Магнитное поле: постоянные и переменные магниты. Намагничивание постоянных магнитов
Магнит
Подковообразный магнит из альнико - сплава алюминия, никеля и кобальта. Магниты изготовляются в виде подковы для того, чтобы приблизить полюса друг к другу с целью создать сильное магнитное поле, с помощью которого можно поднимать большие куски железа.
Рисунок линий силового поля магнита, полученный с помощью железной стружки
Простейшим и самым маленьким магнитом можно считать электрон . Магнитные свойства всех остальных магнитов обусловлены магнитными моментами электронов внутри них . С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном - фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля).
Вебер - магнитный поток, при убывании которого до нуля в сцепленном с ним контуре сопротивлением 1 ом проходит количество электричества 1 кулон .
Генри - международная единица индуктивности и взаимной индукции. Если проводник обладает индуктивностью в 1 Гн и ток в нём равномерно изменяется на 1 А в секунду, то на его концах индуктируется ЭДС в 1 вольт. 1 генри = 1,00052 · 10 9 абсолютных электромагнитных единиц индуктивности.
Тесла - единица измерения индукции магнитного поля в СИ, численно равная индукции такого однородного магнитного поля, в котором на 1 метр длины прямого проводника, перпендикулярного вектору магнитной индукции, с током силой 1 ампер действует сила 1 ньютон.
Использование магнитов
- Магнитные носители информации: VHS кассеты содержат катушки из магнитной ленты . Видео и звуковая информация кодируется на магнитном покрытии на ленте. Также в компьютерных дискетах и жёстких дисках запись данных происходит на тонком магнитном покрытии. Однако носители информации не являются магнитами в строгом смысле, так как они не притягивают предметы. Магниты в жёстких дисках используются в ходовом и позиционирующем электродвигателях.
- Кредитные , дебетовые , и ATM карты - все эти карточки имеют магнитную полосу на одной стороне. Эта полоса кодирует информацию, необходимую для соединения с финансовым учреждением и связи с их счетами.
- Обычные телевизоры и компьютерные мониторы : телевизоры и компьютерные мониторы, содержащие электронно-лучевую трубку используют электромагнит для управления пучком электронов и формирования изображения на экране. Плазменные панели и ЖК-дисплеи используют другие технологии.
- Громкоговорители и микрофоны : большинство громкоговорителей используют постоянный магнит и токовую катушку для преобразования электрической энергии (сигнала) в механическую энергию (движение, которое создает звук). Обмотка намотана на катушку , прикрепляется к диффузору и по ней протекает переменный ток, который взаимодействует с полем постоянного магнита.
- Другой пример использования магнитов в звукотехнике - в головке звукоснимателя электрофона и в кассетных диктофонах в качестве экономичной стирающей головки.
Магнитный сепаратор тяжёлых минералов
- Электродвигатели и генераторы : некоторые электрические двигатели (так же, как громкоговорители) основываются на комбинации электромагнита и постоянного магнита. Они преобразовывают электрическую энергию в механическую энергию. Генератор, наоборот, преобразует механическую энергию в электрическую энергию путем перемещения проводника через магнитное поле.
- Трансформаторы : устройства передачи электрической энергии между двумя обмотками провода, которые электрически изолированы, но связаны магнитно.
- Магниты используются в поляризованных реле . Такие устройства запоминают своё состояние на время выключения питания.
- Компасы : компас (или морской компас) является намагниченным указателем, который может свободно вращаться и ориентируется на направление магнитного поля, чаще всего магнитного поля Земли.
- Искусство : виниловые магнитные листы могут быть присоединены к живописи, фотографии и другим декоративным изделиям, что позволяет присоединять их к холодильникам и другим металлическим поверхностям.
Магниты часто используются в игрушках. M-TIC использует магнитные стержни, связанные с металлическими сферами
Магниты редкоземельных элементов яйцеобразной формы, которые притягиваются друг к другу
- Игрушки : Учитывая их способность противостоять силе тяжести на близком расстоянии, магниты часто используются в детских игрушках с забавными эффектами.
- Магниты могут использоваться для производства ювелирных изделий. Ожерелья и браслеты могут иметь магнитную застёжку, или могут быть изготовлены полностью из серии связанных магнитов и чёрных бусин.
- Магниты могут поднимать магнитные предметы (железные гвозди, скобы, кнопки, скрепки), которые либо являются слишком мелкими, либо их трудно достать или они слишком тонкие чтобы держать их пальцами. Некоторые отвертки специально намагничиваются для этой цели.
