Oriunde te uiți, peste tot este un magnet. Pe vremuri, elevilor li s-a spus doar despre busolă, mai târziu - despre utilizarea în industrie, recent au început să vorbească despre viitorul tren maglev. Deși s-ar putea spune că orice motor electric și orice transformator este un electromagnet. Astăzi, a devenit mai ușor să convingi cititorul de importanța magneților: este suficient să spunem că aproape sigur are un magnet acasă (pe ușa frigiderului și în cuptorul cu microunde), în buzunar (într-un telefon mobil), zeci de magneți - într-un computer și mașină. În industrie și medicină, ele nu pot fi numărate deloc, iar fizică particule elementare nu se poate face fără ele - sunt situate de-a lungul întregului perimetru al inelului de accelerare și în majoritatea detectorilor de particule elementare.

Există magneți permanenți, există electromagneți. Constantele au un mare plus - nu consumă energie și mai multe minusuri - câmpul lor nu poate fi ajustat (și dacă este posibil, încet - se mișcă mecanic) și nu poate fi foarte puternic. Electromagneții sunt lipsiți de aceste deficiențe, dar au unul pe care magneții permanenți nu îl au - consumă energie și consumă mult. Uneori se spune că electromagneții cu înfășurări supraconductoare, precum cei de la Tokamak, rezolvă problema. Dar, în primul rând, nici heliul lichid, nici azotul lichid nu pot fi colectate dintr-un lac de pe Pământ, iar în al doilea rând, câmpul magnetic al unor astfel de electromagneți este, de asemenea, greu de reglat.

Apare o idee: a traversa un câmp electric și magnetic, a găsi o substanță sau a crea un material, atunci când este plasat într-un câmp electric, acesta devine un magnet, iar într-un câmp magnetic, dimpotrivă, prezintă proprietăți electrice. Astfel de substanțe sunt descrise în articolul lui A.P. Pyatakov și A.K. Zvezdin de la Moscova universitate de stat lor. M.V. Lomonosov și Institutul de Fizică Generală. A. M. Prokhorova.

Magnet permanent variabil

Fenomenele magnetice și electrice sunt cunoscute încă din cele mai vechi timpuri, dar a fost posibilă conectarea între ele mult mai târziu, după munca clasicilor electromagnetismului: Oersted, Ampère, Faraday, Maxwell. În urma lui Ampère, proprietățile magnetice ale magneților permanenți au început să fie explicate prin curenții „moleculari” care curg în interiorul substanței din fiecare moleculă. Deși natura curenților moleculari a rămas neînțeleasă multă vreme, însăși posibilitatea mișcării perpetue a sarcinilor în interiorul materiei părea promițătoare (această posibilitate se realizează și în supraconductori, dar la temperaturi scăzute). Dacă cu ajutorul câmp electric a reușit să influențeze curenții moleculari, ar fi posibil să se controleze magneții permanenți practic fără pierderi de energie.

De la stânga la dreapta: Pierre Curie (1859–1906), Bernard Tellegen (1900–1990), L. D. Landau (1908–1968) (dreapta) și E. M. Lifshitz (1915–1985), I. E. Dzyaloshinsky (stânga) și D. N. Astrovsky George Rado, G. A. Smolensky (1910–1986)

În 1884, fizicianul francez Pierre Curie a sugerat că existența unor astfel de molecule și substanțe care ar fi magnetizate sub influența unui câmp electric nu contravine legilor cunoscute. Inginerul electronic american Bernard Tellegen a propus mai târziu să creeze un compozit - un mediu magnetoelectric sub formă de suspensie, în care particulele ar pluti, reprezentând magneți legați de bucăți de electret. Și un electret este o substanță care poate fi „încărcată” cu un câmp electric extern, iar după aceea creează un câmp electric în jurul său pentru o lungă perioadă de timp, de exemplu, ani, la fel cum un magnet creează un câmp magnetic. Mulți dielectrici buni sunt electreți, dar nu au fost găsite sau create materiale care combină proprietățile atât ale unui electret, cât și ale unui magnet. Deși au venit cu un nume - „magnetoelectrics”.

Lucrurile au decolat atunci când L. D. Landau și E. M. Lifshits au subliniat că magnetoelectricii ar trebui căutați printre antiferomagneți, adică cristale formate din subrețele magnetizate opus (Fig. 1). În 1959, I. E. Dzyaloshinsky a numit un compus specific - Cr2O3, iar un an mai târziu efectul magnetoelectric din acest material a fost descoperit de D. N. Astrov. Cu câțiva ani mai devreme, oamenii de știință americani din grupul profesorului George Rado au încercat să descopere proprietățile magnetoelectrice ale diverse substanțe, dar căutarea s-a dovedit a fi inutilă, deoarece nu știau despre lucrările lui Landau, Lifshitz și Dzyaloshinsky - traducerile cărților și articolelor au apărut cu întârziere. După ce au aflat despre descoperirea lui Astrov, ei au demonstrat și efectul opus asupra Cr2O3 - polarizarea electrică indusă de un câmp magnetic.

Orez. 1. Antiferomagnetism. Ideea ordonării antiferomagnetice a fost anticipată de desenele lui Maurice Escher, de exemplu, „Ziua și noaptea” (a), în nodurile vecine ale celulei de cristal, săgețile magnetice (momentele) ionilor sunt direcționate opus ( b)

În același timp, la Institutul de Fizică și Tehnologie din Leningrad, în grupul lui G. A. Smolensky, căutau feroelectrici magnetici. Un feroelectric obișnuit este o substanță care prin ea însăși, fără participarea influențelor externe, creează un câmp electric atât în interior, cât și în exterior, adică, într-un anumit sens, un analog electric al unui magnet permanent. Un feroelectric magnetic este un material în care, în absența câmpurilor externe, s-ar observa atât magnetizarea, cât și polarizarea electrică. Trebuia să înlocuiască ionii cu elemente magnetice în feroelectricele deja cunoscute, iar primul „feromagnetic” (sau „multiferoic”, cum sunt numite acum aceste materiale) s-a dovedit a fi „complex”, a fost o soluție solidă. (1–x)Pb(Fe2/3W1/3)O3 - xPb(Mg1/2W1/2)O3.

Feromagnetică și multiferoică: termeni himere

Spre nenorocirea mea am chemat Spiritele.
J. W. Goethe, „Ucenicul vrăjitor”

Trei clase de substanțe feroice: substanțe feroelectrice, magnetice și feroelastice. La intersecția acestor mulțimi se află multiferoicii

Multe cuvinte familiare sunt ca o himeră mitologică - un animal cu cap de leu, corp de capră și coadă de șarpe. Deci, cuvântul „autobuz” s-a dovedit a fi o combinație de părți ale cuvintelor „mașină” și „omnibus” (din latinescul omnibus - pentru toată lumea, pentru toată lumea). În mod similar, termenul „feromagnetic” este format din cele două cuvinte „feroelectric” și „feromagnet”. Cuvântul „feroelectric” provine de la prima substanță descoperită în care există o polarizare în absența unui câmp electric (polarizare electrică spontană), sarea Rochelle, numită după farmacistul francez Seignette. Și mai există un miracol - substanțe în care, atunci când temperatura scade, cristalul, rămânând intact, se sparge în domenii - zone cu orientări diferite ale rețelei cristaline (aceasta se numește structurală). faza de tranzitie). Astfel, cuvântul „feromagnetic” este deja un hibrid destul de ciudat, dar termenul „multiferoic” este și mai „himeric”.

