Kudo që të shikoni, kudo është një magnet. Njëherë e një kohë, nxënësve të shkollës u treguan vetëm për busullën, më vonë - për përdorimin në industri, kohët e fundit ata filluan të flasin për trenin e ardhshëm maglev. Edhe pse mund të thuhet se çdo motor elektrik dhe çdo transformator është një elektromagnet. Sot, është bërë më e lehtë të bindesh lexuesin për rëndësinë e magneteve: mjafton të thuhet se ai pothuajse me siguri ka një magnet në shtëpi (në derën e frigoriferit dhe në mikrovalë), në xhep (në një celular), dhjetëra magnet - në një kompjuter dhe makinë. Në industri dhe mjekësi, ato nuk mund të numërohen fare, dhe fizika grimcat elementare nuk mund të bëhet pa to - ato janë të vendosura përgjatë gjithë perimetrit të unazës përshpejtuese, dhe në shumicën e detektorëve të grimcave elementare.

Ka magnet të përhershëm, ka elektromagnetë. Konstantet kanë një plus të madh - ata nuk konsumojnë energji, dhe disa minuse - fusha e tyre nuk mund të rregullohet (dhe nëse është e mundur, ngadalë - lëviz mekanikisht), dhe nuk mund të jetë shumë e fortë. Elektromagnetët janë të lirë nga këto mangësi, por ata kanë një që magnetët e përhershëm nuk e kanë - ata konsumojnë energji dhe konsumojnë shumë. Ndonjëherë thuhet se elektromagnetët me mbështjellje superpërçuese, si ato të Tokamak, zgjidhin problemin. Por, së pari, as heliumi i lëngshëm dhe as azoti i lëngshëm nuk mund të grumbullohen nga një liqen në Tokë, dhe së dyti, fusha magnetike e elektromagnetëve të tillë është gjithashtu e vështirë për t'u rregulluar.

Lind një ide: për të kaluar fushat elektrike dhe magnetike, për të gjetur një substancë ose për të krijuar një material, kur vendoset në një fushë elektrike, ai bëhet magnet, dhe në një fushë magnetike, përkundrazi, shfaq veti elektrike. Substanca të tilla përshkruhen në artikull nga A.P. Pyatakov dhe A.K. Zvezdin nga Moska Universiteti Shtetëror ato. M.V. Lomonosov dhe Instituti i Fizikës së Përgjithshme. A. M. Prokhorova.

Magnet i përhershëm i ndryshueshëm

Dukuritë magnetike dhe elektrike janë të njohura që nga kohërat e lashta, por u arrit të lidheshin me njëri-tjetrin shumë më vonë, pas punës së klasikëve të elektromagnetizmit: Oersted, Ampère, Faraday, Maxwell. Pas Amperit, vetitë magnetike të magnetëve të përhershëm filluan të shpjegohen nga rrymat "molekulare" që rrjedhin brenda substancës në secilën molekulë. Megjithëse natyra e rrymave molekulare mbeti e keqkuptuar për një kohë të gjatë, vetë mundësia e lëvizjes së vazhdueshme të ngarkesave brenda materies dukej premtuese (kjo mundësi realizohet edhe te superpërçuesit, por në temperatura të ulëta). Nëse me ndihmën fushe elektrike Me sukses në ndikimin e rrymave molekulare, do të ishte e mundur të kontrolloheshin magnetët e përhershëm me pothuajse asnjë humbje energjie.

Nga e majta në të djathtë: Pierre Curie (1859–1906), Bernard Tellegen (1900–1990), L. D. Landau (1908–1968) (djathtas) dhe E. M. Lifshitz (1915–1985), I. E. Dzyaloshinsky (majtas) As, D. George Rado, G. A. Smolensky (1910-1986)

Në 1884, fizikani francez Pierre Curie sugjeroi se ekzistenca e molekulave dhe substancave të tilla që do të magnetizoheshin nën ndikimin e një fushe elektrike nuk bie ndesh me ligjet e njohura. Inxhinieri amerikan i elektronikës Bernard Tellegen më vonë propozoi të krijonte një përbërje - një medium magnetoelektrik në formën e një pezullimi, ku grimcat do të notonin, duke përfaqësuar magnet të lidhur me copa të një elektreti. Dhe një elektret është një substancë që mund të "ngarkohet" me një fushë elektrike të jashtme, dhe pas kësaj krijon një fushë elektrike rreth vetes për një kohë të gjatë, për shembull, vite, ashtu si magneti krijon një fushë magnetike. Shumë dielektrikë të mirë janë elektrikë, por materialet që kombinojnë vetitë e një elektreti dhe një magneti nuk janë gjetur ose krijuar. Edhe pse ata dolën me një emër - "magnetoelektrikë".

Gjërat dolën nga terreni kur L. D. Landau dhe E. M. Lifshits theksuan se magnetoelektrikët duhet të kërkohen midis antiferromagnetëve, domethënë kristaleve që përbëhen nga nënshtresa të magnetizuara në mënyrë të kundërt (Fig. 1). Në 1959 I. E. Dzyaloshinsky emëroi një përbërje specifike - Cr2O3, dhe një vit më vonë efekti magnetoelektrik në këtë material u zbulua nga D. N. Astrov. Disa vite më parë, shkencëtarët amerikanë në grupin e profesor George Rado u përpoqën të zbulonin vetitë magnetoelektrike të substanca të ndryshme, por kërkimi rezultoi i pafrytshëm, pasi ata nuk dinin për veprat e Landau, Lifshitz dhe Dzyaloshinsky - përkthimet e librave dhe artikujve dolën me vonesë. Pasi mësuan për zbulimin e Astrovit, ata demonstruan gjithashtu efektin e kundërt në Cr2O3 - polarizimin elektrik të shkaktuar nga një fushë magnetike.

Oriz. 1. Antiferromagnetizmi. Ideja e renditjes antiferromagnetike u parashikua nga vizatimet e Maurice Escher, për shembull, "Dita dhe Nata" (a), në nyjet fqinje të qelizës kristalore, shigjetat (momentet) magnetike të joneve drejtohen në të kundërt ( b)

Në të njëjtën kohë, në Institutin e Fizikës dhe Teknologjisë në Leningrad, në grupin e G. A. Smolensky, ata po kërkonin për ferroelektrikë magnetike. Një ferroelektrik i zakonshëm është një substancë që në vetvete, pa pjesëmarrjen e ndikimeve të jashtme, krijon një fushë elektrike brenda dhe jashtë, domethënë, në një farë kuptimi, një analog elektrik të një magneti të përhershëm. Një ferroelektrik magnetik është një material në të cilin, në mungesë të fushave të jashtme, do të vërehen si magnetizimi ashtu edhe polarizimi elektrik. Supozohej të zëvendësonte jonet me elementë magnetikë në ferroelektrikën tashmë të njohur, dhe i pari "ferromagnetik" (ose "multiferroik", siç quhen tani këto materiale) doli të ishte "kompleks", ishte një zgjidhje e ngurtë. (1–x)Pb(Fe2/3W1/3)O3 - xPb(Mg1/2W1/2)O3.

Ferromagnetika dhe multiferroikët: termat e kimerës

Për fatkeqësinë time i thirra Shpirtrat.
J. W. Goethe, "Nxënësi i magjistarit"

Tre klasa ferroike: substanca ferroelektrike, magnetike dhe ferroelastike. Në kryqëzimin e këtyre grupeve shtrihen multiferroikët

Shumë fjalë të njohura janë si një kimerë mitologjike - një kafshë me kokë luani, trup dhie dhe bisht gjarpri. Kështu që fjala "autobus" doli të ishte një kombinim i pjesëve të fjalëve "makinë" dhe "omnibus" (nga latinishtja omnibus - për të gjithë, për të gjithë). Në mënyrë të ngjashme, termi "ferromagnetik" përbëhet nga dy fjalët "ferroelektrike" dhe "ferromagnet". Fjala "ferroelektrike" vjen nga substanca e parë e zbuluar në të cilën ka një polarizim në mungesë të një fushe elektrike (polarizim elektrik spontan), kripa Rochelle, e quajtur sipas farmacistit francez Seignette. Dhe ka një mrekulli tjetër - substanca në të cilat, kur temperatura bie, kristali, duke mbetur i paprekur, shpërthen në domene - zona me orientime të ndryshme të rrjetës kristalore (kjo quhet strukturore tranzicioni fazor). Kështu, fjala "ferromagnetike" është tashmë një hibrid mjaft i çuditshëm, por termi "multiferroik" është edhe më "kimerik".

