Сообщение на тему магнитострикционные генераторы и приемники
Обновлено: 08.07.2024
Магнитострикционные преобразователи линейных перемещений или, как их еще называют: измерители пути, датчики линейного положения и т.п. получили самое широкое распространение в различных отраслях промышленности для автоматизации производственных процессов. Определение положение объекта, движущегося вдоль одной оси – очень часто встречающаяся задача в автоматизации. При этом, положение необходимо чаще всего определять в самых тяжелых условиях эксплуатации: постоянной вибрации, ударных нагрузках, при высоком давлении, низких или высоких температурах, высокой влажности. Деревообрабатывающие станки, гидроцилиндры, инжекционное литье, термопластавтоматы, резка различных материалов, подвижная техника – вот неполный перечень конкретных примеров применения датчиков преобразователей линейных перемещений. И под все эти варианты прекрасно подходят измерители, функционирующие на магнитострикционном принципе измерения. На сегодня, самыми популярными на рынке являются датчики линейных перемещений от компаний Balluff (Германия), бренд Micropulse, Novotechnik (Германия) и MTS Sensors (США), бренд Temposonics. Как они работают, расскажем доступным языком в нашей статье ниже.
Теперь мы подошли вплотную к тому, что происходит в датчиках преобразователях линейных перемещений, таких как Temposonics или Micropulse. В данных измерителях пути применяется эффект Видемана, который описывает механическую деформацию ферромагнитного стержня, находящегося под воздействием двух магнитных полей: внешнего и внутреннего, создаваемого проводником, по которому протекает электрический ток. В магнитострикционных датчиках линейных перемещений MTS Sensors Temposonics и Balluff Micropulse внешнее магнитное поле создается специальным позиционным магнитом, которое при пересечении с внутренним концентрическим магнитным полем, создаваемым электрическим током, вызывает механическую деформацию в небольшой области измерительного элемента в форме стержня. Так же используется магнитоупругий эффект (эффект Виллари), связанный с изменением магнитных свойств ферромагнетика, например, намагниченности ферромагнитного бруска, которое вызывается продольной деформацией.
Физика процесса, изложенная выше, должна превратиться в надежную измерительную систему. И после долгих поисков и испытаний, магнитострикционные датчики получили общую конструкцию, схематично представленные на рисунке №3. Преобразователи линейных перемещений имеют несколько основных частей:
-измерительный элемент в виде волновода;
-блок электроники;
-позиционный магнит;
-преобразователь торсионного импульса;
-демпфер в конце стержня, в которой происходит гашение второй части торсионного импульса.
Измерительным элементом является ферромагнитный волновод, по которому распространяется торсионная ультразвуковая волна, детектируемая преобразователем торсионного импульса. Позиция объекта измерения определяется положением постоянного магнита, который окружает волновод. Позиционный магнит связан с объектом измерения, однако, магнитом и измерительным элементом - волноводом, полностью отсутствует механическая связь. По сути, это бесконтактный принцип измерения, а значит он обладает высокой надежностью и не имеет механического износа. Если говорить о габаритах волновода, то его наружный диаметр составляет около 0.7 мм, а внутренний около 0.5 мм Внутри волновода находится медный проводник. Сам измерительный процесс начинается с короткого токового импульса по медному проводнику из блока электроники. С перемещением импульса возникает радиальное магнитное поле вокруг волновода (рисунок №3). При пересечении с магнитным полем постоянного позиционного магнита, возникает, согласно эффекту Видемана, пластическая деформация магнитострикционного волновода, и ультразвуковая торсионная волна, которая распространяется от места возникновения в оба конца волновода. В одном из концов которая полностью гасится, исключая помехи и искажения сигнала. Скорость распространения этой волны в волноводе составляет 2830 м/с, и на нее не практически не оказывает никакого влияния внешние факторы (загрязнения, температура, удары и т.д.). Детектирование и обработка торсионного импульса происходит на другом конце волновода в блоке электроники. Преобразователь торсионных импульсов состоит из расположенной поперек волновода и жестко связанной с ним полосы из магнитострикционного металла; детектирующей катушки индуктивности и одного неподвижного постоянного магнита.
В преобразователе торсионного импульса, сверхзвуковая волна вызывает изменение намагниченности металлической полосы согласно эффекта Виллари, уже упоминавшемуся. Следующее из этого временное изменение поля постоянного магнита индуцирует электрический ток катушке индуктивности. Этот возникающий электрический сигнал окончательно обрабатывается электроникой датчика. Точное определение позиции получается измерением времени между стартом токового импульса и времени возникновения ответного электрического сигнала, которое определяется в преобразователе торсионных импульсов при детектировании ультразвуковой волны.
