Qayerga qaramang, hamma joyda magnit. Bir vaqtlar maktab o'quvchilariga faqat kompas haqida, keyinroq - sanoatda foydalanish haqida aytilgan, yaqinda ular kelajakdagi maglev poezdi haqida gapira boshladilar. Garchi har qanday elektr motor va har qanday transformator elektromagnit deb aytish mumkin. Bugungi kunda o'quvchini magnitlarning muhimligiga ishontirish osonroq bo'ldi: uning uyda (muzlatgich eshigida va mikroto'lqinli pechda), cho'ntagida (uyali telefonda) magnit borligini aytish kifoya. o'nlab magnitlar - kompyuterda va mashinada. Sanoat va tibbiyotda ularni umuman sanab bo'lmaydi va fizikada elementar zarralar ularsiz qilish mumkin emas - ular tezlashtiruvchi halqaning butun perimetri bo'ylab va elementar zarrachalarning ko'p detektorlarida joylashgan.

Doimiy magnitlar bor, elektromagnitlar bor. Doimiylarning bitta katta plyus bor - ular energiya iste'mol qilmaydi va bir nechta minuslar - ularning maydonini sozlash mumkin emas (va iloji bo'lsa, sekin - mexanik ravishda harakatlanadi) va u juda kuchli bo'lishi mumkin emas. Elektromagnitlar bu kamchiliklardan xoli, lekin ularda doimiy magnitlarda bo'lmagani bor - ular energiya sarflaydi va juda ko'p iste'mol qiladi. Ba'zan Tokamak kabi supero'tkazuvchi o'rashli elektromagnitlar muammoni hal qiladi, deb aytishadi. Ammo, birinchidan, suyuq geliyni ham, suyuq azotni ham Yerdagi ko'ldan tortib olish mumkin emas, ikkinchidan, bunday elektromagnitlarning magnit maydonini tartibga solish ham qiyin.

Bir fikr paydo bo'ladi: elektr va magnit maydonlarini kesib o'tish, moddani topish yoki material yaratish, elektr maydoniga joylashtirilganda u magnitga aylanadi, magnit maydonda esa, aksincha, elektr xususiyatlarini namoyon qiladi. Bunday moddalar Moskvadan A.P.Pyatakov va A.K.Zvezdinlarning maqolalarida tasvirlangan. davlat universiteti ular. M.V.Lomonosov va Umumiy fizika instituti. A. M. Proxorova.

O'zgaruvchan doimiy magnit

Magnit va elektr hodisalari qadim zamonlardan beri ma'lum bo'lgan, ammo ularni bir-biri bilan bog'lash ancha keyinroq, elektromagnetizm klassiklari: Oersted, Amper, Faraday, Maksvell asarlaridan keyin mumkin bo'lgan. Amperdan keyin doimiy magnitlarning magnit xossalari har bir molekulada moddaning ichida oqayotgan "molekulyar" oqimlar bilan tushuntirila boshlandi. Molekulyar oqimlarning tabiati uzoq vaqt davomida noto'g'ri tushunilgan bo'lsa-da, materiya ichidagi zaryadlarning abadiy harakatlanishining o'zi istiqbolli bo'lib tuyuldi (bu imkoniyat o'ta o'tkazgichlarda ham amalga oshiriladi, lekin past haroratlarda). Agar yordam bilan elektr maydoni molekulyar oqimlarga ta'sir qilishda muvaffaqiyat qozongan bo'lsa, doimiy magnitlarni deyarli energiya yo'qotmasdan boshqarish mumkin edi.

Chapdan o'ngga: Per Kyuri (1859–1906), Bernard Tellegen (1900–1990), L. D. Landau (1908–1968) (o'ngda) va E. M. Lifshits (1915–1985), I. E. Dzyaloshinskiy (chapda) A. ) va D. Jorj Rado, G. A. Smolenskiy (1910-1986)

1884 yilda frantsuz fizigi Per Kyuri elektr maydoni ta'sirida magnitlangan bunday molekulalar va moddalarning mavjudligi ma'lum qonunlarga zid emasligini aytdi. Amerikalik elektronika muhandisi Bernard Tellegen keyinchalik kompozitsion - zarrachalar suzib yuradigan, elektret bo'laklari bilan bog'langan magnitlarni ifodalovchi suspenziya ko'rinishidagi magnitoelektrik muhitni yaratishni taklif qildi. Elektret esa tashqi elektr maydoni bilan "zaryadlanishi" mumkin bo'lgan moddadir va shundan so'ng u o'z atrofida uzoq vaqt davomida, masalan, yillar davomida, xuddi magnit magnit maydon hosil qilgani kabi, elektr maydonini hosil qiladi. Ko'pgina yaxshi dielektriklar elektretdir, lekin elektret va magnitning xususiyatlarini birlashtirgan materiallar topilmagan yoki yaratilmagan. Garchi ular "magnitoelektriklar" nomini o'ylab topishgan.