Kimera e mitologjisë antike

Në Anglisht literaturë shkencore emrat e të tre këtyre klasave të substancave fillojnë me parashtesën "ferro": ferromagnetikë, ferroelastikë, ferroelektrikë, megjithëse hekuri nuk ka asnjë lidhje me të. Kjo nuk e pengoi, megjithatë, në mesin e shekullit të kaluar, shkencëtari japonez Keichiro Aizu i quajti të tre klasat me termin e përgjithshëm "ferroics" - ferroikë. Një histori e ngjashme ka ndodhur në gjuhe angleze: një pjesë nga "omnibus" migroi në "bus", dhe më pas bus u bë një fjalë e pavarur, që do të thotë, përveç autobusit, edhe një kanal transmetimi të të dhënave.

Në rastin e ferroikëve, historia vazhdoi: në fillim të viteve nëntëdhjetë të shekullit të kaluar, një xhind i ri u lëshua nga shishja - termi "multiferroic" (nga latinishtja "multi - shumë") - për të treguar një substancë që i përket njëkohësisht në të paktën dy klasa ferroike. Në fillim të shekullit tonë, kur mediat e reja me magnetike dhe vetitë elektrike, kjo fjalë papritur shpejt fitoi njohje dhe zëvendësoi "ferromagnetiken", kështu që krijuesi i neologjizmës, shkencëtari zviceran Hans Schmid, kur bëhet fjalë për termin që shpiku, kujton poemën e Gëtes, një fragment nga i cili jepet si epigraf.

Përzierje apo shtresë?

Më vonë, u gjetën edhe komponime më të thjeshta dhe ferriti i bismutit BiFeO3 doli të ishte veçanërisht interesant (Fig. 2). Shumica e vetive të tij të jashtëzakonshme janë për shkak të dallimeve nga struktura kubike ideale. Rrotullimi i oktaedrave të oksigjenit (Fig. 2a) çon në faktin se në këtë antiferromagnet shigjetat magnetike të joneve fqinje nuk janë më rreptësisht të kundërta, duke formuar një kënd më të vogël se 180 gradë. Si rezultat, ato nuk kompensojnë plotësisht njëri-tjetrin dhe shfaqet magnetizimi i përgjithshëm i kristalit (materiale të tilla quhen ferromagnet të dobët). Vetitë elektrike dhe magnetoelektrike janë për shkak të zhvendosjes së joneve përgjatë diagonales kryesore të kubit, si dhe shtrembërimit të oktaedrit (Fig. 2b). Një kristal ferrit bismut mund të shtrihet gjithashtu në rrezet e dritës (Fig. 2c) dhe të shndërrohet në një diodë gjysmëpërçuese nën veprimin e një fushe elektrike (Fig. 2d). Transformimi i fundit ndodh për shkak të boshllëqeve të oksigjenit - defekte të ngarkuara që ndryshojnë llojin e përçueshmërisë.

Oriz. Fig. 2. Struktura kristalore e ferritit të bismutit: jonet e hekurit janë në qendrat e kubeve, jonet e bismutit janë në kulmet, jonet e oksigjenit janë në qendrat e faqeve: rrotullimi i oktaedrave të oksigjenit (a), zhvendosja e joneve përgjatë diagonalja e kubit dhe shtrembërimi i oktaedrës i shkaktuar prej tij - zhvendosjet e joneve tregohen me shigjeta (b), elektrostriksioni në ferritin e bismutit - shtrirja e kampionit nën veprimin e rrezatimit të dritës, nën një llambë me njëqind vat, relativi zgjatja është rreth një e mijtë e përqindjes, e cila nuk është aq e vogël për trup i fortë(në), formimi p-n kalimi nën veprimin e një fushe elektrike si rezultat i lëvizjes së boshllëqeve të oksigjenit (d)

Ka shumë pak magnetoelektrikë të tillë "me temperaturë të lartë" si ferriti bismut, pothuajse më shumë se një duzinë, dhe madje ato kanë një pengesë të konsiderueshme - përçueshmëri të dukshme në temperaturën e dhomës. Kjo anulon avantazhin kryesor të metodës magnetoelektrike të marrjes fushë magnetike- kur aplikohet një fushë elektrike, një rrymë do të fillojë të rrjedhë në një substancë të tillë, që do të thotë se konsumi i energjisë bëhet i dukshëm. Prandaj, në vitet 70 të shekullit të kaluar, u bënë përpjekjet e para për të krijuar media magnetoelektrike të përbërë artificiale në formën e një përzierjeje të dy pluhurave (Fig. 3a): grimcat magnetostrictive ndryshuan formën në një fushë magnetike, ato vepruan në grimcat piezoelektrike. , dhe ato, nga ana tjetër, deformime u polarizuan elektrikisht.

Ideja ishte e mrekullueshme, por efekti ishte i vogël dhe i paqëndrueshëm. Gjatë trazimit, u përftuan gunga dhe mpiksje, dhe formimi i kanaleve nga grimcat magnetostrictive përçuese çoi në një "qark të shkurtër" të mostrës, dhe si rrjedhim në mungesë të tensionit elektrik. Më pas erdhi ideja e një "torte me shtresa" ose sanduiç të bërë nga materiale magnetostrictive dhe piezoelektrike të ngjitura së bashku (Fig. 3b). Kanalet përcjellëse nuk u formuan më dhe efekti magnetoelektrik u bë 50 herë më i madh se në Cr2O3. Me ndihmën e sensorëve në strukturat sanduiç, u bë e mundur të maten fushat magnetike një milion herë më të vogla se fusha e Tokës - të tilla krijohen nga zemra jonë, duke distiluar gjakun përmes enëve.

Kur struktura ndikon në vetitë

Një fazë e re në krijimin e materialeve të përbëra ka ardhur me ardhjen e teknologjive moderne: tani magnetoelektrikë artificiale bëhen në çipa në formë filmash me nanostruktura kolone (Fig. 3c). Strukturat sanduiç në modelin e nanofilmit nuk funksionojnë mirë - ngjitja në çipin e nënshtresës nuk i lejon ato të deformohen lirshëm, dhe kolonat ngjeshen lehtësisht dhe shtrihen në drejtim vertikal. Për më tepër, struktura të tilla nuk kishin nevojë të krijoheshin posaçërisht; ato "vetëorganizohen" me depozitimin e njëkohshëm të dy substancave në substrat: magnetostrictive, për shembull, spinel CoFe2O4 dhe piezoelektrik, për shembull, titanat barium BaTiO3 ose ferrit bismut. BiFeO3. Duke ndryshuar orientimin kristalografik të nënshtresës, është e mundur të rriten dy kolona magnetostrictive në një matricë piezoelektrike dhe kolona piezoelektrike në një matricë magnetostrictive (Fig. 4).

Oriz. 4. Struktura e nanokompozitit varet nga orientimi kristalografik i rrafshit të nënshtresës: nënshtresa me (001) orientim (a), nënshtresa me (111) orientim (b); kubet korrespondojnë me kristalet piezoelektrike, oktaedret korrespondojnë me kristalet e një materiali magnetostrictive

Çfarë shkakton që dy fazat të precipitojnë në këtë mënyrë? I njëjti fenomen që bën që një pikë uji të turbullohet në xhamin e pastër dhe të rrokulliset në një top në një sipërfaqe të fërkuar me dyll - tensioni sipërfaqësor. Nëse nënshtresa pritet pingul me drejtimin kristalografik (d.m.th., boshti z i sistemit të koordinatave), atëherë substanca e materialit magnetostrictive nuk e lag sipërfaqen, duke u grumbulluar në pika, të cilat më pas rriten në kolona, ndërsa faza piezoelektrike laget. substrati dhe mbështjell kolonat, duke formuar një matricë. Në nënshtresën (111), gjithçka ndodh anasjelltas: brenda matricës magnetostrictive, rritet një strukturë kolone e piezoelektrike.

