Nereye bakarsanız bakın, her yer bir mıknatıs. Bir zamanlar, okul çocuklarına sadece pusula hakkında bilgi verildi, daha sonra - endüstride kullanım hakkında, son zamanlarda gelecekteki maglev treni hakkında konuşmaya başladılar. Her ne kadar herhangi bir elektrik motorunun ve herhangi bir transformatörün bir elektromıknatıs olduğu söylenebilir. Bugün, okuyucuyu mıknatısların önemine ikna etmek daha kolay hale geldi: evinde (buzdolabı kapısında ve mikrodalgada), cebinde (cep telefonunda) neredeyse kesinlikle bir mıknatısı olduğunu söylemek yeterli. düzinelerce mıknatıs - bir bilgisayarda ve arabada. Endüstride ve tıpta hiç sayılmazlar ve fizik temel parçacıklar onlarsız yapamazsınız - hızlanan halkanın tüm çevresi boyunca ve çoğu temel parçacık dedektöründe bulunurlar.

Kalıcı mıknatıslar var, elektromıknatıslar var. Sabitlerin büyük bir artıları vardır - enerji tüketmezler ve birkaç eksi - alanları ayarlanamaz (ve mümkünse yavaş - mekanik olarak hareket eder) ve çok güçlü olamaz. Elektromıknatıslar bu eksikliklerden muaftır, ancak kalıcı mıknatısların sahip olmadığı bir şeye sahiptirler - enerji tüketirler ve çok fazla tüketirler. Bazen Tokamak'taki gibi süper iletken sargılı elektromıknatısların sorunu çözdüğü söylenir. Ancak ilk olarak, Dünya'daki bir gölden ne sıvı helyum ne de sıvı nitrojen alınamaz ve ikinci olarak, bu tür elektromıknatısların manyetik alanını düzenlemek de zordur.

Bir fikir ortaya çıkıyor: bir elektrik ve manyetik alanı geçmek, bir madde bulmak veya bir malzeme oluşturmak, bir elektrik alanına yerleştirildiğinde bir mıknatıs olur ve bir manyetik alanda tam tersine elektriksel özellikler gösterir. Bu tür maddeler, Moskova'dan A.P. Pyatakov ve A.K. Zvezdin tarafından makalede açıklanmıştır. Devlet Üniversitesi onlara. M.V. Lomonosov ve Genel Fizik Enstitüsü. A. M. Prohorova.

Değişken kalıcı mıknatıs

Manyetik ve elektriksel fenomenler eski zamanlardan beri bilinmektedir, ancak elektromanyetizma klasiklerinin çalışmasından çok sonra onları birbirine bağlamak mümkün olmuştur: Oersted, Ampère, Faraday, Maxwell. Ampere'den sonra, kalıcı mıknatısların manyetik özellikleri, her molekülde maddenin içinde akan "moleküler" akımlarla açıklanmaya başlandı. Moleküler akımların doğası uzun bir süre yanlış anlaşılmış olsa da, yüklerin madde içindeki sürekli hareketi olasılığı umut verici görünüyordu (bu olasılık süper iletkenlerde de gerçekleşir, ancak düşük sıcaklıklarda). eğer yardımı ile Elektrik alanı Moleküler akımları etkilemede başarılı olsaydı, neredeyse hiç enerji kaybı olmadan kalıcı mıknatısları kontrol etmek mümkün olurdu.

Soldan sağa: Pierre Curie (1859–1906), Bernard Tellegen (1900–1990), L. D. Landau (1908–1968) (sağda) ve E. M. Lifshitz (1915–1985), I. E. Dzyaloshinsky (solda) ) ve D. N. Astrov, George Rado, G. A. Smolensky (1910–1986)

1884'te Fransız fizikçi Pierre Curie, bir elektrik alanının etkisi altında manyetize olacak bu tür molekül ve maddelerin varlığının bilinen yasalara aykırı olmadığını öne sürdü. Amerikalı elektronik mühendisi Bernard Tellegen daha sonra bir kompozit - bir elektret parçalarına bağlı mıknatısları temsil eden, parçacıkların yüzdüğü, süspansiyon şeklinde bir manyetoelektrik ortam yaratmayı önerdi. Ve bir elektret, harici bir elektrik alanı ile “yüklenebilen” bir maddedir ve bundan sonra, tıpkı bir mıknatısın bir manyetik alan oluşturması gibi, örneğin yıllarca kendi etrafında bir elektrik alanı oluşturur. Pek çok iyi dielektrik elektrettir, ancak hem elektret hem de mıknatısın özelliklerini birleştiren malzemeler bulunamamıştır veya oluşturulmamıştır. Bir isim bulmalarına rağmen - "manyetoelektrik".

L. D. Landau ve E. M. Lifshits, manyetoelektriklerin antiferromıknatıslar, yani zıt mıknatıslanmış alt kafeslerden oluşan kristaller arasında aranması gerektiğine dikkat çektiklerinde işler çığırından çıktı (Şekil 1). 1959'da I. E. Dzyaloshinsky belirli bir bileşik - Cr2O3 olarak adlandırdı ve bir yıl sonra bu malzemedeki manyetoelektrik etki D. N. Astrov tarafından keşfedildi. Birkaç yıl önce, Profesör George Rado'nun grubundaki Amerikalı bilim adamları, maddenin manyetoelektrik özelliklerini keşfetmeye çalıştılar. çeşitli maddeler, ancak Landau, Lifshitz ve Dzyaloshinsky'nin çalışmalarını bilmedikleri için arama sonuçsuz çıktı - kitapların ve makalelerin çevirileri gecikmeyle çıktı. Astrov'un keşfini öğrendikten sonra, bir manyetik alan tarafından indüklenen elektrik polarizasyonu olan Cr2O3 üzerinde zıt etkiyi de gösterdiler.

Pirinç. 1. Antiferromanyetizma. Antiferromanyetik sıralama fikri, örneğin, "Gündüz ve Gece" (a) Maurice Escher'in çizimleri tarafından öngörülmüştür, kristal hücrenin komşu düğümlerinde iyonların manyetik okları (anları) zıt yönde yönlendirilir ( b)

Aynı zamanda, G. A. Smolensky grubundaki Leningrad Fizik ve Teknoloji Enstitüsü'nde manyetik ferroelektrikler arıyorlardı. Sıradan bir ferroelektrik, dış etkilerin katılımı olmadan kendi başına hem içeride hem de dışarıda bir elektrik alanı oluşturan bir maddedir, yani bir anlamda kalıcı bir mıknatısın elektriksel bir analogudur. Manyetik ferroelektrik, dış alanların yokluğunda hem manyetizasyon hem de elektrik polarizasyonunun gözlemleneceği bir malzemedir. Zaten bilinen ferroelektriklerde iyonları manyetik elementlerle değiştirmesi gerekiyordu ve ilk "ferromanyetik" (veya bu malzemeler şimdi adlandırıldığı gibi "multiferroik") "karmaşık" olduğu ortaya çıktı, katı bir çözümdü. (1–x)Pb(Fe2/3W1/3)O3 - xPb(Mg1/2W1/2)O3.

Ferromanyetikler ve multiferroikler: kimera terimleri

Talihsizliğime Ruhları çağırdım.
J. W. Goethe, "Büyücünün Çırağı"

Üç ferroik sınıfı: ferroelektrik, manyetik ve ferroelastik maddeler. Bu kümelerin kesişim noktasında multiferroikler bulunur.

Birçok tanıdık kelime mitolojik bir kimera gibidir - aslan başlı, keçi gövdeli ve yılan kuyruklu bir hayvan. Böylece "otobüs" kelimesi, "araba" ve "omnibus" kelimelerinin bir kombinasyonu olarak ortaya çıktı (Latince omnibüsten - herkese, herkes için). Benzer şekilde, "ferromanyetik" terimi, "ferroelektrik" ve "ferromanyetik" olmak üzere iki kelimeden oluşur. "Ferroelektrik" kelimesi, bir elektrik alanının yokluğunda bir polarizasyon (kendiliğinden elektrik polarizasyonu) olan ilk keşfedilen maddeden, adını Fransız eczacı Seignette'den alan Rochelle tuzundan gelir. Ve başka bir mucize daha var - sıcaklık düştüğünde, kristalin bozulmadan kaldığı, alanlara ayrıldığı maddeler - kristal kafesin farklı yönelimlerine sahip alanlar (buna yapısal denir) faz geçişi). Bu nedenle, "ferromanyetik" kelimesi zaten oldukça garip bir melezdir, ancak "multiferroik" terimi daha da "kimerik"tir.