- Магниты могут использоваться при обработке металлолома для отделения магнитных металлов (железа, стали и никеля) от немагнитных (алюминия, цветных сплавов и т. д.). Та же идея может быть использована в рамках так называемого «Магнитного испытания», в которой кузов автомобиля обследуется с магнитом для выявления областей, отремонтированных с использованием стекловолокна или пластиковой шпатлевки.
- Маглев : поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, трение исключается, и единственной тормозящей силой является лишь сила аэродинамического сопротивления.
- Магниты используются в фиксаторах мебельных дверей.
- Если магниты поместить в губки, то эти губки можно использовать для мытья тонких листовых немагнитных материалов сразу с обеих сторон, причём одна сторона может быть труднодоступной. Это могут быть, например, стёкла аквариума или балкона.
- Магниты используются для передачи вращающего момента «сквозь» стенку, которой может являться, например, герметичный контейнер электродвигателя. Так была устроена игрушка ГДР «Подводная лодка». Таким же образом в бытовых счётчиках расхода воды передаётся вращение от лопаток датчика на счётный узел.
- Магниты совместно с герконом применяются в специальных датчиках положения. Например, в датчиках дверей холодильников и охранных сигнализаций.
- Магниты совместно с датчиком Холла используют для определения углового положения или угловой скорости вала.
- Магниты используются в искровых разрядниках для ускорения гашения дуги.
- Магниты используются при неразрушающем контроле магнитопорошковым методом (МПК)
- Магниты используются для отклонения пучков радиоактивных и ионизирующих излучений, например при наблюдении в камерах .
- Магниты используются в показывающих приборах с отклоняющейся стрелкой, например, амперметр. Такие приборы весьма чувствительны и линейны.
- Магниты применяются в СВЧ вентилях и циркуляторах.
- Магниты применяются в составе отклоняющей системы электронно-лучевых трубок для подстройки траектории электронного пучка.
- До открытия закона сохранения энергии, было много попыток использовать магниты для построения «вечного двигателя» . Людей привлекала, казалось бы, неисчерпаемая энергия магнитного поля постоянного магнита, которые были известны очень давно. Но рабочий макет так и не был построен.
- Магниты применяются в конструкциях бесконтактных тормозов состоящих из двух пластин, одна - магнит, а другая из алюминия. Одна из них жёстко закреплена на раме, другая вращается с валом. Торможение регулируется зазором между ними.
Игрушки из магнитов
- Uberorbs
- Магнитный конструктор
- Магнитная доска для рисования
- Магнитные буквы и цифры
- Магнитные шашки и шахматы
Медицина и вопросы безопасности
Из-за того, что человеческие ткани имеют очень низкий уровень восприимчивости к статическому магнитному полю , не существует научных доказательств его эффективности для использования в лечении любых заболеваний . По той же причине отсутствуют научные свидетельства опасности для здоровья человека, связанной с воздействием этого поля. Однако если ферромагнитное инородное тело находится в человеческих тканях, магнитное поле будет взаимодействовать с ним, что может представлять собой серьёзную опасность .
Намагничивание
Размагничивание
Иногда намагниченность материалов становится нежелательной и возникает необходимость в их размагничивании. Размагничивание материалов достигается различными способами:
- нагревание магнита выше температуры Кюри всегда ведёт к размагничиванию;
- поместить магнит в переменное магнитное поле, превышающее коэрцитивную силу материала, а затем постепенно уменьшать воздействие магнитного поля или вывести магнит из него.
Последний способ применяется в промышленности для размагничивания инструментов , жёстких дисков , стирания информации на магнитных карточках и так далее.
Частичное размагничивание материалов происходит в результате ударов, так как резкое механическое воздействие ведёт к разупорядочению доменов.
Примечания
Литература
- Савельев И. В. Курс общей физики. - М .: Наука , 1998. - Т. 3. - 336 с. - ISBN 9785020150003
См. также
Постоянные Магниты и Электромагниты
— особенности и действие.
Тема
Использование свойств магнитов очень широко. Их можно встретить во многих электротехнических, механических и прочих устройствах. Но многим ли известно, как магниты устроены и по какому принципу они работают? В данной статье мы постараемся разобраться с этим и выяснить, как и почему магниты обладают подобными свойствами.
Для начала следует учесть, что в основе действия любого магнита (постоянного или электромагнита) лежит одно и тот же явление. Оно заключается во взаимодействии магнитных полей, которые окружают сам магнит (тело, обладающее магнитными свойствами). А откуда берётся магнитное поле у магнита? Для ответа давайте вспомним физику. Магнитное поле — это особый вид материи, которая возникает вокруг движущихся заряженных частиц. Как Вы должны помнить, любое тело состоит из атомов и молекул (сложная структура из атомов). У любого атома есть ядро, вокруг которого вращаются электроны.
