Gde god da pogledate, svuda je magnet. Nekada su školarcima govorili samo o kompasu, kasnije - o upotrebi u industriji, nedavno su počeli pričati o budućem maglev vozu. Iako bi se moglo reći da je svaki elektromotor i bilo koji transformator elektromagnet. Danas je postalo lakše uvjeriti čitaoca u važnost magneta: dovoljno je reći da gotovo sigurno ima magnet kod kuće (na vratima frižidera i u mikrotalasnoj), u džepu (u mobilnom telefonu), desetine magneta - u kompjuteru i automobilu. U industriji i medicini ih se uopće ne može računati, a i fizici elementarne čestice bez njih se ne može - nalaze se duž cijelog perimetra ubrzavajućeg prstena iu većini detektora elementarnih čestica.

Postoje trajni magneti, postoje elektromagneti. Konstante imaju jedan veliki plus - ne troše energiju, i nekoliko minusa - njihovo polje se ne može podesiti (i ako je moguće, polako - mehanički se kreće), i ne može biti jako jako. Elektromagneti nemaju ovih nedostataka, ali imaju jedan koji nemaju trajni magneti - troše energiju, a troše mnogo. Ponekad se kaže da elektromagneti sa supravodljivim namotajima, poput onih u Tokamaku, rješavaju problem. Ali, prvo, ni tečni helijum ni tečni azot se ne mogu uzeti iz jezera na Zemlji, a drugo, magnetsko polje takvih elektromagneta je takođe teško regulisati.

Pojavljuje se ideja: ukrštati električno i magnetsko polje, pronaći supstancu ili stvoriti materijal, kada se stavi u električno polje, postaje magnet, au magnetskom polju, naprotiv, pokazuje električna svojstva. Takve supstance su opisane u članku A.P. Pyatakova i A.K. Zvezdina iz Moskve državni univerzitet njima. M.V. Lomonosov i Institut za opštu fiziku. A. M. Prokhorova.

Varijabilni permanentni magnet

Magnetski i električni fenomeni poznati su od davnina, ali ih je bilo moguće povezati mnogo kasnije, nakon djela klasika elektromagnetizma: Oersteda, Amperea, Faradaya, Maxwella. Nakon Ampera, magnetska svojstva trajnih magneta počela su se objašnjavati "molekularnim" strujama koje teku unutar tvari u svakom molekulu. Iako je priroda molekularnih struja dugo ostala neshvaćena, sama mogućnost stalnog kretanja naelektrisanja unutar materije izgledala je obećavajuće (ova mogućnost se ostvaruje i u supravodnicima, ali na niskim temperaturama). Ako uz pomoć električno polje uspjeli utjecati na molekularne struje, bilo bi moguće kontrolisati trajne magnete gotovo bez gubitka energije.

S lijeva na desno: Pierre Curie (1859–1906), Bernard Tellegen (1900–1990), L. D. Landau (1908–1968) (desno) i E. M. Lifshitz (1915–1985), I. E. Dzyaloshinsky (lijevo) i D. George Rado, G. A. Smolenski (1910–1986)

Godine 1884. francuski fizičar Pierre Curie sugerirao je da postojanje takvih molekula i supstanci koje bi se magnetizirale pod utjecajem električnog polja nije u suprotnosti sa poznatim zakonima. Američki inženjer elektronike Bernard Tellegen kasnije je predložio stvaranje kompozita - magnetoelektričnog medija u obliku suspenzije, gdje bi čestice plutale, predstavljajući magnete povezane s komadićima elektreta. A elektret je tvar koja se može „napuniti“ vanjskim električnim poljem, a nakon toga stvara električno polje oko sebe dugo, na primjer, godinama, kao što magnet stvara magnetsko polje. Mnogi dobri dielektrici su elektreti, ali materijali koji kombinuju svojstva i elektreta i magneta nisu pronađeni niti stvoreni. Iako su smislili naziv - "magnetoelektrici".

Stvari su krenule s početka kada su L. D. Landau i E. M. Lifshits istakli da magnetoelektrike treba tražiti među antiferomagnetima, odnosno kristalima koji se sastoje od suprotno magnetiziranih podrešetki (slika 1). Godine 1959. I. E. Dzyaloshinsky je nazvao specifično jedinjenje - Cr2O3, a godinu dana kasnije magnetoelektrični efekat u ovom materijalu otkrio je D. N. Astrov. Nekoliko godina ranije, američki naučnici u grupi profesora Džordža Rada pokušali su da otkriju magnetoelektrična svojstva razne supstance, ali se potraga pokazala bezuspješnom, jer nisu znali za djela Landaua, Lifshitza i Dzyaloshinskyja - prijevodi knjiga i članaka izašli su sa zakašnjenjem. Saznavši za Astrovo otkriće, pokazali su i suprotan efekat na Cr2O3 - električnu polarizaciju izazvanu magnetnim poljem.

Rice. 1. Antiferomagnetizam. Ideju antiferomagnetskog uređenja anticipirali su crteži Mauricea Eschera, na primjer, "Dan i noć" (a), u susjednim čvorovima kristalne ćelije, magnetske strelice (momenti) iona usmjerene su suprotno ( b)

Istovremeno, na Lenjingradskom institutu za fiziku i tehnologiju, u grupi G. A. Smolenskog, tražili su magnetne feroelektrike. Obični feroelektrik je tvar koja sama po sebi, bez sudjelovanja vanjskih utjecaja, stvara električno polje i iznutra i izvana, odnosno, u određenom smislu, električni analog trajnog magneta. Magnetni feroelektrik je materijal u kojem bi se, u nedostatku vanjskih polja, uočile i magnetizacija i električna polarizacija. Trebalo je zamijeniti jone magnetnim elementima u već poznatim feroelektricima, a prvi "feromagnetski" (ili "multiferoični", kako se ovi materijali sada nazivaju) pokazao se "složenim", bio je to čvrsto rješenje (1–x)Pb(Fe2/3W1/3)O3 - xPb(Mg1/2W1/2)O3.

Feromagnetici i multiferoici: pojmovi himere

Na moju nesreću, prizvao sam Duhove.
J. W. Goethe, "Čarobnjakov šegrt"

Tri klase feroika: feroelektrične, magnetne i feroelastične supstance. Na preseku ovih skupova leže multiferoici

Mnoge poznate riječi su poput mitološke himere - životinja s lavljom glavom, kozjim tijelom i zmijskim repom. Tako se ispostavilo da je riječ "autobus" kombinacija dijelova riječi "auto" i "omnibus" (od latinskog omnibus - svima, za svakoga). Slično, izraz "feromagnetski" sastoji se od dvije riječi "feroelektrični" i "feromagnet". Reč "feroelektrik" dolazi od prve otkrivene supstance u kojoj postoji polarizacija u odsustvu električnog polja (spontana električna polarizacija), Rochelle soli, nazvane po francuskom farmaceutu Seignette. I postoji još jedno čudo - tvari u kojima se, kada temperatura padne, kristal, ostajući netaknut, razbija u domene - područja s različitim orijentacijama kristalne rešetke (ovo se naziva strukturnim fazni prelaz). Dakle, riječ "feromagnetski" je već prilično čudan hibrid, ali je izraz "multiferoic" još više "himeričan".