Himera mitologiei antice

În limba engleză literatura stiintifica numele tuturor acestor trei clase de substanțe încep cu prefixul „ferro”: feromagnetice, feroelastice, feroelectrice, deși fierul nu are nimic de-a face cu el. Acest lucru nu a împiedicat, însă, la mijlocul secolului trecut, omul de știință japonez Keichiro Aizu a numit toate cele trei clase prin termenul general „feroici” - feroici. O poveste similară s-a întâmplat în Limba engleză: o piesă din „omnibus” a migrat în „autobuz”, iar apoi autobuz a devenit un cuvânt independent, adică, pe lângă autobuz, și un canal de transmisie a datelor.

În cazul feroicilor, povestea a continuat: la începutul anilor nouăzeci ai secolului trecut, un nou geniu a fost eliberat din sticlă - termenul „multiferoic” (din latină multi - multe) - pentru a desemna o substanță care aparține simultan la cel puțin două clase de feroici. La începutul secolului nostru, când noile media cu magnetice şi proprietăți electrice, acest cuvânt a câștigat în mod neașteptat rapid recunoașterea și l-a înlocuit pe „feromagnetic”, astfel încât creatorul neologismului, omul de știință elvețian Hans Schmid, când vine vorba de termenul pe care l-a inventat, amintește de poemul lui Goethe, un fragment din care este dat ca epigraf.

Amestecați sau stratificați?

Ulterior, au fost găsiți și compuși mai simpli, iar ferita de bismut BiFeO3 s-a dovedit a fi deosebit de interesantă (Fig. 2). Cele mai multe dintre proprietățile sale remarcabile se datorează diferențelor față de structura cubică ideală. Rotația octaedrelor de oxigen (Fig. 2a) duce la faptul că în acest antiferomagnet săgețile magnetice ale ionilor vecini nu mai sunt strict opuse, formând un unghi mai mic de 180 de grade. Ca urmare, nu se compensează pe deplin unul pe altul și apare magnetizarea generală a cristalului (astfel de materiale se numesc feromagneți slabi). Proprietățile electrice și magnetoelectrice se datorează deplasării ionilor de-a lungul diagonalei principale a cubului, precum și distorsiunii octaedrului (Fig. 2b). Un cristal de ferită de bismut se poate întinde și în raze luminoase (Fig. 2c) și se poate transforma într-o diodă semiconductoare sub acțiunea unui câmp electric (Fig. 2d). Ultima transformare are loc din cauza vacantelor de oxigen - defecte încărcate care modifică tipul de conductivitate.

Orez. Fig. 2. Structura cristalină a feritei de bismut: ionii de fier sunt în centrele cuburilor, ionii de bismut sunt în vârfuri, ionii de oxigen sunt în centrele fețelor: rotația octaedrelor de oxigen (a), deplasarea ionilor de-a lungul diagonala cubului și distorsiunea octaedrelor cauzată de acesta - deplasările ionilor sunt indicate prin săgeți ( b), electrostricția în ferită de bismut - întinderea probei sub acțiunea radiației luminoase, sub o lampă de sută de wați, relativul alungirea este de aproximativ o miime de procent, ceea ce nu este atât de mic pentru corp solid(în), formarea p-n tranziție sub acțiunea unui câmp electric ca urmare a mișcării locurilor libere de oxigen (d)

Există foarte puține astfel de magnetoelectrice „de înaltă temperatură” precum ferita de bismut, abia mai mult de o duzină, și chiar și acestea au un dezavantaj semnificativ - o conductivitate vizibilă la temperatura camerei. Acest lucru anulează principalul avantaj al metodei magnetoelectrice de obținere camp magnetic- atunci când se aplică un câmp electric, într-o astfel de substanță va începe să circule un curent, ceea ce înseamnă că consumul de energie devine vizibil. Prin urmare, în anii 70 ai secolului trecut, s-au făcut primele încercări de a crea medii magnetoelectrice compozite artificiale sub forma unui amestec de două pulberi (Fig. 3a): particulele magnetostrictive și-au schimbat forma într-un câmp magnetic, au acționat asupra piezoelectricelor. particulele, iar acelea, la rândul lor, deformațiile au fost polarizate electric.

Ideea a fost grozavă, dar efectul a fost mic și instabil. În timpul amestecării, s-au obținut bulgări și cheaguri, iar formarea de canale din particulele magnetostrictive conducătoare a condus la un „scurtcircuit” al probei și, prin urmare, la absența tensiunii electrice. Apoi a venit ideea unui „tort strat” sau sandviș făcut din materiale magnetostrictive și piezoelectrice lipite între ele (Fig. 3b). Canalele conductoare nu s-au mai format, iar efectul magnetoelectric a devenit de 50 de ori mai mare decât în Cr2O3. Cu ajutorul senzorilor de pe structuri sandwich, a fost posibil să se măsoare câmpuri magnetice de un milion de ori mai mici decât câmpul Pământului - așa este creat de inima noastră, distilând sânge prin vase.

Când structura afectează proprietățile

O nouă etapă în crearea materialelor compozite a venit odată cu apariția tehnologii moderne: acum magnetoelectrice artificiale sunt realizate pe cipuri sub formă de filme cu nanostructuri columnare (Fig. 3c). Structurile tip sandwich din proiectarea nanofilmului nu funcționează bine - aderența la cip-substratul nu le permite să se deformeze liber, iar coloanele sunt ușor comprimate și întinse în direcția verticală. În plus, astfel de structuri nu au trebuit să fie create special; ele se „auto-organizează” cu depunerea simultană a două substanțe pe substrat: magnetostrictiv, de exemplu, spinel CoFe2O4, și piezoelectric, de exemplu, titanat de bariu BaTiO3 sau ferită de bismut. BiFeO3. Prin schimbarea orientării cristalografice a substratului, este posibil să crească atât coloane magnetostrictive într-o matrice piezoelectrică, cât și coloane piezoelectrice într-o matrice magnetostrictivă (Fig. 4).

Orez. 4. Structura nanocompozitului depinde de orientarea cristalografică a planului substratului: substrat cu (001) orientare (a), substrat cu (111) orientare (b); cuburile corespund cristalelor piezoelectrice, octaedrele corespund cristalelor dintr-un material magnetostrictiv

Ce face ca cele două faze să precipite în acest fel? Același fenomen care face ca o picătură de apă să se estompeze pe sticla curată și să se rostogolească într-o minge pe o suprafață frecata cu ceară - tensiune de suprafata. Dacă substratul este tăiat perpendicular pe direcția cristalografică (adică, axa z a sistemului de coordonate), atunci substanța materialului magnetostrictiv nu umezește suprafața, adunându-se în picături, care apoi cresc în coloane, în timp ce faza piezoelectrică se umezește. substratul și învăluie coloanele, formând o matrice. Pe substratul (111), totul se întâmplă invers: în interiorul matricei magnetostrictive crește o structură columnară a piezoelectricului.