При кажущейся внешней сложности принципов измерения датчиков линейных перемещений Novotechnik, Temposonics и Micropulse, очевидны преимущества, которыми обладают эти преобразователи: измерение расстояния с максимальной точностью, долговременные и стабильные характеристики и параметры, высокая защищенность и стойкость к внешним воздействиям.
Надо понимать, воплощение принципов и физических эффектов в конечный надежный и точный прибор, готовый к работе в самых тяжелых условиях, ставит самые высокие требования к возможностям и компетенции
производителя. Инженеры должны обладать фундаментальными физическими знаниями, накопленными за годы исследований и испытаний. К примеру, прежде чем подобрать оптимальный вариант схемы преобразователя торсионных импульсов, были исследованы и испытаны различные варианты, представленные на рисунке №4. Оказалось, что оптимальная конструкция преобразователя должна быть такой, как на варианте 3. Именно так получается наиболее уверенный и точный сигнал, так как регистрируется только торсионная часть механической волны, а продольные колебания не оказывают влияния на результат измерения. Применение торсионных волн и регистрирующей системы, которая реагирует только на торсионную волну, позволяет не бояться влияния вибрации на процесс измерения, так как торсионный импульс нельзя вызвать внешней механической вибрацией. Для того, чтобы все физические процессы принципа измерения могли протекать без влияния со стороны внешних воздействий, производитель использует специальные механическую конструкцию корпуса и электронную схему при обработке сигнала. Производители магнитострикционных датчиков линейных перемещений Novotechnik, MTS Sensors Temposonics и Balluff Micropulse постоянно совершенствуют материалы используемые в своих продуктах, а так же улучшают схемы и конструкцию. Правильность выбранного направления производителей и оптимальность первоначальной конструкции магнитострикционных преобразователей Temposonics и Micropulse, подтверждают регулярно встречающиеся работоспособные датчики, старых поколений, установленные и прослужившие от пяти до десяти лет в условиях постоянной промышленной эксплуатации.
Явление магнитострикции ферромагнитных материалов, с которым мы уже познакомились, успешно используется для получения мощных ультразвуков. Ультразвуки — это звуки очень высокой частоты, неслышимые человеческим ухом [6]). Они нашли широкое применение в технике для подводной сигнализации, определения глубин моря и т. п. До самого последнего времени ультразвуки получали с помощью колеблющихся кристаллов кварца или сегнетовой соли. Однако таким способом не удавалось
Получать мощных ультразвуков. Для этого решили использовать магнитострикцию.
Если ферромагнитный стержень поместить в переменное магнитное поле, например, в катушку, обтекаемую переменным электрическим током, то в стержне вследствие магнитострикции будут возбуждаться механические колебания. Подбирая частоту колебаний магнитного поля (путем регулировки частоты переменного тока), можно настроить стержень в резонанс и резко увеличить размах механических колебаний стержня. Эти колебания вызывают в жидкости ультразвуковые волны. Ультразвук можно обнаружить по появлению вспучивания или даже фонтанчика на поверхности жидкости (рис. 36).
Магнитострикционный излучатель может служить и приёмником ультразвука. В самом деле, при давлении ультразвуковых волн на поверхность ферромагнитного стержня в нём возникают механические напряжения, которые, как мы уже знаем, вызывают изменения намагни
ченности в стержне (часто это явление называют обратным магнитострикционным эффектом). Тогда и в катушке, внутри которой находится стержень, индуцируется переменный ток. После соответствующего усиления он регистрируется прибором. Наибольшая чувствительность будет тогда, когда частота колебаний приходящих ультразвуковых сигналов близка к собственной частоте механических колебаний стержня, то-есть при резонансе.
Таким образом, магнитострикционный стержень можно рассматривать как прибор, с помощью которого электрические колебания превращаются в механические, и наоборот. Поэтому такой стержень называют магнитострикционным преобразователем. В качестве материала для магнитострикционных преобразователей применяется в большинстве случаев никель, обладающий хорошими магнитострикционными свойствами.
Одним из первых применений магнитострикционных преобразователей был эхолот, служащий для измерения глубины морского дна. В таком приборе магнитострикционный преобразователь крепится к днищу корабля и даёт кратковременный ультразвуковой импульс, направленный вертикально вниз (рис. 37). Волна отражается от дна и в виде эхо принимается этим же преобразователем. По времени между излучением ультразвукового импульса и приёмом эхо узнают о глубине моря; последняя стсчиты - вается непосредственно на шкале эхолота.