Antik mitolojinin Chimera

İngilizcede Bilimsel edebiyat tüm bu üç madde sınıfının isimleri "ferro" ön ekiyle başlar: demirin bununla hiçbir ilgisi olmamasına rağmen, ferromanyetikler, ferroelastikler, ferroelektrikler. Ancak bu, geçen yüzyılın ortalarında Japon bilim adamı Keichiro Aizu'nun üç sınıfı da genel olarak "ferroik" - ferroik olarak adlandırmasını engellemedi. benzer bir hikaye yaşanmıştı ingilizce dili: “omnibus” dan bir parça “bus” a taşınmış ve daha sonra bus bağımsız bir kelime haline gelmiştir, yani bus'a ek olarak aynı zamanda bir veri iletim kanalı olmuştur.

Ferroikler söz konusu olduğunda, hikaye devam etti: Geçen yüzyılın doksanlı yıllarının başlarında, aynı anda ait olan bir maddeyi belirtmek için şişeden yeni bir cin çıktı - "multiferroik" (Latince çok - çok) terimi en az iki ferroik sınıfı. Yüzyılımızın başında, manyetik ve elektriksel özellikler, bu kelime beklenmedik bir şekilde hızla tanındı ve “ferromanyetik” in yerini aldı, böylece neolojizmin yaratıcısı İsviçreli bilim adamı Hans Schmid, icat ettiği terim söz konusu olduğunda, Goethe'nin bir epigraf olarak verilen şiirini hatırlatıyor.

Karışım mı, katman mı?

Daha sonra, daha basit bileşikler de bulundu ve bizmut ferrit BiFeO3'ün özellikle ilginç olduğu ortaya çıktı (Şekil 2). Dikkat çekici özelliklerinin çoğu, ideal kübik yapıdan farklılıklarından kaynaklanmaktadır. Oksijen oktahedranın dönüşü (Şekil 2a), bu antiferromıknatısta komşu iyonların manyetik oklarının artık tam olarak zıt olmadığı ve 180 dereceden daha az bir açı oluşturduğu gerçeğine yol açar. Sonuç olarak, birbirlerini tam olarak telafi etmezler ve kristalin genel manyetizasyonu ortaya çıkar (bu tür malzemelere zayıf ferromanyetler denir). Elektriksel ve manyetoelektrik özellikler, iyonların küpün ana köşegeni boyunca yer değiştirmesinden ve ayrıca oktahedronun distorsiyonundan kaynaklanır (Şekil 2b). Bir bizmut ferrit kristali ayrıca ışık ışınlarında gerilebilir (Şekil 2c) ve bir elektrik alanının etkisi altında yarı iletken bir diyota dönüşebilir (Şekil 2d). Son dönüşüm, oksijen boşlukları nedeniyle oluşur - iletkenlik türünü değiştiren yüklü kusurlar.

Pirinç. Şekil 2. Bizmut ferritin kristal yapısı: küplerin merkezinde demir iyonları, köşelerde bizmut iyonları, yüzlerin merkezinde oksijen iyonları: oksijen oktahedranın (a) dönüşü, iyonların yer değiştirmesi küpün köşegeni ve bunun neden olduğu oktahedranın bozulması - iyonların yer değiştirmeleri oklarla gösterilir ( b), bizmut ferritinde elektrostriksiyon - numunenin ışık radyasyonunun etkisi altında gerilmesi, yüz watt'lık bir lamba altında, bağıl uzama yüzde binde biri kadardır, bu çok küçük değildir. sağlam vücut(içinde), p-n oluşumu oksijen boşluklarının hareketinin bir sonucu olarak bir elektrik alanının etkisi altında geçiş (d)

Bizmut ferrit gibi çok az "yüksek sıcaklık" manyetoelektrikleri vardır, neredeyse bir düzineden fazla değildir ve bunların bile önemli bir dezavantajı vardır - oda sıcaklığında gözle görülür iletkenlik. Bu, manyetoelektrik elde etme yönteminin ana avantajını geçersiz kılar. manyetik alan- bir elektrik alanı uygulandığında, böyle bir maddede bir akım akmaya başlar, bu da enerji tüketiminin fark edilir hale geldiği anlamına gelir. Bu nedenle, geçen yüzyılın 70'lerinde, iki tozun bir karışımı şeklinde yapay kompozit manyetoelektrik ortam oluşturmak için ilk girişimler yapıldı (Şekil 3a): manyetostriktif parçacıklar bir manyetik alanda şekil değiştirdiler, piezoelektrik parçacıklar üzerinde hareket ettiler , ve bunlar da deformasyonlar elektriksel olarak polarize edildi.

Fikir harikaydı ama etkisi küçük ve istikrarsızdı. Karıştırma sırasında topaklar ve pıhtılar elde edildi ve iletken manyetostriktif parçacıklardan kanalların oluşumu numunenin "kısa devresine" ve dolayısıyla elektrik voltajının olmamasına yol açtı. Ardından, birbirine yapıştırılmış manyetostriktif ve piezoelektrik malzemelerden yapılmış bir “katman keki” veya sandviç fikri geldi (Şekil 3b). İletken kanallar artık oluşmadı ve manyetoelektrik etki Cr2O3'ten 50 kat daha fazla oldu. Sandviç yapılardaki sensörlerin yardımıyla, Dünya'nın alanından bir milyon kat daha küçük manyetik alanları ölçmek mümkün oldu - bu, kalbimizin yarattığı, kanın damarlardan damıtıldığı gibi.

Yapı Özellikleri Etkilediğinde

Kompozit malzemelerin yaratılmasında yeni bir aşama, teknolojinin gelişiyle birlikte geldi. modern teknolojiler: şimdi yapay manyetoelektrikler, sütunlu nano yapılara sahip filmler şeklinde çipler üzerinde yapılmaktadır (Şekil 3c). Nanofilm tasarımındaki sandviç yapılar iyi çalışmaz - alt tabaka yongasına yapışma, bunların serbestçe deforme olmasına izin vermez ve kolonlar dikey yönde kolayca sıkıştırılır ve gerilir. Ek olarak, bu tür yapıların özel olarak oluşturulmasına gerek yoktu; substrat üzerinde iki maddenin aynı anda birikmesiyle “kendi kendine organize olurlar”: manyetostriktif, örneğin, spinel CoFe2O4 ve piezoelektrik, örneğin, baryum titanat BaTiO3 veya bizmut ferrit BiFeO3. Substratın kristalografik yönünü değiştirerek, bir piezoelektrik matriste hem manyetostriktif sütunları hem de bir manyetostriktif matriste piezoelektrik sütunları büyütmek mümkündür (Şekil 4).

Pirinç. 4. Nanokompozitin yapısı, substrat düzleminin kristalografik oryantasyonuna bağlıdır: (001) oryantasyonlu (a) substrat, (111) oryantasyonlu (b) substrat; küpler piezoelektrik kristallere karşılık gelir, oktahedronlar manyetostriktif bir malzemenin kristallerine karşılık gelir

İki fazın bu şekilde çökmesine neden olan nedir? Temiz bir cam üzerinde bir damla suyun bulanıklaşmasına ve balmumu ile ovulmuş bir yüzeyde bir topun yuvarlanmasına neden olan aynı fenomen - yüzey gerilimi. Substrat kristalografik yöne (yani, koordinat sisteminin z eksenine) dik olarak kesilirse, manyetostriktif malzemenin maddesi yüzeyi ıslatmaz, damlalar halinde toplanır ve daha sonra sütunlara dönüşürken, piezoelektrik faz ıslanır. substrat ve sütunları sararak bir matris oluşturur. (111) substratında, her şey tam tersi olur: manyetostriktif matrisin içinde, piezoelektriğin sütunlu bir yapısı büyür.