L. D. Landau va E. M. Lifshits magnitoelektriklarni antiferromagnitlar, ya'ni qarama-qarshi magnitlangan pastki panjaralardan tashkil topgan kristallar orasidan izlash kerakligini ta'kidlaganlarida, ishlar joyidan chiqdi (1-rasm). 1959 yilda I. E. Dzyaloshinskiy o'ziga xos birikma - Cr2O3 deb nom berdi va bir yil o'tgach, bu materialdagi magnitoelektrik effekt D. N. Astrov tomonidan kashf qilindi. Bir necha yil oldin professor Jorj Rado guruhidagi amerikalik olimlar magnetoelektrik xususiyatlarini kashf qilishga harakat qilishdi. turli moddalar, ammo qidiruv samarasiz bo'lib chiqdi, chunki ular Landau, Lifshitz va Dzyaloshinskiyning asarlari haqida bilmaganlar - kitoblar va maqolalarning tarjimalari kechikish bilan chiqdi. Astrovning kashfiyoti haqida bilib, ular Cr2O3 ga teskari ta'sir ko'rsatdilar - magnit maydon tomonidan induktsiya qilingan elektr qutblanish.

Guruch. 1. Antiferromagnetizm. Antiferromagnit tartiblash g'oyasi Moris Escherning chizmalarida kutilgan edi, masalan, "Kecha va kunduz" (a), kristall hujayraning qo'shni tugunlarida ionlarning magnit o'qlari (lahzalari) teskari yo'naltirilgan ( b)

Shu bilan birga, Leningrad fizika-texnika institutida G. A. Smolenskiy guruhida ular magnit ferroelektriklarni izlashdi. Oddiy temir elektr - bu tashqi ta'sirlar ishtirokisiz o'z-o'zidan ichki va tashqarida elektr maydonini yaratadigan modda, ya'ni qaysidir ma'noda doimiy magnitning elektr analogidir. Magnit ferroelektrik - bu tashqi maydonlar bo'lmaganda magnitlanish va elektr polarizatsiyasi kuzatiladigan material. U allaqachon ma'lum bo'lgan ferroelektriklarda ionlarni magnit elementlar bilan almashtirishi kerak edi va birinchi "ferromagnit" (yoki "ko'p qatlamli", bu materiallar hozir deb ataladi) "murakkab" bo'lib chiqdi, bu qattiq eritma edi. (1–x)Pb(Fe2/3W1/3)O3 - xPb(Mg1/2W1/2)O3.

Ferromagnitika va multiferroika: kimera atamalari

Baxtsizligim uchun men Ruhlarni chaqirdim.
J. V. Gyote, "Sehrgarning shogirdi"

Ferroiklarning uch sinfi: ferroelektrik, magnit va ferroelastik moddalar. Ushbu to'plamlarning kesishmasida multiferroiklar yotadi

Ko'pgina tanish so'zlar mifologik kimeraga o'xshaydi - sher boshli, echki tanasi va ilon dumili hayvon. Shunday qilib, "avtobus" so'zi "avtomobil" va "omnibus" (lotincha omnibus - hamma uchun, hamma uchun) so'zlari qismlarining birikmasi bo'lib chiqdi. Xuddi shunday, "ferromagnit" atamasi "ferroelektrik" va "ferromagnit" ikkita so'zdan iborat. "Ferroelektrik" so'zi elektr maydoni bo'lmaganda (o'z-o'zidan elektr polarizatsiyasi) qutblanish mavjud bo'lgan birinchi kashf etilgan moddadan, frantsuz farmatsevti Seignette nomidagi Roshel tuzidan kelib chiqqan. Va yana bir mo''jiza bor - harorat pasayganda, kristal buzilmagan holda domenlarga bo'linadi - kristall panjaraning turli yo'nalishlari bo'lgan joylar (bu tizimli deb ataladi. fazali o'tish). Shunday qilib, "ferromagnit" so'zi allaqachon g'alati gibriddir, ammo "ko'p qatlamli" atamasi yanada "ximerik".