Этим методом можно также обнаруживать различные предметы, находящиеся в воде. Корпуса подводных и надводных судов, киты и стаи рыб, заросли водорослей, резкие неоднородности температуры воды или её солёности вызывают своеобразное эхо.
Мощные магнитострикционные излучатели ультразвука в настоящее время используются также для воздействия на плавку металлов, на химические реакции, биологические процессы и в других случаях.
На принципе магнитострикционного преобразователя основан так называемый магнитоупругий метод измерения механических напряжений в деталях машин. Мы знаем, что под действием механических напряжений намагниченность ферромагнетиков изменяется. Это явление используется в приборах для исследования деформаций и напряжений, а также различного рода усилий и давлений. Такого рода приборы (их называют магнитоупругими датчиками) иногда применяют в промышленности для определения усилий, возникающих в различных деталях машин, в фермах мостов, в отдельных частях самолётов и т. д.
Рис. 37. Действие эхолота.
На рис. 38 изображена одна из простейших конструкций магнитоупругого датчика. Полоска пермаллоя с двумя обмотками прикрепляется каким-либо способом к работающей детали машины. Первая обмотка питается переменным током, в результате чего пермаллоевая полоска намагничивается. Во второй, измерительной обмотке возникает индукционный ток, который измеряется специальным прибором. Если теперь деталь начнёт деформироваться, то вместе с ней будет деформироваться и датчик, что приведёт к изменению намагниченности полоски, а следовательно, и к изменению индукционного тока во второй обмотке датчика. По этим изменениям индукционного тока и определяют величину и характер деформаций,
Мзме/7£//77е/7бная аЯмоша
Намагничивающая Абмотка
Рис. 38. Магнитоупругий датчик для измерения деформаций и механических напряжений в деталях машин.
А отсюда и напряжений в деталях машин. Этот метод измерения механических напряжений отличается большой чувствительностью и может быть использован для изучения напряжений, изменяющихся во времени.
Магнитострикционные излучатели применяются для излучения колебаний в жидкости и твердые тела. Наибольшее распространение они получили в ультразвуковой технологии, а также в некоторых морских акустических приборах: эхолотах, рыболокаторах.
Механическая система магнитострикционного излучателя обладает высоким механическим сопротивлением и может развивать большие механические усилия, но при сравнительно небольших амплитудах колебаний. Для эффективного использования магнитострикционного излучателя требуется подсоединить к нему большое сопротивление нагрузки. Сравним волновые сопротивления воздуха, воды и стали с волновым сопротивлением магнитострикционного материала — никеля:
Отсюда видно, что волновое сопротивление воздуха в 100 000 раз, воды — в 30 раз меньше волнового сопротивления никеля, а волновые сопротивления стали и никеля практически одинаковы. Это означает, что переход энергии звуковой волны из никеля в воздух весьма затруднен, в воду передача происходит во много раз лучше, а в сталь волна из никеля проходит практически без отражения от места соединения.
Условия излучения энергии упругим телом в жидкость существенно улучшаются, если излучающее тело колеблется на резонансной частоте. Так, например, внутреннее сопротивление свободно колеблющегося на резонансе полуволнового стержня, как генератора механической энергии, падает во столько раз, сколько составляет добротность никелевого стержня. Добротность может достигать так что сопротивление полуволнового вибратора из никеля, приведенное к пучности колебаний, составит всего Это даже много меньше, чем волновое сопротивление воды, так что эффективная нагрузка магнитострикционного излучателя жидкостью легко осуществляется. Согласование при излучении в воздух даже при высокой добротности на резонансе оказывается плохим.
Наиболее распространенные конструктивные формы магнитострикционных излучателей — это стержневой и кольцевой излучатели. Принципиальная конструктивная схема стержневого
Рис. 4 44. Ярмо магнито-стрикционного излучателя; а — излучение обеими накладками; б - излучение одной накладкой; в — несимметричное ярмо
излучателя представлена на рис. 3.12 (см. параграф 3.10). Излучающими поверхностями являются торцы накладок, соединяющих стержни, несущие обмотки. В жидкость может быть погружен только один торец, а другой свободен. В некоторых случаях второй торец крепят неподвижно к массивному основанию. Накладка, излучающая колебания, может быть достаточно толстой, чтобы создать дополнительную массу в механической колебательной системе и тем самым понизить ее резонансную частоту. Если излучающая поверхность должна быть очень большой, то может оказаться удобным сделать ярмо из нескольких стержней (3, 4 и более), соединив их общей накладкой (см. рис. 4.44). Накладка должна быть достаточно толстой, чтобы ее изгиб не мог влиять на излучение звука.