Kur dimensionet karakteristike të nanostrukturave janë disa distanca ndëratomike, fazat e përbërjes fillojnë të ndikojnë strukturën e brendshme dhe vetitë e njëra-tjetrës. Nëse shtresat e titanatit të bariumit ndërthuren me një material magnetik me një strukturë kristalore të ngjashme, për shembull, manganit lantani me zëvendësimin e kalciumit La0.7Ca0.3MnO3, atëherë përftohet një medium magnetoelektrik artificial: për shkak të afërsisë strukturat kristalore dy materiale i nënshtrohen shtrembërimeve të ndërsjella, gjë që çon në ndërveprimin e nënsistemeve elektrike dhe magnetike. Kjo do të thotë, ishte e mundur jo vetëm të krijohej një material me nanostrukturë, por edhe të kryhej inxhinieri niveli atomik, duke ndryshuar vetitë e vetë substancave-përbërësve.

Por çfarë ndodh me idenë origjinale të Curie-t për molekulat magnetoelektrike? Mund të zbatohet në nanoklusteret molekulare organike Dy3, në të cilat tre atome të disprosiumit formojnë një trekëndësh të rregullt si atome magnetike (Fig. 5a). Në gjendjen e molekulës me energji më të ulët (në gjendjen bazë), shigjetat (momentet) magnetike të joneve të disprosiumit janë të orientuara paralelisht me anën e kundërt të trekëndëshit (Fig. 5a). Nëse do të kishte më shumë jone magnetikë (si, për shembull, në grupin Dy6 të sintetizuar së fundmi), ata do të formonin një "karusel" të momenteve magnetike (Fig. 5b). Një renditje e tillë quhet "toroidale", pasi një elektromagnet rrethor mund të krijohet duke mbështjellë një tel rreth një bërthame magnetike në formën e një donut (torus). Strukturat me renditje toroidale, duke ndjekur traditën për të treguar çdo renditje me fjalën "ferro", quhen "ferrotorike". Ata kanë një efekt magnetoelektrik - aplikimi i një fushe magnetike shkakton një rishpërndarje të momenteve magnetike: rritet numri i joneve, momentet magnetike të të cilëve drejtohen përgjatë fushës magnetike. Zhvendosja e joneve magnetike sjell një rishpërndarje të ngarkesave, në mënyrë që të ndodhë polarizimi elektrik. Mirëpo, gjendjet e molekulës në të cilat momentet magnetike janë të drejtuara në drejtim të akrepave të orës dhe gjendjet me drejtim të momenteve në drejtim të kundërt, realizohen me probabilitet të barabartë dhe në këto raste efekti magnetoelektrik do të jetë i kundërt. Pra, problemi mbetet se si të përftohen struktura toroidale me një drejtim të rrotullimit të momenteve magnetike.

Oriz. Fig. 5. Nanokluster molekular organik i bazuar në jonet e tokës së rrallë: orientimi i ndërsjellë i momenteve magnetike të kationeve të disprosiumit (a); me renditje toroidale të momenteve magnetike në një fushë magnetike të jashtme H, përveç magnetizimit, induktohet polarizimi elektrik P (b); për krahasim - një elektromagnet toroidal (në qendër)

Kujtesa nuk do të dalë nga monitori

Ideja e Tellegen për një përbërje të përbërë nga grimca magnetoelektrike që rrotullohen në një lëng u realizua me ardhjen e modelit të parë të bojës elektronike - gyricon (nga greqishtja. "imazh rrotullues"). Një xhirikon është një mjedis polimer në të cilin grimcat sferike të polietilenit me dy ngjyra janë të ngulitura, duke rrotulluar brenda zgavrave me lëng (Fig. 6). Hemisferat e grimcave ndryshonin jo vetëm në ngjyrë, por edhe ngarkesë elektrike. Prandaj, ato mund të orientoheshin duke aplikuar një fushë elektrike, dhe shkronjat e zeza u shfaqën në një sfond të bardhë. Kur papastërtitë magnetike u futën në grimca, fusha elektrike filloi të kontrollonte magnetizimin e sistemit. Sidoqoftë, u desh rreth një sekondë për t'u rrotulluar, kështu që lindi ideja për të "magnetizuar" jo letrën elektronike, por përbërësin kryesor të një lloji tjetër ekrani - kristalet e lëngëta.

Oriz. 6. Hyricon: polimer me grimca sferike të ngulitura bardh e zi (a), kompozit magnetoelektrik i bazuar në gyrikon: grimcat dipole rrotullohen në mikrokavitete me lëng. +/– elektrike, S, N - polet magnetike (b)

Në kristalet e lëngëta, nematikët (nga "fije" greke), molekulat e zgjatura janë të vendosura përgjatë një drejtimi (Fig. 7a). Monitorët me kristal të lëngshëm funksionojnë për shkak të vetive të molekulave nematike për t'u orientuar përgjatë fushës (Fig. 7b), por nëse kristalit të lëngët i shtohen nanopylla magnetike, ato do të rrotullohen së bashku me molekulat. Rezultati ishte një material magnetik i kontrolluar nga një fushë elektrike, dhe ai iu përgjigj një ndryshimi në fushën elektrike shumë më shpejt - frekuenca e kalimit ishte kilohertz.

Oriz. Fig. 7. Kristal i lëngët me nanoshtylla magnetike: në mungesë të tensionit elektrik (a), kur voltazhi është i ndezur (b)

Kjo është tashmë më e shpejtë, por xhirikoni dhe qeliza e kristalit të lëngshëm nuk mund të konkurrojnë me elementët e mikroqarqeve gjysmëpërçuese as në madhësi, as në shpejtësi, që do të thotë se ato nuk janë të përshtatshme për pajisjet e memories magnetike. Në vend të një kristali të lëngshëm në pajisjet e memories magnetike, u propozua të vendosej një shtresë e një magnetoelektrike në gjendje të ngurtë midis elektrodave, megjithatë, për shkak të numrit të vogël të magnetoelektrikëve me temperaturë të lartë dhe rrymave të larta të rrjedhjes, memoria magnetoelektrike është ende larg. duke u realizuar.

"Pluhuri i zgjuar" mbledh energji

Miniaturizimi i pajisjeve elektronike është mënyra për të krijuar rrjete sensorësh pa tela të përbëra nga shumë sensorë të aftë për të mbledhur, përpunuar informacione dhe për ta shkëmbyer atë me njëri-tjetrin. Struktura të tilla ndonjëherë quhen "pluhur inteligjent". Fushat më të dukshme të aplikimit janë monitorimi mjedisor dhe mjekësor, sistemet e sigurisë. Por sensorët kanë nevojë për energji dhe ka probleme me të: nëse sensori është brenda një objekti (për shembull, në një pjesë rrotulluese ose në trupin e njeriut), atëherë nuk mund të sillni një tel në të, bateritë nuk janë miniaturë dhe mjaft të qëndrueshme, dhe Panele diellore të padobishme në errësirë.

Oriz. Fig. 8. Furnizimi me energji në distancë i sensorëve: një dhënës magnetoelektrik i bazuar në materiale piezoelektrike dhe magnetostrictive të vendosura në një nënshtresë të një pllake metalike të ngushtuar - një përqendrues akustik i valëve (a), një nyje rrjeti sensorësh pa tel me furnizim me energji magnetoelektrike (b)

Një alternativë interesante duket të jetë mbledhja e energjisë - marrja e energjisë nga mjedisi. Këto mund të jenë sisteme që grumbullojnë energjinë e luhatjeve mekanike, të temperaturës ose valëve të radios, por fluksi i energjisë që vjen nga burimet natyrore është i vogël - më pak se 1 μW/cm2. Sidoqoftë, është e mundur të krijohet një burim rrezatimi që krijon një fushë magnetike alternative në vendndodhjen e sensorëve. Shndërroni energjinë e fushës magnetike në energji elektrostatike Kondensatorët e ngarkuar mund të bëhen duke përdorur një element magnetoelektrik, i cili përbëhet nga shtresa të materialeve magnetostrictive dhe piezoelektrike të vendosura në një nënshtresë metalike të zakonshme në formën e një pllake që zvogëlohet drejt njërit skaj (Fig. 8). Një fushë magnetike e alternuar shkakton deformim periodik të pllakës magnetostrictive në frekuencën rezonante. Këto dridhje mekanike transmetohen në substrat dhe përhapen përgjatë saj, në mënyrë që kur i afrohemi skajit të ngushtë, rritet përqendrimi i energjisë akustike dhe amplituda e lëkundjeve. Dridhjet e nënshtresës transferohen në pllaka piezoelektrike, dhe një alternuar tensionit elektrik. Ky dizajn është një lloj materiali i përbërë magnetoelektrik, megjithatë, me ndihmën e një koncentruesi akustik, është e mundur të merret një fitim dy herë në krahasim me strukturën tradicionale shumështresore të shtresave të lidhura magnetike dhe piezoelektrike.