Электрон представляет собой отрицательную электрически заряженную частицу. Поскольку электрон всегда находится в движении, то и вокруг него всегда существует магнитное поле. Но почему тогда все тела не проявляют магнитных свойств? А потому что атомы, находясь в неодинаковом расположении, компенсируют (уравновешивают) магнитные поля друг друга. Но некоторые вещества (ферромагнетики), всё же, способны при воздействии на них интенсивного магнитного импульса развернуть свою внутреннюю структуру таким образом, что магнитные поля имеющихся в нём частиц поворачиваются в одну и туже сторону. Это способствует суммированию всех магнитных полей и появлению внешнего усиленного магнитного поля. Таким образом, появляется постоянный магнит. Но данное свойство у магнита не постоянно.
При определённых условиях имеющаяся однонаправленность частиц постоянного магнита может быть нарушена. К примеру, если постоянный магнит подвергнуть высокой температуре, сильным ударам, перемагничиванию переменным током то его магнитные поля частичек изменят свою структуру и опять тело вернётся в первостепенное состояние (вокруг него уже не будет магнитного поля).
У постоянного магнита имеются свои недостатки: относительно слабая сила магнитного поля, отсутствие возможности управлять, как самой силой магнитного поля, так и его состояниями проявления (когда нужно он магнитит, а когда не нужно, он не магнитит). Данных недостатков лишёны электромагниты. Давайте теперь перейдём к ним.
Электромагниты — это электротехнические устройства, которые при пропускании через них тока способны проявлять магнитные свойства. В основе устройства любого электромагнита лежит простая электрическая катушка, которая намотана на стальной сердечник. Как известно, при подаче на катушку напряжения в ней возникает электрический ток (появляется поток движущихся упорядоченно электронов). А как мы выяснили выше, любая движущаяся электрически заряженная частица способна вокруг себя иметь магнитное поле. Значит, при прохождении электрического тока по катушки вокруг неё возникает магнитное поле.
Для усиления магнитного поля катушки электромагнита у внутрь неё устанавливается стальной сердечник. При появлении магнитного поля в катушки оно способствует изменению внутренней структуры стали (поворачивая внутренние частицы в одном направлении, подобно процессу с постоянным магнитом при его намагничивании).
В итоге магнитные поля самой катушки суммируются с магнитными полями стального сердечника, что усиливает действие электромагнита примерно в тысячу раз. При отключении питания от электромагнита катушка перестаёт магнитить, в результате чего в стальном сердечнике (в силу своих свойств) структура частиц снова меняется на первоначальную, что ведёт к полному его размагничиванию. Силу магнитного поля электромагнита можно легко регулировать путём изменения силы тока, который протекает по катушки электромагнита.
Переменные магниты входят также в конструкцию и других гер-коновых электромагнитных устройств.
Время перемагничивания металлических переменных магнитов в виде пластин толщиной 0 2 - 0 4 мм равно 100 - 200 мкс, а для переменных магнитов, состоящих из пластин толщиной 0 1 мм, не превышает 50 - 80 мкс.
Для изготовления переменных магнитов первых ферридов были использованы кобальтовые и кобальтникельцинковые ферриты с ППГ, с коэрцитивной силой в пределах 2500 - 4000 А / м и временем перемагничивания порядка 10 -: - 20 мкс. Основными их недостатками оказались малая индукция насыщения, в несколько раз меньшая, чем у металлических ферромагнетиков, и существенное ухудшение свойств с повышением температуры. Поэтому ферритовые переменные магниты были вытеснены из герконовой техники металлическими. К последним можно отнести стали, содержащие наряду с небольшим количеством углерода примеси таких элементов как вольфрам, хром и другие. Для изготовления переменных магнитов эти материалы не получили практического применения, так как лучшие свойства для этой цели имеют железокобальтовые сплавы со значительным (до 50 %) содержанием кобальта.
В современных ферридах переменные магниты изготовляют не из ферритов, а из металлических ферромагнетиков, которые имеют в несколько раз большую индукцию насыщения и значительно меньшую зависимость параметров (Нс, Вт и Вы) от температуры.
Когда же эти импульсы намагничивают переменные магниты так, что магнитный поток (пунктирные стрелки) замыкается внутри образованного ими кольца и не проходит через герконы, последние размыкаются.
