Магазины электрических ве­личин

Вид материала

Документы

Содержание Магниторезистивный эф­фект Магниторезонансный масс-спектрометр Магнитострикционные ма­териалы Характеристики магнитострикционных материалов Магнитострикционный пре­образователь Преобразователи из металлич. магнито­стрикц. материалов с сердечниками стерж­невой (а) и кольцевой (б и в) формы. И. П. Голямина. Рис. 2. Зависимость продольной магнито­стрикции ряда поликрист. металлов, спла­вов и соединений от напряжённости магн. поля. Рис. 3. Магнитострикц. гистерезис железа. К. П. Белов. И. М. Подгорный.

Подобный материал:

• Рабочей программы дисциплины Электроэнергетические системы и сети по направлению подготовки, 21.71kb.
• Отчет по лабораторной работе должен содержать: наименование работы и номер, схемы, 365.83kb.
• Экзаменационные вопросы по курсу «Электротехника и электроника», 23.91kb.
• Бизнес-план магазина товаров для детей Содержание, 138.19kb.
• 1. Основные понятия и обозначения электрических величин и элементов электрических цепей., 277.03kb.
• Цифровой вольтметр щ-304, 137.06kb.
• Телемеханики, 26.01kb.
• Отдел метрологического обеспечения измерений электрических величин, 42.58kb.
• Курсовая работа по курсу «основы физических измерений», 226.86kb.
• Теория электрических цепей (часть, 63kb.

МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭФ­ФЕКТ, изменение электрич. сопротив­ления тв. проводников под действием внеш. магн. поля Н. Различают по­перечный М. э., при к-ром электрич. ток I течёт перпендикулярно магн. полю Н, и продольный М. э. (I||Н). Причина М. э.— искривление тра­екторий носителей тока в магн. поле (см. Гальваномагнитные явления). От­носительное поперечное изменение со­противления (/) при комнатных темп-pax мало: у хороших металлов (/) ~ 10^-4 при Н ~ 10⁴ Э. Ис­ключение — Bi, у к-рого (/)2 при H=3•10⁴ Э. Это позволяет ис­пользовать его для измерения магн. поля (см. Магнитометр). У полу­проводников (/) ~10^-2—10 и су­щественно зависит от концентрации примесей и от темп-ры, напр. у до­статочно чистого Ge (/)~3 при T=90 К и H=1,8•10⁴ Э.

Понижение темп-ры и увеличение Н приводит к увеличению (/). П. Л. Капица в 1927, используя силь­ные магн. поля (в неск. сотен тысяч Э) при темп-ре жидкого азота, обнаружил у большого числа металлов и в ши­роком интервале полей линейную за­висимость (/) от Н (з а к о н К а п и ц ы). В слабых полях (/) пропорц. Н². Коэфф. пропорциональ­ности обычно положителен, т. е. сопротивление растёт с увеличением магн. поля; исключение составляет ферромагнетики (см. Кондо эффект). Т. к. сопротивление чувствительно к кол-ву примесей и дефектов в крист. решётке, а также к темп-ре, то измерения (на определ. образце, при определ. темп-ре) могут приводить к разным зависимостям  от Н. Эксперим. данные для металлов удобно описывать, выразив (/) в виде ф-ции от H_эф=H(₃₀₀/),. где ₃₀₀— сопротивление данного металла при комнатной темп-ре (300 К) и H=0, а  — при темп-ре эксперимента и при H=0. При этом разл. данные, относящиеся к одному металлу, ук­ладываются на одну прямую (п р а в и л о К о л е р а). Резкая анизо­тропия сопротивления в сильных магн. полях (у Au, Ag, Cu, Sn и др. небольшое изменение ориентации магн. поля может привести к изме­нению  иногда в 1000 раз) означает анизотропию Ферми поверхности (не­большая анизотропия соответствует изотроп. поверхности Ферми). Если с ростом Н для всех направлений  не стремится к «насыщению» — не пе­рестаёт расти (Bi, As и др.), то эл-ны и дырки содержатся в проводнике в равном кол-ве. Стремление к насыще­нию означает преобладание носителей одного типа.