Oriz. 9. Dridhjet mekanike të një konsol piezoelektrike: të konvertuara në energji elektrike(a), element piezoelektrik për mbledhjen e energjisë gjatë ecjes (b)

Për të fuqizuar implantet në mjekësi, sensorë autonome, si dhe komunikime dhe elektronikë të lëvizshme, është më mirë të përdorni lëvizje mekanike ose dridhje, për shembull, dridhjet e një pllake elastike (në mikromekanikën dhe nanoteknologjitë moderne, pllaka të tilla quhen konsolë) të bëra prej një material piezoelektrik (Fig. 9a). Kur një konsol i bërë nga një material i përbërë magnetoelektrik lëkundet në fushën magnetike të Tokës, shtresa magnetostrictive përjeton deformime shtesë që transferohen në shtresën piezoelektrike dhe si rezultat, amplituda e tensionit alternativ arrin dhjetë volt. Një pajisje e tillë propozohet të përdoret në automjete dhe bova nënujore, ku ka gjithmonë valë oqeanike dhe fushë magnetike të Tokës.

Këtu duhet bërë edhe një vërejtje: frekuencat e lëkundjeve që hasen në kushte natyrore janë të vogla - herc, maksimumi dhjetëra herc. Kjo do të thotë, nga njëra anë, fuqia e ulët e gjeneruar nga njësia (fuqia është proporcionale me kubin e frekuencës), nga ana tjetër, përmasat plotësisht jo mikroskopike të pajisjeve të afta të vibrojnë në këto frekuenca të ulëta. Si rezultat, karikuesit japin vetëm mikrovat për centimetër kub. Priten rezultate më të mira nga përdorimi i llojeve të tjera lëvizje osciluese: Trupi i njeriut kur ecni (elementët piezoelektrikë të vendosur në këpucë (Fig. 9b) tashmë lejojnë marrjen e deri në 1 mW/cm3) dhe dridhjet me frekuencë edhe më të lartë të motorit të makinës - deri në 30 mW/cm3. Por në çdo rast, nuk po flasim ende për zëvendësimin e baterive në celularët. Vetë vjelja e energjisë së lirë (“korrja e energjisë”) i ngjan procesit të mirënjohur “gërvishtje në fund të fuçisë, fute në hambarë” dhe kjo shpjegon pse në raste të tilla përdoret shpesh një term tjetër: “pastrimi i energjisë”. ” (pastrimi – pastrimi, largimi i plehrave).

Problemi i marrëdhënies midis fenomeneve magnetike dhe elektrike në një trup të ngurtë është jashtëzakonisht i shumëanshëm, dhe ky artikull tregon vetëm disa nga aspektet e tij. Kjo fushë e shkencës tani po zhvillohet në mënyrë aktive, ka shumë gjëra të pakuptueshme dhe efekte të panjohura duke pritur zbuluesit e tyre.

A. P. Pyatakov, Kandidat i Shkencave Fizike dhe Matematikore
A. K. Zvezdin, Doktor i Shkencave Fizike dhe Matematikore

Literatura:
1. Smolensky G.A., Chupis I.E. Ferro-magnetike. Përparimet në shkencat fizike, 1982, 137, 415–448.
2. Eerenstein W., Mathur N.D., Scott J.F. Materialet multiferroike dhe magnetoelektrike. Natyra, 2006, 442, 7104, 759–765, doi: 10.1038/nature05023.
3. Pyatakov A.P., Zvezdin A.K. Materialet magnetoelektrike dhe multi-ferroikët. "Sukseset në shkencat fizike", 2012, 182, 593–620.

Kudo që të shikoni, kudo është një magnet. Njëherë e një kohë, nxënësve të shkollës u treguan vetëm për busullën, më vonë - për përdorimin në industri, kohët e fundit ata filluan të flasin për trenin e ardhshëm maglev. Edhe pse mund të thuhet se çdo motor elektrik dhe çdo transformator është një elektromagnet. Sot, është bërë më e lehtë të bindesh lexuesin për rëndësinë e magneteve: mjafton të thuhet se ai pothuajse me siguri ka një magnet në shtëpi (në derën e frigoriferit dhe në mikrovalë), në xhep (në një celular), dhjetëra magnet - në një kompjuter dhe makinë. Në industri dhe mjekësi, ato nuk mund të numërohen fare, dhe fizika e grimcave elementare nuk mund të bëjë pa to - ato janë të vendosura përgjatë gjithë perimetrit të unazës përshpejtuese, dhe në shumicën e detektorëve të grimcave elementare.

Lind një ide: për të kaluar fushat elektrike dhe magnetike, për të gjetur një substancë ose për të krijuar një material, kur vendoset në një fushë elektrike, ai bëhet magnet, dhe në një fushë magnetike, përkundrazi, shfaq veti elektrike. Substanca të tilla përshkruhen në artikull nga A.P. Pyatakov dhe A.K. Zvezdin nga Universiteti Shtetëror i Moskës Lomonosov. M.V. Lomonosov dhe Instituti i Fizikës së Përgjithshme. A. M. Prokhorova.

Magnet i përhershëm i ndryshueshëm

Dukuritë magnetike dhe elektrike janë të njohura që nga kohërat e lashta, por u arrit të lidheshin me njëri-tjetrin shumë më vonë, pas punës së klasikëve të elektromagnetizmit: Oersted, Ampère, Faraday, Maxwell. Pas Amperit, vetitë magnetike të magnetëve të përhershëm filluan të shpjegohen nga rrymat "molekulare" që rrjedhin brenda substancës në secilën molekulë. Megjithëse natyra e rrymave molekulare mbeti e keqkuptuar për një kohë të gjatë, vetë mundësia e lëvizjes së vazhdueshme të ngarkesave brenda materies dukej premtuese (kjo mundësi realizohet edhe te superpërçuesit, por në temperatura të ulëta). Nëse do të ishte e mundur të ndikoni rrymat molekulare me ndihmën e një fushe elektrike, atëherë do të ishte e mundur të kontrolloheshin magnetët e përhershëm pa humbje praktikisht të energjisë.

Gjërat dolën nga terreni kur L. D. Landau dhe E. M. Lifshits theksuan se magnetoelektrikët duhet të kërkohen midis antiferromagnetëve, domethënë kristaleve që përbëhen nga nënshtresa të magnetizuara në mënyrë të kundërt (Fig. 1). Në 1959, I. E. Dzyaloshinsky emëroi një përbërje specifike - Cr 2 O 3, dhe një vit më vonë efekti magnetoelektrik në këtë material u zbulua nga D. N. Astrov. Disa vjet më parë, shkencëtarët amerikanë në grupin e profesor George Rado u përpoqën të zbulonin vetitë magnetoelektrike të substancave të ndryshme, por kërkimi rezultoi i pafrytshëm, sepse ata nuk dinin për punën e Landau, Lifshitz dhe Dzyaloshinsky - përkthimet e librat dhe artikujt dolën me vonesë. Pasi mësuan për zbulimin e Astrovit, ata demonstruan gjithashtu efektin e kundërt në Cr 2 O 3 - polarizimin elektrik të shkaktuar nga një fushë magnetike.

