Рис. 5.5. Магнитный полупроводник. Удельное сопротивление магнитного по
лупроводника |
принимает |
минимальное |
||
значение вблизи |
его |
точки Кюри: |
||
/ — уменьшение |
заселенности |
носителей; |
||
2 — увеличение |
сил |
теплового |
рассеяния |
|
Ферритом называется непроводящее ферримагнитное вещество, имеющее достаточно большой суммарный магнитный момент, в котором за счет соответствующих обменных сил обра зуются домены аналогично тому, как они формируются в фер ромагнитных веществах.
В случае магнитного полупроводника, изготовленного из легированного феррита, внешние условия, влияющие на носи тель электрического заряда, могут различаться, находясь в диа пазоне от состояния относительной упорядоченности ниже точки Кюри до более хаотичных состояний выше этой точки. Вслед ствие того что тепловая активность способствует случайному рассеянию частиц-носителей, на упорядоченные движения этих частиц налагаются ограничения и при увеличении беспорядка удельное сопротивление вещества также увеличивается. Таким образом, состояние относительной упорядоченности изменяется от «спокойного» ферримагнетизма до «яростного» парамаг нетизма.
Магнитный полупроводниковый эффект объединяет в себе явления увеличения популяции частиц-носителей при повышении температуры и перехода от упорядоченных к случайным ориента циям магнетонов в точке Кюри, в результате чего кривая зависимо сти удельного сопротивления от температуры приобретает мини мум вблизи точки Кюри (рис. 5.5).
6. МЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
На любую систему действуют ограничивающие силы, стре мящиеся минимизировать содержание энергии в системе. К этим ограничивающим силам относятся и кулоновские силы магнитных систем. Если движение двух тел с магнитными за рядами навстречу одно другому приводит к уменьшению общей энергии системы, то существует сила притяжения между этими телами, и, наоборот, если такое движение увеличивает общую энергию системы, то эти тела взаимно отталкиваются.
Напряжнность магнитного поля — это одно из проявлений энергии системы. Если движение тела в магнитном поле ка ким-либо образом влияет на напряженность поля, то приложен ная к телу сила, стремящаяся переместить его в определенном направлении, будет минимизировать напряженность данного поля.
6.1. СИЛА АМПЕРА
Соглсно закону Био — Савара электрический ток, текущий в проводе, создает вокруг этого провода магнитное поле. На правление поля определяется правилом правой руки.
Ампер обнаружил, что два провода, по которым текут токи в противоположных направлениях, отталкиваются один от друго го, тогда как два провода с токами одного и того же направ ления взаимно притягиваются. В первом случае поля Био — Савара в области между двумя проводами ориентированы в одинаковых направлениях, так что они взаимно усиливаются, и напряженность суммарного поля увеличивается. Поскольку усиление поля требует увеличения поддерживающей его энергии, провода отталкиваются один от другого. Во втором случае, поскольку поля между двумя проводами направлены проти воположно, суммарное поле ослабляется, и требуемая для его поддержания энергия уменьшается; следовательно, провода должны притягиваться один к другому.
Проволочный контур, по которому течет электрический ток, принимает круглую форму, если этому не препятствуют нало женные на него механические связи. Это объясняется тем, что элементы тока на противоположных сторонах контура ориентиро ваны в противоположных направлениях и взаимно отталкиваются. И наоборот, элементы тока в смежных витках соленоида имеют одно и то же направление и поэтому притягиваются один к дру гому. В результате витки соленоида испытывают действие сил Ампера двух типов: радиальных сил, стремящихся растянуть каждый виток до максимально возможных размеров, и осевых сил, стремящихся сжать витки вдоль оси соленоида.
6.2. ПИНЧ-ЭФФЕКТ
Пинч-эффект — это явление, связанное с реакцией жидких проводников на силы сжатия, которые порождаются параллельны ми потоками частиц-носителей, входящих в состав жидкости.
Согласно положениям теории сил Ампера между отдельными частицами-носителями, движущимися однонаправленными, па раллельными потоками в одном проводнике, возникают силы взаимного притяжения. Эти же самые частицы-носители ис пытывают силы взаимного отталкивания, обусловленные их оди наковыми электрическими зарядами. При разных условиях пре
обладающую роль могут играть силы одного или другого из двух указанных типов.
Взаимное притяжение между частицами-носителями создает в проводнике сжимающие силы, направленные радиально, Проводники из твердого вещества легко выдерживают такие радиальные, или поперечные, силы, тогда как жидкости и газы при этом не могут сохранить свою форму. В результате сжи мающая сила Ампера в жидком или газообразном проводнике может сжать такой проводник до нулевого радиуса, при этом говорят, что проводник «пережимается».