Nanoyapıların karakteristik boyutları birkaç atomlar arası mesafe olduğunda, kompozitin fazları etkilemeye başlar. iç yapı ve birbirlerinin özellikleri. Baryum titanat katmanları, benzer kristal yapıya sahip bir manyetik malzeme ile serpiştirilirse, örneğin, kalsiyum ikameli lantan manganit La0.7Ca0.3MnO3, yapay bir manyetoelektrik ortam elde edilir: yakınlık nedeniyle kristal yapılar iki malzeme, elektrik ve manyetik alt sistemlerin etkileşimine yol açan karşılıklı bozulmalara maruz kalır. Yani sadece nano yapılı bir malzeme yaratmak değil, aynı zamanda üzerinde mühendislik yapmak da mümkün oldu. atom seviyesi, maddelerin-bileşenlerin kendilerinin özelliklerini değiştirmek.

Peki ya Curie'nin orijinal manyetoelektrik molekül fikrine ne demeli? Üç disprosyum atomunun manyetik atomlar olarak düzenli bir üçgen oluşturduğu Dy3 organik moleküler nanokümelerinde uygulanabilir (Şekil 5a). En düşük enerjili molekül durumunda (temel durumda), disprosyum iyonlarının manyetik okları (momentleri) üçgenin karşı tarafına paralel olarak yönlendirilir (Şekil 5a). Daha fazla manyetik iyon olsaydı (örneğin, yakın zamanda sentezlenen Dy6 kümesinde olduğu gibi), manyetik momentlerden oluşan bir "atlıkarınca" oluştururlardı (Şekil 5b). Böyle bir sıralamaya "toroidal" denir, çünkü dairesel bir elektromıknatıs, bir halka (torus) şeklinde bir manyetik çekirdeğin etrafına bir tel sarılarak oluşturulabilir. Herhangi bir sıralamayı "ferro" kelimesiyle ifade etme geleneğini takip eden toroidal sıralı yapılara "ferrotorik" denir. Manyetoelektrik etkiye sahiptirler - bir manyetik alanın uygulanması manyetik momentlerin yeniden dağılımına neden olur: manyetik momentleri manyetik alan boyunca yönlendirilen iyonların sayısı artar. Manyetik iyonların yer değiştirmesi, elektrik polarizasyonunun meydana gelmesi için yüklerin yeniden dağılımını gerektirir. Ancak molekülün manyetik momentlerin saat yönünde yönlendiği durumlar ve momentlerin yönünün saat yönünün tersine olduğu durumlar eşit olasılıkla gerçekleşir ve bu durumlarda manyetoelektrik etki zıt olacaktır. Dolayısıyla sorun, manyetik momentlerin bir dönme yönü ile toroidal yapıların nasıl elde edileceğidir.

Pirinç. Şekil 5. Nadir toprak iyonlarına dayalı organik moleküler nanoküme: disprosyum katyonlarının manyetik momentlerinin karşılıklı yönelimi (a); harici bir manyetik alan H'de manyetik momentlerin toroidal sıralaması ile, manyetizasyona ek olarak, elektrik polarizasyonu P indüklenir (b); karşılaştırma için - bir toroidal elektromıknatıs (ortada)

Bellek monitörden çıkmıyor

Tellegen'in bir sıvı içinde dönen manyetoelektrik parçacıklardan oluşan bir kompozit fikri, ilk elektronik mürekkep - gyricon modelinin (Yunancadan "dönen görüntü") ortaya çıkmasıyla gerçekleşti. Bir gyricon, iki renkli küresel polietilen parçacıklarının gömülü olduğu, boşlukların içinde sıvı ile dönen bir polimer ortamıdır (Şekil 6). Parçacığın yarım küreleri sadece renk olarak değil, aynı zamanda elektrik şarjı. Bu nedenle, bir elektrik alanı uygulanarak yönlendirilebildiler ve beyaz bir arka plan üzerinde siyah harfler belirdi. Parçacıklara manyetik kirlilikler eklendiğinde, elektrik alanı sistemin manyetizasyonunu kontrol etmeye başladı. Bununla birlikte, dönmesi yaklaşık bir saniye sürdü, bu nedenle fikir elektronik kağıdı değil, başka bir ekran türünün ana bileşeni olan sıvı kristalleri "mıknatıslamak" için ortaya çıktı.

Pirinç. 6. Gyrikon: gömülü siyah-beyaz küresel partiküllere sahip polimer (a), gyrikon bazlı manyetoelektrik kompozit: dipol partikülleri sıvı ile mikro boşluklarda döner. +/– elektrik, S, N - manyetik kutuplar (b)

Sıvı kristallerde, nematikler (Yunanca “iplik”ten), uzun moleküller bir yön boyunca yer alır (Şekil 7a). Sıvı kristal monitörler, nematik moleküllerin kendilerini alan boyunca yönlendirme özelliği nedeniyle çalışır (Şekil 7b), ancak sıvı kristale manyetik nano sütunlar eklenirse, moleküllerle birlikte döneceklerdir. Sonuç, bir elektrik alanı tarafından kontrol edilen manyetik bir malzemeydi ve elektrik alanındaki bir değişime çok daha hızlı tepki verdi - anahtarlama frekansı kilohertz idi.

Pirinç. Şekil 7. Manyetik nano sütunlu sıvı kristal: elektrik geriliminin olmadığı durumlarda (a), gerilim açıldığında (b)

Bu zaten daha hızlıdır, ancak gyricon ve sıvı kristal hücre, yarı iletken mikro devrelerin elemanları ile boyut veya hız olarak rekabet edemez, bu da manyetik bellek cihazları için uygun olmadıkları anlamına gelir. Manyetik bellek cihazlarında sıvı kristal yerine, elektrotlar arasına bir katı hal manyetoelektrik katmanı yerleştirilmesi önerildi, ancak az sayıda yüksek sıcaklık manyetoelektrik ve yüksek kaçak akım nedeniyle manyetoelektrik bellek hala uzak. gerçekleştiriliyor.

"Akıllı toz" enerji toplar

Elektronik cihazların minyatürleştirilmesi, bilgi toplama, işleme ve birbirleriyle değiştirme yeteneğine sahip birçok sensörden oluşan kablosuz sensör ağları oluşturmanın yoludur. Bu tür yapılara bazen "akıllı toz" denir. En belirgin uygulama alanları çevresel ve tıbbi izleme, güvenlik sistemleridir. Ancak sensörlerin güce ihtiyacı vardır ve bununla ilgili sorunlar vardır: sensör bir nesnenin içindeyse (örneğin, dönen bir parçada veya insan vücudunda), o zaman ona bir kablo getiremezsiniz, piller minyatür değildir ve yeterince dayanıklı ve Solar paneller karanlıkta işe yaramaz.

Pirinç. Şekil 8. Sensörlerin uzaktan güç kaynağı: konik bir metal plakanın bir alt tabakasına yerleştirilmiş piezoelektrik ve manyetostriktif malzemelere dayalı bir manyetoelektrik dönüştürücü - bir dalga kılavuzu akustik yoğunlaştırıcı (a), manyetoelektrik güç kaynağına sahip bir kablosuz sensör ağ düğümü (b)

İlginç bir alternatif, enerji hasadı gibi görünüyor - enerjiden enerji elde etmek. çevre. Bunlar mekanik, sıcaklık dalgalanmaları veya radyo dalgalarının enerjisini biriktiren sistemler olabilir, ancak doğal kaynaklardan gelen enerji akışı küçüktür - 1 μW/cm2'den azdır. Ancak sensörlerin bulunduğu yerde alternatif bir manyetik alan oluşturan bir radyasyon kaynağı oluşturmak mümkündür. Manyetik alan enerjisini şuna çevir: elektrostatik enerji yüklü kapasitörler, bir uca doğru sivrilen bir plaka şeklinde ortak bir metal alt tabaka üzerine yerleştirilmiş manyetostriktif ve piezoelektrik malzeme katmanlarından oluşan bir manyetoelektrik eleman kullanılarak yapılabilir (Şekil 8). Alternatif bir manyetik alan, rezonans frekansında manyetostriktif plakanın periyodik deformasyonuna neden olur. Bu mekanik titreşimler alt tabakaya iletilir ve alt tabaka boyunca yayılır, böylece dar uca yaklaşıldığında akustik enerji konsantrasyonu ve salınımların genliği artar. Alt tabakanın titreşimleri piezoelektrik plakalara aktarılır ve alternatif bir elektrik gerilimi. Bu tasarım bir çeşit manyetoelektrik kompozit malzemedir, ancak akustik bir yoğunlaştırıcı yardımıyla, bağlı manyetik ve piezoelektrik katmanların geleneksel çok katmanlı yapısına kıyasla iki kat kazanç elde etmek mümkündür.