М. э. используется для исследова­ния электронного энергетич. спектра и механизма рассеяния носителей тока в проводниках, а также для измерения магн. полей.

• См. лит. при ст. Гальваномагнитные явления.

Э. М. Эпштейн.

МАГНИТОРЕЗОНАНСНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР, устройство, в к-ром для разделения ионов по отношению массы к заряду используется движе­ние «узкого» пакета ионов, сформи­рованного в модуляторе, в однородном магн. поле. Ионы, циклотронная ча­стота к-рых совпадает с частотой перем. напряжения, приложенного к электродам модулятора, дополнитель­но ускоряются и после неск. оборотов по расширяющимся траекториям по­падают на коллектор. М. м.-с. исполь­зуется для прецизионных измерений масс ионов, а также для изотопного анализа. См. Масс-спектрометр.

МАГНИТОСТАТИКА, раздел теории эл.-магн. поля, в к-ром изучаются св-ва стационарного магнитного поля (поля пост. электрич. токов или поля пост. магнитов). Для расчёта этих полей часто пользуются понятием маг­нитного заряда, позволяющим при­менять в М. ф-лы, аналогичные ф-лам электростатики. Формально это воз­можно благодаря теореме эквивалент­ности поля магн. зарядов и поля пост. электрич. токов (см. Ампера теорема), хотя в природе свободных магн. за­рядов не существует (см. Магнитный монополь).

• Т а м м И. Е., Основы теории электриче­ства, 9 изд., М., 1976.

МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ МА­ТЕРИАЛЫ, ферромагнитные металлы и сплавы (см. Ферромагнетик), а так­же ферриты, обладающие хорошо вы­раженными магнитострикц. св-вами

383


ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ



Примечание: k,  соответствуют Н_{0 опт}; для а приведены макс. значения.

(см. Магнитострикция) и применя­емые для изготовления магнитострикционных преобразователей эл.-магн. энергии в механич. и обратно (излу­чатели акустич. колебаний, датчики давления, фильтры и др. приборы). Осн. хар-ки М. м. (см. табл.): коэфф. магнитомеханич. связи k, квадрат к-рого равен отношению преобразо­ванной энергии (механич. или маг­нитной) к подводимой (соответственно магнитной или механической) без учё­та потерь; динамические магнитострикц. постоянная а, определяющая чувствительность преобразователя в режиме излучения, и относительная магнитная проницаемость ; скорость звука с; магнитострикция насыщения _s, определяющая предельную интен­сивность звука, излучаемого преоб­разователем; коэрцитивная сила Н_с и уд. электрич. сопротивление , характеризующие потери энергии со­отв. на гистерезис и на вихревые токи. Магнитострикц. преобразователи ра­ботают, как правило, при пост. поле подмагничивания Н₀, соответствую­щем максимуму k (H_{0 опт}) или не­сколько большем.

Металлич. М. м. изготавливают в виде лент толщиной 0,1—0,3 мм, из к-рых штампуют или навивают сер­дечники, ферриты-шпинели применя­ют в виде монолитных сердечников, ферриты-гранаты — в виде монокри­сталлов.

И. П. Голямина.

МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕ­ОБРАЗОВАТЕЛЬ, электромеханиче­ский или электроакустический пре­образователь, действие к-рого осно­вано на эффекте магнитострикции. В М. п. используется линейная маг­нитострикция ферромагнетиков в об­ласти техн. намагничивания (см. Фер­ромагнетизм). М. п. представляет собой сердечник из магнитострикц. материалов с нанесённой на него об­моткой.

В М. п.— излучателе энергия перем. магн. поля, создаваемого в сердечнике протекающим по обмотке перем. элект­рич. током, преобразуется в энергию механич. колебаний сердечника; в М. п.— приёмнике энергия механич. колебаний, возбуждаемых действую­щей на сердечник внеш. перем. си­лой, преобразуется в энергию магн.

поля, наводящего перем. эдс в об­мотке.