Când dimensiunile caracteristice ale nanostructurilor sunt mai multe distanțe interatomice, fazele compozitului încep să afecteze structura internași proprietățile reciproce. Dacă straturile de titanat de bariu sunt intercalate cu un material magnetic cu o structură cristalină similară, de exemplu, manganit de lantan cu substituție de calciu La0.7Ca0.3MnO3, atunci se obține un mediu magnetoelectric artificial: datorită apropierii apropiate. structuri cristaline două materiale sunt supuse unor distorsiuni reciproce, ceea ce duce la interacțiunea subsistemelor electrice și magnetice. Adică, a fost posibil nu numai să se creeze un material nanostructurat, ci și să se realizeze inginerie nivel atomic, modificând proprietățile substanțelor-componente în sine.

Dar cum rămâne cu ideea originală a lui Curie despre moleculele magnetoelectrice? Poate fi implementat în nanoclusterele moleculare organice Dy3, în care atomii magnetici sunt trei atomi de disproziu formând un triunghi regulat (Fig. 5a). În starea moleculei cu cea mai mică energie (în starea fundamentală), săgețile magnetice (momentele) ionilor de disproziu sunt orientate paralel cu latura opusă a triunghiului (Fig. 5a). Dacă ar exista mai mulți ioni magnetici (ca, de exemplu, în clusterul Dy6 recent sintetizat), aceștia ar forma un „carusel” de momente magnetice (Fig. 5b). O astfel de ordonare se numește „toroidală”, deoarece un electromagnet circular poate fi creat prin înfășurarea unui fir în jurul unui miez magnetic sub forma unei gogoși (tor). Structurile cu ordonare toroidală, urmând tradiția de a desemna orice ordonare prin cuvântul „ferro”, se numesc „ferotorice”. Au efect magnetoelectric - aplicarea unui câmp magnetic determină o redistribuire a momentelor magnetice: numărul de ioni ale căror momente magnetice sunt direcționate de-a lungul câmpului magnetic crește. Deplasarea ionilor magnetici atrage dupa sine o redistribuire a sarcinilor, astfel incat apare polarizarea electrica. Cu toate acestea, stările moleculei în care momentele magnetice sunt direcționate în sensul acelor de ceasornic și stările cu direcția momentelor în sens invers acelor de ceasornic se realizează cu probabilitate egală, iar în aceste cazuri efectul magnetoelectric va fi opus. Deci problema rămâne cum să obținem structuri toroidale cu o singură direcție de rotație a momentelor magnetice.

Orez. Fig. 5. Nanocluster molecular organic bazat pe ioni de pământuri rare: orientarea reciprocă a momentelor magnetice ale cationilor de disproziu (a); cu ordonarea toroidală a momentelor magnetice într-un câmp magnetic extern H, pe lângă magnetizare, se induce polarizarea electrică P (b); pentru comparație - un electromagnet toroidal (în centru)

Memoria nu va ieși din monitor

Ideea lui Tellegen a unui compozit format din particule magnetoelectrice care se rotesc într-un lichid a fost realizată odată cu apariția primului model de cerneală electronică - gyricon (din greacă. „imagine rotativă”). Un gyricon este un mediu polimeric în care sunt înglobate particule de polietilenă sferică bicoloră, care se rotesc în interiorul cavităților cu lichid (Fig. 6). Emisferele particulei diferă nu numai prin culoare, ci și incarcare electrica. Prin urmare, acestea puteau fi orientate prin aplicarea unui câmp electric, iar litere negre au apărut pe un fundal alb. Când impuritățile magnetice au fost introduse în particule, câmpul electric a început să controleze magnetizarea sistemului. Cu toate acestea, a durat aproximativ o secundă pentru a se roti, așa că a apărut ideea de a „magnetiza” nu hârtia electronică, ci componenta principală a unui alt tip de afișaj - cristalele lichide.

Orez. 6. Gyrikon: polimer cu particule sferice alb-negru încorporate (a), compozit magnetoelectric pe bază de gyrikon: particulele dipol se rotesc în microcavități cu lichid. +/– electric, S, N - poli magnetici (b)

În cristalele lichide, nematicele (din grecescul „fir”), moleculele alungite sunt situate de-a lungul unei direcții (Fig. 7a). Monitoarele cu cristale lichide funcționează datorită proprietății moleculelor nematice de a se orienta de-a lungul câmpului (Fig. 7b), dar dacă la cristalul lichid se adaugă nanoppilari magnetici, ei se vor roti împreună cu moleculele. Rezultatul a fost un material magnetic controlat de un câmp electric și a răspuns la o modificare a câmpului electric mult mai rapid - frecvența de comutare a fost kiloherți.

Orez. Fig. 7. Cristal lichid cu nanoppilari magnetici: în absența tensiunii electrice (a), când tensiunea este pornită (b)

Acest lucru este deja mai rapid, dar gyriconul și celula cu cristale lichide nu pot concura cu elementele microcircuitelor semiconductoare nici ca dimensiune, nici ca viteză, ceea ce înseamnă că nu sunt potrivite pentru dispozitivele de memorie magnetică. În locul unui cristal lichid în dispozitivele de memorie magnetică, s-a propus plasarea unui strat de magnetoelectric în stare solidă între electrozi, cu toate acestea, datorită numărului mic de magnetoelectrice de temperatură înaltă și a curenților de scurgere mari, memoria magnetoelectrică este încă departe de fiind realizat.

„Praful inteligent” colectează energie

Miniaturizarea dispozitivelor electronice este modalitatea de a crea rețele de senzori fără fir constând din mulți senzori capabili să colecteze, să prelucreze informații și să le schimbe între ei. Astfel de structuri sunt uneori denumite „praf inteligent”. Cele mai evidente domenii de aplicare sunt monitorizarea mediului și medical, sistemele de securitate. Dar senzorii au nevoie de energie și există probleme cu ea: dacă senzorul se află în interiorul unui obiect (de exemplu, într-o parte rotativă sau în corpul uman), atunci nu puteți aduce un fir la el, bateriile nu sunt miniaturale și suficient de durabil și panouri solare inutil pe întuneric.

Orez. Fig. 8. Alimentarea de la distanță a senzorilor: un traductor magnetoelectric bazat pe materiale piezoelectrice și magnetostrictive situat pe un substrat al unei plăci metalice conice - un concentrator acustic cu ghid de undă (a), un nod de rețea de senzori fără fir cu sursă de alimentare magnetoelectrică (b)

O alternativă interesantă pare să fie recoltarea de energie - obținerea energiei din mediu inconjurator. Acestea pot fi sisteme care acumulează energia mecanică, a fluctuațiilor de temperatură sau a undelor radio, dar fluxul de energie provenit din surse naturale este mic - mai mic de 1 μW/cm2. Cu toate acestea, este posibil să se creeze o sursă de radiație care creează un câmp magnetic alternativ la locația senzorilor. Convertiți energia câmpului magnetic în energie electrostatică condensatoarele încărcate pot fi realizate folosind un element magnetoelectric, care constă din straturi de materiale magnetostrictive și piezoelectrice situate pe un substrat metalic comun sub forma unei plăci care se înclină spre un capăt (Fig. 8). Un câmp magnetic alternant determină deformarea periodică a plăcii magnetostrictive la frecvența de rezonanță. Aceste vibrații mecanice sunt transmise substratului și se propagă de-a lungul acestuia, astfel încât la apropierea capătului îngust, concentrația energiei acustice și amplitudinea oscilațiilor cresc. Vibrațiile substratului sunt transferate pe plăcile piezoelectrice, iar o alternativă tensiune electrică. Acest design este un fel de material compozit magnetoelectric, cu toate acestea, cu ajutorul unui concentrator acustic, este posibil să se obțină un câștig de două ori față de structura tradițională multistrat de straturi magnetice și piezoelectrice legate.