Pirinç. 9. Piezoelektrik konsolun mekanik titreşimleri: elektrik enerjisi(a), yürürken enerji toplamak için piezoelektrik eleman (b)

Tıptaki implantlara, otonom sensörlere ve ayrıca iletişim ve mobil elektroniklere güç sağlamak için, örneğin elastik bir plakanın titreşimleri (modern mikromekanik ve nanoteknolojilerde, bu tür plakalara konsol olarak adlandırılır) gibi mekanik hareket veya titreşimler kullanmak daha iyidir. bir piezoelektrik malzeme (Şekil 9a). Bir manyetoelektrik kompozit malzemeden yapılmış bir konsol, Dünyanın manyetik alanında salındığında, manyetostriktif katman, piezoelektrik katmana aktarılan ek deformasyonlar yaşar ve sonuç olarak, alternatif voltajın genliği on volta ulaşır. Böyle bir cihazın, her zaman okyanus dalgalarının ve Dünya'nın manyetik alanının olduğu su altı araçlarında ve şamandıralarda kullanılması önerilmektedir.

Burada bir not daha belirtilmelidir: doğal koşullarda karşılaşılan salınım frekansları küçüktür - hertz, maksimum onlarca hertz. Bu, bir yandan ünite tarafından üretilen düşük güç anlamına gelir (güç, frekansın küpü ile orantılıdır), diğer yandan bu düşük frekanslarda titreşebilen cihazların mikroskobik boyutlarında değildir. Sonuç olarak, şarj cihazları santimetre küp başına yalnızca mikrowatt verir. Diğer türlerin kullanımından daha iyi sonuçlar beklenir salınım hareketi: insan vücudu yürürken (ayakkabı içinde bulunan piezoelektrik elemanlar (Şekil 9b) zaten 1 mW/cm3'e kadar ve araba motorunun daha da yüksek frekanslı titreşimlerini - 30 mW/cm3'e kadar almaya izin verir. Ancak her durumda, henüz cep telefonlarındaki pilleri değiştirmekten bahsetmiyoruz. Serbest enerjinin toplanması ("enerji hasadı"), iyi bilinen "fıçının altını kazı, ahırlara koy" sürecini andırır ve bu, bu gibi durumlarda neden başka bir terimin sıklıkla kullanıldığını açıklar: "enerji temizleme ” (temizleme - temizleme, çöp atma).

Bir katıdaki manyetik ve elektriksel fenomenler arasındaki ilişki sorunu son derece çok yönlüdür ve bu makale sadece bazı yönlerini göstermektedir. Bu bilim alanı şimdi aktif olarak gelişiyor, anlaşılmaz çok şey var ve bilinmeyen etkiler keşfedicilerini bekliyor.

A.P. Pyatakov, Fizik ve Matematik Bilimleri Adayı
A.K. Zvezdin, Fizik ve Matematik Bilimleri Doktoru

Edebiyat:
1. Smolensky G.A., Chupis I.E. Ferro-manyetikler. Fizik Bilimlerindeki Gelişmeler, 1982, 137, 415-448.
2. Eerenstein W., Mathur N.D., Scott J.F. Multiferroik ve manyetoelektrik malzemeler. Nature, 2006, 442, 7104, 759–765, doi:10.1038/nature05023.
3. Pyatakov A.P., Zvezdin A.K. Manyetoelektrik malzemeler ve çoklu ferroikler. "Fizik Bilimlerinde Başarılar", 2012, 182, 593-620.

Nereye bakarsanız bakın, her yer bir mıknatıs. Bir zamanlar, okul çocuklarına sadece pusula hakkında bilgi verildi, daha sonra - endüstride kullanım hakkında, son zamanlarda gelecekteki maglev treni hakkında konuşmaya başladılar. Her ne kadar herhangi bir elektrik motorunun ve herhangi bir transformatörün bir elektromıknatıs olduğu söylenebilir. Bugün, okuyucuyu mıknatısların önemine ikna etmek daha kolay hale geldi: evinde (buzdolabı kapısında ve mikrodalgada), cebinde (cep telefonunda) neredeyse kesinlikle bir mıknatısı olduğunu söylemek yeterli. düzinelerce mıknatıs - bir bilgisayarda ve arabada. Endüstride ve tıpta hiç sayılmazlar ve temel parçacık fiziği onlarsız yapamazlar - hızlanma halkasının tüm çevresi boyunca ve çoğu temel parçacık dedektöründe bulunurlar.

Bir fikir ortaya çıkıyor: bir elektrik ve manyetik alanı geçmek, bir madde bulmak veya bir malzeme oluşturmak, bir elektrik alanına yerleştirildiğinde bir mıknatıs olur ve bir manyetik alanda tam tersine elektriksel özellikler gösterir. Bu tür maddeler, Lomonosov Moskova Devlet Üniversitesi'nden A.P. Pyatakov ve A.K. Zvezdin tarafından makalede açıklanmıştır. M.V. Lomonosov ve Genel Fizik Enstitüsü. A. M. Prohorova.

Değişken kalıcı mıknatıs

Manyetik ve elektriksel fenomenler eski zamanlardan beri bilinmektedir, ancak elektromanyetizma klasiklerinin çalışmasından çok sonra onları birbirine bağlamak mümkün olmuştur: Oersted, Ampère, Faraday, Maxwell. Ampere'den sonra, kalıcı mıknatısların manyetik özellikleri, her molekülde maddenin içinde akan "moleküler" akımlarla açıklanmaya başlandı. Moleküler akımların doğası uzun bir süre yanlış anlaşılmış olsa da, yüklerin madde içindeki sürekli hareketi olasılığı umut verici görünüyordu (bu olasılık süper iletkenlerde de gerçekleşir, ancak düşük sıcaklıklarda). Bir elektrik alanı yardımıyla moleküler akımları etkilemek mümkün olsaydı, kalıcı mıknatısları neredeyse hiç enerji kaybı olmadan kontrol etmek mümkün olurdu.

L. D. Landau ve E. M. Lifshits, manyetoelektriklerin antiferromıknatıslar, yani zıt mıknatıslanmış alt kafeslerden oluşan kristaller arasında aranması gerektiğine dikkat çektiklerinde işler çığırından çıktı (Şekil 1). 1959'da I. E. Dzyaloshinsky, belirli bir bileşik - Cr 2 O 3 adını verdi ve bir yıl sonra bu malzemedeki manyetoelektrik etki D. N. Astrov tarafından keşfedildi. Birkaç yıl önce, Profesör George Rado grubundaki Amerikalı bilim adamları, çeşitli maddelerin manyetoelektrik özelliklerini keşfetmeye çalıştılar, ancak araştırma sonuçsuz kaldı, çünkü Landau, Lifshitz ve Dzyaloshinsky'nin çalışmalarını bilmiyorlardı - çevirileri kitaplar ve makaleler gecikmeli olarak çıktı. Astrov'un keşfini öğrendikten sonra, Cr 2 O 3 - manyetik alan tarafından indüklenen elektrik polarizasyonu üzerinde zıt etkiyi de gösterdiler.

Aynı zamanda, G. A. Smolensky grubundaki Leningrad Fizik ve Teknoloji Enstitüsü'nde manyetik ferroelektrikler arıyorlardı. Sıradan bir ferroelektrik, dış etkilerin katılımı olmadan kendi başına hem içeride hem de dışarıda bir elektrik alanı oluşturan bir maddedir, yani bir anlamda kalıcı bir mıknatısın elektriksel bir analogudur. Manyetik ferroelektrik, dış alanların yokluğunda hem manyetizasyon hem de elektrik polarizasyonunun gözlemleneceği bir malzemedir. Halihazırda bilinen ferroelektriklerde iyonları manyetik elementlerle değiştirmesi gerekiyordu ve ilk “ferromanyetik” (veya bu malzemeler şimdiki adıyla “multiferroik”) “karmaşık” çıktı, katı bir çözümdü (1– x)Pb (Fe 2/3 W 1/ 3)O 3 - xPb (Mg 1/2 W 1/2) O 3.