Himera antičke mitologije

Na engleskom naučna literatura imena sve ove tri klase supstanci počinju prefiksom "fero": feromagnetici, feroelastici, feroelektrici, iako gvožđe s tim nema nikakve veze. To, međutim, nije spriječilo da je sredinom prošlog stoljeća japanski naučnik Keichiro Aizu sve tri klase nazvao općim terminom "feroici" - feroici. Slična priča se dogodila u engleski jezik: komad iz “omnibusa” prešao je u “bus”, a zatim je bus postao samostalna riječ, što znači, pored magistrale, i kanal za prijenos podataka.

U slučaju feroika, priča se nastavila: početkom devedesetih godina prošlog stoljeća iz boce je pušten novi duh - izraz "multiferoic" (od latinskog multi - mnogo) - da bi se označila supstanca koja istovremeno pripada u najmanje dvije klase feroika. Početkom našeg veka, kada su novi mediji sa magnetnim i električna svojstva, ova riječ je neočekivano brzo dobila priznanje i zamijenila „feromagnetski“, tako da se tvorac neologizma, švicarski naučnik Hans Schmid, kada je riječ o pojmu koji je izmislio, podsjeća na Geteovu pjesmu, odlomak iz koje je dat kao epigraf.

Miks ili sloj?

Kasnije su pronađena i jednostavnija jedinjenja, a posebno zanimljivim se pokazao bizmut ferit BiFeO3 (sl. 2). Većina njegovih izvanrednih svojstava je rezultat razlika u odnosu na idealnu kubičnu strukturu. Rotacija oktaedara kiseonika (slika 2a) dovodi do činjenice da u ovom antiferomagnetu magnetne strelice susednih jona više nisu striktno suprotne, formirajući ugao manji od 180 stepeni. Kao rezultat toga, oni se međusobno ne kompenziraju u potpunosti, a pojavljuje se ukupna magnetizacija kristala (takvi materijali se nazivaju slabi feromagneti). Električna i magnetoelektrična svojstva su posljedica pomaka iona duž glavne dijagonale kocke, kao i izobličenja oktaedra (slika 2b). Kristal ferita bizmuta se također može rastegnuti u svjetlosnim zracima (slika 2c) i transformirati u poluvodičku diodu pod djelovanjem električnog polja (slika 2d). Posljednja transformacija nastaje zbog slobodnih mjesta kisika - nabijenih defekata koji mijenjaju vrstu vodljivosti.

Rice. Slika 2. Kristalna struktura bizmut ferita: joni gvožđa su u centrima kocki, joni bizmuta su u vrhovima, joni kiseonika su u centrima lica: rotacija oktaedara kiseonika (a), pomeranje jona duž dijagonala kocke i njome uzrokovano izobličenje oktaedara - pomaci jona prikazani su strelicama (b), elektrostrikcija u bizmut feritu - istezanje uzorka pod dejstvom svetlosnog zračenja, pod lampom od sto vati, relativna elongacija je oko hiljaditi deo procenta, što i nije tako malo za čvrsto telo(u), p-n formacija prijelaz pod djelovanjem električnog polja kao rezultat kretanja slobodnih mjesta kisika (d)

Postoji vrlo malo takvih "visokotemperaturnih" magnetoelektrika kao što je bizmut ferit, jedva ih je više od desetak, a čak i oni imaju značajan nedostatak - primjetnu provodljivost na sobnoj temperaturi. Time se poništava glavna prednost magnetoelektrične metode dobijanja magnetsko polje- kada se primeni električno polje, u takvoj materiji će početi da teče struja, što znači da potrošnja energije postaje primetna. Stoga su 70-ih godina prošlog stoljeća učinjeni prvi pokušaji stvaranja umjetnih kompozitnih magnetoelektričnih medija u obliku mješavine dva praha (slika 3a): magnetostriktivne čestice mijenjale su oblik u magnetskom polju, djelovale su na piezoelektrične čestice. , a te su, pak, deformacije bile električno polarizirane.

Ideja je bila odlična, ali efekat je bio mali i nestabilan. Prilikom miješanja nastajale su grudvice i ugrušci, a formiranje kanala od provodnih magnetostriktivnih čestica dovelo je do "kratkog spoja" uzorka, a samim tim i do izostanka električnog napona. Tada je došla ideja o „torti od slojeva“ ili sendviču od magnetostriktivnih i piezoelektričnih materijala zalijepljenih zajedno (slika 3b). Provodni kanali se više nisu formirali, a magnetoelektrični efekat je postao 50 puta veći nego u Cr2O3. Uz pomoć senzora na sendvič strukturama bilo je moguće izmjeriti magnetna polja milion puta manja od Zemljinog - takvo stvara naše srce, destilirajući krv kroz krvne sudove.

Kada struktura utiče na svojstva

Nova faza u stvaranju kompozitnih materijala došla je sa pojavom moderne tehnologije: sada se umjetni magnetoelektrici prave na čipovima u obliku filmova sa stupastim nanostrukturama (slika 3c). Sendvič strukture u dizajnu nanofilma ne funkcioniraju dobro - prianjanje na podlogu-čip ne dozvoljava im da se slobodno deformiraju, a stupovi se lako sabijaju i rastežu u vertikalnom smjeru. Osim toga, takve strukture nije bilo potrebno posebno kreirati; one se "samoorganiziraju" uz istovremeno taloženje dvije tvari na podlogu: magnetostriktivne, na primjer, spinel CoFe2O4, i piezoelektrične, na primjer, barij titanat BaTiO3 ili bizmut ferit BiFeO3. Promjenom kristalografske orijentacije supstrata, moguće je uzgajati i magnetostriktivne stupove u piezoelektričnoj matrici i piezoelektrične kolone u magnetostriktivnoj matrici (slika 4).

Rice. 4. Struktura nanokompozita zavisi od kristalografske orijentacije ravni supstrata: supstrat sa (001) orijentacijom (a), supstrat sa (111) orijentacijom (b); kocke odgovaraju piezoelektričnim kristalima, oktaedri odgovaraju kristalima magnetostriktivnog materijala

Šta uzrokuje da se dvije faze talože na ovaj način? Ista pojava koja uzrokuje da se kap vode zamuti na čistom staklu i otkotrlja u loptu na površini natrljanoj voskom - površinski napon. Ako se supstrat preseče okomito na kristalografski pravac (tj. z os koordinatnog sistema), tada supstanca magnetostriktivnog materijala ne vlaži površinu, skupljajući se u kapi, koje potom prerastaju u stubove, dok piezoelektrična faza vlaži supstrat i obavija kolone, formirajući matricu. Na (111) podlozi sve se događa obrnuto: unutar magnetostriktivne matrice raste stupasta struktura piezoelektrika.

Kada su karakteristične dimenzije nanostruktura nekoliko međuatomskih udaljenosti, faze kompozita počinju utjecati unutrašnja struktura i svojstva jedni drugih. Ako su slojevi barij titanata prošarani magnetnim materijalom slične kristalne strukture, na primjer, lantan manganit sa supstitucijom kalcija La0,7Ca0,3MnO3, tada se dobije umjetni magnetoelektrični medij: zbog neposredne blizine kristalne strukture dva materijala su podvrgnuta međusobnim distorzijama, što dovodi do interakcije električnog i magnetnog podsistema. Odnosno, bilo je moguće ne samo stvoriti nanostrukturirani materijal, već i izvršiti inženjering atomskom nivou, mijenjajući svojstva samih supstanci-komponenti.