Условия термообработки сильно влияют на свойства переменных магнитов, и в частности, на величину коэрцитивной силы и прямоугольное петли гистерезиса. Однородные партии магнитов из этих сплавов возможно получить только при строгом соблюдении режима термообработки. Отжиг производится при температурах от 550 до 650 С (в зависимости от марки сплава) в массивных медных контейнерах, обеспечивающих однородную температуру (с разбросом, не превышающим несколько градусов) для всей партии отжигаемых изделий в течение всего процесса термической обработки. Благодаря высокой точке Кюри этих сплавов (ГК600 С) основные их магнитные параметры Br, Bs, Hc имеют при температурах от - 50 С до 100 С малые температурные коэффициенты. Изменение этих параметров во времени вследствие старения также достаточно мало. Намагниченное состояние может сохраняться в них сколь угодно длительное время, однако при трясках и ударах их остаточная индукция заметно снижается. Время перемагничивания магнитов т зависит от их размеров и формы. Одним из недостатков рассматриваемой группы сплавов является значительная твердость, что несколько затрудняет их штамповку, рубку и обработку.
Куда ни кинь взгляд, всюду - магнит. Когда-то школьникам рассказывали только про компас, позже - про применение в промышленности, в последнее время заговорили о будущем поезде на магнитной подвеске. Хотя можно было бы сказать, что любой электродвигатель и любой трансформатор - электромагнит. Сегодня убедить читателя в важности магнитов стало проще: достаточно сказать, что магнит почти наверняка есть у него дома (на дверце холодильника и в микроволновке), в кармане (в сотовом), десятки магнитов - в компьютере и автомобиле. В промышленности и медицине их вообще не счесть, и физика элементарных частиц без них не обходится - они стоят и по всему периметру ускорительного кольца, и в большинстве детекторов элементарных частиц.
Есть постоянные магниты, есть электромагниты. Постоянные имеют один большой плюс - не потребляют энергию, и несколько минусов - их поле нельзя регулировать (а если можно, то медленно - механически перемещая), и оно не может быть очень сильным. Электромагниты свободны от этих недостатков, но зато у них есть тот, которого нет у постоянных магнитов, - они потребляют энергию, и много потребляют. Иногда говорят, что проблему решают электромагниты со сверхпроводящими обмотками, как у Токамака. Но, во-первых, ни жидкого гелия, ни жидкого азота на Земле из озера не зачерпнешь, а во-вторых, магнитное поле таких электромагнитов тоже трудно регулировать.
Возникает идея: скрестить электрическое и магнитное поле, найти вещество или создать материал, при помещении которого в электрическое поле он становится магнитом, а в магнитном поле, наоборот, проявляет электрические свойства. О таких веществах рассказывается в статье А. П. Пятакова и А. К. Звездина из Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова и Института общей физики им. А. М. Прохорова.
Переменный постоянный магнит
Магнитные и электрические явления известны с античных времен, но связать их между собой удалось намного позже, уже после работ классиков электромагнетизма: Эрстеда, Ампера, Фарадея, Максвелла. Вслед за Ампером магнитные свойства постоянных магнитов стали объяснять «молекулярными» токами, текущими внутри вещества в каждой молекуле. Хотя природа молекулярных токов долгое время оставалась непонятой, сама возможность вечного движения зарядов внутри вещества казалась многообещающей (такая возможность реализуется и в сверхпроводниках, но при низких температурах). Если бы с помощью электрического поля удалось воздействовать на молекулярные токи, то можно было бы управлять постоянными магнитами практически без потерь энергии.
В 1884 году французский физик Пьер Кюри высказал мысль, что существование таких молекул и веществ, которые намагничивались бы под действием электрического поля, не противоречит известным законам. Американский инженер-электроник Бернард Теллеген позже предложил создать композит - магнитоэлектрическую среду в виде взвеси, где плавали бы частицы, представлявшие собой магнитики, сцепленные с кусочками электрета. А электрет - это вещество, которое можно «зарядить» внешним электрическим полем, и оно после этого долго, например годы, создает вокруг себя электрическое поле, как магнит - магнитное. Электретами являются многие хорошие диэлектрики, однако материалы, сочетающие в себе свойства и электрета и магнита, ни найдены, ни созданы не были. Хотя название для них придумали - «магнитоэлектрики».
Дело сдвинулось с мертвой точки, когда Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц указали, что магнитоэлектрики надо искать среди антиферромагнетиков, то есть кристаллов, состоящих из противоположно намагниченных подрешеток (рис. 1). И. Е. Дзялошинский назвал в 1959 году конкретное соединение - Cr 2 O 3 , и через год магнитоэлектрический эффект в этом материале был обнаружен Д. Н. Астровым. За несколько лет до того американские ученые в группе профессора Джорджа Радо пытались обнаружить магнитоэлектрические свойства у различных веществ, но поиски оказались безрезультатными, поскольку они не знали о работах Ландау, Лифшица и Дзялошинского - переводы книг и статей выходили с задержкой. Узнав об открытии Астрова, они продемонстрировали на Cr 2 O 3 и обратный эффект - электрическую поляризацию, наводимую магнитным полем.