Можно сконструировать колебательные системы, основанные на пинч-эффекте. В них течение тока через жидкий проводник вызывает механическое пережатие. Последнее приводит к раз рыву проводника, тем самым нарушая его электрическую непре рывность и прекращая течение тока. Как только ток прекращает ся, исчезают силы, обусловливающие пинч-эффект, и жидкий проводник восстанавливает свою непрерывность. Этот процесс повторяется с регулярным прерыванием и восстановлением элек трического контакта.
6.3. МАГНИТНАЯ ЖЕСТКОСТЬ
Проводящая жидкость при своем движении стремится пере мещаться в направлении силовых линий магнитного поля. Согласно закону Лоренца частица-носитель испытывает дейст вие силы, если она движется поперек силовых линий поля, если же ее движение направлено вдоль силовых линий, то такая сила отсутствует.
Когда проводящая жидкость течет через магнитное поле, причем у частиц-носителей имеется определенная тенденция отклоняться от направления силовых линий поля и двигаться в поперечном направлении, силы Лоренца стремятся восстано вить направление движения частиц-носителей, чтобы течение
происходило в направлении |
поля. |
Магнитная жесткость |
проявляется в виде сил про |
дольного растяжения и |
поперечного сжатия, приложенных |
к движущейся проводящей жидкости под влиянием внешнего магнитного поля и противодействующих любому поперечному смещению частиц жидкости по отношению к направлению маг нитного поля.
6.4. ИЗМЕНЕНИЕ РАЗМЕРОВ
Вещества, подверженные поляризации любого типа, несколь ко изменяют свои размеры. Эти изменения являются результатом действия сил взаимного притяжения или отталкивания, возни кающих между отдельными диполями, электрическими или маг нитными, при различных структурах их распределения. На
Рис. 6.1. Парамагнитная деформация. При помещении в магнитное поле тела
из парамагнитного вещества его размеры несколько изменяются:
| — магнетон
рис. 3.5 иллюстрируются две структуры распределения магнето нов, при которых в присутствии внешнего упорядочивающего поля могут наблюдаться изменения размеров, противоположные по характеру.
У ферромагнитных веществ наблюдается явление магнитострикции (см. гл. 16), заключающееся во взаимной зависимости между напряженностью магнитного поля и механической дефор мацией. У неферритных веществ внешнее магнитное поле может вызвать деформации, но упомянутая зависимость отсутствует. На рис. 6.1 иллюстрируется возникновение деформации пара магнитного материала под влиянием магнитного поля. Здесь внешнее магнитное поле заставляет магнетоны образовать упо рядоченную по ориентациям структуру, порождающую деформа цию. Однако деформация не может сама по себе упорядочить случайно распределенные ориентации магнетонов и создать какую-либо регулярную структуру, которая породила бы маг нитное поле.
Любая сила, изменяющая размеры тела,— тепловая, меха ническая, магнитная или электрическая — должна привести так же к изменению удельной электрической проводимости и удель ной теплопроводности вещества, из которого состоит тело. Неко торые связанные с этим явления более подробно обсуждены в следующих параграфах.
6 .5. ОТВЕРДЕВАНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ферромагнитные материалы становятся более жесткими в присутствии магнитного поля. Если такое поле оказывает влияние на атомную структуру вещества, то это приводит к из
менению характеристик вещества, зависящих от его атомной структуры, в частности изменяются механические свойства ве щества и происходит целый ряд различных явлений электропре образования (некоторые из них описаны в гл. 16). В зависимости от того, насколько подвержена этому влиянию структурная жесткость материала, может изменяться его коэффициент упругости.
6.6. ПОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СИЛ
Магаетоны со спином обладают как магнитным, так и меха ническим моментом. Одновременное присутствие этих моментов в одном и том же теле создает благоприятные условия для взаимодействия между моментами каждого из этих двух типов и различными внешними вынуждающими полями.
Эффект Эйнштейна — де Гааза заключается в том, что пара магнитное тело стремится совершить вращательное движение, если его внезапно намагнитить. Магнитное поле вынуждает вращающиеся системы электронов упорядочивать свои ориента ции, и при этом все они должны прецессировать в одном и том же направлении, пока не достигаут новых устойчивых ориентаций. Переходное крутящее усилие, приложенное к телу, является результатом суммарного действия прецессий всех магнетонов.
Эффекты Эйнштейна— де Гааза, Барнетта и Максвелла представляют собой частные разновидности гиромагнитных
Рис. 6.2. Эффект Барнетта. Тело из парамагнитного вещества, вращающееся относительно своей оси, намагничивается в направлении этой оси:
| — магнетон