Qadimgi mifologiyaning ximerasi

Inglizchada ilmiy adabiyotlar barcha bu uchta toifadagi moddalarning nomlari "ferro" prefiksi bilan boshlanadi: ferromagnitika, ferroelastiklar, ferroelektriklar, garchi temirning bunga hech qanday aloqasi yo'q. Bu to'sqinlik qilmadi, ammo o'tgan asrning o'rtalarida yapon olimi Keychiro Aizu barcha uchta sinfni "ferroik" umumiy atamasi - ferroika deb atagan. Shunga o'xshash voqea sodir bo'ldi Ingliz tili: "omnibus" dan bir bo'lak "avtobus" ga o'tdi va keyin avtobus mustaqil so'zga aylandi, ya'ni avtobusdan tashqari, ma'lumotlarni uzatish kanali ham.

Ferroika masalasida hikoya davom etdi: o'tgan asrning 90-yillari boshlarida shishadan yangi jin chiqarildi - "multiferroik" (lotincha multi - ko'p) atamasi - bir vaqtning o'zida tegishli bo'lgan moddani bildirish uchun. kamida ikkita ferroik sinf. Bizning asrimizning boshlarida, qachon magnitli yangi ommaviy axborot vositalari va elektr xususiyatlari, bu so'z kutilmaganda tezda e'tirofga sazovor bo'ldi va "ferromagnit" o'rnini egalladi, shuning uchun neologizmning yaratuvchisi, shveytsariyalik olim Xans Shmid o'zi ixtiro qilgan atama haqida gap ketganda, Gyotening she'rini eslaydi, undan parcha epigraf sifatida berilgan.

Aralash yoki qatlam?

Keyinchalik oddiyroq birikmalar ham topildi va vismut ferrit BiFeO3 ayniqsa qiziqarli bo'lib chiqdi (2-rasm). Uning ajoyib xususiyatlarining aksariyati ideal kubik tuzilishdan farqlarga bog'liq. Kislorod oktaedrasining aylanishi (2a-rasm) bu antiferromagnitda qo'shni ionlarning magnit o'qlari endi qat'iy qarama-qarshi bo'lib, 180 darajadan kam burchak hosil qilishiga olib keladi. Natijada, ular bir-birini to'liq kompensatsiya qilmaydi va kristalning umumiy magnitlanishi paydo bo'ladi (bunday materiallar zaif ferromagnitlar deb ataladi). Elektr va magnitoelektrik xossalari kubning asosiy diagonali boʻylab ionlarning siljishi, shuningdek, oktaedrning buzilishi (2b-rasm). Vismut ferrit kristalli yorug'lik nurlarida ham cho'zilishi mumkin (2c-rasm) va elektr maydoni ta'sirida yarim o'tkazgichli diodga aylanishi mumkin (2d-rasm). Oxirgi transformatsiya kislorod bo'shligi - o'tkazuvchanlik turini o'zgartiruvchi zaryadlangan nuqsonlar tufayli sodir bo'ladi.

Guruch. 2-rasm. Vismut ferritining kristall tuzilishi: temir ionlari kublarning markazlarida, vismut ionlari uchlarida, kislorod ionlari yuzlarning markazlarida: kislorod oktaedralarining aylanishi (a), ionlarning bo'ylab siljishi. kubning diagonali va undan kelib chiqqan oktaedrning buzilishi - ionlarning siljishi o'qlar bilan ko'rsatilgan ( b), vismut ferritidagi elektrostriksiya - namunaning yorug'lik nurlanishi ta'sirida, yuz vattli chiroq ostida cho'zilishi, nisbiy cho'zilish foizning mingdan bir qismini tashkil qiladi, bu unchalik kichik emas qattiq tana(ichida), p-n shakllanishi kislorod vakansiyalarining harakati natijasida elektr maydoni ta'sirida o'tish (d)

Vismut ferriti kabi "yuqori haroratli" magnitoelektriklar juda kam, deyarli o'ndan ortiq, va hatto ularning sezilarli kamchiligi bor - xona haroratida sezilarli o'tkazuvchanlik. Bu magnitoelektrik olish usulining asosiy afzalligini bekor qiladi magnit maydon- elektr maydoni qo'llanilganda, bunday moddada oqim o'ta boshlaydi, ya'ni energiya sarfi sezilarli bo'ladi. Shu sababli, o'tgan asrning 70-yillarida ikkita kukun aralashmasi shaklida sun'iy kompozitsion magnitoelektr muhitini yaratishga birinchi urinishlar qilindi (3a-rasm): magnit maydonida magnitostriktiv zarralar shaklini o'zgartirdi, ular piezoelektrik zarrachalarga ta'sir ko'rsatdi. , va bu, o'z navbatida, deformatsiyalar elektr qutblangan edi.