Ferromagnetika dhe multiferroikët: termat e kimerës

Për fatkeqësinë tuaj
I thirra shpirtrat.
J. W. Goethe, "Nxënësi i magjistarit"

Shumë fjalë të njohura janë si një kimerë mitologjike - një kafshë me kokë luani, trup dhie dhe bisht gjarpri. Kështu që fjala "autobus" doli të ishte një kombinim i pjesëve të fjalëve "makinë" dhe "omnibus" (nga lat. omnibus- për të gjithë, për të gjithë). Në mënyrë të ngjashme, termi "ferromagnetik" përbëhet nga dy fjalët "ferroelektrike" dhe "ferromagnet". Fjala "ferroelektrike" vjen nga substanca e parë e zbuluar në të cilën polarizimi ekziston në mungesë të një fushe elektrike (polarizim elektrik spontan), - kripa Rochelle, e quajtur sipas farmacistit francez Seignet ( seignette). Dhe ekziston një mrekulli tjetër - substanca në të cilat, kur temperatura bie, kristali, duke mbetur i paprekur, shpërthen në domene - rajone me orientime të ndryshme të rrjetës kristalore (kjo quhet një tranzicion i fazës strukturore). Kështu, fjala "ferromagnetike" është tashmë një hibrid mjaft i çuditshëm, por termi "multiferroik" është edhe më "kimerik".

Në literaturën shkencore në gjuhën angleze, emrat e të tre këtyre klasave të substancave fillojnë me parashtesën "ferro": ferromagnetike, ferroelastike, ferroelektrike, edhe pse hekuri nuk ka të bëjë me të. Kjo nuk e pengoi, megjithatë, në mesin e shekullit të kaluar, shkencëtari japonez Keichiro Aizu i quajti të tre klasat me termin e përgjithshëm " ferroikët» - ferroikë. Një histori e ngjashme ndodhi në gjuhën angleze: një pjesë e "omnibus" migroi në "autobus", dhe më pas autobus u bë një fjalë e pavarur, që do të thotë, përveç autobusit, edhe një kanal transmetimi të dhënash.

Në rastin e ferroikëve, historia vazhdoi: në fillim të viteve nëntëdhjetë të shekullit të kaluar, një xhind i ri u lëshua nga shishja - termi "multiferroic" (nga lat. shumë- shumë) - për të përcaktuar një substancë që i përket njëkohësisht të paktën dy klasave të ferroikëve. Në fillim të shekullit tonë, kur u shfaqën mediumet e reja me veti magnetike dhe elektrike, kjo fjalë papritur shpejt fitoi njohje dhe zëvendësoi fjalën "ferromagnetike", kështu që krijuesi i neologjizmës, shkencëtari zviceran Hans Schmid, kur bëhet fjalë për termin ai. shpikur, kujton poemën e Gëtes, një fragment nga i cili jepet si epigraf.

Përzierje apo shtresë?

Më vonë, u gjetën edhe komponime më të thjeshta, dhe bismut ferrit BiFeO 3 doli të ishte veçanërisht interesant (Fig. 2). Shumica e vetive të tij të jashtëzakonshme janë për shkak të dallimeve nga struktura kubike ideale. Rrotullimi i oktaedrave të oksigjenit (Fig. 2a) çon në faktin se në këtë antiferromagnet shigjetat magnetike të joneve fqinje nuk janë më rreptësisht të kundërta, duke formuar një kënd më të vogël se 180 gradë. Si rezultat, ato nuk kompensojnë plotësisht njëri-tjetrin dhe shfaqet magnetizimi i përgjithshëm i kristalit (materiale të tilla quhen ferromagnet të dobët). Vetitë elektrike dhe magnetoelektrike janë për shkak të zhvendosjes së joneve përgjatë diagonales kryesore të kubit, si dhe shtrembërimit të oktaedrit (Fig. 2b). Një kristal ferrit bismut mund të shtrihet gjithashtu në rrezet e dritës (Fig. 2c) dhe të shndërrohet në një diodë gjysmëpërçuese nën veprimin e një fushe elektrike (Fig. 2d). Transformimi i fundit ndodh për shkak të boshllëqeve të oksigjenit - defekte të ngarkuara që ndryshojnë llojin e përçueshmërisë.

Ka shumë pak magnetoelektrikë të tillë "me temperaturë të lartë" si ferriti bismut, pothuajse më shumë se një duzinë, dhe madje ato kanë një pengesë të konsiderueshme - përçueshmëri të dukshme në temperaturën e dhomës. Kjo mohon avantazhin kryesor të metodës magnetoelektrike për marrjen e një fushe magnetike - kur aplikohet një fushë elektrike, një rrymë do të fillojë të rrjedhë në një substancë të tillë, që do të thotë se konsumi i energjisë bëhet i dukshëm. Prandaj, në vitet 70 të shekullit të kaluar, u bënë përpjekjet e para për të krijuar media magnetoelektrike të përbërë artificiale në formën e një përzierjeje të dy pluhurave (Fig. 3a): grimcat magnetostrictive ndryshuan formën në një fushë magnetike, ato vepruan në grimcat piezoelektrike. , dhe ato, nga ana tjetër, deformime u polarizuan elektrikisht.

Ideja ishte e mrekullueshme, por efekti ishte i vogël dhe i paqëndrueshëm. Gjatë trazimit, u përftuan gunga dhe mpiksje, dhe formimi i kanaleve nga grimcat magnetostrictive përçuese çoi në një "qark të shkurtër" të mostrës, dhe si rrjedhim në mungesë të tensionit elektrik. Më pas erdhi ideja e një "torte me shtresa" ose sanduiç të bërë nga materiale magnetostrictive dhe piezoelektrike të ngjitura së bashku (Fig. 3b). Kanalet përcjellëse nuk u formuan më dhe efekti magnetoelektrik u bë 50 herë më i madh se në Cr 2 O 3 . Me ndihmën e sensorëve në strukturat sanduiç, u bë e mundur të maten fushat magnetike një milion herë më të vogla se fusha e Tokës - të tilla krijohen nga zemra jonë, duke distiluar gjakun përmes enëve.

Kur struktura ndikon në vetitë

Një fazë e re në krijimin e materialeve të përbëra ka ardhur me ardhjen e teknologjive moderne: tani magnetoelektrikë artificiale prodhohen në çipa në formën e filmave me nanostruktura kolone (Fig. 3c). Strukturat sanduiç në modelin e nanofilmit nuk funksionojnë mirë - ngjitja në çipin e nënshtresës nuk i lejon ato të deformohen lirshëm, dhe kolonat ngjeshen lehtësisht dhe shtrihen në drejtim vertikal. Për më tepër, struktura të tilla nuk kishin nevojë të krijoheshin posaçërisht; ato "vetëorganizohen" me depozitimin e njëkohshëm të dy substancave në substrat: magnetostrictive, për shembull, spinel CoFe 2 O 4, dhe piezoelektrik, për shembull, titanat barium BaTiO. 3 ose ferrit bismut BiFeO 3 . Duke ndryshuar orientimin kristalografik të nënshtresës, është e mundur të rriten dy kolona magnetostrictive në një matricë piezoelektrike dhe kolona piezoelektrike në një matricë magnetostrictive (Fig. 4).

Çfarë shkakton që dy fazat të precipitojnë në këtë mënyrë? I njëjti fenomen që bën që një pikë uji të përhapet në gotë të pastër dhe të rrokulliset në një top në një sipërfaqe të depiluar është tensioni sipërfaqësor. Nëse nënshtresa pritet pingul me drejtimin kristalografik (d.m.th., boshti z sistemet e koordinatave), atëherë substanca e materialit magnetostrictive nuk e lag sipërfaqen, duke u grumbulluar në pika, të cilat më pas rriten në kolona, ndërsa faza piezoelektrike lag substratin dhe mbështjell kolonat, duke formuar një matricë. Në nënshtresën (111), gjithçka ndodh anasjelltas: brenda matricës magnetostrictive, rritet një strukturë kolone e piezoelektrike.

Kur dimensionet karakteristike të nanostrukturave janë disa distanca ndëratomike, fazat e përbërjes fillojnë të ndikojnë në strukturën e brendshme dhe vetitë e njëra-tjetrës. Nëse shtresat e titanatit të bariumit ndërthuren me një material magnetik me një strukturë kristalore të ngjashme, për shembull, manganit lantan me zëvendësim të kalciumit La 0,7 Ca 0,3 MnO 3, atëherë përftohet një medium magnetoelektrik artificial: për shkak të afërsisë, strukturat kristalore nga të dy materialet janë subjekt i shtrembërimit të ndërsjellë, gjë që çon në ndërveprimin e nënsistemeve elektrike dhe magnetike. Kjo do të thotë, ishte e mundur jo vetëm të krijohej një material me nanostrukturë, por edhe të kryhej inxhinieri në nivelin atomik, duke ndryshuar vetë vetitë e substancave-përbërësve.