М. п. используются в гидроакус­тике, УЗ технологии, акустоэлектронике в кач-ве излучателей и приём­ников звука, фильтров, резонаторов, стабилизаторов частоты и т. п., а также в технике в кач-ве датчиков колебаний. Материалом для М. п.— излучателей и приёмников звука в гидроакустике и УЗ технике, рабо­тающих на частотах ~100 Гц — 100 кГц, служат металлич. магнито­стрикц. материалы и керамич. фер­риты (на основе феррита никеля). Для фильтров, резонаторов и др. устройств акустоэлектроники в диа­пазоне десятков и сотен кГц исполь­зуются магнитострикц. ферриты-шпинели, на частотах до десятков и сотен МГц — ферриты-гранаты на основе редкозем. элементов.

М. п. чаще всего работают в режиме резонансных колебаний сердечника. Сердечники М. п. в гидроакустич. устройствах или в установках пром. применения УЗ представляют собой обычно радиально колеблющиеся коль­ца или продольно колеблющиеся стержни, соединённые между собой приёмно-излучающими накладками.



Преобразователи из металлич. магнито­стрикц. материалов с сердечниками стерж­невой (а) и кольцевой (б и в) формы.


Сердечники из металлич. материалов для уменьшения потерь на вихревые токи набирают из штампованных пла­стин толщиной 0,1—0,3 мм (рис., а, б) или навивают из тонкой ленты (рис., в). Сердечники из ферритов используют монолитными. Ферритовые сердечники в фильтрах, резонаторах и т. п. уст­ройствах имеют форму колец, ганте­лей, трубок. М. п. обладают электроакустич. кпд ~50%. Макс. интен­сивность излучения М. п. ограничи­вается при работе на значит. аку­стич. нагрузку нелинейностью св-в материала, обусловленную явлением магн. насыщения, а при работе с ма­лой нагрузкой ограничивается меха­нич. прочностью материала. М. п. на основе монокристаллов феррита-граната иттрия (ИФГ) обеспечивают устройствам акустоэлектроники в аку­стич. СВЧ диапазоне добротность до 10⁷.

• Харкевич А. А., Теория преобразо­вателей, М.—Л., 1948; Матаушек И., Ультразвуковая техника, пер. с нем., М., 1962; Ультразвуковые преобразователи, под ред. Е. Кикучи, пер. с англ., М., 1972.

И. П. Голямина.

МАГНИТОСТРИКЦИЯ (от магнит и лат. strictio — сжатие, натягивание), изменение формы и размеров тела при его намагничивании; открыто англ. учёным Дж. Джоулем (1842). В ферро- и ферримагнетиках (Fe, Ni, Со, Gd, Tb, Dy и др., в ряде сплавов, ферритах) М. достигает значит. ве­личины (относит. удлинение l/l ~10^-5—10^-2). В антиферро-, пара- и диамагнетиках М. в большинстве случаев очень мала (10^-6—10^-7). Об­ратное по отношению к М. явление — изменение намагниченности ферромагн. образца при деформации — наз. магнитоупругим эффектом или Виллари эффектом.

В теории магнетизма М. рассмат­ривают как результат проявления осн. типов вз-ствий в ферромагн. телах: электрического обменного вз-ствия и магн. вз-ствия (см. Ферромагнетизм), В соответствии с этим возможны два вида различных по природе магнито­стрикц. деформаций тел (их крист. решётки): за счёт изменения магн. сил (диполь-дипольных и спин-ор­битальных) и за счёт изменения об­менных сил.

При намагничивании ферро- и ферримагнетиков магнитные силы действуют в интервале от нулевого поля до поля напряжённостью H_s, в к-ром образец достигает техн. магн. насыщения J_s. Намагничивание в этом интервале полей обусловлено процессами смещения границ между доменами и поворота магн. моментов доменов по полю. Оба эти процесса изменяют энергетич. состояние крист. решётки, что проявляется в изме­нении равновесных расстояний между

384


ее узлами. В результате атомы сме­щаются, происходит деформация ре­шётки. М. этого вида зависит от на­правления и величины намагничен­ности J (т. е. анизотропна) и про­является в осн. в изменении формы кристалла почти без изменения его объёма (линейная М.). Для расчёта линейной М. существуют феноменологич. ф-лы. Так, М. ферромагн. кристаллов кубич. симметрии, намагниченных до насыщения, рас­считывается по ф-ле:



