Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям

В результате процесса перемагничивания происходят потери энергии трех различных типов: во-первых, потери при выше­ описанном возбуждении петли гистерезиса, во-вторых, резистив­ ные потери из-за вихревых токов и, в-третьих, потери в резуль­ тате механических деформаций материала. Последние могут быть обусловлены либо силами Ленца, либо магнитострикцией.

Если стенки доменов прикреплены к дефектным областям, то, «отскакивая» от этих точек, они движутся с довольно боль­ шими скоростями. Результатом этого являются большие потери на вихревые токи, так как последние пропорциональны скорости смещения стенок доменов.

4.8. ВРАЩАТЕЛЬНЫЙ МАГНИТНЫЙ ГИСТЕРЕЗИС

Если диск из ферромагнитного материала помещен в магнит­ ное поле, параллельное плоскости диска, то возникает сопро­ тивление вращению диска. Следовательно, для вращения такого диска против крутящего момента требуются затраты энергии. В этих условиях намагниченность вещества диска не совпадает по направлению с приложенным магнитным полем, и угол ее ориентации зависит от формы петли гистерезиса данного вещества и от скорости вращения диска.

4.9. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ

Изменение внешнего магнитного поля может вызвать пере­ распределение энергии на атомном уровне, в том числе перерас­ пределение тепловой энергии. Если в результате этого некоторые узлы кристаллической решетки станут теплее, чем другие, то потребуется определенный период времени, чтобы данное тело в целом достигло теплового равновесия.

Магнитотепловое последействие — это задержка изменения "намагниченности, сопровождающая изменение приложенного поля и вызванная различными тепловыми явлениями, которые при­ водят к перераспределению локальных разностей температуры.

В некоторых случаях данный ион может занимать любое из двух положений в кристаллической решетке, различающихся малым приращением энергии. Перераспределение энергии, выз­ ванное изменениями магнитного поля, может обеспечить ука­ занное приращение энергии между двумя положениями, так что под влиянием соответствующего изменения поля этот ион может перейти из одного положения в другое. Такое переме­ щение не обязательно происходит мгновенно, поскольку оно зависит также и от случайной тепловой активности ионов в кристаллической решетке.

Магнитохимическое последействие — это задержка изменения намагниченности, сопровождающая изменение приложенного

поля и вызванная диффузией ионов из одной совокупности положений в кристаллической решетке в другую.

Эффект магнитного отпуска — это изменение размеров кри­ сталла, вызванное продолжением предшествующих движений ядер. В данном случае ионы перемещаются при изменении магнитного поля, однако в процессе периодического изменения ориентации поля они продолжают двигаться в одном и том же общем направлении, иными словами, они движутся под влиянием определенного изменения поля, но не возвращаются обратно при изменении направления поля на противоположное. Такое однонаправленное результирующее движение частиц в присутст­ вии двунаправленных периодических изменений поля продол­ жается до тех пор, пока кристалл не достигнет наиболее стабиль­ ных размеров.

5. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Электрон, движущийся по молекулярной орбите, обладает некоторым количеством потенциальной энергии. Таким образом, орбита сама по себе соответствует некоторому уровню потен­ циальной энергии.

Уровни потенциальной энергии «основных» орбит определя­ ются при условии, что ориентации всех электронных магнетонов остаются некогерентными из-за тепловой активности. Вследствие этой некогерентности по направлениям магнетонов не проис­ ходит обмена силами магнетонного происхождения между орби­ тальными электронами. Если же магнетоны орбитальных элек­ тронов упорядочены по направлению под влиянием приложен­ ного магнитного поля, то становится возможным взаимодейст­ вие между теми из них, которые движутся по орбитам соседних молекул. Такое взаимодействие увеличивает потенциальную энер­ гию одних орбит и уменьшает потенциальную энергию других. Соответствующие механизмы иллюстрируются на рис. 8.3 и 8.4. Хотя здесь показаны протонные магнетоны, точно такие же соотношения с притяжением или отталкиванием характерны и для электронных магнетонов. Коротко говоря, на магнетон воздействует иное магнитное поле, когда соседние магнетоны упорядочены по направлению, чем при случайном распределении ориентаций магнетонов. Эти изменения уровня энергии магнетонных орбит в результате взаимодействия не очень велики в срав­ нении с основной энергией орбиты, однако они могут быть обнаружены.

Это смещение обусловлено небольшими изменениями орбиталь­ ной потенциальной энергии, вызванными взаимодействием элек­ тронных магнетонов. Кроме эффекта Зеемана магнитное поле

может вызвать изменение соотношений связи. Это также явля­ ется следствием изменений орбитальной энергии под влиянием приложенного магнитного поля. Поскольку тепловая актив­ ность тоже приводит к изменению соотношений связи, могут происходить различные взаимодействия с участием и магнитных полей, и температурных изменений, совместно влияющих на молекулярные структуры.

Непосредственным результатом указанных структурных из­ менений является зависимость удельного сопротивления, диэлек­ трической проницаемости, магнитной восприимчивости и формы поверхности Ферми данного вещества от характера распределения упорядоченных ориентаций магнетонов. Именно в той мере, в какой эти распределения определяются тепловыми и магнитными силами, электронные характеристики вещества также подвер­ жены изменениям под влиянием таких сил.