Por çfarë ndodh me idenë origjinale të Curie-t për molekulat magnetoelektrike? Mund të realizohet në nanoklusteret molekulare organike Dy 3, në të cilat tre atome disprosium formojnë një trekëndësh të rregullt si atome magnetike (Fig. 5a). Në gjendjen e molekulës me energji më të ulët (në gjendjen bazë), shigjetat (momentet) magnetike të joneve të disprosiumit janë të orientuara paralelisht me anën e kundërt të trekëndëshit (Fig. 5a). Nëse do të kishte më shumë jone magnetikë (si, për shembull, në grupin Dy 6 të sintetizuar së fundmi), ata do të formonin një "karusel" të momenteve magnetike (Fig. 5b). Një renditje e tillë quhet "toroidale", pasi një elektromagnet rrethor mund të krijohet duke mbështjellë një tel rreth një bërthame magnetike në formën e një donut (torus). Strukturat me renditje toroidale, duke ndjekur traditën për të treguar çdo renditje me fjalën "ferro", quhen "ferrotorike". Ata kanë një efekt magnetoelektrik - aplikimi i një fushe magnetike shkakton një rishpërndarje të momenteve magnetike: rritet numri i joneve, momentet magnetike të të cilëve drejtohen përgjatë fushës magnetike. Zhvendosja e joneve magnetike sjell një rishpërndarje të ngarkesave, në mënyrë që të ndodhë polarizimi elektrik. Mirëpo, gjendjet e molekulës në të cilat momentet magnetike janë të drejtuara në drejtim të akrepave të orës dhe gjendjet me drejtim të momenteve në drejtim të kundërt, realizohen me probabilitet të barabartë dhe në këto raste efekti magnetoelektrik do të jetë i kundërt. Pra, problemi mbetet se si të përftohen struktura toroidale me një drejtim të rrotullimit të momenteve magnetike.

Kujtesa nuk do të dalë nga monitori

Ideja e Tellegen për një përbërje të përbërë nga grimca magnetoelektrike që rrotullohen në një lëng u realizua me ardhjen e modelit të parë të bojës elektronike - gyricon (nga greqishtja. "imazh rrotullues"). Një xhirikon është një mjedis polimer në të cilin grimcat sferike të polietilenit me dy ngjyra janë të ngulitura, duke rrotulluar brenda zgavrave me lëng (Fig. 6). Hemisferat e grimcave ndryshonin jo vetëm në ngjyrë, por edhe në ngarkesë elektrike. Prandaj, ato mund të orientoheshin duke aplikuar një fushë elektrike, dhe shkronjat e zeza u shfaqën në një sfond të bardhë. Kur papastërtitë magnetike u futën në grimca, fusha elektrike filloi të kontrollonte magnetizimin e sistemit. Sidoqoftë, u desh rreth një sekondë për t'u rrotulluar, kështu që lindi ideja për të "magnetizuar" jo letrën elektronike, por përbërësin kryesor të një lloji tjetër ekrani - kristalet e lëngëta.

"Pluhuri i zgjuar" mbledh energji

Miniaturizimi i pajisjeve elektronike është mënyra për të krijuar rrjete sensorësh pa tela të përbëra nga shumë sensorë të aftë për të mbledhur, përpunuar informacione dhe për ta shkëmbyer atë me njëri-tjetrin. Struktura të tilla ndonjëherë quhen "pluhur inteligjent". Fushat më të dukshme të aplikimit janë monitorimi mjedisor dhe mjekësor, sistemet e sigurisë. Por sensorët kanë nevojë për energji, dhe ka probleme me të: nëse sensori është brenda një objekti (për shembull, në një pjesë rrotulluese ose në trupin e njeriut), atëherë nuk mund të sillni një tel në të, bateritë nuk janë miniaturë dhe mjaft të qëndrueshme, dhe panelet diellore janë të padobishme në errësirë.

Një alternativë interesante duket të jetë vjelja e energjisë- marrjen e energjisë nga mjedisi. Këto mund të jenë sisteme që grumbullojnë energjinë e luhatjeve mekanike, të temperaturës ose valëve të radios, por fluksi i energjisë që vjen nga burimet natyrore është i vogël - më pak se 1 μW / cm 2. Sidoqoftë, është e mundur të krijohet një burim rrezatimi që krijon një fushë magnetike alternative në vendndodhjen e sensorëve. Energjia e fushës magnetike mund të shndërrohet në energjinë elektrostatike të kondensatorëve të ngarkuar duke përdorur një element magnetoelektrik, i cili përbëhet nga shtresa të materialeve magnetostrictive dhe piezoelektrike të vendosura në një nënshtresë metalike të zakonshme në formën e një pllake që zvogëlohet drejt njërit skaj (Fig. 8). Një fushë magnetike e alternuar shkakton deformim periodik të pllakës magnetostrictive në frekuencën rezonante. Këto dridhje mekanike transmetohen në substrat dhe përhapen përgjatë saj, në mënyrë që kur i afrohemi skajit të ngushtë, rritet përqendrimi i energjisë akustike dhe amplituda e lëkundjeve. Dridhjet e nënshtresës transmetohen në pllaka piezoelektrike dhe në to lind një tension elektrik i alternuar. Ky dizajn është një lloj materiali i përbërë magnetoelektrik, megjithatë, me ndihmën e një koncentruesi akustik, është e mundur të merret një fitim dy herë në krahasim me strukturën tradicionale shumështresore të shtresave të lidhura magnetike dhe piezoelektrike.

Këtu duhet bërë edhe një vërejtje: frekuencat e lëkundjeve që hasen në kushte natyrore janë të vogla - herc, maksimumi dhjetëra herc. Kjo do të thotë, nga njëra anë, fuqia e ulët e gjeneruar nga njësia (fuqia është proporcionale me kubin e frekuencës), nga ana tjetër, përmasat plotësisht jo mikroskopike të pajisjeve të afta të vibrojnë në këto frekuenca të ulëta. Si rezultat, karikuesit japin vetëm mikrovat për centimetër kub. Priten rezultate më të mira nga përdorimi i llojeve të tjera të lëvizjes lëkundëse: trupi i njeriut gjatë ecjes (elementët piezoelektrikë të vendosur në këpucë (Fig. 9b) tashmë lejojnë marrjen e deri në 1 mW / cm 3) dhe dridhjet me frekuencë edhe më të lartë të makinës motor - deri në 30 mW / cm 3. Por në çdo rast, nuk po flasim ende për zëvendësimin e baterive në celularët. Vetë korrja e energjisë së lirë (“ vjelja e energjisë”) të kujton procesin e njohur të “gërvishtje fundin e hambarit, fute në hambarë”, dhe kjo shpjegon pse në raste të tilla shpesh përdoret një term tjetër: “ pastrimi i energjisë» ( pastrimi- pastrimi, asgjësimi i mbeturinave).

Literatura:
1. Smolensky G.A., Chupis I.E. Ferro-magnetike. Përparimet në shkencat fizike, 1982, 137, 415–448.
2. Eerenstein W., Mathur N.D., Scott J.F. Materialet multiferroike dhe magnetoelektrike. Natyra, 2006, 442, 7104, 759–765, doi: 10.1038/nature05023.
3. Pyatakov A.P., Zvezdin A.K. Materialet magnetoelektrike dhe multi-ferroikët. "Sukseset në shkencat fizike", 2012, 182, 593–620.

Magnetët e përhershëm dhe elektromagnetët
veçoritë dhe veprimi.

Tema

Përdorimi i vetive të magneteve është shumë i gjerë. Ato mund të gjenden në shumë pajisje elektrike, mekanike dhe të tjera. Por sa njerëz e dinë se si janë rregulluar magnetët dhe mbi çfarë parimi funksionojnë? Në këtë artikull, ne do të përpiqemi ta kuptojmë këtë dhe të zbulojmë se si dhe pse magnetët kanë veti të tilla.

