусловлен упорядочением ориен­ таций магнетонов под влиянием центробежных сил во вращаю­ щемся цилиндре (рис. 6.2). По аналогии с эффектом Барнетта цилиндр из магнитоэлектрического материала при быстром вра­ щении становится электрически поляризованным.

6.8. ЭФФЕКТ МАКСВЕЛЛА

При определенных условиях у некоторых веществ можно наблюдать суммарный гироскопический эффект, порождаемый всеми вращающимися магнетонами. Например, рассмотрим диск, изготовленный из материала, магнетоны которого направлены вдоль оси диска. Если сообщить такому диску крутильное уско­ рение, то магнетоны начнут прецессировать, и в результате этой прецессии возникнет сила, стремящаяся отклонить диск от плоскости его вращения. Появление такой «опрокидывающей» силы будем называть эффектом Максвелла.

6.9. ПАРАМАГНИТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ
Если резервуар, наполненный немагнитным	газом, погрузить
в парамагнитный газ в присутствии внешнего	магнитного поля

с градиентом, то резервуар будет испытывать действие силы, которую назовем парамагнитным натяжением.

Магнетоны парамагнитного газа под влиянием внешнего поля упорядочивают свое направление, ориентируясь параллельно силовым линиям. Ориентация одних магнетонов совпадает с направлением поля, другие ориентируются в противоположном направлении, как это обычно бывает при парамагнитных явле­ ниях. Если магнитное поле неравномерно, то силовые линии могут иметь изменяющуюся в пространстве кривизну и густоту, а также разные длины. Каждую такую силовую линию можно представить как натянутую упругую нить, отталкивающую дру­ гие аналогичные нити. Натяжение коротких нитей всегда больше, чем натяжение более длинных. В парамагнитных газах эти на­ тяжения пропорциональны интенсивности магнитного поля и

Рис. 6.3. Парамагнитное натя­ жение. Полая сфера, помещен­ ная в намагниченный парамаг­ нитный газ, испытывает действие силы, которая стремится переме­ стить ее в направлении умень­ шения напряженности магнитно­ го поля:

| — магнетон

числу присутствующих магнетонов. Поскольку число магнетонов пропорционально давлению газа, натяжения рассматриваемых нитей также пропорциональны давлению.

На рис. 6.3 показано неравномерное поле, симметричное от­ носительно центральной линии. Если сфера, не содержащая па­ рамагнитных веществ, помещена в центре этого неравномерного поля, то она нарушает симметричную структуру упорядоченных ориентаций магнетонов вдоль силовых линий по обеим сторонам от центра системы. Присутствие сферы устраняет магнетоны, находящиеся на силовых линиях, которые проходят через сферу. Силовые линии без магнетонов слабее, чем силовые линии такой же-длины, на которых имеются магнетоны.

Если рассматриваемая сфера несколько смещена относитель­ но центральной линии, то она охватывается сравнительно корот­ кими и сильными силовыми линиями с одной стороны и более длинными, но слабыми силовыми линиями с другой. Такая асимметричная, разрывная структура поля создает силу, застав­ ляющую сферу смещаться еще дальше от центральной линии, поскольку удаление сферы от центра приводит к восстановлению более сильных силовых линий у задней (по отношению к направ­ лению движения) части сферы, хотя она и разрывает более слабые силовые линии своей переднёй частью. На сферу про­ должает действовать сила, стремящаяся переместить ее в ту область пространства, где плотность силовых линий магнитного поля минимальна.

6.10. ВЕСЫ ХЕЙВЕНСА

Как показано на рис. 6.4, из двух полых сфер можно скон­ струировать прибор типа пружинных весов. В этой системе пара­ магнитное натяжение стремится повернуть весы в одном направ­ лении, а пружины противодействуют их повороту. Крутящее

Рис. 6.4. Весы Хейвенса. Поскольку к полой сфере, находящейся в намагничен­ ном парамагнитном газе, приложена сила, зависящая от концентрации газа, эту силу можно уравновесить силой сопротивления пружины, которая будет указывать концентрацию газа

усилие пропорционально числу парамагнитных магнетонов в па­ рамагнитном газе.

Если парамагнитный газ смешан с немагнитным газом и имеет постоянное давление, то угол поворота описанных весов Хей­ венса, соответствующим образом прокалиброванный, будет указывать процентное содержание парамагнитного газа в смеси.