В это же время в ленинградском Физико-техническом институте, в группе Г. А. Смоленского, вели поиск магнитных сегнетоэлектриков. Обычный сегнетоэлектрик - это вещество, которое само по себе, без участия внешнего воздействия, создает и внутри себя, и снаружи электрическое поле, то есть в некотором смысле электрический аналог постоянного магнита. А магнитный сегнетоэлектрик - материал, в котором бы при отсутствии внешних полей наблюдались бы и намагниченность, и электрическая поляризация. Предполагалось замещение магнитными элементами ионов в уже известных сегнетоэлектриках, и первый «сегнетомагнетик» (или «мультиферроик», как теперь называют эти материалы) получился «сложносочиненным», это был твердый раствор (1–x)Pb(Fe 2/3 W 1/3)O 3 - xPb(Mg 1/2 W 1/2)O 3 .
Сегнетомагнетики и мультиферроики: термины-химеры
На свое несчастье
Духов я призвал.
И. В. Гёте, «Ученик чародея»Многие привычные слова представляют собой подобие мифологической химеры - животного с головой льва, туловищем козы и хвостом змеи. Так слово «автобус» получилось соединением частей слов «автомобиль» и «омнибус» (от лат. omnibus - всем, для всех). Похожим образом термин «сегнетомагнетик» составлен из двух слов «сегнетоэлектрик» и «ферромагнетик». Слово «сегнетоэлектрик» происходит от первого обнаруженного вещества, в котором существует поляризация в отсутствие электрического поля (спонтанная электрическая поляризация), - сегнетовой соли, названной по имени французского аптекаря Сеньета (Seignette ). А есть и другое чудо - вещества, в которых при понижении температуры кристалл, оставаясь целым, разбивается на домены - области с разной ориентацией кристаллической решетки (это называется структурным фазовым переходом). Таким образом, слово «сегнетомагнетик» уже представляет собой довольно странный гибрид, но еще более «химеричен» термин «мультиферроик».
В англоязычной научной литературе названия всех этих трех классов веществ начинаются с приставки «ферро»: ferromagnetics , ferroelastics , ferroelectrics , хотя железо здесь ни при чем. Это не помешало, однако, в середине прошлого века японскому ученому Кейчиро Айдзу назвать все три класса общим термином «ferroics » - ферроики. Похожая история произошла в английском языке: кусочек от «омнибуса» перекочевал в «автобус», а потом bus стал самостоятельным словом, означающим кроме автобуса еще и канал передачи данных.
В случае ферроиков история имела продолжение: в начале девяностых годов прошлого века из бутылки был выпущен новый джинн - термин «мультиферроик» (от лат. multi - много) - для обозначения вещества, которое одновременно принадлежит хотя бы двум классам ферроиков. В начале нашего столетия, когда появились новые среды с магнитными и электрическими свойствами, это слово неожиданно быстро завоевало признание и вытеснило «сегнетомагнетик», так что сам создатель неологизма, швейцарский ученый Ганс Шмид, когда речь заходит о придуманном им термине, вспоминает стихотворение Гёте, отрывок из которого приведен в качестве эпиграфа.
Перемешать или прослоить?
Позже нашли и более простые соединения, а особенно интересным оказался феррит висмута BiFeO 3 (рис. 2). Большинство его замечательных свойств - следствие отличий от идеальной кубической структуры. Вращение кислородных октаэдров (рис. 2а) приводит к тому, что в этом антиферромагнетике магнитные стрелки соседних ионов уже не строго противоположны, образуя угол меньше 180 градусов. В результате они не полностью компенсируют друг друга, и появляется общая намагниченность кристалла (такие материалы называют слабыми ферромагнетиками). Электрические и магнитоэлектрические свойства обусловлены смещением ионов вдоль главной диагонали куба, а также искажениями октаэдра (рис. 2б). Кристалл феррита висмута способен также растягиваться в лучах света (рис. 2в) и превращаться в полупроводниковый диод под действием электрического поля (рис. 2г). Последнее превращение происходит из-за кислородных вакансий - заряженных дефектов, которые изменяют тип проводимости.
Таких «высокотемпературных» магнитоэлектриков, как феррит висмута, совсем немного, едва ли больше десятка, да и те имеют существенный недостаток - заметную проводимость при комнатной температуре. Это сводит на нет главное достоинство магнитоэлектрического способа получения магнитного поля - при приложении электрического поля в таком веществе начнет протекать ток, а значит, расход энергии становится ощутимым. Поэтому в 70-х годах прошлого столетия были предприняты первые попытки создать искусственные композиционные магнитоэлектрические среды в виде смеси двух порошков (рис. 3а): магнитострикционные частички изменяли форму в магнитном поле, они воздействовали на частички пьезоэлектрика, а те, в свою очередь, при деформации электрически поляризовались.