Për të filluar, duhet të theksohet se baza e veprimit të çdo magneti (të përhershëm ose elektromagnet) është i njëjti fenomen. Ai konsiston në bashkëveprimin e fushave magnetike që rrethojnë vetë magnetin (një trup me veti magnetike). Nga vjen fusha magnetike e një magneti? Për t'iu përgjigjur, le të kujtojmë fizikën. Një fushë magnetike është një lloj i veçantë lënde që lind rreth grimcave të ngarkuara në lëvizje. Siç duhet të mbani mend, çdo trup përbëhet nga atome dhe molekula (një strukturë komplekse atomesh). Çdo atom ka një bërthamë rreth së cilës rrotullohen elektronet.

Një elektron është një grimcë e ngarkuar elektrike negative. Meqenëse elektroni është gjithmonë në lëvizje, ka gjithmonë një fushë magnetike rreth tij. Por pse atëherë të gjithë trupat nuk shfaqin veti magnetike? Dhe sepse atomet, duke qenë në një rregullim të pabarabartë, kompensojnë (balancojnë) fushat magnetike të njëri-tjetrit. Por disa substanca (ferromagnetet), megjithatë, janë të afta, kur ekspozohen ndaj një impulsi magnetik intensiv, të vendosin strukturën e tyre të brendshme në atë mënyrë që fushat magnetike të grimcave të pranishme në të të kthehen në të njëjtin drejtim. Kjo kontribuon në përmbledhjen e të gjitha fushave magnetike dhe shfaqjen e një fushe magnetike të zgjeruar të jashtme. Kështu, shfaqet një magnet i përhershëm. Por kjo veti e një magneti nuk është e përhershme.

Në kushte të caktuara, unidrejtimi ekzistues i grimcave të magnetit të përhershëm mund të prishet. Për shembull, nëse i nënshtrohet një magneti të përhershëm temperaturë të lartë, goditje të forta, përmbysje magnetizimi rrymë alternative atëherë fushat e tij magnetike të grimcave do të ndryshojnë strukturën e tyre dhe përsëri trupi do të kthehet në gjendjen e tij parësore (nuk do të ketë më fushë magnetike rreth tij).

Një magnet i përhershëm ka të metat e tij: një forcë relativisht e dobët e fushës magnetike, pamundësia për të kontrolluar fuqinë e vetë fushës magnetike dhe gjendjet e saj të manifestimit (kur është e nevojshme, magnetizohet dhe kur nuk është e nevojshme, ajo nuk magnetizohet). Këto mangësi janë të privuara nga elektromagnetët. Le të kalojmë tek ata tani.

Elektromagnetët- Këto janë pajisje elektrike që, kur kalon një rrymë nëpër to, janë të afta të shfaqin veti magnetike. Në zemër të pajisjes së çdo elektromagneti është një spirale e thjeshtë elektrike, e cila është e mbështjellë në një bërthamë çeliku. Siç e dini, kur voltazhi aplikohet në spirale, në të lind një rrymë elektrike (shfaqet një rrymë elektronesh që lëvizin në mënyrë të rregullt). Dhe siç zbuluam më lart, çdo grimcë lëvizëse e ngarkuar elektrike është në gjendje të ketë një fushë magnetike rreth vetes. Pra, kur kalon rryme elektrike një fushë magnetike zhvillohet rreth spirales.

Për të rritur fushën magnetike të spirales së elektromagnetit, brenda saj është instaluar një bërthamë çeliku. Kur një fushë magnetike shfaqet në mbështjellje, ajo kontribuon në një ndryshim në strukturën e brendshme të çelikut (duke i kthyer grimcat e brendshme në një drejtim, ngjashëm me procesin me një magnet të përhershëm kur ai magnetizohet).

Si rezultat, fushat magnetike të vetë spirales përmblidhen me fushat magnetike të bërthamës së çelikut, gjë që rrit efektin e elektromagnetit me rreth një mijë herë. Kur rryma shkëputet nga elektromagneti, spiralja pushon së magnetizuari, si rezultat i së cilës struktura e grimcave në bërthamën e çelikut (për shkak të vetive të tij) kthehet në atë origjinale, gjë që çon në demagnetizimin e plotë të saj. Fuqia e fushës magnetike të një elektromagneti mund të rregullohet lehtësisht duke ndryshuar forcën e rrymës që rrjedh nëpër mbështjelljet e elektromagnetit.

Çështja më e rëndësishme e përdorimit efektiv të materialeve të forta magnetike është cilësia e lartë e magnetizimit të sistemeve me magnet të përhershëm.

Zakonisht, magnetët (përveç magneteve të ferritit të bariumit) magnetizohen pas montimit të sistemit, pasi në këtë rast, pas stabilizimit magnetik, vlera e induksionit në hendek rezulton të jetë më e madhe se gjatë magnetizimit pa sistem, e ndjekur nga montimi dhe montimi dhe stabilizimi magnetik (Fig. 57). Në figurë, OA është vija e koeficientit të demagnetizimit, që karakterizon sistemin magnetik pas montimit; OS - linja e koeficientit të demagnetizimit për një magnet pa përforcim; B\ dhe Ba janë induksione të hendekut të marra pas stabilizimit magnetik, përkatësisht, për sistemin e magnetizuar para dhe pas montimit.

Magnetizimi para montimit shoqërohet edhe me vështirësi teknologjike që lindin gjatë montimit të një pajisjeje me magnet të magnetizuar (nevoja për të pasur një mjet jomagnetik, mundësia e bllokimit me pluhur ferromagnetik, etj.).

Studimet kanë treguar se për një gjendje të kuptueshme gjatë rrezatimit, karakteristikat magnetike kufizuese

Magnetizimi para dhe tensioni magnetizues PISTIC - pas montimit r r, r p ґ

Fusha Go duhet të jetë 5-7 herë më e madhe

forcë shtrënguese. Këto të dhëna i referohen rastit kur i gjithë vëllimi i magnetit përshkohet nga një fushë me madhësi të caktuar, e cila ndodh, për shembull, kur magnetizon një magnet me pole paralele të rrafshët të vendosura midis poleve të një elektromagneti. rrymë e vazhdueshme. Në shumicën e rasteve, për shkak të ndikimit të flukseve të rrjedhjes, rezistencës magnetike të boshllëqeve të ajrit, rrymave vorbull (gjatë magnetizimit fushë e ndryshueshme) vlera e fushës magnetizuese duhet të jetë më e madhe se vlera e specifikuar dhe të korrespondojë me 3000-10 000 Oe.

Për të krijuar fusha të kësaj madhësie në një vëllim të mjaftueshëm për t'u përshtatur në hendekun e sistemit magnetik, kërkohen kthesa të rëndësishme magnetizuese të amperit. Me magnetizimin me një kthesë, i cili përdoret në një numër rastesh, është e nevojshme të kemi rryma prej dhjetëra mijëra amperësh.

Magnetizimi përdoret në instalimet me rrymë të vazhdueshme, rrymë alternative, me veprim të njëkohshëm të rrymave direkte dhe alternative, si dhe pulsuese.

Oriz. 57. Ndrysho magjinë

Magnetizimi DC kryhet në një elektrik
magnete. Të tillë elektromagnetë janë të rëndë dhe kërkojnë burime të fuqishme energjie.

Për shembull, permeametri i fushave të forta të instalimit U-541, i cili krijon një fushë të barabartë me 4000 Oe në një hendek prej 50 mm, ka një masë të barabartë me 250 kg dhe një elektromagnet i projektuar për të magnetizuar magnet të përhershëm, me një fushë. prej 40,000 Oe dhe një hendek prej 12 mm, konsumon energji , e barabartë me 28 kt.

Në rrymë alternative, vlera e kërkuar e rrymës si rezultat i përdorimit të transformatorëve është relativisht e lehtë për t'u marrë. Sidoqoftë, në këtë rast, lindin vështirësi të tjera: është e pamundur të garantohet një cilësi e lartë e magnetizimit, pasi, në varësi të vlerës së menjëhershme të rrymës në të cilën ndodh fikja, magneti mund të rezultojë të magnetizohet më keq, më mirë ose. edhe të pa magnetizuar fare. Për të eliminuar këtë mangësi, është e nevojshme ose të sigurohet që rryma të fiket kur të arrijë vlerën e saj maksimale, ose të ketë një diferencë të madhe për rrymën magnetizuese, e cila zvogëlon gjasat e magnetizimit të dobët.