Ferromanyetikler ve multiferroikler: kimera terimleri

senin talihsizliğine
Ruhları aradım.
J. W. Goethe, "Büyücünün Çırağı"

Birçok tanıdık kelime mitolojik bir kimera gibidir - aslan başlı, keçi gövdeli ve yılan kuyruklu bir hayvan. Böylece "otobüs" kelimesi, "araba" ve "omnibus" kelimelerinin (lat. omnibüs- herkese, herkes için). Benzer şekilde, "ferromanyetik" terimi, "ferroelektrik" ve "ferromanyetik" olmak üzere iki kelimeden oluşur. "Ferroelektrik" kelimesi, bir elektrik alanı yokluğunda polarizasyonun var olduğu (spontan elektrik polarizasyonu), - Fransız eczacı Seignet'in adını taşıyan Rochelle tuzu olan ilk keşfedilen maddeden gelir ( seignette). Ve başka bir mucize daha var - sıcaklık düştüğünde, kristalin bozulmadan kaldığı, alanlara ayrıldığı maddeler - kristal kafesin farklı yönelimlerine sahip bölgeler (buna yapısal faz geçişi denir). Bu nedenle, "ferromanyetik" kelimesi zaten oldukça garip bir melezdir, ancak "multiferroik" terimi daha da "kimerik"tir.

İngilizce bilimsel literatürde, bu üç madde sınıfının hepsinin adları "ferro" ön ekiyle başlar: ferromanyetik, ferroelastik, ferroelektrik, demirin bununla hiçbir ilgisi olmamasına rağmen. Ancak bu, geçen yüzyılın ortalarında Japon bilim adamı Keichiro Aizu'nun üç sınıfı da genel terimle adlandırmasını engellemedi. ferroik» - ferroikler. Benzer bir hikaye İngilizcede de yaşandı: "omnibus" un bir parçası "otobüse" göç etti ve sonra otobüs bağımsız bir kelime haline geldi, yani veri yoluna ek olarak bir veri iletim kanalı.

Ferroics durumunda, hikaye devam etti: geçen yüzyılın doksanlı yıllarının başlarında, şişeden yeni bir cin çıktı - "multiferroic" terimi (lat. çok- birçok) - aynı anda en az iki ferroik sınıfına ait olan bir maddeyi belirtmek. Yüzyılımızın başında, manyetik ve elektriksel özelliklere sahip yeni medya ortaya çıktığında, bu kelime beklenmedik bir şekilde hızlı bir şekilde tanındı ve “ferromanyetik” in yerini aldı, böylece neolojizmin yaratıcısı İsviçreli bilim adamı Hans Schmid, terim söz konusu olduğunda, icat edildi, Goethe'nin bir alıntı olarak verilen bir şiirini hatırlıyor.

Karışım mı, katman mı?

Daha sonra, daha basit bileşikler de bulundu ve bizmut ferrit BiFeO 3'ün özellikle ilginç olduğu ortaya çıktı (Şekil 2). Dikkat çekici özelliklerinin çoğu, ideal kübik yapıdan farklılıklarından kaynaklanmaktadır. Oksijen oktahedranın dönüşü (Şekil 2a), bu antiferromıknatısta komşu iyonların manyetik oklarının artık tam olarak zıt olmadığı ve 180 dereceden daha az bir açı oluşturduğu gerçeğine yol açar. Sonuç olarak, birbirlerini tam olarak telafi etmezler ve kristalin genel manyetizasyonu ortaya çıkar (bu tür malzemelere zayıf ferromanyetler denir). Elektriksel ve manyetoelektrik özellikler, iyonların küpün ana köşegeni boyunca yer değiştirmesinden ve ayrıca oktahedronun distorsiyonundan kaynaklanır (Şekil 2b). Bir bizmut ferrit kristali ayrıca ışık ışınlarında gerilebilir (Şekil 2c) ve bir elektrik alanının etkisi altında yarı iletken bir diyota dönüşebilir (Şekil 2d). Son dönüşüm, oksijen boşlukları nedeniyle oluşur - iletkenlik türünü değiştiren yüklü kusurlar.

Bizmut ferrit gibi çok az "yüksek sıcaklık" manyetoelektrikleri vardır, neredeyse bir düzineden fazla değildir ve bunların bile önemli bir dezavantajı vardır - oda sıcaklığında gözle görülür iletkenlik. Bu, bir manyetik alan elde etmenin manyetoelektrik yönteminin ana avantajını ortadan kaldırır - bir elektrik alanı uygulandığında, böyle bir maddede bir akım akmaya başlar, bu da enerji tüketiminin fark edilir hale geldiği anlamına gelir. Bu nedenle, geçen yüzyılın 70'lerinde, iki tozun bir karışımı şeklinde yapay kompozit manyetoelektrik ortam oluşturmak için ilk girişimler yapıldı (Şekil 3a): manyetostriktif parçacıklar bir manyetik alanda şekil değiştirdiler, piezoelektrik parçacıklar üzerinde hareket ettiler , ve bunlar da deformasyonlar elektriksel olarak polarize edildi.

Fikir harikaydı ama etkisi küçük ve istikrarsızdı. Karıştırma sırasında topaklar ve pıhtılar elde edildi ve iletken manyetostriktif parçacıklardan kanalların oluşumu numunenin "kısa devresine" ve dolayısıyla elektrik voltajının olmamasına yol açtı. Ardından, birbirine yapıştırılmış manyetostriktif ve piezoelektrik malzemelerden yapılmış bir “katman keki” veya sandviç fikri geldi (Şekil 3b). İletken kanallar artık oluşmadı ve manyetoelektrik etki, Cr 2 O 3'tekinden 50 kat daha fazla oldu. Sandviç yapılardaki sensörlerin yardımıyla, Dünya'nın alanından bir milyon kat daha küçük manyetik alanları ölçmek mümkün oldu - bu, kalbimizin yarattığı, kanın damarlardan damıtıldığı gibi.

Yapı Özellikleri Etkilediğinde

Modern teknolojilerin ortaya çıkmasıyla birlikte kompozit malzemelerin yaratılmasında yeni bir aşama geldi: şimdi yapay manyetoelektrikler, sütunlu nano yapılara sahip filmler şeklinde yongalar üzerinde üretiliyor (Şekil 3c). Nanofilm tasarımındaki sandviç yapılar iyi çalışmaz - alt tabaka yongasına yapışma, bunların serbestçe deforme olmasına izin vermez ve kolonlar dikey yönde kolayca sıkıştırılır ve gerilir. Ek olarak, bu tür yapıların özel olarak oluşturulmasına gerek yoktu; substrat üzerinde iki maddenin aynı anda birikmesiyle “kendi kendine organize olurlar”: manyetostriktif, örneğin, spinel CoFe 2 O 4 ve piezoelektrik, örneğin, baryum titanat BaTiO 3 veya bizmut ferrit BiFeO 3 . Substratın kristalografik yönünü değiştirerek, bir piezoelektrik matriste hem manyetostriktif sütunları hem de bir manyetostriktif matriste piezoelektrik sütunları büyütmek mümkündür (Şekil 4).

İki fazın bu şekilde çökmesine neden olan nedir? Bir damla suyun temiz cam üzerine yayılmasına ve mumlu bir yüzey üzerinde bir top haline gelmesine neden olan aynı olay yüzey gerilimidir. Alt tabaka kristalografik yöne (yani eksene) dik olarak kesilirse z koordinat sistemleri), daha sonra manyetostriktif malzemenin maddesi yüzeyi ıslatmaz, damlalar halinde toplanır ve daha sonra sütunlara dönüşürken, piezoelektrik faz alt tabakayı ıslatır ve sütunları sararak bir matris oluşturur. (111) substratında, her şey tam tersi olur: manyetostriktif matrisin içinde, piezoelektriğin sütunlu bir yapısı büyür.