Идея была замечательная, но эффект оказался малым и нестабильным. При перемешивании получались комки и сгустки, а образование каналов из проводящих магнитострикционных частиц приводило к «короткому замыканию» образца, а значит, и к отсутствию электрического напряжения. Тогда возникла идея «слоеного пирога» или сэндвича из магнитострикционного и пьезоэлектрического материалов, склеенных вместе (рис. 3б). Проводящие каналы теперь не образовывались, и магнитоэлектрический эффект стал в 50 раз больше, чем в Cr 2 O 3 . С помощью датчиков на сэндвич-структурах удавалось измерить магнитные поля в миллион раз меньшие, чем поле Земли, - такие создает наше сердце, перегоняя кровь по сосудам.
Когда структура влияет на свойства
Новый этап в создании композиционных материалов наступил с приходом современных технологий: теперь искусственные магнитоэлектрики изготавливают на чипах в виде пленок со столбчатыми наноструктурами (рис. 3в). Сэндвич-структуры в нанопленочном исполнении работают плохо - сцепление с подложкой-чипом не дает им свободно деформироваться, а столбики легко сжимаются и растягиваются в вертикальном направлении. Вдобавок такие структуры не надо было создавать специально, они «самоорганизуются» при одновременном осаждении на подложку двух веществ: магнитострикционного, например шпинели CoFe 2 O 4 , и пьезоэлектрического, например титаната бария BaTiO 3 или феррита висмута BiFeO 3 . Изменяя кристаллографическую ориентацию подложки, можно выращивать как магнитострикционные столбики в пьезоэлектрической матрице, так и пьезоэлектрические столбики в магнитострикционной матрице (рис. 4).
Что же вынуждает две фазы осаждаться таким образом? То же самое явление, которое заставляет капельку воды расплываться на чистом стекле и скатываться в шарик на поверхности, натертой воском, - поверхностное натяжение. Если подложка вырезана перпендикулярно кристаллографическому направлению (то есть оси z системы координат), то вещество магнитострикционного материала не смачивает поверхность, собираясь в капли, которые потом вырастают в столбики, в то время как пьезоэлектрическая фаза смачивает подложку и обволакивает столбики, образуя матрицу. На подложке (111) всё происходит наоборот: внутри магнитострикционной матрицы растет столбчатая структура из пьезоэлектрика.
Когда характерные размеры наноструктур составляют несколько межатомных расстояний, фазы композита начинают влиять на внутреннее строение и свойства друг друга. Если слои титаната бария перемежать магнитным материалом с похожей кристаллической структурой, например манганита лантана с замещением кальцием La 0.7 Ca 0.3 MnO 3 , то получается искусственная магнитоэлектрическая среда: благодаря близкому соседству кристаллические структуры двух материалов подвергаются взаимным искажениям, что приводит к взаимодействию электрической и магнитной подсистем. То есть удалось не только создать наноструктурированный материал, но и осуществлять инженерию на атомном уровне, изменяя сами свойства веществ-компонентов.
А как же первоначальная идея Кюри о магнитоэлектрических молекулах? Ее можно реализовать в органических молекулярных нанокластерах Dy 3 , в которых магнитными атомами являются три атома диспрозия, образующие правильный треугольник (рис. 5а). В состоянии молекулы с наименьшей энергией (в основном состоянии) магнитные стрелки (моменты) ионов диспрозия ориентированы параллельно противолежащей стороне треугольника (рис. 5а). Если бы магнитных ионов было больше (как, например, в недавно синтезированном кластере Dy 6), они бы образовали «карусель» из магнитных моментов (рис. 5б). Такое упорядочение называют «тороидным», поскольку круговой электромагнит можно создать, намотав провод на магнитный сердечник в форме бублика (тора). Структуры с тороидным упорядочением, следуя традиции обозначать любое упорядочение словом «ферро», называют «ферротороиками». Они обладают магнитоэлектрическим эффектом - приложение магнитного поля вызывает перераспределение магнитных моментов: число ионов, у которых магнитные моменты направлены по магнитному полю, возрастает. Смещение магнитных ионов влечет перераспределение зарядов, так что возникает электрическая поляризация. Однако с равной вероятностью реализуются и состояния молекулы, в которых магнитные моменты направлены по часовой стрелке, и состояния с направлением моментов против часовой стрелки, а в этих случаях магнитоэлектрический эффект будет противоположным. Так что остается проблема, как получать тороидные структуры с одним направлением вращения магнитных моментов.