где s_i, s_j и _i, _j — направляющие косинусы вектора J_s и направления измерения (относительно рёбер куба), a₁ и a₂ — константы анизотропии М., численно равные:



где (l//l)_[100] и (tl/l)_[111] — макси­мальные линейные М. соотв. в на­правлении ребра и диагонали ячейки, кристалла; их называют магнитострикц. постоянными. Величину _s=(l/l)_s наз. М. насыщения.

М., обусловленная обменными силами, в ферромагнетиках на­блюдается в области намагничивания выше техн. насыщения, где магн. моменты доменов полностью ориен­тированы в направлении поля и про­исходит только рост абс. величины J (парапроцесс). М. за счёт обменных сил в кубич. кристаллах изотропна, т. е. проявляется в изменении объёма тела. В гексагональных кристаллах (напр., в Gd, Tb и др. редкозем. ме­таллах) эта М. анизотропна. М. за счёт парапроцесса в большинстве фер­ромагнетиков при комнатных темп-рах мала, она мала и вблизи точки Кюри, где парапроцесс почти полностью оп­ределяет ферромагн. св-ва в-ва. Од­нако в нек-рых сплавах с малым коафф. теплового расширения (инварных магн. сплавах) М. велика [в магн. полях ~ 8•10⁴ А/м (10³ Э) отношение V/V~10^-5]. Значитель­ная М. при парапроцессе характерна также для ферритов и редкозем. ме­таллов и сплавов при разрушении ни создании в них магн. полем неколлинеарных магнитных структур.

М. относится к т, н. чётным магн. эффектам, т. к. она не зависит от знака магн. поля. Наиболее исследо­вана М. в поликрист. ферромагне­тиках. Обычно измеряется относит. удлинение образца в направлении ноля H (п р о д о л ь н а я М.) или перпендикулярно направлению поля (п о п е р е ч н а я М.). Для металлов и большинства сплавов продольная и поперечная М. в области полей техн. намагничивания имеют разные знаки, причём величина поперечной М. меньше, чем продольной, а в об­ласти парапроцесса эти величины имеют одинаковый знак (рис. 1). Для боль­шинства ферритов как продольная, так и поперечная М. отрицательны. У Fe (рис. 2) продольная М. в слабом магн. поле положительна (удлинение тела), а в более сильном поле отри­цательна (укорочение тела). Для Ni при всех значениях поля продоль­ная М. отрицательна.



Рис. 1. Продольная (I) и поперечная (II) магнитострикция сплава Ni (36%) — Fe (64%). в слабых полях они имеют разные знаки, в сильных — при парапроцессе — одинаковый знак (здесь магнитострикция носит объёмный хар-р).



Рис. 2. Зависимость продольной магнито­стрикции ряда поликрист. металлов, спла­вов и соединений от напряжённости магн. поля.


Большинство сплавов Fe — Ni, Fe — Со, Fe — Pt и др. имеют положительную продоль­ную М.: l/l ~(1—10)•10^-6. Зна­чительной продольной М. обладают сплавы Fe — Pt, Fe — Pd, Fe — Co, Mn — Sb, Mn — Cu — Bi, Fe — Rh. Среди ферритов наибольшая М. у CoFe₂O₄: l/l~ (2—25)•10^-4. Рекорд­но высока М. у нек-рых редкозем. металлов, их сплавов и соединений: у Tb и Dy, TbFe₂ и DyFe₂, ферритов-гранатов (напр., Tb₃Fe₅O₁₂) l/l ~10^-3—10^-2 (в зависимости от ве­личины приложенного поля, при низ­ких темп-pax). М. примерно такого же порядка обнаружена у ряда соеди­нений урана (U₃As₄, U₃P₄ и др.). Величина, знак и графич. ход за­висимости М. от напряжённости поля и намагниченности зависят от струк­турных особенностей образца (кристаллографич. текстуры, примесей посторонних элементов, термич. и холодной обработки). М. в обла­сти техн. намагничивания обнару­живает явление гистерезиса (рис. 3). Исследование М., особенно в области техн. намагничивания, помогает в изысканиях новых магнитных мате­риалов как с высокой М. (см. Магнитострикционные материалы), так и с низкой [напр., отмечено, что высокая магн. проницаемость сплавов Fe — Ni типа пермаллоя связана с тем, что в них мала М. (наряду с малым значением константы магнитной анизо­тропии)].