Nano yapıların karakteristik boyutları birkaç atomlar arası mesafe olduğunda, kompozitin fazları birbirlerinin iç yapısını ve özelliklerini etkilemeye başlar. Baryum titanat katmanları, benzer kristal yapıya sahip bir manyetik malzeme ile serpiştirilirse, örneğin, kalsiyum ikameli lantanum manganit La 0.7 Ca 0.3 MnO 3, yapay bir manyetoelektrik ortam elde edilir: yakınlık nedeniyle, kristal yapılar iki malzemenin karşılıklı bozulmaya maruz kalması, elektrik ve manyetik alt sistemlerin etkileşimine yol açar. Yani, sadece nanoyapılı bir malzeme oluşturmak değil, aynı zamanda madde-bileşenlerin özelliklerini değiştirerek atomik düzeyde mühendislik yapmak da mümkündü.

Peki ya Curie'nin orijinal manyetoelektrik molekül fikrine ne demeli? Üç disprosyum atomunun manyetik atomlar olarak düzenli bir üçgen oluşturduğu organik moleküler nanokümeler Dy 3'te gerçekleştirilebilir (Şekil 5a). En düşük enerjili molekül durumunda (temel durumda), disprosyum iyonlarının manyetik okları (momentleri) üçgenin karşı tarafına paralel olarak yönlendirilir (Şekil 5a). Daha fazla manyetik iyon olsaydı (örneğin, yakın zamanda sentezlenen Dy 6 kümesinde olduğu gibi), manyetik momentlerden oluşan bir "atlıkarınca" oluştururlardı (Şekil 5b). Böyle bir sıralamaya "toroidal" denir, çünkü dairesel bir elektromıknatıs, bir halka (torus) şeklinde bir manyetik çekirdeğin etrafına bir tel sarılarak oluşturulabilir. Herhangi bir sıralamayı "ferro" kelimesiyle ifade etme geleneğini takip eden toroidal sıralı yapılara "ferrotorik" denir. Manyetoelektrik etkiye sahiptirler - bir manyetik alanın uygulanması manyetik momentlerin yeniden dağılımına neden olur: manyetik momentleri manyetik alan boyunca yönlendirilen iyonların sayısı artar. Manyetik iyonların yer değiştirmesi, elektrik polarizasyonunun meydana gelmesi için yüklerin yeniden dağılımını gerektirir. Ancak molekülün manyetik momentlerin saat yönünde yönlendiği durumlar ve momentlerin yönünün saat yönünün tersine olduğu durumlar eşit olasılıkla gerçekleşir ve bu durumlarda manyetoelektrik etki zıt olacaktır. Dolayısıyla sorun, manyetik momentlerin bir dönme yönü ile toroidal yapıların nasıl elde edileceğidir.

Bellek monitörden çıkmıyor

Tellegen'in bir sıvı içinde dönen manyetoelektrik parçacıklardan oluşan bir kompozit fikri, ilk elektronik mürekkep - gyricon modelinin (Yunancadan "dönen görüntü") ortaya çıkmasıyla gerçekleşti. Bir gyricon, iki renkli küresel polietilen parçacıklarının gömülü olduğu, boşlukların içinde sıvı ile dönen bir polimer ortamıdır (Şekil 6). Parçacığın yarım küreleri sadece renkte değil, aynı zamanda elektrik yükünde de farklılık gösteriyordu. Bu nedenle, bir elektrik alanı uygulanarak yönlendirilebildiler ve beyaz bir arka plan üzerinde siyah harfler belirdi. Parçacıklara manyetik kirlilikler eklendiğinde, elektrik alanı sistemin manyetizasyonunu kontrol etmeye başladı. Bununla birlikte, dönmesi yaklaşık bir saniye sürdü, bu nedenle fikir elektronik kağıdı değil, başka bir ekran türünün ana bileşeni olan sıvı kristalleri "mıknatıslamak" için ortaya çıktı.

"Akıllı toz" enerji toplar

Elektronik cihazların minyatürleştirilmesi, bilgi toplama, işleme ve birbirleriyle değiştirme yeteneğine sahip birçok sensörden oluşan kablosuz sensör ağları oluşturmanın yoludur. Bu tür yapılara bazen "akıllı toz" denir. En belirgin uygulama alanları çevresel ve tıbbi izleme, güvenlik sistemleridir. Ancak sensörlerin güce ihtiyacı var ve bununla ilgili sorunlar var: sensör bir nesnenin içindeyse (örneğin, dönen bir parçada veya insan vücudunda), o zaman ona bir kablo getiremezsiniz, piller değildir. minyatür ve yeterince dayanıklı ve güneş panelleri karanlıkta işe yaramaz.

İlginç bir alternatif gibi görünüyor enerji toplanması- çevreden enerji elde etmek. Bunlar mekanik, sıcaklık dalgalanmaları veya radyo dalgalarının enerjisini biriktiren sistemler olabilir, ancak doğal kaynaklardan gelen enerji akışı küçüktür - 1 μW / cm2'den az. Ancak sensörlerin bulunduğu yerde alternatif bir manyetik alan oluşturan bir radyasyon kaynağı oluşturmak mümkündür. Manyetik alan enerjisi, bir uca doğru sivrilen bir plaka şeklinde ortak bir metal substrat üzerine yerleştirilmiş manyetostriktif ve piezoelektrik malzeme katmanlarından oluşan bir manyetoelektrik eleman kullanılarak yüklü kapasitörlerin elektrostatik enerjisine dönüştürülebilir (Şekil 8). Alternatif bir manyetik alan, rezonans frekansında manyetostriktif plakanın periyodik deformasyonuna neden olur. Bu mekanik titreşimler alt tabakaya iletilir ve alt tabaka boyunca yayılır, böylece dar uca yaklaşıldığında akustik enerji konsantrasyonu ve salınımların genliği artar. Alt tabakanın titreşimleri piezoelektrik plakalara iletilir ve içlerinde alternatif bir elektrik voltajı ortaya çıkar. Bu tasarım bir çeşit manyetoelektrik kompozit malzemedir, ancak akustik bir yoğunlaştırıcı yardımıyla, bağlı manyetik ve piezoelektrik katmanların geleneksel çok katmanlı yapısına kıyasla iki kat kazanç elde etmek mümkündür.

Burada bir not daha belirtilmelidir: doğal koşullarda karşılaşılan salınım frekansları küçüktür - hertz, maksimum onlarca hertz. Bu, bir yandan ünite tarafından üretilen düşük güç anlamına gelir (güç, frekansın küpü ile orantılıdır), diğer yandan bu düşük frekanslarda titreşebilen cihazların mikroskobik boyutlarında değildir. Sonuç olarak, şarj cihazları santimetre küp başına yalnızca mikrowatt verir. Diğer salınım hareketi türlerinin kullanılmasından daha iyi sonuçlar beklenir: yürürken insan vücudu (ayakkabıda bulunan piezoelektrik elemanlar (Şekil 9b) zaten 1 mW / cm3'e kadar ve hatta daha yüksek frekanslı araba titreşimlerinin elde edilmesine izin verir. motor - 30 mW / cm3'e kadar. Ancak her durumda, henüz cep telefonlarındaki pilleri değiştirmekten bahsetmiyoruz. Serbest enerjinin hasadı (“ enerji toplanması”), iyi bilinen “ahırın altını kazıyın, ahırlara koyun” sürecini anımsatır ve bu, bu gibi durumlarda neden farklı bir terimin sıklıkla kullanıldığını açıklar: “ enerji süpürücü» ( süpürme- temizlik, atık bertarafı).

Bir katıdaki manyetik ve elektriksel fenomenler arasındaki ilişki sorunu son derece çok yönlüdür ve bu makale sadece bazı yönlerini göstermektedir. Bu bilim alanı şimdi aktif olarak gelişiyor, birçok anlaşılmaz ve bilinmeyen etki keşiflerini bekliyor.

Edebiyat:
1. Smolensky G.A., Chupis I.E. Ferro-manyetikler. Fizik Bilimlerindeki Gelişmeler, 1982, 137, 415-448.
2. Eerenstein W., Mathur N.D., Scott J.F. Multiferroik ve manyetoelektrik malzemeler. Nature, 2006, 442, 7104, 759–765, doi:10.1038/nature05023.
3. Pyatakov A.P., Zvezdin A.K. Manyetoelektrik malzemeler ve çoklu ferroikler. "Fizik Bilimlerinde Başarılar", 2012, 182, 593-620.