Orez. 9. Vibrații mecanice ale unei console piezoelectrice: convertite în energie electrica(a), element piezoelectric pentru colectarea energiei în timpul mersului (b)

Pentru a alimenta implanturi în medicină, senzori autonomi, precum și comunicații și electronice mobile, este mai bine să folosiți mișcarea mecanică sau vibrațiile, de exemplu, vibrațiile unei plăci elastice (în micromecanică și nanotehnologii moderne, astfel de plăci sunt numite cantilever) din un material piezoelectric (Fig. 9a). Când o consolă realizată dintr-un material compozit magnetoelectric oscilează în câmpul magnetic al Pământului, stratul magnetostrictiv suferă deformații suplimentare care sunt transferate stratului piezoelectric și, ca urmare, amplitudinea tensiunii alternative ajunge la zece volți. Un astfel de dispozitiv este propus a fi folosit pe vehicule subacvatice și geamanduri, unde există întotdeauna valuri oceanice și câmpul magnetic al Pământului.

Mai trebuie făcută aici o remarcă: frecvențele de oscilație întâlnite în condiții naturale sunt mici - herți, maximum zeci de herți. Aceasta înseamnă, pe de o parte, puterea scăzută generată de unitate (puterea este proporțională cu cubul de frecvență), pe de altă parte, nu este deloc dimensiunile microscopice ale dispozitivelor capabile să vibreze la aceste frecvențe joase. Ca rezultat, încărcătoarele dau doar microwați pe centimetru cub. Se așteaptă rezultate mai bune din utilizarea altor tipuri mișcare oscilatorie: corpul uman la mers (elementele piezoelectrice situate în pantof (Fig. 9b) permit deja să primească până la 1 mW/cm3) și vibrații chiar mai mari ale motorului mașinii - până la 30 mW/cm3. Dar, în orice caz, încă nu vorbim despre înlocuirea bateriilor din telefoanele mobile. Însăși recoltarea energiei libere („recoltarea energiei”) seamănă cu bine-cunoscutul proces „razuiți în fundul butoiului, puneți-l în hambare”, iar acest lucru explică de ce în astfel de cazuri este adesea folosit un alt termen: „captarea energiei”. ” (curățenie - curățare, evacuare a gunoiului).

Problema relației dintre fenomenele magnetice și electrice într-un solid este extrem de multifațetă, iar acest articol arată doar câteva dintre aspectele sale. Această zonă a științei se dezvoltă acum activ, există o mulțime de lucruri de neînțeles și efecte necunoscuteîn aşteptarea descoperitorilor lor.

A. P. Pyatakov, candidat la științe fizice și matematice
A. K. Zvezdin, doctor în științe fizice și matematice

Literatură:
1. Smolensky G.A., Chupis I.E. Feromagnetică. Advances in the Physical Sciences, 1982, 137, 415–448.
2. Eerenstein W., Mathur N.D., Scott J.F. Materiale multiferoice și magnetoelectrice. Nature, 2006, 442, 7104, 759–765, doi:10.1038/nature05023.
3. Pyatakov A.P., Zvezdin A.K. Materiale magnetoelectrice și multi-feroice. „Succesele în științe fizice”, 2012, 182, 593–620.

Oriunde te uiți, peste tot este un magnet. Pe vremuri, elevilor li s-a spus doar despre busolă, mai târziu - despre utilizarea în industrie, recent au început să vorbească despre viitorul tren maglev. Deși s-ar putea spune că orice motor electric și orice transformator este un electromagnet. Astăzi, a devenit mai ușor să convingi cititorul de importanța magneților: este suficient să spunem că aproape sigur are un magnet acasă (pe ușa frigiderului și în cuptorul cu microunde), în buzunar (într-un telefon mobil), zeci de magneți - într-un computer și mașină. În industrie și medicină, nu pot fi numărate deloc, iar fizica particulelor elementare nu se poate descurca fără ele - sunt situate de-a lungul întregului perimetru al inelului de accelerare și în majoritatea detectorilor de particule elementare.

Apare o idee: a traversa un câmp electric și magnetic, a găsi o substanță sau a crea un material, atunci când este plasat într-un câmp electric, acesta devine un magnet, iar într-un câmp magnetic, dimpotrivă, prezintă proprietăți electrice. Astfel de substanțe sunt descrise în articolul lui A.P. Pyatakov și A.K. Zvezdin de la Universitatea de Stat din Moscova Lomonosov. M.V. Lomonosov și Institutul de Fizică Generală. A. M. Prokhorova.

Magnet permanent variabil

Fenomenele magnetice și electrice sunt cunoscute încă din cele mai vechi timpuri, dar a fost posibilă conectarea între ele mult mai târziu, după munca clasicilor electromagnetismului: Oersted, Ampère, Faraday, Maxwell. În urma lui Ampère, proprietățile magnetice ale magneților permanenți au început să fie explicate prin curenții „moleculari” care curg în interiorul substanței din fiecare moleculă. Deși natura curenților moleculari a rămas neînțeleasă multă vreme, însăși posibilitatea mișcării perpetue a sarcinilor în interiorul materiei părea promițătoare (această posibilitate se realizează și în supraconductori, dar la temperaturi scăzute). Dacă ar fi posibil să se influențeze curenții moleculari cu ajutorul unui câmp electric, atunci ar fi posibil să se controleze magneții permanenți practic fără pierderi de energie.

Lucrurile au decolat atunci când L. D. Landau și E. M. Lifshits au subliniat că magnetoelectricii ar trebui căutați printre antiferomagneți, adică cristale formate din subrețele magnetizate opus (Fig. 1). În 1959, I. E. Dzyaloshinsky a numit un compus specific - Cr 2 O 3, iar un an mai târziu efectul magnetoelectric din acest material a fost descoperit de D. N. Astrov. Cu câțiva ani mai devreme, oamenii de știință americani din grupul profesorului George Rado au încercat să descopere proprietățile magnetoelectrice ale diferitelor substanțe, dar căutarea s-a dovedit a fi inutilă, deoarece nu știau despre munca lui Landau, Lifshitz și Dzyaloshinsky - traduceri ale cărțile și articolele au apărut cu întârziere. După ce au aflat despre descoperirea lui Astrov, ei au demonstrat și efectul invers asupra Cr 2 O 3 - polarizarea electrică indusă de un câmp magnetic.

În același timp, la Institutul de Fizică și Tehnologie din Leningrad, în grupul lui G. A. Smolensky, căutau feroelectrici magnetici. Un feroelectric obișnuit este o substanță care prin ea însăși, fără participarea influențelor externe, creează un câmp electric atât în interior, cât și în exterior, adică, într-un anumit sens, un analog electric al unui magnet permanent. Un feroelectric magnetic este un material în care, în absența câmpurilor externe, s-ar observa atât magnetizarea, cât și polarizarea electrică. Trebuia să înlocuiască ionii cu elemente magnetice în feroelectricele deja cunoscute, iar primul „feromagnetic” (sau „multiferoic”, cum sunt numite acum aceste materiale) s-a dovedit a fi „complex”, era o soluție solidă (1–x )Pb (Fe 2/3 W 1/ 3)O 3 - xPb (Mg 1/2 W 1/2) O 3.