6.11.ПАРАМАГНИТНАЯ ЛЕВИТАЦИЯ

Принцип, иллюстрируемый на рис. 6.3, можно использовать для разделения частиц немагнитных веществ, имеющих разные

Сила I Парамагнит ное тяжести 1 нат яжение

Рис. 6.5. Парамагнитная левитация. Частицы материала, погруженные в на­ магниченную парамагнитную жидкость, можно разделить в соответствии с их

относительными плотностями за счет уравновешивания парамагнитного натяже­ ния и силы тяжести:

| — магнетон в парамагнитной жидкости

плотности. В системе, показанной на рис. 6.5, частицы с разными плотностями находятся в парамагнитной жидкости, причем пара­ магнитное натяжение действует в направлении, противополож­ ном силе тяжести. Вследствие того что более легкие частицы в большей степени подвержены действию сил парамагнитного натяжения, а более тяжелые частицы — действию силы тяжести, первые стремятся всплыть, а вторые, наоборот, опуститься на дно сосуда.

6.12. МАГНОТЕРМНЫЙ ЭФФЕКТ

Если на некоторый объем парамагнитного газа одновременно воздействуют градиенты магнитного поля и распределения температур, причем прложения максимумов магнитной напря­ женности и температуры в пространстве не совпадают, то возни­ кает механическая сила, приложенная к газу. Это явление, ил­ люстрируемое на рис. 6.6, назовем магнотермным эффектом. Система с таким эффектом функционирует подобно насосу.

Хотя газы в своем большинстве являются диамагнитными, некоторые из них, в частности кислород и оксиды азота, обла­ дают парамагнитными свойствами. Парамагнитный газ, как вообще все парамагнитные вещества, характеризуется некоге­ рентным направлением осей магнетонов, когда на них воздейст­ вуют только силы теплового происхождения. Если же поместить вещество во внешнее магнитное поле, то эти парамагнитные магнетоны приобретут определенную когерентность по направле­ нию. На рис. 3.3 иллюстрируется распределение ориентаций магнетонов в отсутствие магнитного поля, а на рис. 3.4 показано, как влияют на ориентации магнетонов одновременно действующие тепловые и магнитные силы. Соотношение между тепловым

Рис. 6.6. Магнотермный эффект. Пара­ магнитное натяжение стремится пере­ местить парамагнитный газ в на­ правлении увеличения напряженности магнитного поля. Если этот газ нагреть до температуры, при которой распреде­ ление ориентаций магнетонов становит­ ся случайным, то парамагнитное натя­ жение исчезнет. В показанной системе парамагнитное натяжение заставляет газ течь к нагретой области и дальше в этом направлении, т. е. действует как перекачивающая сила:

^ — магнетон в парамагнитном газе

и магнитным эффектами для парамагнитных веществ описывается характеристикой парамагнетизма Ланжевена на рис. 3.12.

Аналогично всем другим парамагнитным веществам пара­ магнитный газ, помещенный в магнитное поле с градиентом, испытывает воздействие силы, которая стремится двигать его

внаправлении возрастания напряженности поля. Приложенная

кгазу сила зависит от числа избыточных магнетонов, ориенти­ рованных в направлении поля. Эта сила увеличивается при увеличении напряженности поля и уменьшается при повышении температуры (см. рис. 3.12). Если парамагнитный газ удержива­ ется в сосуде при постоянной температуре, причем к нему прило­ жено магнитное поле с градиентом, то распределение давления газа становится неравномерным, а положение максимума давле­ ния совпадает в пространстве с точкой максимальной напряжен­ ности поля. Значение максимального давления уменьшается при повышении температуры.

Допустим, что на газ в сосуде действует одновременно не­ равномерное магнитное поле и температурный градиент, причем точка расположения температурного максимума несколько сме­ щена относительно точки расположения максимума магнитного поля. Давление в низкотемпературной области по одну сторону от максимума магнитного поля будет больше, чем в высокотемпе­ ратурной области по другую сторону от максимума. Эта разность давления вызывает соответствующий циркулирующий поток газа, для которого можно найти полезное применение.

Когда какой-либо газ проходит по двум одинаковым кана­ лам, снабженным одинаковыми нагревателями, поток газа в одной и той же степени охлаждает оба нагревателя. Если же газ является парамагнитным и один из двух каналов .подвержен совместному действию магнитного и температурного градиентов, как описано выше, то в намагниченном канале установится более интенсивное течение газа, чем в ненамагниченном. Вслед­ ствие различия скоростей потока в двух каналах степени охлаж­ дения нагревателей будут различаться. Если нагреватели обра­ зуют два плеча моста Уитстона, то дисбаланс моста будет указывать относительное количество парамагнитного компонента в струе газа.

6.13. ФЕРРОМАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ

Ферромагнитные жидкости — это жидкости, которые обладают магнитными свойствами и вязкость которых существенно зависит от внешнего магнитного поля. Допустим, что мельчайшие частицы ферромагнитного вещества смешаны с немагнитной жидкостью и образуют суспензию. Вязкость суспензии такого типа будет зависеть от напряженности приложенного магнитного поля. Как показано на рис. 6.7, эту суспензию можно поместить между