Поскольку намагниченность вносит определенный вклад в химические связи, изменение температуры вещества может повлечь за собой изменение намагниченности, и, наоборот, изменение намагниченности может повлиять на температуру. Магнитокалорический эффект — это изменение температуры, вызванное самопроизвольной намагниченностью вещества, а магнитотепловой эффект — это изменение температуры, вызван­ ное намагниченностью под влиянием приложенного магнитного поля. Эти два явления взаимосвязаны и обусловлены перерас­ пределением энергии между частицами и связями в молекулярных структурах. Такое перераспределение энергии может осуществ­ ляться посредством различных механизмов.

В то же время явление магнитного охлаждения — это результат действия лишь одного механизма. В этом случае про­ исходит уменьшение энтропии системы за счет внесения определенного порядка в тепловое беспорядочное состояние частиц парамагнитного вещества. Вообще говоря, упорядо­ ченная система обладает меньшей энергией, чем аналогичная неупорядоченная система. При магнитном охлаждении темпе­ ратура вещества несколько снижается под влиянием приложен­ ного внешнего магнитного поля. Если вещество уже имеет очень низкую температуру, то это небольшое снижение темпе­ ратуры может играть важную роль; в частности, такой метод полезен для получения температур, близких к абсолютному нулю.

5.1. ХИМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ

Согласно закону Вольта между двумя различными веществами, находящимися в контакте между собой, возникает разность электрических потенциалов. Значение этой разности потенциалов зависит от химической природы контактирующих веществ.

Среднее значение энергии свободных электронов, движу- 'щихся через вещество, называется граничной энергией Ферми, или уровнем Ферми. При заданных внешних условиях каждое вещество характеризуется определенной граничной энер­ гией Ферми. Если между двумя веществами с разными уров­ нями Ферми устанавливается контакт, то электроны перемеща­ ются из одного вещества в другое до тех пор, пока разность между уровнями Ферми этих веществ не будет уравновешена электрическим потенциалом между ними. Здесь миграция элек­ тронов под влиянием разности уровней Ферми порождает разность потенциалов Вольта.

При изменении внешних условий изменяется и разность потенциалов между двумя контактирующими веществами. Эти изменения разности потенциалов лежат в основе эффекта термопары, поскольку разность потенциалов имеет разные значения при разных температурах. Такое различие в разности потенциалов позволяет получать электрическое напряжение, создающее ток в электрической цепи.

В дополнение к этому граничная энергия Ферми зависит от анизотропии кристалла. Поэтому граничная энергия Ферми имеет разные значения при рассмотрении ее в разных направ­ лениях относительно осей кристаллической решетки. Поверхность Ферми — это представление изменения граничной энергии Ферми в сферической системе координат.

Любое явление, связанное с граничной энергией Ферми, зависит от структуры кристалла, от направления, по которому эта структура наблюдается, и от изменений этой структуры. Од­ ним из следствий изменения формы поверхности Ферми, в част­ ности, является отклонение электрического сигнала на выходе термопары при ее механической деформации.

5.2. ЭФФЕКТ НЕРСТА

Эффектом Нерста называют магнитное проявление эффекта Зеебека, когда выходное напряжение термопары зависит от напряженности магнитного поля, а также от температурного градиента.

Термоэлектрические эффекты являются результатом воз­ никновения разности граничных энергий Ферми при различных температурных условиях. Воздействие магнитного поля на ани­ зотропный кристалл может изменить форму поверхности Ферми, характеризующей анизотропию кристалла. Это приводит к из­ менению разностей граничной энергии Ферми, возникающих при двух различных температурах. Вследствие того что намагничен­ ность изменяет форму поверхности Ферми, приложенное извне магнитное поле вносит изменения в эффект Томсона и эффект Пельтье, а это влечет за собой соответствующие изменения эффекта Зеебека.

Рис. 5.1. Эффект Нерста. Напряжение иа выходе термопары изменяется, если

На рис. 5.1 показана термопара, на один спай которой воз­ действует внешнее магнитное поле, упорядочивающее ориентации магнетонов. В другом спае, не испытывающем влияния внешнего поля, ориентации магнетонов имеют случайное распределение. Два спая термопары могут находиться под воздействием одного и того же магнитного поля или разных полей, причем эти поля могут изменяться по величине и направлению. Хотя возможно бес­ численное количество различных явлений, сопровождающих эти изменения, в основе этих явлений лежат всегда одни и те же механизмы: эффект Зеебека определяется соотношением между двумя поверхностями Ферми, тогда как эффект Нерста явля­ ется результатом деформации этих поверхностей под влиянием приложенных магнитных полей.

5.3.УПОРЯДОЧЕНИЕ ОРИЕНТАЦИЙ МАГНЕТОНОВ

Вферромагнитных и антиферромагнитных веществах магнетоны самопроизвольно выстраиваются по направлению, образуя регулярные структуры, под воздействием обменных сил.

Антиферромагнитные магнетоны формируют структуры с индиви­ дуальным противодействием, а ферромагнитные магнетоны — структуры с групповым противодействием. Что касается пара­ магнитных магнетонов, то они вследствие тепловой активности образуют динамическую структуру с непрерывно меняющимися и случайно распределенными ориентациями. Эти относительно свободные магнетоны могут быть упорядочены по направлению под действием приложенных внешних полей.

Ферромагнитные вещества становятся парамагнитными при температурах выше их точки Кюри, тогда как антиферромаг­ нитные вещества становятся парамагнитными при температурах выше их точки Нееля.