Из монитора память не получится
Идея Теллегена о композите, состоящем из магнитоэлектрических частиц, которые вращаются в жидкости, была реализована с появлением первой модели электронных чернил - гирикона (от греч. «вращающееся изображение»). Гирикон - полимерная среда, в которую внедрены двухцветные сферические частицы из полиэтилена, вращающиеся внутри полостей с жидкостью (рис. 6). Полусферы частицы отличались не только цветом, но и электрическим зарядом. Поэтому их можно было ориентировать, прикладывая электрическое поле, и на белом фоне появлялись черные буквы. Когда же в частицы ввели магнитные примеси, электрическое поле стало управлять намагниченностью системы. Однако на вращение уходило около секунды, поэтому возникла идея «омагнитить» не электронную бумагу, а главную составляющую другого типа дисплеев - жидкие кристаллы.
В жидких кристаллах нематиках (от греч. «нить») продолговатые молекулы располагаются вдоль одного направления (рис. 7а). Жидкокристаллические мониторы работают благодаря свойству молекул нематика ориентироваться вдоль поля (рис. 7б), но если примешать к жидкому кристаллу магнитные наностолбики, то они будут поворачиваться вместе с молекулами. Получился магнитный материал, управляемый с помощью электрического поля, причем он откликался на изменение электрического поля намного быстрее - частота переключения составляла килогерцы.
Это уже быстрее, но гирикон и жидкокристаллическая ячейка ни по размерам, ни по быстродействию не могут соперничать с элементами полупроводниковых микросхем, а значит, для устройств магнитной памяти не годятся. Вместо жидкого кристалла в устройствах магнитной памяти между электродами предлагали помещать слой твердотельного магнитоэлектрика, однако из-за малочисленности высокотемпературных магнитоэлектриков и больших токов утечки магнитоэлектрическая память пока еще далека от реализации.
«Умная пыль» собирает энергию
Миниатюризация электронных устройств - путь к созданию беспроводных сенсорных сетей, состоящих из множества датчиков, способных собирать, обрабатывать информацию и обмениваться ею между собой. Такие структуры иногда называют «умная пыль». Наиболее очевидные области применения - экологический и медицинский мониторинг, охранные системы. Но датчикам нужно питание, а с ним проблемы: если датчик находится внутри объекта (например, во вращающейся детали или в теле человека), то провод к нему не подведешь, батарейки недостаточно миниатюрны и долговечны, а солнечные батареи в темноте бесполезны.
Интересной альтернативой представляется energy harvesting - получение энергии из окружающей среды. Это могут быть системы, накапливающие энергию механических, температурных колебаний или радиоволн, но поток энергии, поступающий от естественных источников, мал - меньше 1 мкВт/см 2 . Однако можно создать источник излучения, создающий в месте расположения датчиков переменное магнитное поле. Преобразовать энергию магнитного поля в электростатическую энергию заряженных конденсаторов можно с помощью магнитоэлектрического элемента, который состоит из слоев магнитострикционного и пьезоэлектрических материалов, расположенных на общей металлической подложке в форме сужающейся к одному концу пластины (рис. 8). Переменное магнитное поле вызывает периодическую деформацию магнитострикционной пластины на резонансной частоте. Эти механические колебания передаются подложке и распространяются по ней, так что при подходе к узкому концу возрастают концентрация акустической энергии и амплитуда колебаний. Колебания подложки передаются пластинкам пьезоэлектрика, и в них возникает переменное электрическое напряжение. Эта конструкция - разновидность магнитоэлектрического композиционного материала, однако при помощи акустического концентратора удается получить выигрыш в два раза по сравнению с традиционной многослойной структурой из скрепленных магнитных и пьезоэлектрических слоев.
Для электропитания имплантатов в медицине, автономных датчиков, а также средств связи и мобильной электроники лучше использовать механическое движение или вибрации, например колебания упругой пластинки (в современных микромеханике и нанотехнологиях такие пластинки называют кантилеверами) из пьезоэлектрического материала (рис. 9а). Когда кантилевер, изготовленный из магнитоэлектрического композиционного материала, колеблется в магнитном поле Земли, магнитострикционный слой испытывает дополнительные деформации, которые передаются пьезоэлектрическому слою, и в результате амплитуда переменного напряжения достигает десятка вольт. Такое устройство предлагается использовать на подводных аппаратах и буях, где всегда есть океанские волны и магнитное поле Земли.