Duhet mbajtur parasysh edhe ndikimi i rrymave vorbull, veprimi i të cilave çon në faktin se si rezultat i dobësimit të një valë elektromagnetike kur depërton thellë në metal, vëllimi i brendshëm i magnetit mund të rezultojë të jetë jo magnetizuar.

Marrëdhënia midis kohëzgjatjes minimale të pulsit T, në të cilën i gjithë vëllimi i magnetit magnetizohet, dimensioneve të magnetit dhe të tij vetitë fizike mund të përfaqësohet me formulën e mëposhtme empirike:

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

Oriz. 58. Rregullimi skematik i transformatorit të goditjes

Ku K është përçueshmëria specifike e materialit magnetik (për lidhjet hekur-nikel-alumin K = 1,7-104 ohm ~ 1) \ B është induksioni në magnet, gs \ H është forca e fushës magnetizuese, e \ D është diametri efektiv i magnetit, shih Fig.

Metoda e magnetizimit me rrymë alternative gjeti zbatim praktik në një transformator shoku (Fig. 58).

Transformatori përbëhet nga një mbështjellje primare W\ me një numër i madh kthesat dhe mbështjellja dytësore ®2 = 1 në formën e një autobusi të trashë bakri me qark të shkurtër. Kur çelësi K hap qarkun primar, një impuls aktual prej disa dhjetëra mijëra amperësh shfaqet në sekondarin, i cili përdoret për të magnetizuar magnetin.

B. M. Yanovsky propozoi prodhimin e magnetizimit përgjatë një kurbë ideale, për të marrë të cilën një magnet vendoset në një fushë konstante dhe njëkohësisht vepron mbi të nga një fushë alternative me një amplitudë që zvogëlohet në zero. Në këtë rast, vlera e rrymës direkte e nevojshme për magnetizimin në ngopje mund të merret afërsisht tre herë më pak se në mungesë të një fushe alternative.

Për magnetizimin, përdoren gjerësisht qarqet që përdorin fenomenin e ngarkimit dhe shkarkimit të një banke të fuqishme kondensatorësh. Për të eliminuar lëkundjet në qarqe të tilla, përdoren pajisje të ndryshme korrigjuese, të cilat lejojnë që rryma të kalojë në një drejtim, d.m.th., të prodhojë magnetizimin pulsues.

Instalimet me magnetizim pulsues grumbullojnë energji në kondensator për një kohë të gjatë dhe e lëshojnë atë gjatë procesit të shkarkimit në një periudhë të shkurtër kohore. Prandaj, për të krijuar një puls të fuqishëm, nuk kërkohet një konsum i madh aktual, gjë që bën të mundur përdorimin e një rrjeti konvencional ndriçimi për të fuqizuar instalimin. Përparësitë e instalimeve të pulsit duhet të përfshijnë gjithashtu dimensionet e tyre të vogla dhe thjeshtësinë relative të pajisjes.

Një nga skemat e mundshme të një instalimi magnetizues pulsues është paraqitur në Fig. 59.

Pajisja në fjalë mund të përdoret jo vetëm për magnetizim sistemet magnetike, por edhe për demagnetizimin e tyre. Në rastin e parë, priza HL duhet të mbyllet dhe priza e komutuesve duhet të jetë e hapur, në rastin e dytë, anasjelltas.

Konsideroni funksionimin e qarkut si një pajisje magnetizuese. Kur çelësi K është i mbyllur, voltazhi i rrjetit furnizohet përmes transformatorit Tr në mbështjelljen e stafetës P, e cila funksionon dhe mbyll kontaktin K, duke krijuar kështu një qark ngarkimi për kondensatorët C, dhe C2 (përmes një ndreqësi B , rezistenca e karikimit 7 * kontakt / Ci dhe një lidhës prizë MIRË). Kapacitetet e kondensatorëve C] dhe C2 janë 700 mikrofarad.

Voltmetri V, i lidhur përmes një ndarësi të tensionit (rezistenca r2 dhe r3), mat tensionin aktual në të gjithë kondensatorët. Në varësi të rrymës së kërkuar në puls, qarku lejon, duke përdorur rezistencën r4, të vendosë vlerën maksimale të tensionit të karikimit nga 600 në 1000 V. Kur arrihet vlera e vendosur e tensionit, rele aktivizohet

Pr dhe hapet përmes kontaktit K.2 hapet qarku i furnizimit me energji të rele Kontakt Ki dhe përfundon procesi i karikimit të kontejnerëve.

Duke shtypur butonin A, energjia furnizohet me stafetën Rz, e cila, duke mbyllur kontaktet / Cz, krijon një qark energjie për ndezësin I. Ndezja ndizet dhe banka e kondensatorit shkarkohet përmes një spirale magnetizuese të lidhur me terminalet 1 dhe 2. Qarku i shkarkimit përfshin gjithashtu rezistencë r5 \u003d Yu- 2 ohm dhe r6. Rezistenca e parë përdoret kur ndizni oshiloskopin për të vëzhguar pulsin magnetizues. Rezistenca e dytë është e nevojshme për të përjashtuar mundësinë e

Oriz. 59. Skema skematike e instalimit për magnetizimin me puls

Ndryshimi i gjysmëvalës së kundërt dhe vendoset në varësi të induktivitetit të mbështjelljes magnetizuese me magnet.

Kur përdorni qarkun e demagnetizimit, spina zhvendoset nga priza NL në prizën e komutuesit dhe një çmagnetizues lidhet me terminalet 1, 2 dhe 3. Është një transformator ajri me dy mbështjellje. Fillimet e mbështjelljes janë të lidhura me terminalet 1 dhe 3, dhe skajet me terminalin 2. Në këtë rast, kur ndizet energjia, ngarkohet vetëm kondensatori Cr. Gjatë shkarkimit të tij përmes ndezësit dhe mbështjelljes parësore të transformatorit demagnetizues, ndodhin lëkundje të amortizuara në qarkun sekondar, i cili është një qark oscilues i përbërë nga induktiviteti i mbështjelljes dhe kapaciteti Cb. Ata krijojnë një fushë alternative me një amplitudë që zvogëlohet në zero, e cila përdoret për demagnetizim.

Teknika e magnetizimit varet nga forma dhe dimensionet e magnetit.

Magnetët me patkua mund të magnetizohen, për shembull, siç tregohet në fig. 60.

Pajisja magnetizuese përbëhet nga një pllakë hekuri me rezistencë të ulët magnetike, mbi të cilën ndodhet një spirale me një numër të madh kthesash. Magnetët vendosen në pjatë, duke mbuluar spiralen dhe duke mbyllur shtyllat përmes hekurit. Instalimi lejon magnetizimin e njëkohshëm të një numri të madh magnetësh.

Oriz. 60. Magnetizimi i podko - Fig. 61. Magnetizimi i magneteve në formë briri në një pjatë me magnet të ndryshëm masivë

Për të magnetizuar magnet masivë në formë briri që peshojnë deri në 50-100 kg, përdoret metoda e magnetizimit sekuencial, e cila konsiston në vijim. Mbi magnet vendosen bobina të sheshta dhe shtyllat mbyllen me kërcyes hekuri (Fig. 61).

Spiralet llogariten në mënyrë që kur rryma ndizet, magneti magnetizohet në vendndodhjen e tyre deri në ngopje. Rryma është e ndezur, d.m.th., zona nën mbështjellje magnetizohet. Rryma fiket, mbështjelljet lëvizin përgjatë magnetit, rryma ndizet, mbështjelljet lëvizin përsëri dhe kështu me radhë derisa bobinat të bashkohen plotësisht.

Shembujt e dhënë tregojnë se çdo herë, bazuar në kushtet specifike të problemit, është e nevojshme të mendohet për çështjen e metodës së magnetizimit dhe zgjedhjen e dizajnit të pajisjes magnetizuese.