Kalıcı Mıknatıslar ve Elektromıknatıslar
özellikler ve eylem.

Başlık

Mıknatısların özelliklerinin kullanımı çok geniştir. Birçok elektrikli, mekanik ve diğer cihazlarda bulunabilirler. Ancak kaç kişi mıknatısların nasıl düzenlendiğini ve hangi prensipte çalıştıklarını biliyor? Bu yazıda bunu anlamaya çalışacağız ve mıknatısların nasıl ve neden böyle özelliklere sahip olduğunu öğreneceğiz.

Başlamak için, herhangi bir mıknatısın (kalıcı veya elektromıknatıs) etkisinin temelinin aynı fenomen olduğuna dikkat edilmelidir. Mıknatısın kendisini çevreleyen manyetik alanların etkileşiminden oluşur (manyetik özelliklere sahip bir gövde). Bir mıknatısın manyetik alanı nereden geliyor? Cevap vermek için fiziği hatırlayalım. Manyetik alan, hareketli yüklü parçacıkların etrafında ortaya çıkan özel bir madde türüdür. Hatırlamanız gerektiği gibi, herhangi bir cisim atomlardan ve moleküllerden (karmaşık bir atom yapısı) oluşur. Her atomun etrafında elektronların döndüğü bir çekirdeği vardır.

Elektron, elektrik yüklü negatif bir parçacıktır. Elektron sürekli hareket halinde olduğu için çevresinde daima bir manyetik alan vardır. Ama o zaman neden tüm cisimler manyetik özellikler göstermiyor? Ve atomlar, eşit olmayan bir düzende olduklarından, birbirlerinin manyetik alanlarını dengeler (dengeler). Ancak yine de bazı maddeler (ferromıknatıslar), yoğun bir manyetik darbeye maruz kaldıklarında, iç yapılarını, içinde bulunan parçacıkların manyetik alanları aynı yönde dönecek şekilde dağıtma yeteneğine sahiptir. Bu, tüm manyetik alanların toplamına ve harici bir güçlendirilmiş manyetik alanın görünümüne katkıda bulunur. Böylece kalıcı bir mıknatıs ortaya çıkar. Ancak bir mıknatısın bu özelliği sabit değildir.

Belirli koşullar altında, kalıcı mıknatıs parçacıklarının mevcut tek yönlülüğü kırılabilir. Örneğin, kalıcı bir mıknatıs Yüksek sıcaklık, güçlü şoklar, manyetizasyonun tersine çevrilmesi alternatif akım o zaman parçacıkların manyetik alanları yapılarını değiştirecek ve vücut tekrar birincil durumuna geri dönecek (artık etrafında bir manyetik alan olmayacak).

Kalıcı bir mıknatısın dezavantajları vardır: manyetik alanın nispeten zayıf bir gücü, hem manyetik alanın gücünü hem de tezahür durumlarını kontrol edememe (gerektiğinde manyetize olur ve gerekli olmadığında, mıknatıslanır). mıknatıslanmaz). Bu eksiklikler elektromıknatıslardan yoksundur. Şimdi onlara geçelim.

elektromıknatıslar- Bunlar, içinden bir akım geçtiğinde manyetik özellikler gösterebilen elektrikli cihazlardır. Herhangi bir elektromıknatısın cihazının kalbinde, çelik bir çekirdeğe sarılmış basit bir elektrik bobini bulunur. Bildiğiniz gibi, bobine voltaj uygulandığında, içinde bir elektrik akımı ortaya çıkar (düzenli bir şekilde hareket eden bir elektron akışı ortaya çıkar). Ve yukarıda öğrendiğimiz gibi, hareket halindeki elektrik yüklü herhangi bir parçacık, kendi etrafında bir manyetik alana sahip olma yeteneğine sahiptir. Yani geçerken elektrik akımı bobin etrafında bir manyetik alan oluşur.

Elektromıknatıs bobininin manyetik alanını arttırmak için içine bir çelik çekirdek yerleştirilmiştir. Bobinlerde bir manyetik alan göründüğünde, çeliğin iç yapısında bir değişikliğe katkıda bulunur (iç parçacıkları mıknatıslandığında kalıcı bir mıknatısla yapılan işleme benzer şekilde bir yönde döndürerek).

Sonuç olarak, bobinin manyetik alanları, elektromıknatısın etkisini yaklaşık bin kat artıran çelik çekirdeğin manyetik alanları ile toplanır. Güç elektromıknatıstan kesildiğinde, bobin mıknatıslanmayı durdurur, bunun sonucunda çelik çekirdekteki parçacıkların yapısı (özellikleri nedeniyle) orijinaline döner ve bu da tamamen manyetiksizleşmesine yol açar. Bir elektromıknatısın manyetik alanının gücü, elektromıknatısın bobinlerinden akan akımın gücü değiştirilerek kolayca ayarlanabilir.

Sert manyetik malzemelerin etkin kullanımındaki en önemli konu, kalıcı mıknatıslı sistemlerin manyetizasyon kalitesinin yüksek olmasıdır.

Genellikle, mıknatıslar (baryum ferrit mıknatıslar hariç) sistemin montajından sonra mıknatıslanır, çünkü bu durumda, manyetik stabilizasyondan sonra, boşluktaki endüksiyonun değeri, sistemsiz manyetizasyondan daha büyük olur, ardından montaj ve manyetik stabilizasyon (Şekil 57). Şekilde, OA, montajdan sonra manyetik sistemi karakterize eden demanyetizasyon katsayısının çizgisidir; OS - takviyesiz bir mıknatıs için demanyetizasyon katsayısının çizgisi; B\ ve Ba, montajdan önce ve sonra manyetize edilen sistem için sırasıyla manyetik stabilizasyondan sonra elde edilen boşluk indüksiyonlarıdır.

Montajdan önce manyetizasyon, manyetize bir mıknatıslı bir cihazın montajı sırasında ortaya çıkan teknolojik zorluklarla da ilişkilidir (manyetik olmayan bir alete sahip olma ihtiyacı, ferromanyetik tozla tıkanma olasılığı vb.).

Çalışmalar, radyasyon sırasında anlaşılabilir bir durum için, sınırlayıcı manyetik özelliklerin

Mıknatıslama öncesi ve PISTIC mıknatıslama gerilimi - montajdan sonra r r, r p ґ

Git alanı 5-7 kat daha büyük olmalıdır

Zorlayıcı kuvvet. Bu veriler, örneğin, bir elektromıknatısın kutupları arasına sıkıştırılmış düzlem-paralel kutuplarla bir mıknatısı mıknatıslarken meydana gelen, belirli bir büyüklükteki bir alan tarafından mıknatısın tüm hacminin nüfuz ettiği duruma atıfta bulunur. doğru akım. Çoğu durumda, kaçak akıların etkisi nedeniyle, hava boşluklarının manyetik direnci, girdap akımları (manyetizasyon sırasında) değişken alan) mıknatıslanma alanının değeri belirtilen değerden büyük olmalı ve 3000-10 000 Oe'ye karşılık gelmelidir.

Manyetik sistemin boşluğuna sığdırmak için yeterli bir hacimde bu büyüklükte alanlar yaratmak için, önemli manyetize edici amper dönüşleri gereklidir. Birkaç durumda kullanılan tek dönüşlü mıknatıslama ile on binlerce amperlik akımlara sahip olmak gerekir.

Mıknatıslama, doğru akım, alternatif akım, doğru ve alternatif akımların eşzamanlı hareketi ve darbeli akımla çalışan tesislerde kullanılır.

Pirinç. 57. Sihri değiştir

DC manyetizasyon bir elektrik ortamında gerçekleştirilir.
mıknatıslar. Bu tür elektromıknatıslar hacimlidir ve güçlü güç kaynakları gerektirir.

Örneğin, 50 mm'lik bir boşlukta 4000 Oe'ye eşit bir alan oluşturan U-541 kurulumunun güçlü alanların geçirgenliği, 250 kg'a eşit bir kütleye ve bir alanla kalıcı mıknatısları manyetize etmek için tasarlanmış bir elektromıknatısa sahiptir. 40.000 Oe ve 12 mm boşluk, 28 kt'a eşit güç tüketir.