Здесь надо сделать еще одно замечание: частоты колебаний, встречающиеся в естественных условиях, невелики - герцы, максимум десятки герц. Это означает, с одной стороны, малую мощность, вырабатываемую агрегатом (мощность пропорциональна кубу частоты), с другой стороны - совсем не микроскопические размеры устройств, способных вибрировать на этих низких частотах. В результате зарядные устройства дают лишь микроватт в пересчете на кубический сантиметр. Лучших результатов ожидают от использования других видов колебательного движения: человеческого тела при ходьбе (расположенные в ботинке пьезоэлементы (рис. 9б) уже позволяют получать до 1 мВт/см 3) и еще более высокочастотных вибраций мотора автомобиля - до 30 мВт/см 3 . Но в любом случае о замене аккумуляторов в сотовых телефонах речь пока не идет. Сам сбор урожая даровой энергии («energy harvesting ») напоминает известный процесс «по сусекам поскрести, по амбарам помести», и это объясняет, почему в таких случаях часто используют другой термин: «energy scavenging » (scavenging - уборка, утилизация мусора).
Проблема взаимосвязи магнитных и электрических явлений в твердом теле чрезвычайно многогранна, и в этой статье показаны лишь некоторые ее стороны. Эта область науки сейчас активно развивается, остается много непонятного, и неизвестные эффекты ждут своих первооткрывателей.
Литература:
1. Смоленский Г.А., Чупис И.Е. Сегнето-магнетики. «Успехи физических наук», 1982, 137, 415–448.
2. Eerenstein W., Mathur N.D., Scott J.F. Multiferroic and magnetoelectric materials. «Nature», 2006, 442, 7104, 759–765, doi:10.1038/nature05023 .
3. Пятаков А.П., Звездин А.К. Магнитоэлектрические материалы и мульти-ферроики. «Успехи физических наук», 2012, 182, 593–620.
> Постоянные магниты
Постоянным выступает магнит , созданный из ферромагнитного материала. Формируют стабильное магнитное поле.
Задача обучения
- Описать примеры постоянных магнитов.
Основные пункты
- Постоянные магниты создаются из намагниченного материала и формируют стабильные магнитные поля.
- Намагниченные материалы, а также те, что притягиваются, именуют ферромагнитными.
- В противовес им существует электромагнит, который намагничивается только при прохождении сквозь него электрического тока.
- У магнитов всегда есть северный и южный полюса. Если вы разобьете его на две части, то у обоих снова будет два полюса.
- Постоянные магниты изготавливают из ферромагнитных материалов, на которые давит магнитное поле и нагрев. Из-за этого их сложно размагнитить.
Термины
- Электромагнит – притягивает металлы только при электрическом включении.
- Ферромагнитный – любой легко намагничиваемый материал.
- Постоянным именуют магнит, сберегающий свой магнетизм, даже если не ощущает на себе действия внешнего магнитного поля.
Постоянные магниты
Магнит – тело, способное вырабатывать магнитное поле. Его нельзя увидеть, но отвечает за любую заметную характеристику магнита.
Разновидности магнитов
Постоянный магнит – объект, созданный из намагниченного вещества, которое формирует собственное магнитное поле. В качестве примера можно привести обыкновенный магнитик на холодильник. Материалы, поддающиеся намагничиванию или легко притягивающиеся, именуют ферромагнитными.
Существует также электромагнит, который намагничивается только в том случае, если сквозь него пустить электрический ток.
Этот магнит напоминает подкову и создан из альнико (железный сплав). Форма позволяет ему прижать два магнитных полюса, чтобы сформировать сильное магнитное поле, способное удержать тяжелые железные обломки
Полярность
Все магниты обладают двумя полюсами: северный и южный. Они всегда существуют в парах. Даже если вы разделите магнит на две ровных части, то на обоих будет присутствовать по два полюса.
Северный и южный полюса наблюдаются парами. Если пытаться разделить их, то вы только увеличите количество. В итоге, достигнете железного атома с полюсами, которые нельзя разделить
Создание постоянных магнитов
Ферромагнитные материалы делят на мягкие (могут намагнититься, но не удерживают это свойство надолго) и твердые. Постоянные магниты из твердых (альнико и феррит) проходят специальную процедуру в сильном магнитном поле для выравнивания внутренней микрокристаллической структуры.
Если магнит поставить к ранее намагниченному ферромагнитному материалу, то он приводит к локальной намагниченности. В микроскопическом масштабе меняются области, где полюса выравниваются. До этого процесса участки малы и ориентированы беспорядочно, поэтому не создается чистого магнитного поля. Устройство может стать постоянным, если ферромагнитный материал нагревается и охлаждается.
Между двумя магнитами ставят немагнитную железку. Ее нагревают, а потом охлаждают. Железо превращается в постоянный магнит, чьи полюса выравниваются: южный примыкает к северному, а северный к южному. Отметьте, что между магнитами формируются силы притяжения
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!!!
ПОСЛЕДНИЕ
новости космоса
Ученые по-новому взглянули на важность атомов водорода в процессе формирования новых звезд. Полагают, что исключительно эти молекулы принимают участ...