Во избежание необходимости подавать в обмотку преобразователя дополнительный постоянный ток, смещающий рабочую точку на кривой намагничения, в ярмо иногда врезают дополнительный постоянный магнит.
Кольцевой излучатель представляет собой ярмо из магнитострикционного материала в виде кольца, вокруг которого уложена обмотка (рис. 4.45). Для того чтобы обмотка не влияла на передачу колебаний боковой поверхностью кольца в окружающую среду, ее витки пропускаются через специальные отверстия, смещенные как можно ближе к внешней стороне кольца, но так, чтобы не снизить жесткость поверхности кольца. При пропускании переменного тока через обмотку кольцо периодически растягивается и сжимается, совершая радиальные колебания и излучая своей боковой поверхностью. Если стержневой излучатель может создавать направленное излучение в виде более или менее узкого пучка, то кольцевой, естественно, излучает равномерно во все стороны в плоскости, перпендикулярной его оси, и может создавать направленность излучения только в плоскости, проходящей через ось кольца. В некоторых случаях для получения узкого пучка излучения от кольцевого излучателя его помещают в конический отражатель. Рисунок 4.456 поясняет принцип действия такого отражателя. Для работы в жидкости отражатель можно
сделать в виде полого конуса из тонкого металла. Если металлический лист достаточно тонок, так что сопротивление погонной массы его мало по сравнению с волновым сопротивлением воды, то этот лист практически не влияет на процесс отражения волн.
Рис. 4.45 Кольцевой магнитострикционный излучатель: а — ярмо с обмоткой; б - ярмо излучателя в отражателе
Тогда благодаря большой разнице в волновых сопротивлениях жидкости и воздуха, заполняющего конус, звуковые волны полностью отражаются конусом обратно в жидкость.
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ. МАТЕРИАЛЫ С ГИГАНТСКОЙ МАГНИТОСТРИКЦИЕЙ (БЕЛОВ К. П. , 1998), ФИЗИКА
Рассмотрены механизмы возникновения магнитострикции в ферромагнетиках: обменной и анизотропной. Рассказано о гигантской анизотропной магнитострикции в редкоземельных материалах, открытой физиками Московского университета. Обсуждается проблема технических применений этих материалов.
МАТЕРИАЛЫ С ГИГАНТСКОЙ
Московский государственный университет
им. М.В. Ломоносова
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 l = Dl / l, где Dl - удлинение (или укорочение) при включении магнитного поля Н, а l - длина образца. В экспериментах обычно измеряется l|| - продольная магнитострикция, когда напряженность поля Н совпадает с направлением измерения, l^ - поперечная магнитострикция, когда указанные направления взаимно перпендикулярны. Величины l|| и l^ малы (даже для ферромагнетиков), и для их измерения применяются специальные методы и установки.
Различают два вида магнитострикции: изотропную (обменную) и анизотропную (магнитодипольную и одноионную). Ниже в упрощенной и качественной форме объясняются механизмы их возникновения.
Этот вид магнитострикции возникает в результате изменения обменного взаимодействия между магнитными моментами атомов Мат в кристаллической решетке. Объясним, что это такое. 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 разупорядоченном 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 магнитострикция. 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.
Как мы видели, 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.
Отметим, что в ферромагнетиках, обладающих гексагональной структурой, например в редкоземельном металле гадолинии Gd, парапроцесс и обменная магнитострикция обладают анизотропией.
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 a = 1/ l (Dl / DT ) ферромагнитного сплава 36%Ni + + 64%Fe при отсутствии компенсирующего действия обменной магнитострикции, сплошная кривая - зависимость a(T ), экспериментально наблюдаемая. Видно, что в определенном интервале температур a 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.
АНИЗОТРОПНАЯ 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 парапроцесс. Анизотропия ее состоит в том, что l 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).
Отметим, что 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 поворот электронного облака не приводит к возмущению кристаллического поля окружающих ионов, следовательно, здесь не работает механизм одноионной 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 ТЕРБИИ, ДИСПРОЗИИ, ИХ СПЛАВАХ И СОЕДИНЕНИЯХ
В 1961-1965 годах было установлено [1, 2], 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 позднее такая гигантская магнитострикция была обнаружена в так называемых интерметаллических соединениях TbFe2 и DyFe2 [3]. В них эта магнитострикция реализуется не только при низких температурах, но и выше комнатных температур.