Alternatif akımda, transformatör kullanımı sonucunda gerekli akım değerini elde etmek nispeten kolaydır. Bununla birlikte, bu durumda, başka zorluklar ortaya çıkar: yüksek kalitede bir mıknatıslanma garanti edilemez, çünkü kapanmanın meydana geldiği anlık akım değerine bağlı olarak, mıknatısın daha kötü, daha iyi veya hatta mıknatıslanmadığı ortaya çıkabilir. tamamen mıknatıslanmış. Bu eksikliği gidermek için, ya akımın maksimum değerine ulaştığında kapatıldığından emin olmak ya da zayıf mıknatıslanma olasılığını azaltan mıknatıslama akımı için geniş bir marj olması gerekir.

Bir elektromanyetik dalganın metalin derinliklerine nüfuz ettiğinde zayıflamasının bir sonucu olarak, mıknatısın iç hacminin ortaya çıkabileceği gerçeğine yol açan girdap akımlarının etkisi de akılda tutulmalıdır. manyetize edilmemiş.

Mıknatısın tüm hacminin manyetize olduğu minimum darbe süresi T, mıknatısın boyutları ve mıknatısın boyutları arasındaki ilişki fiziksel özellikler aşağıdaki ampirik formülle temsil edilebilir:

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

Pirinç. 58. Şok transformatörünün şematik düzenlemesi

K, mıknatıs malzemesinin özgül iletkenliği olduğunda (demir-nikel-alüminyum alaşımları için K = 1.7-104 ohm ~ 1) \ B, mıknatıstaki endüksiyondur, gs \ H, mıknatıslama alanının gücüdür, e \ D mıknatısın etkin çapıdır, bkz.

Alternatif akımla manyetizasyon yöntemi, bir şok transformatöründe pratik uygulama buldu (Şekil 58).

Transformatör bir birincil sargıdan oluşur W\ Büyük bir sayı kısa devre kalın bakır bara şeklinde dönüşler ve ikincil sargı ®2 = 1. K anahtarı birincil devreyi açtığında, ikincilde mıknatısı mıknatıslamak için kullanılan on binlerce amperlik bir akım darbesi belirir.

B. M. Yanovsky, bir mıknatısın sabit bir alana yerleştirildiğini ve aynı anda genliği sıfıra düşen alternatif bir alan tarafından etkilendiğini elde etmek için ideal bir eğri boyunca manyetizasyon üretmeyi önerdi. Bu durumda, mıknatıslanmanın doygunluğa ulaşması için gereken doğru akımın değeri, alternatif bir alanın olmadığı duruma göre yaklaşık üç kat daha az alınabilir.

Mıknatıslanma için, güçlü bir kapasitör bankasının şarj ve deşarj fenomenini kullanan devreler yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tür devrelerdeki salınımları ortadan kaldırmak için, akımın bir yönde geçmesine, yani darbeli manyetizasyon üretmesine izin veren çeşitli doğrultucu cihazlar kullanılır.

Darbeli manyetizasyonlu tesisler, kondansatörde uzun süre enerji biriktirir ve deşarj işlemi sırasında kısa sürede serbest bırakır. Bu nedenle, güçlü bir darbe oluşturmak için büyük bir akım tüketimi gerekli değildir, bu da tesisata güç sağlamak için geleneksel bir aydınlatma ağının kullanılmasını mümkün kılar. Darbeli kurulumların avantajları, küçük boyutlarını ve cihazın göreceli basitliğini de içermelidir.

Darbeli mıknatıslama tesisatının olası şemalarından biri Şekil 2'de gösterilmektedir. 59.

Söz konusu cihaz sadece manyetizasyon için kullanılamaz manyetik sistemler değil, aynı zamanda demanyetizasyonları için. İlk durumda, HL fişi kapalı ve anahtarlama cihazı fişi açık, ikinci durumda ise tam tersi olmalıdır.

Devrenin çalışmasını bir mıknatıslama cihazı olarak düşünün. K anahtarı kapatıldığında, ana voltaj, Tr trafosu aracılığıyla K \ kontağını çalıştıran ve kapatan P \ rölesinin sargısına beslenir, böylece C ve C2 kapasitörleri için bir şarj devresi oluşturur (bir doğrultucu B aracılığıyla) , şarj direnci 7 * kontak / Ci ve bir fiş bağlantısı WELL). C] ve C2 kapasitörlerinin kapasitansları 700 mikrofaraddır.

Voltaj bölücü (r2 ve r3 dirençleri) aracılığıyla bağlanan voltmetre V, kapasitörlerdeki akım voltajını ölçer. Darbedeki gerekli akıma bağlı olarak, devre, r4 direncini kullanarak şarj voltajının maksimum değerini 600 ila 1000 V arasında ayarlamanıza izin verir. Ayarlanan voltaj değerine ulaşıldığında röle devreye girer.

Pr ve K.2 kontağı üzerinden açılır, röle Ki kontağının güç kaynağı devresi açılır ve kapların şarj işlemi sona erer.

A düğmesine basılarak, kontakları / Cz kapatarak ignitron I için bir güç devresi oluşturan Rz rölesine güç sağlanır. 2. Deşarj devresi ayrıca r5 \u003d Yu-2 ohm ve r6 direncini de içerir. İlk direnç, mıknatıslanma darbesini gözlemlemek için osiloskop açıldığında kullanılır. İkinci direnç olasılığını dışlamak için gereklidir.

Pirinç. 59. Darbeli manyetizasyon için kurulumun şematik diyagramı

Ters yarım dalganın değişimi ve bir mıknatıs ile mıknatıslanma sargısının endüktansına bağlı olarak ayarlanır.

Demanyetizasyon devresini kullanırken, fiş NL soketinden anahtarlama cihazı soketine taşınır ve 1, 2 ve 3 terminallerine bir demagnetizer bağlanır. İki sargılı bir hava transformatörüdür. Sargıların başlangıcı 1 ve 3 numaralı terminallere, uçları ise 2 numaralı terminale bağlanır. Bu durumda, güç açıldığında sadece Cr kondansatörü şarj olur. Ateşleyici ve demanyetize edici transformatörün birincil sargısı yoluyla deşarjı sırasında, sargı endüktansı ve kapasitans Cb'den oluşan bir salınım devresi olan ikincil devrede sönümlü salınımlar meydana gelir. Demanyetizasyon için kullanılan, genliği sıfıra düşen alternatif bir alan oluştururlar.

Manyetizasyon tekniği, mıknatısın şekline ve boyutlarına bağlıdır.

At nalı mıknatıslar, örneğin şekil 2'de gösterildiği gibi manyetize edilebilir. 60.

Mıknatıslama cihazı, üzerine çok sayıda dönüşlü bir bobin yerleştirilmiş, düşük manyetik dirençli bir demir plakadan oluşur. Mıknatıslar plaka üzerine yerleştirilir, bobini kaplar ve direkleri demir vasıtasıyla kapatır. Kurulum, çok sayıda mıknatısın aynı anda manyetizasyonuna izin verir.

Pirinç. 60. Podko'nun manyetizasyonu - Şek. 61. Boynuz şeklindeki mıknatısların çeşitli büyük mıknatıslardan oluşan bir plaka üzerinde manyetizasyonu

50-100 kg ağırlığa kadar olan büyük boynuz şeklindeki mıknatısları manyetize etmek için, aşağıdakilerden oluşan sıralı manyetizasyon yöntemi kullanılır. Mıknatısların üzerine yassı bobinler takılır ve kutuplar demir jumperlarla kapatılır (Şekil 61).

Bobinler, akım açıldığında, mıknatıs doygunluğa kadar bulunduğu yerde mıknatıslanacak şekilde hesaplanır. Akım açılır, yani bobinlerin altındaki alan mıknatıslanır. Akım kesilir, bobinler mıknatıs boyunca hareket ettirilir, akım açılır, bobinler tekrar hareket ettirilir ve bu, bobinler tamamen bir araya gelene kadar devam eder.

Verilen örnekler, her seferinde, sorunun özel koşullarına bağlı olarak, manyetizasyon yöntemi ve mıknatıslama cihazının tasarımının seçimi sorusu üzerinde düşünmek gerektiğini göstermektedir.