Ali što je s Curiejevom originalnom idejom o magnetoelektričnim molekulima? Može se implementirati u Dy3 organske molekularne nanoklastere, u kojima tri atoma disprozijuma formiraju pravilan trokut kao magnetni atomi (slika 5a). U stanju molekula sa najnižom energijom (u osnovnom stanju), magnetne strelice (momenti) disprozijum jona su orijentisane paralelno sa suprotnom stranom trokuta (slika 5a). Kada bi bilo više magnetnih jona (kao, na primjer, u nedavno sintetiziranom klasteru Dy6), oni bi formirali “vrtuljak” magnetnih momenata (slika 5b). Takav poredak se naziva "toroidalnim", jer se kružni elektromagnet može stvoriti namotavanjem žice oko magnetne jezgre u obliku krafne (torusa). Strukture sa toroidnim uređenjem, slijedeći tradiciju da se svako sređivanje označava riječju "fero", nazivaju se "ferotornim". Imaju magnetoelektrični efekat - primjena magnetnog polja uzrokuje preraspodjelu magnetnih momenata: povećava se broj iona čiji su magnetni momenti usmjereni duž magnetnog polja. Pomicanje magnetnih jona povlači za sobom preraspodjelu naboja, tako da dolazi do električne polarizacije. Međutim, stanja molekula u kojima su magnetni momenti usmjereni u smjeru kazaljke na satu i stanja sa smjerom momenata suprotno od kazaljke na satu ostvaruju se s jednakom vjerovatnoćom, te će u tim slučajevima magnetoelektrični efekat biti suprotan. Dakle, ostaje problem kako dobiti toroidne strukture s jednim smjerom rotacije magnetnih momenata.

Rice. 5. Organski molekularni nanoklaster na bazi jona retkih zemalja: međusobna orijentacija magnetnih momenata disprozijum kationa (a); kod toroidnog uređenja magnetnih momenata u vanjskom magnetskom polju H, osim magnetizacije, indukuje se i električna polarizacija P (b); za poređenje - toroidni elektromagnet (u sredini)

Memorija neće izaći iz monitora

Tellegenova ideja o kompozitu koji se sastoji od magnetoelektričnih čestica koje rotiraju u tekućini ostvarena je pojavom prvog modela elektronske tinte - girikona (od grčkog "rotirajuća slika"). Girikon je polimerni medij u koji su ugrađene dvobojne sferične polietilenske čestice koje rotiraju unutar šupljina s tekućinom (slika 6). Hemisfere čestice nisu se razlikovale samo po boji, već i po boji električni naboj. Stoga su se mogli orijentirati primjenom električnog polja, a na bijeloj pozadini pojavila su se crna slova. Kada su magnetne nečistoće uvedene u čestice, električno polje je počelo da kontroliše magnetizaciju sistema. Međutim, za rotaciju je trebalo oko sekunde, pa se pojavila ideja da se "magnetizira" ne elektronski papir, već glavna komponenta druge vrste displeja - tečni kristali.

Rice. 6. Hyricon: polimer sa ugrađenim crno-bijelim sfernim česticama (a), magnetoelektrični kompozit na bazi girikona: dipolne čestice rotiraju u mikrošupljinama s tekućinom. +/– električni, S, N - magnetni polovi (b)

U tečnim kristalima, nematici (od grčkog "nit"), izduženi molekuli nalaze se duž jednog smjera (slika 7a). Monitori s tekućim kristalima rade zahvaljujući svojstvu nematskih molekula da se orijentiraju duž polja (slika 7b), ali ako se magnetni nanostubovi dodaju tekućem kristalu, oni će se rotirati zajedno s molekulima. Rezultat je bio magnetni materijal kontroliran električnim poljem, a na promjenu električnog polja reagirao je mnogo brže - frekvencija prebacivanja bila je kiloherc.

Rice. Slika 7. Tečni kristal sa magnetnim nanostubovima: u odsustvu električnog napona (a), kada je napon uključen (b)

Ovo je već brže, ali girikon i ćelija s tekućim kristalima ne mogu se takmičiti s elementima poluvodičkih mikro krugova ni po veličini ni po brzini, što znači da nisu prikladni za uređaje s magnetskom memorijom. Umjesto tekućeg kristala u magnetnim memorijskim uređajima, predloženo je da se između elektroda postavi sloj magnetoelektrika u čvrstom stanju, međutim, zbog malog broja visokotemperaturnih magnetoelektrika i velikih struja curenja, magnetoelektrična memorija je još uvijek daleko od realizuje se.

"Pametna prašina" sakuplja energiju

Minijaturizacija elektronskih uređaja je način stvaranja bežičnih senzorskih mreža koje se sastoje od mnogih senzora sposobnih da prikupljaju, obrađuju informacije i međusobno ih razmjenjuju. Takve strukture se ponekad nazivaju "pametna prašina". Najočiglednije oblasti primjene su ekološki i medicinski monitoring, sigurnosni sistemi. Ali senzorima je potrebna struja i s tim postoje problemi: ako je senzor unutar objekta (na primjer, u rotirajućem dijelu ili u ljudskom tijelu), onda ne možete dovesti žicu do njega, baterije nisu minijaturne i dovoljno izdržljiv i solarni paneli beskorisno u mraku.

Rice. Slika 8. Daljinsko napajanje senzora: magnetoelektrični pretvarač na bazi piezoelektričnih i magnetostriktivnih materijala koji se nalazi na podlozi od sužene metalne ploče - akustični koncentrator talasovoda (a), bežični senzorski mrežni čvor sa magnetoelektričnim napajanjem (b)

Čini se da je zanimljiva alternativa prikupljanje energije – dobijanje energije iz okruženje. To mogu biti sistemi koji akumuliraju energiju mehaničkih, temperaturnih fluktuacija ili radio talasa, ali je energetski tok koji dolazi iz prirodnih izvora mali - manji od 1 μW/cm2. Međutim, moguće je stvoriti izvor zračenja koji stvara naizmjenično magnetsko polje na lokaciji senzora. Pretvorite energiju magnetnog polja u elektrostatička energija napunjeni kondenzatori se mogu napraviti pomoću magnetoelektričnog elementa, koji se sastoji od slojeva magnetostriktivnih i piezoelektričnih materijala koji se nalaze na zajedničkoj metalnoj podlozi u obliku ploče koja se sužava prema jednom kraju (slika 8). Izmjenično magnetsko polje uzrokuje periodičnu deformaciju magnetostriktivne ploče na rezonantnoj frekvenciji. Ove mehaničke vibracije se prenose na podlogu i šire duž nje, tako da se pri približavanju uskom kraju povećava koncentracija akustične energije i amplituda oscilacija. Vibracije podloge se prenose na piezoelektrične ploče i naizmjenično električni napon. Ovaj dizajn je vrsta magnetoelektričnog kompozitnog materijala, međutim, uz pomoć akustičnog koncentratora moguće je postići dvostruko povećanje u odnosu na tradicionalnu višeslojnu strukturu vezanih magnetnih i piezoelektričnih slojeva.

Rice. 9. Mehaničke vibracije piezoelektrične konzole: pretvorene u električna energija(a), piezoelektrični element za prikupljanje energije tokom hodanja (b)

Za napajanje implantata u medicini, autonomnih senzora, kao i komunikacija i mobilne elektronike, bolje je koristiti mehaničko kretanje ili vibracije, na primjer, vibracije elastične ploče (u modernoj mikromehanici i nanotehnologiji takve se ploče nazivaju konzole) napravljene od piezoelektrični materijal (slika 9a). Kada konzola napravljena od magnetoelektričnog kompozitnog materijala oscilira u magnetskom polju Zemlje, magnetostriktivni sloj doživljava dodatne deformacije koje se prenose na piezoelektrični sloj i kao rezultat toga amplituda naizmjeničnog napona dostiže deset volti. Predlaže se da se takav uređaj koristi na podvodnim vozilima i bovama, gdje uvijek postoje oceanski valovi i Zemljino magnetsko polje.

Ovdje treba dati još jednu napomenu: frekvencije oscilacija koje se susreću u prirodnim uvjetima su male - herca, maksimalno desetine herca. To znači, s jedne strane, nisku snagu koju proizvodi jedinica (snaga je proporcionalna kocki frekvencije), s druge strane, potpuno nemikroskopske dimenzije uređaja koji mogu vibrirati na ovim niskim frekvencijama. Kao rezultat toga, punjači daju samo mikrovati po kubnom centimetru. Bolji rezultati se očekuju od upotrebe drugih vrsta oscilatorno kretanje: ljudsko tijelo pri hodu (piezoelektrični elementi koji se nalaze u cipeli (Sl. 9b) već omogućavaju primanje do 1 mW/cm3) pa čak i vibracije veće frekvencije motora automobila - do 30 mW/cm3. Ali u svakom slučaju, još ne govorimo o zamjeni baterija u mobitelima. Sama žetva besplatne energije („energy harvesting“) liči na poznati proces „ostrugati po dnu bureta, staviti u štale“, i to objašnjava zašto se u ovakvim slučajevima često koristi drugi izraz: „čišćenje energije“. ” (čišćenje - čišćenje, odlaganje smeća).

Problem odnosa magnetskih i električnih pojava u čvrstom tijelu je izuzetno višestruk, a ovaj članak prikazuje samo neke njegove aspekte. Ovo područje nauke se sada aktivno razvija, ima mnogo neshvatljivog i nepoznati efektičekaju svoje otkrivače.

A. P. Pyatakov, kandidat fizičko-matematičkih nauka
A. K. Zvezdin, doktor fizičko-matematičkih nauka

književnost:
1. Smolenski G.A., Čupis I.E. Fero-magnetika. Advances in the Physical Sciences, 1982, 137, 415–448.
2. Eerenstein W., Mathur N.D., Scott J.F. Multiferoični i magnetoelektrični materijali. Nature, 2006, 442, 7104, 759–765, doi:10.1038/nature05023.
3. Pyatakov A.P., Zvezdin A.K. Magnetoelektrični materijali i multiferoici. "Uspjesi u fizičkim naukama", 2012, 182, 593–620.

Gde god da pogledate, svuda je magnet. Nekada su školarcima govorili samo o kompasu, kasnije - o upotrebi u industriji, nedavno su počeli pričati o budućem maglev vozu. Iako bi se moglo reći da je svaki elektromotor i bilo koji transformator elektromagnet. Danas je postalo lakše uvjeriti čitaoca u važnost magneta: dovoljno je reći da gotovo sigurno ima magnet kod kuće (na vratima frižidera i u mikrotalasnoj), u džepu (u mobilnom telefonu), desetine magneta - u kompjuteru i automobilu. U industriji i medicini ih se uopće ne može prebrojati, a fizika elementarnih čestica ne može bez njih - nalaze se duž cijelog perimetra ubrzavajućeg prstena i u većini detektora elementarnih čestica.

Pojavljuje se ideja: ukrštati električno i magnetsko polje, pronaći supstancu ili stvoriti materijal, kada se stavi u električno polje, postaje magnet, au magnetskom polju, naprotiv, pokazuje električna svojstva. Takve supstance su opisane u članku A.P. Pyatakova i A.K. Zvezdina sa Moskovskog državnog univerziteta Lomonosov. M.V. Lomonosov i Institut za opštu fiziku. A. M. Prokhorova.

Varijabilni permanentni magnet

Magnetski i električni fenomeni poznati su od davnina, ali ih je bilo moguće povezati mnogo kasnije, nakon djela klasika elektromagnetizma: Oersteda, Amperea, Faradaya, Maxwella. Nakon Ampera, magnetska svojstva trajnih magneta počela su se objašnjavati "molekularnim" strujama koje teku unutar tvari u svakom molekulu. Iako je priroda molekularnih struja dugo ostala neshvaćena, sama mogućnost stalnog kretanja naelektrisanja unutar materije izgledala je obećavajuće (ova mogućnost se ostvaruje i u supravodnicima, ali na niskim temperaturama). Kada bi bilo moguće utjecati na molekularne struje uz pomoć električnog polja, tada bi bilo moguće kontrolirati trajne magnete bez ikakvih gubitaka energije.

Stvari su krenule s početka kada su L. D. Landau i E. M. Lifshits istakli da magnetoelektrike treba tražiti među antiferomagnetima, odnosno kristalima koji se sastoje od suprotno magnetiziranih podrešetki (slika 1). I. E. Dzyaloshinsky je 1959. godine nazvao specifično jedinjenje - Cr 2 O 3, a godinu dana kasnije magnetoelektrični efekat u ovom materijalu otkrio je D. N. Astrov. Nekoliko godina ranije, američki naučnici u grupi profesora Džordža Rada pokušali su da otkriju magnetoelektrična svojstva raznih supstanci, ali se potraga pokazala bezuspešnom, jer nisu znali za rad Landaua, Lifšica i Đalošinskog - prevodi knjige i članci izašli su sa zakašnjenjem. Saznavši za Astrovo otkriće, pokazali su i suprotan efekat na Cr 2 O 3 - električnu polarizaciju izazvanu magnetnim poljem.

Istovremeno, na Lenjingradskom institutu za fiziku i tehnologiju, u grupi G. A. Smolenskog, tražili su magnetne feroelektrike. Obični feroelektrik je tvar koja sama po sebi, bez sudjelovanja vanjskih utjecaja, stvara električno polje i iznutra i izvana, odnosno, u određenom smislu, električni analog trajnog magneta. Magnetni feroelektrik je materijal u kojem bi se, u nedostatku vanjskih polja, uočile i magnetizacija i električna polarizacija. Trebalo je zamijeniti ione magnetnim elementima u već poznatim feroelektricima, a prvi „feromagnetski“ (ili „multiferoični“, kako se ovi materijali sada nazivaju) pokazao se „složenim“, bio je čvrsta otopina (1– x)Pb (Fe 2/3 W 1/ 3)O 3 - xPb (Mg 1/2 W 1/2) O 3.

Feromagnetici i multiferoici: pojmovi himere

Na tvoju nesreću
Pozvao sam duhove.
J. W. Goethe, "Čarobnjakov šegrt"

Mnoge poznate riječi su poput mitološke himere - životinja s lavljom glavom, kozjim tijelom i zmijskim repom. Tako se ispostavilo da je riječ "autobus" kombinacija dijelova riječi "auto" i "omnibus" (od lat. omnibus- svima, svima). Slično, izraz "feromagnetski" sastoji se od dvije riječi "feroelektrični" i "feromagnet". Reč "feroelektrik" dolazi od prve otkrivene supstance u kojoj postoji polarizacija u odsustvu električnog polja (spontana električna polarizacija), - Rochelle soli, nazvane po francuskom farmaceutu Seignetu ( seignette). I postoji još jedno čudo - tvari u kojima se, kada temperatura padne, kristal, ostajući netaknut, razbija u domene - regije s različitim orijentacijama kristalne rešetke (to se naziva strukturni fazni prijelaz). Dakle, riječ "feromagnetski" je već prilično čudan hibrid, ali je izraz "multiferoic" još više "himeričan".

U naučnoj literaturi na engleskom jeziku nazivi sve ove tri klase supstanci počinju prefiksom "ferro": feromagnetika, feroelastike, feroelektrika, iako gvožđe nema nikakve veze sa tim. To, međutim, nije spriječilo da je sredinom prošlog stoljeća japanski naučnik Keichiro Aizu sve tri klase nazvao općim pojmom " feroici» - feroici. Slična priča dogodila se i na engleskom jeziku: komad "omnibusa" migrirao je u "autobus", a zatim bus postala samostalna riječ, što znači, pored magistrale, i kanal za prijenos podataka.

U slučaju feroika, priča se nastavila: početkom devedesetih godina prošlog stoljeća iz boce je pušten novi duh - izraz "multiferoic" (od lat. multi- mnogo) - za označavanje tvari koja istovremeno pripada najmanje dvije klase feroika. Početkom našeg veka, kada su se pojavili novi mediji sa magnetnim i električnim svojstvima, ova reč je neočekivano brzo stekla prepoznatljivost i zamenila „feromagnetski“, tako da je tvorac neologizma, švajcarski naučnik Hans Šmid, kada je reč o pojmu on izmislio, podseća na Geteovu pesmu, odlomak iz koje je dat kao epigraf.

Miks ili sloj?

Kasnije su pronađena i jednostavnija jedinjenja, a posebno zanimljivim se pokazao bizmut ferit BiFeO 3 (slika 2). Većina njegovih izvanrednih svojstava je rezultat razlika u odnosu na idealnu kubičnu strukturu. Rotacija oktaedara kiseonika (slika 2a) dovodi do činjenice da u ovom antiferomagnetu magnetne strelice susednih jona više nisu striktno suprotne, formirajući ugao manji od 180 stepeni. Kao rezultat toga, oni se međusobno ne kompenziraju u potpunosti, a pojavljuje se ukupna magnetizacija kristala (takvi materijali se nazivaju slabi feromagneti). Električna i magnetoelektrična svojstva su posljedica pomaka iona duž glavne dijagonale kocke, kao i izobličenja oktaedra (slika 2b). Kristal ferita bizmuta se također može rastegnuti u svjetlosnim zracima (slika 2c) i transformirati u poluvodičku diodu pod djelovanjem električnog polja (slika 2d). Posljednja transformacija nastaje zbog slobodnih mjesta kisika - nabijenih defekata koji mijenjaju vrstu vodljivosti.

Postoji vrlo malo takvih "visokotemperaturnih" magnetoelektrika kao što je bizmut ferit, jedva ih je više od desetak, a čak i oni imaju značajan nedostatak - primjetnu provodljivost na sobnoj temperaturi. To negira glavnu prednost magnetoelektrične metode dobivanja magnetskog polja - kada se primjenjuje električno polje, struja će početi teći u takvoj tvari, što znači da potrošnja energije postaje primjetna. Stoga su 70-ih godina prošlog stoljeća učinjeni prvi pokušaji stvaranja umjetnih kompozitnih magnetoelektričnih medija u obliku mješavine dva praha (slika 3a): magnetostriktivne čestice mijenjale su oblik u magnetskom polju, djelovale su na piezoelektrične čestice. , a te su, pak, deformacije bile električno polarizirane.

Ideja je bila odlična, ali efekat je bio mali i nestabilan. Prilikom miješanja nastajale su grudvice i ugrušci, a formiranje kanala od provodnih magnetostriktivnih čestica dovelo je do "kratkog spoja" uzorka, a samim tim i do izostanka električnog napona. Tada je došla ideja o „torti od slojeva“ ili sendviču od magnetostriktivnih i piezoelektričnih materijala zalijepljenih zajedno (slika 3b). Provodni kanali se više nisu formirali, a magnetoelektrični efekat je postao 50 puta veći nego u Cr 2 O 3 . Uz pomoć senzora na sendvič strukturama bilo je moguće izmjeriti magnetna polja milion puta manja od Zemljinog - takvo stvara naše srce, destilirajući krv kroz krvne sudove.

Kada struktura utiče na svojstva

Nova faza u stvaranju kompozitnih materijala došla je s pojavom modernih tehnologija: sada se umjetni magnetoelektrici proizvode na čipovima u obliku filmova sa stupastim nanostrukturama (slika 3c). Sendvič strukture u dizajnu nanofilma ne funkcioniraju dobro - prianjanje na podlogu-čip ne dozvoljava im da se slobodno deformiraju, a stupovi se lako sabijaju i rastežu u vertikalnom smjeru. Osim toga, takve strukture nisu morale biti posebno kreirane; one se "samoorganiziraju" uz istovremeno taloženje dvije supstance na podlogu: magnetostriktivne, na primjer, spinela CoFe 2 O 4, i piezoelektrične, na primjer, barij titanata BaTiO 3 ili bizmut ferit BiFeO 3 . Promjenom kristalografske orijentacije supstrata, moguće je uzgajati i magnetostriktivne stupove u piezoelektričnoj matrici i piezoelektrične kolone u magnetostriktivnoj matrici (slika 4).

Šta uzrokuje da se dvije faze talože na ovaj način? Ista pojava koja uzrokuje da se kap vode raširi po čistom staklu i otkotrlja u kuglu na voštanoj površini je površinska napetost. Ako je supstrat izrezan okomito na kristalografski smjer (tj. os z koordinatni sistemi), tada supstanca magnetostriktivnog materijala ne vlaži površinu, skupljajući se u kapi, koje potom prerastaju u stupove, dok piezoelektrična faza vlaži podlogu i obavija stupove, formirajući matricu. Na (111) podlozi sve se događa obrnuto: unutar magnetostriktivne matrice raste stupasta struktura piezoelektrika.

Kada su karakteristične dimenzije nanostruktura nekoliko međuatomskih udaljenosti, faze kompozita počinju da utiču na unutrašnju strukturu i svojstva jedne druge. Ako su slojevi barijum titanata prošarani magnetnim materijalom slične kristalne strukture, na primjer, lantan manganit sa supstitucijom kalcija La 0,7 Ca 0,3 MnO 3, tada se dobiva umjetni magnetoelektrični medij: zbog neposredne blizine kristalne strukture dva materijala su podložni međusobnom izobličenju, što dovodi do interakcije električnog i magnetnog podsistema. Odnosno, bilo je moguće ne samo stvoriti nanostrukturirani materijal, već i izvesti inženjering na atomskom nivou, mijenjajući sama svojstva supstanci-komponenti.

Ali što je s Curiejevom originalnom idejom o magnetoelektričnim molekulima? Može se realizovati u organskim molekularnim nanoklasterima Dy 3 , u kojima tri atoma disprozijuma formiraju pravilan trougao kao magnetni atomi (slika 5a). U stanju molekula sa najnižom energijom (u osnovnom stanju), magnetne strelice (momenti) disprozijum jona su orijentisane paralelno sa suprotnom stranom trokuta (slika 5a). Kada bi bilo više magnetnih jona (kao, na primjer, u nedavno sintetiziranom klasteru Dy 6), oni bi formirali “vrtuljak” magnetnih momenata (slika 5b). Takav poredak se naziva "toroidalnim", jer se kružni elektromagnet može stvoriti namotavanjem žice oko magnetne jezgre u obliku krafne (torusa). Strukture sa toroidnim uređenjem, slijedeći tradiciju da se svako sređivanje označava riječju "fero", nazivaju se "ferotornim". Imaju magnetoelektrični efekat - primjena magnetnog polja uzrokuje preraspodjelu magnetnih momenata: povećava se broj iona čiji su magnetni momenti usmjereni duž magnetnog polja. Pomicanje magnetnih jona povlači za sobom preraspodjelu naboja, tako da dolazi do električne polarizacije. Međutim, stanja molekula u kojima su magnetni momenti usmjereni u smjeru kazaljke na satu i stanja sa smjerom momenata suprotno od kazaljke na satu ostvaruju se s jednakom vjerovatnoćom, te će u tim slučajevima magnetoelektrični efekat biti suprotan. Dakle, ostaje problem kako dobiti toroidne strukture s jednim smjerom rotacije magnetnih momenata.

Memorija neće izaći iz monitora

Tellegenova ideja o kompozitu koji se sastoji od magnetoelektričnih čestica koje rotiraju u tekućini ostvarena je pojavom prvog modela elektronske tinte - girikona (od grčkog "rotirajuća slika"). Girikon je polimerni medij u koji su ugrađene dvobojne sferične polietilenske čestice koje rotiraju unutar šupljina s tekućinom (slika 6). Hemisfere čestice nisu se razlikovale samo po boji, već i po električnom naboju. Stoga su se mogli orijentirati primjenom električnog polja, a na bijeloj pozadini pojavila su se crna slova. Kada su magnetne nečistoće uvedene u čestice, električno polje je počelo da kontroliše magnetizaciju sistema. Međutim, za rotaciju je trebalo oko sekunde, pa se pojavila ideja da se "magnetizira" ne elektronski papir, već glavna komponenta druge vrste displeja - tečni kristali.

"Pametna prašina" sakuplja energiju

Minijaturizacija elektronskih uređaja je način stvaranja bežičnih senzorskih mreža koje se sastoje od mnogih senzora sposobnih da prikupljaju, obrađuju informacije i međusobno ih razmjenjuju. Takve strukture se ponekad nazivaju "pametna prašina". Najočiglednije oblasti primjene su ekološki i medicinski monitoring, sigurnosni sistemi. Ali senzorima je potrebna struja, a s tim postoje problemi: ako je senzor unutar objekta (na primjer, u rotirajućem dijelu ili u ljudskom tijelu), onda ne možete dovesti žicu do njega, baterije nisu minijaturni i dovoljno izdržljivi, a solarni paneli su beskorisni u mraku.

Čini se da je to zanimljiva alternativa prikupljanje energije- dobijanje energije iz okoline. To mogu biti sustavi koji akumuliraju energiju mehaničkih, temperaturnih fluktuacija ili radio valova, ali je energetski tok koji dolazi iz prirodnih izvora mali - manji od 1 μW / cm 2. Međutim, moguće je stvoriti izvor zračenja koji stvara naizmjenično magnetsko polje na lokaciji senzora. Energija magnetskog polja može se pretvoriti u elektrostatičku energiju nabijenih kondenzatora pomoću magnetoelektričnog elementa, koji se sastoji od slojeva magnetostriktivnih i piezoelektričnih materijala smještenih na zajedničkoj metalnoj podlozi u obliku ploče koja se sužava prema jednom kraju (slika 8). Izmjenično magnetsko polje uzrokuje periodičnu deformaciju magnetostriktivne ploče na rezonantnoj frekvenciji. Ove mehaničke vibracije se prenose na podlogu i šire duž nje, tako da se pri približavanju uskom kraju povećava koncentracija akustične energije i amplituda oscilacija. Vibracije podloge se prenose na piezoelektrične ploče i u njima nastaje naizmjenični električni napon. Ovaj dizajn je vrsta magnetoelektričnog kompozitnog materijala, međutim, uz pomoć akustičnog koncentratora moguće je postići dvostruko povećanje u odnosu na tradicionalnu višeslojnu strukturu vezanih magnetnih i piezoelektričnih slojeva.

Ovdje treba dati još jednu napomenu: frekvencije oscilacija koje se susreću u prirodnim uvjetima su male - herca, maksimalno desetine herca. To znači, s jedne strane, nisku snagu koju proizvodi jedinica (snaga je proporcionalna kocki frekvencije), s druge strane, potpuno nemikroskopske dimenzije uređaja koji mogu vibrirati na ovim niskim frekvencijama. Kao rezultat toga, punjači daju samo mikrovati po kubnom centimetru. Bolji rezultati se očekuju od upotrebe drugih vrsta oscilatornog kretanja: ljudsko tijelo pri hodu (piezoelektrični elementi smješteni u cipeli (slika 9b) već omogućavaju dobijanje do 1 mW/cm 3) i još viša frekvencija vibracija automobila motor - do 30 mW / cm 3. Ali u svakom slučaju, još ne govorimo o zamjeni baterija u mobitelima. Sama žetva besplatne energije (“ prikupljanje energije”) podsjeća na poznati proces “struganja u štali, stavljanja u štale”, i to objašnjava zašto se u takvim slučajevima često koristi drugi izraz: “ hvatanje energije» ( scavenging- čišćenje, odlaganje otpada).

književnost:
1. Smolenski G.A., Čupis I.E. Fero-magnetika. Advances in the Physical Sciences, 1982, 137, 415–448.
2. Eerenstein W., Mathur N.D., Scott J.F. Multiferoični i magnetoelektrični materijali. Nature, 2006, 442, 7104, 759–765, doi:10.1038/nature05023.
3. Pyatakov A.P., Zvezdin A.K. Magnetoelektrični materijali i multiferoici. "Uspjesi u fizičkim naukama", 2012, 182, 593–620.

Trajni magneti i elektromagneti
karakteristike i radnju.

Tema

Upotreba svojstava magneta je veoma široka. Mogu se naći u mnogim električnim, mehaničkim i drugim uređajima. Ali koliko ljudi zna kako su magneti raspoređeni i na kom principu rade? U ovom članku pokušat ćemo to razumjeti i saznati kako i zašto magneti imaju takva svojstva.

Za početak, treba napomenuti da je osnova djelovanja bilo kojeg magneta (trajnog ili elektromagneta) ista pojava. Sastoji se u interakciji magnetnih polja koja okružuju sam magnet (tijelo s magnetskim svojstvima). Odakle dolazi magnetsko polje magneta? Da odgovorimo, prisjetimo se fizike. Magnetno polje je posebna vrsta materije koja nastaje oko pokretnih nabijenih čestica. Kao što morate zapamtiti, svako tijelo se sastoji od atoma i molekula (složena struktura atoma). Svaki atom ima jezgro oko kojeg se vrte elektroni.

Elektron je negativno električno nabijena čestica. Pošto je elektron uvijek u pokretu, uvijek postoji magnetsko polje oko njega. Ali zašto onda sva tijela ne pokazuju magnetska svojstva? I zato što atomi, budući u nejednakom rasporedu, međusobno kompenzuju (uravnotežuju) magnetna polja. No, neke tvari (feromagneti) ipak su sposobne, kada su izložene intenzivnom magnetskom pulsu, razmjestiti svoju unutarnju strukturu na takav način da se magnetska polja čestica prisutnih u njoj okreću u istom smjeru. To doprinosi zbrajanju svih magnetnih polja i pojavi vanjskog pojačanog magnetnog polja. Tako se pojavljuje trajni magnet. Ali ovo svojstvo magneta nije konstantno.

Pod određenim uslovima, postojeća jednosmjernost čestica permanentnog magneta može biti narušena. Na primjer, ako je izložen permanentni magnet visoke temperature, jaki udari, preokret magnetizacije naizmjenična struja tada će njegova magnetna polja čestica promijeniti svoju strukturu i tijelo će se opet vratiti u svoje primarno stanje (neće više postojati magnetsko polje oko njega).

Trajni magnet ima svoje nedostatke: relativno slabu jačinu magnetnog polja, nemogućnost kontrole i jačine samog magnetnog polja i njegovih stanja (kada je potrebno magnetizira se, a kada nije potrebno, ne magnetizira). Ovi nedostaci su lišeni elektromagneta. Idemo sada na njih.

elektromagneti- To su električni uređaji koji, kada kroz njih prođe struja, mogu pokazati magnetna svojstva. U srcu uređaja bilo kojeg elektromagneta je jednostavna električna zavojnica, koja je namotana na čeličnu jezgru. Kao što znate, kada se napon dovede na zavojnicu, u njemu nastaje električna struja (pojavljuje se tok elektrona koji se kreće na uredan način). I kao što smo gore saznali, svaka pokretna električno nabijena čestica sposobna je imati magnetsko polje oko sebe. Dakle, prilikom prolaska električna struja oko zavojnice se razvija magnetsko polje.

Da bi se pojačalo magnetsko polje zavojnice elektromagneta, unutar njega je ugrađeno čelično jezgro. Kada se u zavojnicama pojavi magnetsko polje, ono doprinosi promjeni unutarnje strukture čelika (okretanjem unutrašnjih čestica u jednom smjeru, slično procesu s permanentnim magnetom kada je magnetiziran).

Kao rezultat toga, magnetna polja samog zavojnice se zbrajaju sa magnetnim poljima čeličnog jezgra, što pojačava učinak elektromagneta za oko hiljadu puta. Kada se napajanje isključi iz elektromagneta, zavojnica prestaje da se magnetizira, zbog čega se struktura čestica u čeličnom jezgru (zbog njegovih svojstava) vraća na prvobitnu, što dovodi do njene potpune demagnetizacije. Jačina magnetnog polja elektromagneta može se lako podesiti promjenom jačine struje koja teče kroz zavojnice elektromagneta.

Najvažnije pitanje efikasne upotrebe tvrdih magnetnih materijala je visok kvalitet magnetizacije sistema sa trajnim magnetima.

Obično se magneti (osim magneta od barijum-ferita) magnetiziraju nakon montaže sistema, jer se u ovom slučaju, nakon magnetne stabilizacije, vrijednost indukcije u procjepu ispostavi da je veća nego kod magnetizacije bez sistema, nakon čega slijedi sklapanje i magnetna stabilizacija (Sl. 57). Na slici, OA je linija koeficijenta demagnetizacije, koja karakteriše magnetni sistem nakon sklapanja; OS - linija koeficijenta demagnetizacije za magnet bez armature; B\ i Ba su gep indukcije dobijene nakon magnetne stabilizacije, respektivno, za sistem magnetiziran prije i poslije montaže.

Magnetizacija prije montaže povezana je i s tehnološkim poteškoćama koje nastaju prilikom sklapanja uređaja s magnetiziranim magnetom (potreba nemagnetnog alata, mogućnost začepljenja feromagnetnom prašinom itd.).

Studije su pokazale da su za razumljivo stanje tokom zračenja granične magnetne karakteristike

Magnetiziranje prije i PISTIC napon magnetiziranja - nakon montaže r r, r p ´

Go polje treba da bude 5-7 puta veće

prisilna sila. Ovi podaci se odnose na slučaj kada je cijeli volumen magneta prožet poljem određene veličine, što se događa, na primjer, kada magnetizira magnet sa ravno-paralelnim polovima u sendviču između polova elektromagneta. jednosmerna struja. U većini slučajeva, zbog utjecaja fluksova curenja, magnetskog otpora zračnih praznina, vrtložnih struja (tokom magnetizacije varijabilno polje) vrijednost magnetizirajućeg polja mora biti veća od navedene vrijednosti i odgovarati 3000-10 000 Oe.

Da bi se stvorila polja ove veličine u zapremini dovoljnoj da stane u otvor magnetskog sistema, potrebni su značajni amper-zavoji magnetiziranja. Kod jednookretne magnetizacije, koja se koristi u velikom broju slučajeva, potrebne su struje od desetina hiljada ampera.

Magnetizacija se koristi u instalacijama koje se napajaju jednosmjernom strujom, naizmjeničnom strujom, uz istovremeno djelovanje istosmjerne i naizmjenične struje, kao i impulsnom.

Rice. 57. Promijenite magiju

DC magnetizacija se vrši u električnoj
magneti. Takvi elektromagneti su glomazni i zahtijevaju moćne izvore energije.

Na primjer, permeametar jakih polja instalacije U-541, koji stvara polje od 4000 Oe u razmaku od 50 mm, ima masu jednaku 250 kg, a elektromagnet dizajniran za magnetiziranje trajnih magneta, sa poljem od 40.000 Oe i razmaka od 12 mm, troši snagu jednaku 28 kt.

Kod naizmjenične struje, potrebnu vrijednost struje kao rezultat upotrebe transformatora relativno je lako dobiti. Međutim, u ovom slučaju nastaju druge poteškoće: ne može se jamčiti visok kvalitet magnetizacije, jer, ovisno o trenutnoj vrijednosti struje pri kojoj dolazi do isključivanja, magnet se može pokazati lošije, bolje ili čak ne magnetiziran. uopšte magnetizovan. Da bi se otklonio ovaj nedostatak, potrebno je ili osigurati da se struja isključi kada dostigne svoju maksimalnu vrijednost, ili imati veliku marginu struje magnetiziranja, što smanjuje vjerovatnoću loše magnetizacije.