В табл. 1 приведены результаты измерения продольной магнитострикции насыщения (ls)|| (то есть в полях H = Hs) при температуре жидкого азота 78 К в поликристаллах Tb и Dy (для сравнения даны соответствующие значения (ls)|| для поликристаллов Fe, Co и Ni).
Огромных величин достигает ls 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 l(H) 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 магнитострикция и обменная магнитострикция (возникающая вдоль оси c, так как в этом направлении обменное взаимодействие сильно зависит от межатомного расстояния).
В работе [2] было впервые 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 [4].
Наконец, отметим, что необычайно высокая анизотропная магнитострикция наблюдалась в актинидных магнетиках (урановых, нептуниевых и др.). Так, в соединениях US при Т = 4,2 К величина l[111] = 7000 " 10- 6, а в NpFe2 l[111] = - 8000 " 10- 6. В этих соединениях, так же как и в редкоземельных магнетиках, ответственны за возникновение гигантской анизотропной магнитострикции орбитальные магнитные моменты 5f-оболочек.
К ПРОБЛЕМЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИГАНТСКОЙ МАГНИТОСТРИКЦИИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МАГНЕТИКОВ В ПРИКЛАДНЫХ ЦЕЛЯХ
Гигантская магнитострикция и родственные ей магнитострикционные эффекты, проявляющиеся в редкоземельных магнетиках, привлекают внимание инженеров с точки зрения конструирования новых приборов и технических устройств. Перечень их довольно обширен: генераторы мощного звука и ультразвука, сверхчувствительные приемники звука, магнитострикционные механизмы микроперемещений и нажимных устройств, линии задержки звуковых и электрических сигналов и другие устройства для радиотехники и электросвязи. К редкоземельным материалам привлечено внимание также технологов с точки зрения создания новых эффективных материалов с инварными свойствами.
Однако практическому осуществлению всех перечисленных применений высокострикционных свойств редкоземельных магнетиков препятствуют следующие факторы.
1. "Вредное" влияние огромной магнитной анизотропии, которая приводит к тому, что гигантская магнитострикция насыщения ls реализуется в очень сильных магнитных полях. Это следует из кривых l(H ), приведенных на рис. 5. Необходимо изготовлять эти материалы с малой магнитной анизотропией для того, чтобы можно было управлять гигантской магнитострикцией с помощью малого поля H. В настоящее время разработано несколько технологий приготовления таких материалов.
2. Наиболее подходящими для технических применений являются интерметаллические соединения редкая земля - переходный металл, так как в них гигантская магнитострикция реализуется в области комнатных температур. Необходимо изыскивать другие редкоземельные магнетики с гигантской магнитострикцией с точками Кюри выше комнатных.
3. Редкоземельные сплавы и интерметаллиды плохо поддаются механической обработке из-за высокой хрупкости. Необходимо создавать технологии для устранения этого явления (например, их аморфизация).
Из изложенного следует, что устранение недостатков редкоземельных материалов с гигантскими магнитострикционными эффектами, мешающими использованию в технике, представляет собой большую технологическую проблему. Только после ее решения будет возможна широкая реализация уникальных магнитострикционных свойств редкоземельных магнетиков в технике. Тем не менее в последнее время получены обнадеживающие результаты. Так, синтезированное смешанное интерметаллическое соединение Tb0,27Dy0,75Fe2 обладает пониженной магнитной анизотропией (так как TbFe2 и DyFe2 имеют разные знаки констант анизотропии) с сохранением высокой магнитострикции. Этот магнитострикционный материал имеет явное преимущество по сравнению с материалами группы железа (никелем и пермендюром) и пьезокерамикой в акустических преобразователях. Как показали измерения, он дает предельную излучаемую звуковую мощность, на два порядка большую, чем никель и сплав пермендюр, и на порядок большую, чем пьезокерамика.
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. Koon N., Schinder A., Carter F. // Phys. Lett. A. 1971. Vol. 37. P. 413.
4. Белов К.П. Магнитострикционные явления и их технические приложения. М.: Наука, 1987.
Константин Петрович Белов, доктор физико-математических наук, профессор Московского государственного университета. Область научных интересов - магнетизм редкоземельных металлов, сплавов и соединений, электронных процессов в ферритах и магнитных полупроводниках. Автор и соавтор более 300 работ, в том числе десяти монографий по вопросам физики магнитных веществ.
Читайте также: