явлений. Тело из магнитоэлектрического материала, показан ное на рис. 3.14, будет стремиться совершить вращательное движение под влиянием электрического поля; механизмы, вы зывающие это явление, аналогичны механизмам эффекта Эйн штейна — де Гааза.
6.7. ЭФФЕКТ БАРНЕТТА
Явление, обратное по отношению к эффекту Эйнштейна — де Гааза, состоит в том, что парамагнитный цилиндр намагни чивается, если его вращать с большой скоростью. Значение намагниченности пропорционально скорости вращения.
Этот эффект Барнетта обусловлен упорядочением ориен таций магнетонов под влиянием центробежных сил во вращаю щемся цилиндре (рис. 6.2). По аналогии с эффектом Барнетта цилиндр из магнитоэлектрического материала при быстром вра щении становится электрически поляризованным.
6.8. ЭФФЕКТ МАКСВЕЛЛА
При определенных условиях у некоторых веществ можно наблюдать суммарный гироскопический эффект, порождаемый всеми вращающимися магнетонами. Например, рассмотрим диск, изготовленный из материала, магнетоны которого направлены вдоль оси диска. Если сообщить такому диску крутильное уско рение, то магнетоны начнут прецессировать, и в результате этой прецессии возникнет сила, стремящаяся отклонить диск от плоскости его вращения. Появление такой «опрокидывающей» силы будем называть эффектом Максвелла.
6.9. ПАРАМАГНИТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ |
|
Если резервуар, наполненный немагнитным |
газом, погрузить |
в парамагнитный газ в присутствии внешнего |
магнитного поля |
с градиентом, то резервуар будет испытывать действие силы, которую назовем парамагнитным натяжением.
Магнетоны парамагнитного газа под влиянием внешнего поля упорядочивают свое направление, ориентируясь параллельно силовым линиям. Ориентация одних магнетонов совпадает с направлением поля, другие ориентируются в противоположном направлении, как это обычно бывает при парамагнитных явле ниях. Если магнитное поле неравномерно, то силовые линии могут иметь изменяющуюся в пространстве кривизну и густоту, а также разные длины. Каждую такую силовую линию можно представить как натянутую упругую нить, отталкивающую дру гие аналогичные нити. Натяжение коротких нитей всегда больше, чем натяжение более длинных. В парамагнитных газах эти на тяжения пропорциональны интенсивности магнитного поля и
Рис. 6.3. Парамагнитное натя жение. Полая сфера, помещен ная в намагниченный парамаг нитный газ, испытывает действие силы, которая стремится переме стить ее в направлении умень шения напряженности магнитно го поля:
| — магнетон
числу присутствующих магнетонов. Поскольку число магнетонов пропорционально давлению газа, натяжения рассматриваемых нитей также пропорциональны давлению.
На рис. 6.3 показано неравномерное поле, симметричное от носительно центральной линии. Если сфера, не содержащая па рамагнитных веществ, помещена в центре этого неравномерного поля, то она нарушает симметричную структуру упорядоченных ориентаций магнетонов вдоль силовых линий по обеим сторонам от центра системы. Присутствие сферы устраняет магнетоны, находящиеся на силовых линиях, которые проходят через сферу. Силовые линии без магнетонов слабее, чем силовые линии такой же-длины, на которых имеются магнетоны.
Если рассматриваемая сфера несколько смещена относитель но центральной линии, то она охватывается сравнительно корот кими и сильными силовыми линиями с одной стороны и более длинными, но слабыми силовыми линиями с другой. Такая асимметричная, разрывная структура поля создает силу, застав ляющую сферу смещаться еще дальше от центральной линии, поскольку удаление сферы от центра приводит к восстановлению более сильных силовых линий у задней (по отношению к направ лению движения) части сферы, хотя она и разрывает более слабые силовые линии своей переднёй частью. На сферу про должает действовать сила, стремящаяся переместить ее в ту область пространства, где плотность силовых линий магнитного поля минимальна.
6.10. ВЕСЫ ХЕЙВЕНСА
Как показано на рис. 6.4, из двух полых сфер можно скон струировать прибор типа пружинных весов. В этой системе пара магнитное натяжение стремится повернуть весы в одном направ лении, а пружины противодействуют их повороту. Крутящее
Рис. 6.4. Весы Хейвенса. Поскольку к полой сфере, находящейся в намагничен ном парамагнитном газе, приложена сила, зависящая от концентрации газа, эту силу можно уравновесить силой сопротивления пружины, которая будет указывать концентрацию газа
усилие пропорционально числу парамагнитных магнетонов в па рамагнитном газе.
Если парамагнитный газ смешан с немагнитным газом и имеет постоянное давление, то угол поворота описанных весов Хей венса, соответствующим образом прокалиброванный, будет указывать процентное содержание парамагнитного газа в смеси.
6.11.ПАРАМАГНИТНАЯ ЛЕВИТАЦИЯ
Принцип, иллюстрируемый на рис. 6.3, можно использовать для разделения частиц немагнитных веществ, имеющих разные
Сила I Парамагнит ное тяжести 1 нат яжение
Рис. 6.5. Парамагнитная левитация. Частицы материала, погруженные в на магниченную парамагнитную жидкость, можно разделить в соответствии с их
относительными плотностями за счет уравновешивания парамагнитного натяже ния и силы тяжести:
| — магнетон в парамагнитной жидкости
плотности. В системе, показанной на рис. 6.5, частицы с разными плотностями находятся в парамагнитной жидкости, причем пара магнитное натяжение действует в направлении, противополож ном силе тяжести. Вследствие того что более легкие частицы в большей степени подвержены действию сил парамагнитного натяжения, а более тяжелые частицы — действию силы тяжести, первые стремятся всплыть, а вторые, наоборот, опуститься на дно сосуда.
6.12. МАГНОТЕРМНЫЙ ЭФФЕКТ
Если на некоторый объем парамагнитного газа одновременно воздействуют градиенты магнитного поля и распределения температур, причем прложения максимумов магнитной напря женности и температуры в пространстве не совпадают, то возни кает механическая сила, приложенная к газу. Это явление, ил люстрируемое на рис. 6.6, назовем магнотермным эффектом. Система с таким эффектом функционирует подобно насосу.
Хотя газы в своем большинстве являются диамагнитными, некоторые из них, в частности кислород и оксиды азота, обла дают парамагнитными свойствами. Парамагнитный газ, как вообще все парамагнитные вещества, характеризуется некоге рентным направлением осей магнетонов, когда на них воздейст вуют только силы теплового происхождения. Если же поместить вещество во внешнее магнитное поле, то эти парамагнитные магнетоны приобретут определенную когерентность по направле нию. На рис. 3.3 иллюстрируется распределение ориентаций магнетонов в отсутствие магнитного поля, а на рис. 3.4 показано, как влияют на ориентации магнетонов одновременно действующие тепловые и магнитные силы. Соотношение между тепловым
Рис. 6.6. Магнотермный эффект. Пара магнитное натяжение стремится пере местить парамагнитный газ в на правлении увеличения напряженности магнитного поля. Если этот газ нагреть до температуры, при которой распреде ление ориентаций магнетонов становит ся случайным, то парамагнитное натя жение исчезнет. В показанной системе парамагнитное натяжение заставляет газ течь к нагретой области и дальше в этом направлении, т. е. действует как перекачивающая сила:
^ — магнетон в парамагнитном газе
и магнитным эффектами для парамагнитных веществ описывается характеристикой парамагнетизма Ланжевена на рис. 3.12.
Аналогично всем другим парамагнитным веществам пара магнитный газ, помещенный в магнитное поле с градиентом, испытывает воздействие силы, которая стремится двигать его
внаправлении возрастания напряженности поля. Приложенная
кгазу сила зависит от числа избыточных магнетонов, ориенти рованных в направлении поля. Эта сила увеличивается при увеличении напряженности поля и уменьшается при повышении температуры (см. рис. 3.12). Если парамагнитный газ удержива ется в сосуде при постоянной температуре, причем к нему прило жено магнитное поле с градиентом, то распределение давления газа становится неравномерным, а положение максимума давле ния совпадает в пространстве с точкой максимальной напряжен ности поля. Значение максимального давления уменьшается при повышении температуры.
Допустим, что на газ в сосуде действует одновременно не равномерное магнитное поле и температурный градиент, причем точка расположения температурного максимума несколько сме щена относительно точки расположения максимума магнитного поля. Давление в низкотемпературной области по одну сторону от максимума магнитного поля будет больше, чем в высокотемпе ратурной области по другую сторону от максимума. Эта разность давления вызывает соответствующий циркулирующий поток газа, для которого можно найти полезное применение.
Когда какой-либо газ проходит по двум одинаковым кана лам, снабженным одинаковыми нагревателями, поток газа в одной и той же степени охлаждает оба нагревателя. Если же газ является парамагнитным и один из двух каналов .подвержен совместному действию магнитного и температурного градиентов, как описано выше, то в намагниченном канале установится более интенсивное течение газа, чем в ненамагниченном. Вслед ствие различия скоростей потока в двух каналах степени охлаж дения нагревателей будут различаться. Если нагреватели обра зуют два плеча моста Уитстона, то дисбаланс моста будет указывать относительное количество парамагнитного компонента в струе газа.
6.13. ФЕРРОМАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ
Ферромагнитные жидкости — это жидкости, которые обладают магнитными свойствами и вязкость которых существенно зависит от внешнего магнитного поля. Допустим, что мельчайшие частицы ферромагнитного вещества смешаны с немагнитной жидкостью и образуют суспензию. Вязкость суспензии такого типа будет зависеть от напряженности приложенного магнитного поля. Как показано на рис. 6.7, эту суспензию можно поместить между