Treba imati na umu i utjecaj vrtložnih struja, čije djelovanje dovodi do činjenice da se kao rezultat slabljenja elektromagnetnog vala kada prodire duboko u metal, unutrašnji volumen magneta može ispostaviti da je nemagnetizovan.

Odnos između minimalnog trajanja impulsa T, pri kojem je cijela zapremina magneta magnetizirana, dimenzija magneta i njegovih fizička svojstva može se predstaviti sljedećom empirijskom formulom:

T= 8K^-D2-\0~10 [sek], (62)

Rice. 58. Šematski raspored šok transformatora

Gdje je K specifična provodljivost materijala magneta (za legure željezo-nikl-aluminij K = 1,7-104 oma ~ 1) \ B je indukcija u magnetu, gs \ H je jačina magnetizirajućeg polja, e \ D je efektivni prečnik magneta, vidi sl.

Metoda magnetizacije naizmeničnom strujom našla je praktičnu primenu u udarnom transformatoru (slika 58).

Transformator se sastoji od primarnog namotaja W\ sa veliki broj zavoji i sekundarni namotaj ®2 = 1 u obliku kratkospojene debele bakrene sabirnice. Kada ključ K otvori primarni krug, u sekundarnom se pojavljuje strujni impuls od nekoliko desetina hiljada ampera koji se koristi za magnetiziranje magneta.

B. M. Yanovsky je predložio da se proizvede magnetizacija duž idealne krive, da bi se postiglo da se magnet postavlja u konstantno polje i na njega istovremeno djeluje naizmjenično polje amplitude koja se smanjuje na nulu. U ovom slučaju, vrijednost jednosmjerne struje potrebne za magnetizaciju do zasićenja može se uzeti otprilike tri puta manja nego u odsustvu naizmjeničnog polja.

Za magnetizaciju se široko koriste krugovi koji koriste fenomen punjenja i pražnjenja moćne kondenzatorske banke. Da bi se eliminisale oscilacije u takvim krugovima, koriste se različiti uređaji za ispravljanje, koji omogućavaju da struja prolazi u jednom smjeru, tj. da se proizvede impulsna magnetizacija.

Instalacije sa impulsnom magnetizacijom akumuliraju energiju u kondenzatoru dugo vremena, a oslobađaju je tokom procesa pražnjenja u kratkom vremenskom periodu. Stoga, za stvaranje snažnog impulsa, nije potrebna velika potrošnja struje, što omogućava korištenje konvencionalne rasvjetne mreže za napajanje instalacije. Prednosti pulsnih instalacija trebale bi uključiti i njihove male dimenzije i relativnu jednostavnost uređaja.

Jedna od mogućih shema impulsne instalacije magnetiziranja prikazana je na Sl. 59.

Dotični uređaj može se koristiti ne samo za magnetizaciju magnetni sistemi, ali i za njihovu demagnetizaciju. U prvom slučaju, HL utikač treba biti zatvoren, a utikač razvodnog uređaja otvoren, u drugom slučaju, obrnuto.

Razmotrite rad kruga kao uređaja za magnetiziranje. Kada je ključ K zatvoren, mrežni napon se preko transformatora Tr dovodi do namotaja releja P \, koji radi i zatvara kontakt K \, stvarajući na taj način strujni krug za kondenzatore C i C2 (preko ispravljača B , otpor punjenja 7 * kontakt / Ci i utični konektor DOBRO). Kapaciteti kondenzatora C] i C2 su 700 mikrofarada.

Voltmetar V, povezan preko djelitelja napona (otpori r2 i r3), mjeri trenutni napon na kondenzatorima. Ovisno o potrebnoj struji u impulsu, krug omogućava, koristeći otpor r4, postavljanje maksimalne vrijednosti napona punjenja od 600 do 1000 V. Kada se postigne podešena vrijednost napona, relej se aktivira

Pr i otvara se preko kontakta K.2 strujni krug releja Kontakt Ki se otvara i proces punjenja posuda se završava.

Pritiskom na dugme A, napajanje se dovodi do releja Rz, koji zatvaranjem kontakata / Cz stvara strujni krug za upaljač I. Ingnitron se pali, a kondenzatorska banka se prazni kroz zavojnicu za magnetiziranje spojenu na terminale 1 i 2. Krug pražnjenja također uključuje otpor r5 = Yu- 2 oma i r6. Prvi otpor se koristi prilikom uključivanja osciloskopa za promatranje impulsa magnetiziranja. Drugi otpor je neophodan da bi se isključila mogućnost

Rice. 59. Šematski dijagram instalacije za impulsno magnetiziranje

Promjena obrnutog poluvala i postavlja se ovisno o induktivnosti magnetizirajućeg namota s magnetom.

Kada se koristi kolo za demagnetizaciju, utikač se pomiče iz NL utičnice u utičnicu razvodnog uređaja, a demagnetizator se povezuje na terminale 1, 2 i 3. To je vazdušni transformator sa dva namotaja. Počeci namotaja su spojeni na terminale 1 i 3, a krajevi na terminal 2. U ovom slučaju, kada je napajanje uključeno, puni se samo kondenzator Cr. Prilikom njegovog pražnjenja kroz ignitron i primarni namotaj demagnetizirajućeg transformatora dolazi do prigušenih oscilacija u sekundarnom krugu, koji je oscilatorni krug koji se sastoji od induktivnosti namotaja i kapacitivnosti Cb. Oni stvaraju naizmjenično polje sa amplitudom koja se smanjuje na nulu, koje se koristi za demagnetizaciju.

Tehnika magnetizacije zavisi od oblika i dimenzija magneta.

Potkovičasti magneti se mogu magnetizirati, na primjer, kao što je prikazano na sl. 60.

Uređaj za magnetiziranje sastoji se od željezne ploče sa malim magnetskim otporom, na koju je postavljen zavojnica s velikim brojem zavoja. Magneti se postavljaju na ploču, pokrivajući zavojnicu i zatvarajući polove kroz željezo. Instalacija omogućava istovremenu magnetizaciju velikog broja magneta.

Rice. 60. Magnetizacija podkola - Sl. 61. Magnetizacija magneta u obliku roga na ploči od raznih masivnih magneta

Za magnetiziranje masivnih magneta u obliku roga težine do 50-100 kg koristi se metoda sekvencijalne magnetizacije koja se sastoji u sljedećem. Na magnete se stavljaju ravni namotaji, a polovi se zatvaraju željeznim kratkospojnicima (Sl. 61).

Zavojnice su izračunate tako da kada se struja uključi, magnet se magnetizira na njihovoj lokaciji do zasićenja. Struja je uključena, odnosno područje ispod zavojnica je magnetizirano. Struja se gasi, zavojnice se pomeraju duž magneta, struja se uključuje, zavojnice se ponovo pomeraju, i tako sve dok se zavojnice potpuno ne spoje.

Navedeni primjeri pokazuju da je svaki put, na osnovu specifičnih uslova problema, potrebno razmisliti o pitanju načina magnetizacije i izboru dizajna uređaja za magnetiziranje.