Feromagnetică și multiferoică: termeni himere

Spre nenorocirea ta
Am chemat spiritele.
J. W. Goethe, „Ucenicul vrăjitor”

Multe cuvinte familiare sunt ca o himeră mitologică - un animal cu cap de leu, corp de capră și coadă de șarpe. Deci, cuvântul „autobuz” s-a dovedit a fi o combinație de părți ale cuvintelor „mașină” și „omnibus” (din lat. omnibus- tuturor, pentru toată lumea). În mod similar, termenul „feromagnetic” este format din cele două cuvinte „feroelectric” și „feromagnet”. Cuvântul „feroelectric” provine de la prima substanță descoperită în care există o polarizare în absența unui câmp electric (polarizare electrică spontană), - sarea Rochelle, numită după farmacistul francez Seignet ( seignette). Și mai există un miracol - substanțe în care, atunci când temperatura scade, cristalul, rămânând intact, se sparge în domenii - regiuni cu orientări diferite ale rețelei cristaline (aceasta se numește tranziție de fază structurală). Astfel, cuvântul „feromagnetic” este deja un hibrid destul de ciudat, dar termenul „multiferoic” este și mai „himeric”.

În literatura științifică în limba engleză, numele tuturor acestor trei clase de substanțe încep cu prefixul „ferro”: feromagnetice, feroelastice, feroelectrice, deși fierul nu are nimic de-a face cu el. Acest lucru nu a împiedicat, însă, la mijlocul secolului trecut, omul de știință japonez Keichiro Aizu a numit toate cele trei clase prin termenul general „ feroice» - feroici. O poveste similară s-a întâmplat în limba engleză: o bucată din „omnibus” a migrat în „autobuz”, apoi autobuz a devenit un cuvânt independent, adică, pe lângă magistrală, și un canal de transmisie a datelor.

În cazul feroicilor, povestea a continuat: la începutul anilor nouăzeci ai secolului trecut, un nou geniu a fost eliberat din sticlă - termenul „multiferoic” (din lat. multi- multe) - pentru a desemna o substanță care aparține simultan la cel puțin două clase de feroici. La începutul secolului nostru, când au apărut noi medii cu proprietăți magnetice și electrice, acest cuvânt a câștigat în mod neașteptat rapid recunoașterea și l-a înlocuit pe „feromagnetic”, astfel încât creatorul neologismului, omul de știință elvețian Hans Schmid, când vine vorba de termenul el inventat, amintește de poemul lui Goethe, un fragment din care este dat ca epigraf.

Amestecați sau stratificați?

Ulterior, au fost găsiți și compuși mai simpli, iar ferita de bismut BiFeO 3 s-a dovedit a fi deosebit de interesantă (Fig. 2). Cele mai multe dintre proprietățile sale remarcabile se datorează diferențelor față de structura cubică ideală. Rotația octaedrelor de oxigen (Fig. 2a) duce la faptul că în acest antiferomagnet săgețile magnetice ale ionilor vecini nu mai sunt strict opuse, formând un unghi mai mic de 180 de grade. Ca urmare, nu se compensează pe deplin unul pe altul și apare magnetizarea generală a cristalului (astfel de materiale se numesc feromagneți slabi). Proprietățile electrice și magnetoelectrice se datorează deplasării ionilor de-a lungul diagonalei principale a cubului, precum și distorsiunii octaedrului (Fig. 2b). Un cristal de ferită de bismut se poate întinde și în raze luminoase (Fig. 2c) și se poate transforma într-o diodă semiconductoare sub acțiunea unui câmp electric (Fig. 2d). Ultima transformare are loc din cauza vacantelor de oxigen - defecte încărcate care modifică tipul de conductivitate.

Există foarte puține astfel de magnetoelectrice „de înaltă temperatură” precum ferita de bismut, abia mai mult de o duzină, și chiar și acestea au un dezavantaj semnificativ - o conductivitate vizibilă la temperatura camerei. Acest lucru anulează principalul avantaj al metodei magnetoelectrice de obținere a unui câmp magnetic - atunci când se aplică un câmp electric, un curent va începe să curgă într-o astfel de substanță, ceea ce înseamnă că consumul de energie devine vizibil. Prin urmare, în anii 70 ai secolului trecut, s-au făcut primele încercări de a crea medii magnetoelectrice compozite artificiale sub forma unui amestec de două pulberi (Fig. 3a): particulele magnetostrictive și-au schimbat forma într-un câmp magnetic, au acționat asupra piezoelectricelor. particulele, iar acelea, la rândul lor, deformațiile au fost polarizate electric.

Ideea a fost grozavă, dar efectul a fost mic și instabil. În timpul amestecării, s-au obținut bulgări și cheaguri, iar formarea de canale din particulele magnetostrictive conducătoare a condus la un „scurtcircuit” al probei și, prin urmare, la absența tensiunii electrice. Apoi a venit ideea unui „tort strat” sau sandviș făcut din materiale magnetostrictive și piezoelectrice lipite între ele (Fig. 3b). Nu s-au mai format canale conductoare, iar efectul magnetoelectric a devenit de 50 de ori mai mare decât în Cr 2 O 3 . Cu ajutorul senzorilor de pe structuri sandwich, a fost posibil să se măsoare câmpuri magnetice de un milion de ori mai mici decât câmpul Pământului - așa este creat de inima noastră, distilând sânge prin vase.

Când structura afectează proprietățile

O nouă etapă în crearea materialelor compozite a venit odată cu apariția tehnologiilor moderne: acum magnetoelectricele artificiale sunt fabricate pe cipuri sub formă de filme cu nanostructuri columnare (Fig. 3c). Structurile tip sandwich din proiectarea nanofilmului nu funcționează bine - aderența la cip-substratul nu le permite să se deformeze liber, iar coloanele sunt ușor comprimate și întinse în direcția verticală. În plus, astfel de structuri nu trebuiau create special; ele se „auto-organizează” cu depunerea simultană a două substanțe pe substrat: magnetostrictiv, de exemplu, spinel CoFe 2 O 4 , și piezoelectric, de exemplu, titanat de bariu BaTiO 3 sau ferită de bismut BiFeO 3 . Prin schimbarea orientării cristalografice a substratului, este posibil să crească atât coloane magnetostrictive într-o matrice piezoelectrică, cât și coloane piezoelectrice într-o matrice magnetostrictivă (Fig. 4).

Ce face ca cele două faze să precipite în acest fel? Același fenomen care face ca o picătură de apă să se răspândească pe sticla curată și să se rostogolească într-o minge pe o suprafață ceară este tensiunea superficială. Dacă substratul este tăiat perpendicular pe direcția cristalografică (adică axa z sistem de coordonate), atunci substanța materialului magnetostrictiv nu umezește suprafața, adunându-se în picături, care apoi cresc în coloane, în timp ce faza piezoelectrică udă substratul și învăluie coloanele, formând o matrice. Pe substratul (111), totul se întâmplă invers: în interiorul matricei magnetostrictive crește o structură columnară a piezoelectricului.