М. влияет на тепловое расширение ферро-, ферри- и антиферромагнети­ков, т. к. действие обменных (а в общем случае и магнитных) сил про­является не только в магн. поле, но также и при нагревании тел в отсут­ствии поля (т е р м о с т р и к ц и я). Изменение объёма тел вследствие термострикции особенно значительно



Рис. 3. Магнитострикц. гистерезис железа.


вблизи точек магнитных фазовых пере­ходов (точек Кюри и Нееля, при темп-ре перехода коллинеарной магн. структуры в неколлинеарную и др.). Наложение этих изменений объёма на обычное тепловое расширение иногда приводит к аномально малому зна­чению коэфф. теплового расширения у нек-рых материалов, напр. у спла­вов типа инвар (36% Ni, 64% Fe).

Большие аномалии модулей упру­гости и внутр. трения, также наблю­даемые в ферро-, ферри- и антифер­ромагнетиках в окрестности точек Кюри и Нееля и др. магн. фазовых переходов, обязаны влиянию М., воз­никающей при нагреве. Кроме того, при воздействии на ферро- и ферри-магн. тела упругих напряжений в них даже при отсутствии внеш. магн. поля происходит перераспределение магн. моментов доменов (в общем случае изменяется и абс. величина самопроизвольной намагниченности до­мена). Эти процессы сопровождаются дополнит. деформацией тела магнитострикц. природы — механострикцией. В непосредств. связи с механострикцией находится явление изме­нения под влиянием магн. поля мо­дуля упругости ферромагн. металлов (E-эффект).

Для измерения М. наибольшее рас­пространение получили установки, ра­ботающие по принципу механооптич. рычага, позволяющие наблюдать от­носит. изменения длины образца ~10^-6. Ещё большую чувствитель­ность дают радиотехн. и пнтерференц. методы. Получил распространение также метод проволочных датчиков, в к-ром на образец наклеивают проволоч­ку, включённую в одно из плеч моста измерительного. Изменение длины

385


проволочки и её электрич. сопротив­ления при магнитострикц. изменении размеров образца с высокой точностью фиксируют электроизмерит. прибором. На явлении М. основано действие магнитострикц. преобразователей (дат­чиков) и реле, излучателей и приём­ников ультразвука, фильтров и ста­билизаторов частоты в радиотехн. устройствах, магнитострикц. линий за­держки в акустике и т. д.

• Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Белов К. П., Упругие, тепловые и электрические явления в ферромагнетиках, 2 изд., М., 1957; Б о з о р т Р., Ферромагне­тизм, пер. с англ., М., 1956; Редкоземельные ферромагнетики и антиферромагнетики, М., 1965; Белов К. П., Редкоземельные магнетики и их применение, М., 1980.

К. П. Белов.

МАГНИТОСФЕРА, область околозем­ного пр-ва, физ. св-ва, размеры и форма к-рой определяются магн. по­лем Земли и его вз-ствием с потоками заряж. ч-ц от Солнца (солнечным ветром). М. несферична, она сильно вытянута в сторону, противополож­ную направлению на Солнце. С днев­ной стороны поток плазмы солн. ветра сжимает геомагн. поле (искажая его дипольный харак­тер), на ночной стороне силовые линии магн. по­ля вытягиваются в про­тяжённый магн. хвост (рис.). Линии геомагн. по­ля, расположенные выше плоскости эклектики, на­правлены к Солнцу, ниже — от Солнца (согласно рас­положению магн. полюсов Земли). Диаметр хвоста составляет ~40R_зем (земных радиусов). Поля противо­положных направлений в магн. хвосте разделяет токовый слой. Внутри то­кового слоя напряжённость

Строение земной магнитосферы в плоскости, проходящей через магн. полюсы Земли и линию Земля — Солнце.

поля близка к нулю, здесь давление полей разл. направлений уравно­вешивается давлением горячей плаз­мы, поэтому часто говорят, что противоположно направленные поля в геомагн. хвосте разделены нейтр. слоем. Давление магн. поля урав­новешивается давлением плазмы и вдоль всей границы М. Границу М. при грубом рассмотрении мож­но считать непрозрачной для солн. ветра. На дневной стороне граница М.— магнитопауза — прохо­дит на расстоянии ~10r_зем. Напря­жённость поля на границе зависит от параметров солн. ветра и обычно составляет неск. десятков гамм. Сверх­звук. поток солн. плазмы при обте­кании М. вызывает формирование

бесстолкновительной ударной волны. Все линии геомагн. поля в М. можно разделить на два классах ли­нии, близкие к линиям магн. диполя, и линии, уходящие в хвост М. В пр-ве эти два класса линий разделены об­ластями, к-рые наз. полярными ова­лами (северным и южным). Тополо­гия поля в районе овалов такова, что здесь можно говорить о существо­вании магн. щели, в к-рую проникают ч-цы солн. ветра. Особенно эффек­тивно ч-цы проникают в щель вблизи полуденного меридиана, эту область часто называют полярным каспом. Прорвавшиеся в М. ч-цы вызывают полярные сияния, однако процессы в полярных овалах чрезвычайно слож­ны, и происходящие там явления нельзя рассматривать как результат только прямого прорыва ч-ц солн. ветра. Внутр. часть М., расположен­ную в пределах диполеподобного гео­магн. поля (примерно до ЗR_зем), на­зывают плазмосферой. Концентрация ч-ц «холодной» плазмы в плазмосфере составляет ~10⁴ см^-3; ч-цы плазмосферы участвуют в суточном вращении Земли.



Концентрация ч-ц во внеш. части М. на 2—3 порядка ниже, чем в плазмосфере; движение ч-ц плазмы здесь определяется электрич. полями, возбуждаемыми солн. ветром. Общая картина движений (конвекции) ч-ц во внеш. частях М. сильно зависит от величины и направления магн. поля в межпланетной среде.

Во внутр. областях М. магн. поле удерживает, как в магн. ловушке, потоки быстрых ч-ц с энергией в сотни и более кэВ. Эти ч-цы образуют радиационные пояса Земли. Резкое возрастание плотности энергии в солн. ветре приводит к магнитосферным бурям (усилению полярных сияний, возрастанию потоков ч-ц в радиац. поясах, искажению магн. поля Земли). Бури часто объясняют быстрым вы­делением энергии, запасённой в по­лях хвостовой части М. Альтернативным объяснением явл. представление о магнитосферной динамо-генерации эдс на границе М.

Исследования при помощи косм. аппаратов показали, что М. сущест­вует и у нек-рых др. планет. М. Мер­курия напоминает М. Земли, но магн. поле Меркурия значительно слабее. М. Юпитера — самая мощная среди М. планет. Она простирается до 100R_Ю. Большие размеры М. и высокая ско­рость вращения Юпитера приводят к заметному влиянию на М. центробеж­ных сил — М. Юпитера сплющена. На её границе напряжённость магн. поля ~6. Обширной М. окружена планета Сатурн. Магн. поле Венеры опреде­ляется в осн. токами униполярной индукции, возникающими при взаи­модействии солн. ветра с ионосферой. Здесь, как и у комет, можно говорить о наведённой М.

• А к а с о ф у С. И., Ч е п м е н С., Сол­нечно-земная физика, пер. с англ., ч. 1—2, М., 1974—75; X е с с В. Н., Радиационный пояс и магнитосфера, М., 1972; R о е d e r e r J. G., Global problems in magneto-spheric plasma physics and prospects for their solution, «Space sci. rev.», 1977, v. 21, № 1, p. 23—71.

И. М. Подгорный.