Când dimensiunile caracteristice ale nanostructurilor sunt mai multe distanțe interatomice, fazele compozitului încep să influențeze structura internă și proprietățile reciproce. Dacă straturile de titanat de bariu sunt intercalate cu un material magnetic cu o structură cristalină similară, de exemplu, manganit de lantan cu substituție de calciu La 0,7 Ca 0,3 MnO 3, atunci se obține un mediu magnetoelectric artificial: datorită proximității, structurile cristaline dintre cele două materiale sunt supuse unor distorsiuni reciproce, ceea ce duce la interacțiunea subsistemelor electrice și magnetice. Adică a fost posibil nu numai să se creeze un material nanostructurat, ci și să se realizeze inginerie la nivel atomic, schimbând însăși proprietățile substanțelor-componente.

Dar cum rămâne cu ideea originală a lui Curie despre moleculele magnetoelectrice? Poate fi implementat în nanoclusterele Dy3 moleculare organice, în care trei atomi de disproziu sunt atomi magnetici, formând un triunghi regulat (Fig. 5a). În starea moleculei cu cea mai mică energie (în starea fundamentală), săgețile magnetice (momentele) ionilor de disproziu sunt orientate paralel cu latura opusă a triunghiului (Fig. 5a). Dacă ar exista mai mulți ioni magnetici (ca, de exemplu, în clusterul Dy 6 recent sintetizat), aceștia ar forma un „carusel” de momente magnetice (Fig. 5b). O astfel de ordonare se numește „toroidală”, deoarece un electromagnet circular poate fi creat prin înfășurarea unui fir în jurul unui miez magnetic sub forma unei gogoși (tor). Structurile cu ordonare toroidală, urmând tradiția de a desemna orice ordonare prin cuvântul „ferro”, se numesc „ferotorice”. Au efect magnetoelectric - aplicarea unui câmp magnetic determină o redistribuire a momentelor magnetice: numărul de ioni ale căror momente magnetice sunt direcționate de-a lungul câmpului magnetic crește. Deplasarea ionilor magnetici atrage dupa sine o redistribuire a sarcinilor, astfel incat apare polarizarea electrica. Cu toate acestea, stările moleculei în care momentele magnetice sunt direcționate în sensul acelor de ceasornic și stările cu direcția momentelor în sens invers acelor de ceasornic se realizează cu probabilitate egală, iar în aceste cazuri efectul magnetoelectric va fi opus. Deci problema rămâne cum să obținem structuri toroidale cu o singură direcție de rotație a momentelor magnetice.

Memoria nu va ieși din monitor

Ideea lui Tellegen a unui compozit format din particule magnetoelectrice care se rotesc într-un lichid a fost realizată odată cu apariția primului model de cerneală electronică - gyricon (din greacă. „imagine rotativă”). Un gyricon este un mediu polimeric în care sunt înglobate particule de polietilenă sferică bicoloră, care se rotesc în interiorul cavităților cu lichid (Fig. 6). Emisferele particulei diferă nu numai prin culoare, ci și prin sarcina electrică. Prin urmare, acestea puteau fi orientate prin aplicarea unui câmp electric, iar litere negre au apărut pe un fundal alb. Când impuritățile magnetice au fost introduse în particule, câmpul electric a început să controleze magnetizarea sistemului. Cu toate acestea, a durat aproximativ o secundă pentru a se roti, așa că a apărut ideea de a „magnetiza” nu hârtia electronică, ci componenta principală a unui alt tip de afișaj - cristalele lichide.

„Praful inteligent” colectează energie

O alternativă interesantă pare să fie recoltarea energiei- obtinerea de energie din mediu. Acestea pot fi sisteme care acumulează energia mecanică, a fluctuațiilor de temperatură sau a undelor radio, dar fluxul de energie provenit din surse naturale este mic - mai mic de 1 μW/cm2. Cu toate acestea, este posibil să se creeze o sursă de radiație care creează un câmp magnetic alternativ la locația senzorilor. Energia câmpului magnetic poate fi convertită în energia electrostatică a condensatoarelor încărcate folosind un element magnetoelectric, care constă din straturi de materiale magnetostrictive și piezoelectrice situate pe un substrat metalic comun sub forma unei plăci care se înclină spre un capăt (Fig. 8). Un câmp magnetic alternant determină deformarea periodică a plăcii magnetostrictive la frecvența de rezonanță. Aceste vibrații mecanice sunt transmise substratului și se propagă de-a lungul acestuia, astfel încât la apropierea capătului îngust, concentrația energiei acustice și amplitudinea oscilațiilor cresc. Vibrațiile substratului sunt transmise plăcilor piezoelectrice, iar în ele ia naștere o tensiune electrică alternativă. Acest design este un fel de material compozit magnetoelectric, cu toate acestea, cu ajutorul unui concentrator acustic, este posibil să se obțină un câștig de două ori față de structura tradițională multistrat de straturi magnetice și piezoelectrice legate.

Mai trebuie făcută aici o remarcă: frecvențele de oscilație întâlnite în condiții naturale sunt mici - herți, maximum zeci de herți. Aceasta înseamnă, pe de o parte, puterea scăzută generată de unitate (puterea este proporțională cu cubul de frecvență), pe de altă parte, nu este deloc dimensiunile microscopice ale dispozitivelor capabile să vibreze la aceste frecvențe joase. Ca rezultat, încărcătoarele dau doar microwați pe centimetru cub. Se așteaptă rezultate mai bune din utilizarea altor tipuri de mișcări oscilatorii: corpul uman la mers (elementele piezoelectrice situate în pantof (Fig. 9b) permit deja obținerea de până la 1 mW / cm 3) și vibrații de frecvență chiar mai mare ale mașinii. motor - până la 30 mW / cm 3. Dar, în orice caz, încă nu vorbim despre înlocuirea bateriilor din telefoanele mobile. Însuși recoltarea de energie liberă („ recoltarea energiei”) amintește de binecunoscutul proces de „răzuiți fundul hambarului, puneți-l în hambare”, iar acest lucru explică de ce în astfel de cazuri este adesea folosit un alt termen: „ captarea energiei» ( scoaterea- curatenie, eliminarea deseurilor).

Problema relației dintre fenomenele magnetice și electrice într-un solid este extrem de multifațetă, iar acest articol arată doar câteva dintre aspectele sale. Acest domeniu al științei se dezvoltă acum activ, există o mulțime de lucruri de neînțeles și efecte necunoscute așteaptă descoperitorii lor.

Literatură:
1. Smolensky G.A., Chupis I.E. Feromagnetică. Advances in the Physical Sciences, 1982, 137, 415–448.
2. Eerenstein W., Mathur N.D., Scott J.F. Materiale multiferoice și magnetoelectrice. Nature, 2006, 442, 7104, 759–765, doi:10.1038/nature05023.
3. Pyatakov A.P., Zvezdin A.K. Materiale magnetoelectrice și multi-feroice. „Succesele în științe fizice”, 2012, 182, 593–620.

Magneți permanenți și electromagneți
caracteristici și acțiune.

Subiect

Utilizarea proprietăților magneților este foarte largă. Ele pot fi găsite în multe dispozitive electrice, mecanice și alte dispozitive. Dar câți oameni știu cum sunt aranjați magneții și pe ce principiu funcționează? În acest articol, vom încerca să înțelegem acest lucru și să aflăm cum și de ce magneții au astfel de proprietăți.

Pentru început, trebuie menționat că la baza acțiunii oricărui magnet (permanent sau electromagnet) este același fenomen. Constă în interacțiunea câmpurilor magnetice care înconjoară magnetul însuși (un corp cu proprietăți magnetice). De unde provine câmpul magnetic al unui magnet? Pentru a răspunde, să ne amintim de fizică. Un câmp magnetic este un tip special de materie care ia naștere în jurul particulelor încărcate în mișcare. După cum trebuie să vă amintiți, orice corp este format din atomi și molecule (o structură complexă de atomi). Fiecare atom are un nucleu în jurul căruia se rotesc electronii.

Un electron este o particulă încărcată electric negativ. Deoarece electronul este mereu în mișcare, există întotdeauna un câmp magnetic în jurul lui. Dar atunci de ce nu toate corpurile prezintă proprietăți magnetice? Și pentru că atomii, fiind într-un aranjament inegal, compensează (echilibrează) câmpurile magnetice ale celuilalt. Dar unele substanțe (feromagneți), totuși, sunt capabile, atunci când sunt expuse unui impuls magnetic intens, să-și desfășoare structura internă în așa fel încât câmpurile magnetice ale particulelor prezente în ea să se întoarcă în aceeași direcție. Acest lucru contribuie la însumarea tuturor câmpurilor magnetice și la apariția unui câmp magnetic extern îmbunătățit. Astfel, apare un magnet permanent. Dar această proprietate a unui magnet nu este permanentă.

În anumite condiții, unidirecționalitatea existentă a particulelor de magnet permanent poate fi ruptă. De exemplu, dacă este supus un magnet permanent temperatura ridicata, șocuri puternice, inversarea magnetizării curent alternativ atunci câmpurile sale magnetice ale particulelor își vor schimba structura și din nou corpul va reveni la starea sa primară (nu va mai exista un câmp magnetic în jurul său).

Un magnet permanent are dezavantajele sale: o putere relativ slabă a câmpului magnetic, incapacitatea de a controla atât puterea câmpului magnetic în sine, cât și stările sale de manifestare (când este necesar, magnetizează, iar când nu este necesar, acesta nu magnetizează). Aceste deficiențe sunt lipsite de electromagneți. Să trecem la ele acum.

Electromagneți- Acestea sunt dispozitive electrice care, atunci când trece un curent prin ele, sunt capabile să prezinte proprietăți magnetice. În centrul dispozitivului oricărui electromagnet se află o bobină electrică simplă, care este înfășurată pe un miez de oțel. După cum știți, atunci când tensiunea este aplicată bobinei, în ea ia naștere un curent electric (apare un flux de electroni care se mișcă în mod ordonat). Și așa cum am aflat mai sus, orice particulă încărcată electric în mișcare este capabilă să aibă un câmp magnetic în jurul ei. Deci, la trecere curent electricîn jurul bobinei se dezvoltă un câmp magnetic.

Pentru a îmbunătăți câmpul magnetic al bobinei electromagnetului, în interiorul acesteia este instalat un miez de oțel. Când apare un câmp magnetic în bobine, acesta contribuie la modificarea structurii interne a oțelului (prin rotirea particulelor interne într-o singură direcție, similar procesului cu un magnet permanent când este magnetizat).

Drept urmare, câmpurile magnetice ale bobinei în sine sunt însumate cu câmpurile magnetice ale miezului de oțel, ceea ce sporește efectul electromagnetului de aproximativ o mie de ori. Când puterea este deconectată de la electromagnet, bobina încetează să se magnetizeze, drept urmare structura particulelor din miezul de oțel (datorită proprietăților sale) revine la cea originală, ceea ce duce la demagnetizarea completă a acesteia. Puterea câmpului magnetic al unui electromagnet poate fi ajustată cu ușurință prin schimbarea puterii curentului care circulă prin bobinele electromagnetului.

Cea mai importantă problemă a utilizării eficiente a materialelor magnetice dure este calitatea înaltă a magnetizării sistemelor cu magneți permanenți.

De obicei, magneții (cu excepția magneților de ferită de bariu) sunt magnetizați după asamblarea sistemului, deoarece în acest caz, după stabilizarea magnetică, valoarea inducției în spațiu se dovedește a fi mai mare decât în timpul magnetizării fără sistem, urmată de asamblare și stabilizare magnetică (Fig. 57). În figură, OA este linia coeficientului de demagnetizare, care caracterizează sistemul magnetic după asamblare; OS - linia coeficientului de demagnetizare pentru un magnet fără armare; B\ și Ba sunt inducții de gol obținute după stabilizare magnetică, respectiv, pentru sistemul magnetizat înainte și după asamblare.

Magnetizarea înainte de asamblare este, de asemenea, asociată cu dificultăți tehnologice care apar la asamblarea unui dispozitiv cu magnet magnetizat (necesitatea de a avea o unealtă nemagnetică, posibilitatea de înfundare cu praf feromagnetic etc.).

Studiile au arătat că pentru o stare de înțeles în timpul radiației, caracteristicile magnetice limitative

Magnetizare înainte și tensiune de magnetizare PISTIC - după asamblare r r, r p ґ

Câmpul Go ar trebui să fie de 5-7 ori mai mare

forță coercitivă. Aceste date se referă la cazul în care întregul volum al magnetului este pătruns de un câmp de o mărime specificată, ceea ce are loc, de exemplu, la magnetizarea unui magnet cu poli plan-paraleli intercalați între polii unui electromagnet. curent continuu. În majoritatea cazurilor, datorită influenței fluxurilor de scurgere, rezistenței magnetice a golurilor de aer, curenților turbionari (în timpul magnetizării câmp variabil) valoarea câmpului de magnetizare trebuie să fie mai mare decât valoarea specificată și să corespundă cu 3000-10 000 Oe.

Pentru a crea câmpuri de această mărime într-un volum suficient pentru a se potrivi în golul sistemului magnetic, sunt necesare rotații de amperi de magnetizare semnificative. Cu magnetizarea cu o singură tură, care este utilizată într-un număr de cazuri, este necesar să existe curenți de zeci de mii de amperi.

Magnetizarea este utilizată în instalațiile alimentate cu curent continuu, curent alternativ, cu acțiunea simultană a curenților continui și alternativi, precum și în impulsuri.

Orez. 57. Schimbați magia

Magnetizarea DC se realizează într-un mod electric
magneti. Astfel de electromagneți sunt voluminosi și necesită surse de energie puternice.

De exemplu, permeametrul de câmpuri puternice al instalației U-541, care creează un câmp egal cu 4000 Oe într-un interval de 50 mm, are o masă egală cu 250 kg, iar un electromagnet conceput pentru magnetizarea magneților permanenți, cu un câmp de 40.000 Oe și un decalaj de 12 mm, consumă putere, egală cu 28 kt.

Pe curent alternativ, valoarea curentului necesară ca urmare a utilizării transformatoarelor este relativ ușor de obținut. Totuși, în acest caz, apar și alte dificultăți: este imposibil să se garanteze o calitate înaltă a magnetizării, deoarece, în funcție de valoarea curentului instantaneu la care are loc întreruperea, magnetul se poate dovedi a fi magnetizat mai rău, mai bine sau chiar deloc magnetizat. Pentru a elimina acest neajuns, este necesar fie să se asigure că curentul este oprit când atinge valoarea maximă, fie să existe o marjă mare pentru curentul de magnetizare, ceea ce reduce probabilitatea unei magnetizări slabe.

De asemenea, ar trebui să țineți cont de efectul curenților turbionari, a căror acțiune duce la faptul că, ca urmare a atenuării unei unde electromagnetice, atunci când aceasta pătrunde adânc în metal, volumul intern al magnetului se poate dovedi a fi nemagnetizat.

Relația dintre durata minimă a impulsului T, la care este magnetizat întregul volum al magnetului, dimensiunile magnetului și a acestuia. proprietăți fizice poate fi reprezentat prin următoarea formulă empirică:

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

Orez. 58. Dispunerea schematică a transformatorului de șoc

Unde K este conductivitatea specifică a materialului magnetului (pentru aliaje fier-nichel-aluminiu K = 1,7-104 ohm ~ 1) \ B este inducția în magnet, gs \ H este puterea câmpului de magnetizare, e \ D este diametrul efectiv al magnetului, vezi Fig.

Metoda de magnetizare prin curent alternativ a găsit implementare practică într-un transformator de șoc (Fig. 58).

Transformatorul este format dintr-o înfăşurare primară W\ cu un numar mare spire și înfășurare secundară ®2 = 1 sub forma unei magistrale de cupru groase scurtcircuitate. Când tasta K deschide circuitul primar în secundar, are loc un impuls de curent de câteva zeci de mii de amperi, care este folosit pentru magnetizarea magnetului.

B. M. Yanovsky a propus să producă magnetizare de-a lungul unei curbe ideale, pentru a obține un magnet plasat într-un câmp constant și simultan acționat asupra unui câmp alternant cu o amplitudine care scade la zero. În acest caz, valoarea curentului continuu necesar magnetizării până la saturație poate fi luată de aproximativ trei ori mai puțin decât în absența unui câmp alternativ.

Pentru magnetizare, sunt utilizate pe scară largă circuitele care utilizează fenomenul de încărcare și descărcare a unei bănci puternice de condensatoare. Pentru a elimina oscilațiile în astfel de circuite, se folosesc diverse dispozitive de redresare, care permit trecerea curentului într-o singură direcție, adică să producă magnetizare în impulsuri.

Instalațiile cu magnetizare în impulsuri acumulează energie în condensator pentru o perioadă lungă de timp și o eliberează în timpul procesului de descărcare într-o perioadă scurtă de timp. Prin urmare, pentru a crea un impuls puternic, nu este necesar un consum mare de curent, ceea ce face posibilă utilizarea unei rețele de iluminat convenționale pentru alimentarea instalației. Avantajele instalațiilor cu impulsuri ar trebui să includă și dimensiunile lor mici și simplitatea relativă a dispozitivului.

Una dintre schemele posibile ale unei instalații de magnetizare în impulsuri este prezentată în Fig. 59.

Dispozitivul în cauză poate fi folosit nu numai pentru magnetizare sisteme magnetice, dar si pentru demagnetizarea lor. În primul caz, ștecherul HL ar trebui să fie închis și ștecherul aparatului de distribuție să fie deschis, în al doilea caz, invers.

Luați în considerare funcționarea circuitului ca un dispozitiv de magnetizare. Când cheia K este închisă, tensiunea de rețea este furnizată prin transformatorul Tr la înfășurarea releului R\, care operează și închide contactul K\, creând astfel un circuit de încărcare pentru condensatoarele C și C2 (printr-un redresor B). , rezistență de încărcare 7 * contact /Ci și un conector BINE). Capacitatele condensatoarelor C] și C2 sunt de 700 microfaradi.

Voltmetrul V, conectat printr-un divizor de tensiune (rezistențe r2 și r3), măsoară tensiunea curentă pe condensatoare. În funcție de valoarea necesară a curentului în impuls, circuitul permite, folosind rezistența r4, să se stabilească valoarea maximă a tensiunii de încărcare de la 600 la 1000 V. Când se atinge valoarea de tensiune setată, releul este activat

Pr și deschide prin contactul K.2 circuitul de alimentare al releului Contact Ki se deschide, iar procesul de încărcare a containerelor se încheie.

Prin apăsarea butonului A se alimentează releul Rz, care, prin închiderea contactelor /Cz, creează un circuit de alimentare pentru ignitronul I. Ignitronul se aprinde, iar banca de condensatoare este descărcată printr-o bobină de magnetizare conectată la bornele 1. și 2. Circuitul de descărcare include și rezistența r5 \u003d Yu- 2 ohm și r6. Prima rezistență este utilizată la pornirea osciloscopului pentru a observa pulsul de magnetizare. A doua rezistență este necesară pentru a exclude posibilitatea

Orez. 59. Schema de schema a instalatiei pentru magnetizare pulsata

Schimbarea semiundei inverse și este setată în funcție de inductanța înfășurării magnetizatoare cu un magnet.

Când se utilizează circuitul de demagnetizare, ștecherul este mutat de la priza NL la priza aparatului de distribuție și un demagnetizator este conectat la bornele 1, 2 și 3. Este un transformator de aer cu două înfășurări. Începuturile înfășurărilor sunt conectate la bornele 1 și 3, iar capetele la borna 2. În acest caz, atunci când alimentarea este pornită, numai condensatorul Cr este încărcat. În timpul descărcării sale prin ignitron și înfășurarea primară a transformatorului de demagnetizare, au loc oscilații amortizate în circuitul secundar, care este un circuit oscilator format din inductanța înfășurării și capacitatea Cb. Ele creează un câmp alternant cu o amplitudine care scade la zero, care este folosit pentru demagnetizare.

Tehnica de magnetizare depinde de forma și dimensiunile magnetului.

Magneții potcoavă pot fi magnetizați, de exemplu, așa cum se arată în fig. 60.

Dispozitivul de magnetizare este format dintr-o placă de fier cu rezistență magnetică scăzută, pe care este plasată o bobină cu un număr mare de spire. Magneții sunt plasați pe placă, acoperind bobina și închizând stâlpii prin fier. Instalația permite magnetizarea simultană a unui număr mare de magneți.

Orez. 60. Magnetizarea podko-ului - Fig. 61. Magnetizarea magneților în formă de corn pe o placă de diverși magneți masivi

Pentru a magnetiza magneți masivi în formă de corn care cântăresc până la 50-100 kg, se folosește metoda de magnetizare secvențială, care constă în următoarele. Pe magneți se pun bobine plate și se închid polii cu jumperi de fier (Fig. 61).

Bobinele sunt calculate astfel încât atunci când curentul este pornit, magnetul să fie magnetizat la locul lor până la saturare. Curentul este pornit, adică zona de sub bobine este magnetizată. Curentul este oprit, bobinele sunt mutate de-a lungul magnetului, curentul este pornit, bobinele sunt mutate din nou și așa mai departe până când bobinele sunt complet reunite.

Exemplele date arată că de fiecare dată, pe baza condițiilor specifice ale problemei, este necesar să se gândească la problema metodei de magnetizare și alegerea designului dispozitivului de magnetizare.