G'oya ajoyib edi, lekin ta'sir kichik va beqaror edi. Aralashtirish jarayonida bo'laklar va pıhtılar paydo bo'ldi va magnitostriktiv zarralarni o'tkazuvchi kanallarning shakllanishi namunaning "qisqa tutashuvi" ga va shuning uchun elektr kuchlanishining yo'qligiga olib keldi. Keyin bir-biriga yopishtirilgan magnitostriktiv va piezoelektrik materiallardan tayyorlangan "qatlam keki" yoki sendvich g'oyasi paydo bo'ldi (3b-rasm). O'tkazuvchi kanallar endi shakllanmadi va magnitelektrik effekt Cr2O3 ga qaraganda 50 baravar ko'paydi. Sendvich konstruktsiyalardagi sensorlar yordamida Yer maydonidan million marta kichik magnit maydonlarni o'lchash mumkin edi - bu bizning yuragimiz tomonidan yaratilgan, tomirlar orqali qonni distillash.

Struktura xususiyatlariga ta'sir qilganda

ning paydo bo'lishi bilan kompozit materiallarni yaratishning yangi bosqichi keldi zamonaviy texnologiyalar: endi sun'iy magnitoelektriklar ustunli nanostrukturali plyonkalar ko'rinishidagi chiplarda tayyorlanadi (3c-rasm). Nanofilm dizaynidagi sendvich konstruksiyalar yaxshi ishlamaydi - substrat-chipga yopishish ularning erkin deformatsiyalanishiga imkon bermaydi va ustunlar vertikal yo'nalishda osongina siqiladi va cho'ziladi. Bundan tashqari, bunday tuzilmalarni maxsus yaratish kerak emas edi, ular bir vaqtning o'zida ikkita moddaning substratga cho'kishi bilan "o'zini o'zi tashkil qiladi": magnitostriktiv, masalan, shpinel CoFe2O4 va piezoelektrik, masalan, bariy titanat BaTiO3 yoki vismut ferrit. BiFeO3. Substratning kristallografik yo'nalishini o'zgartirib, piezoelektrik matritsadagi magnitostriktiv ustunlarni ham, magnitostriktiv matritsadagi piezoelektrik ustunlarni ham o'stirish mumkin (4-rasm).

Guruch. 4. Nanokompozitning tuzilishi substrat tekisligining kristallografik yo'nalishiga bog'liq: (001) orientatsiya (a) bilan substrat, (111) yo'nalishi (b) bilan substrat; kublar pyezoelektrik kristallarga, oktaedrlar magnitostriktiv materialning kristallariga mos keladi.

Ikki fazaning bu tarzda cho'kishiga nima sabab bo'ladi? Bir tomchi suvning toza oynada xiralashishiga va mum bilan ishqalangan yuzada to'pga aylanishiga olib keladigan xuddi shunday hodisa - sirt tarangligi. Agar substrat kristallografik yo'nalishga (ya'ni, koordinata tizimining z o'qi) perpendikulyar ravishda kesilsa, u holda magnitostriktiv materialning moddasi sirtni namlantirmaydi, tomchilarga to'planadi, keyinchalik ular ustunlarga aylanadi, piezoelektrik faza esa namlanadi. substrat va ustunlarni o'rab, matritsa hosil qiladi. (111) substratda hamma narsa aksincha sodir bo'ladi: magnitostriktiv matritsa ichida piezoelektrikning ustunli tuzilishi o'sadi.

Nanostrukturalarning xarakterli o'lchamlari bir necha atomlararo masofa bo'lsa, kompozit fazalari ta'sir qila boshlaydi. ichki tuzilishi va bir-birining xususiyatlari. Agar bariy titanat qatlamlari xuddi shunday kristall tuzilishga ega bo'lgan magnit material bilan kesishsa, masalan, kaltsiy o'rnini bosuvchi La0,7Ca0,3MnO3 bilan lantan manganit, u holda sun'iy magnitoelektrik muhit olinadi: yaqinlik tufayli. kristall tuzilmalar ikkita material o'zaro buzilishlarga duchor bo'ladi, bu esa elektr va magnit quyi tizimlarning o'zaro ta'siriga olib keladi. Ya'ni, nafaqat nanostrukturali material yaratish, balki muhandislik ishlarini ham amalga oshirish mumkin edi atom darajasi, moddalar-komponentlarning o'z xususiyatlarini o'zgartirish.

Ammo Kyurining magnitoelektrik molekulalar haqidagi asl g'oyasi haqida nima deyish mumkin? U Dy3 organik molekulyar nanoklasterlarda amalga oshirilishi mumkin, ularda magnit atomlari muntazam uchburchakni tashkil etuvchi uchta disprosium atomidir (5a-rasm). Eng kam energiyaga ega bo'lgan molekula holatida (tuproq holatida) disprosium ionlarining magnit o'qlari (momentlari) uchburchakning qarama-qarshi tomoniga parallel ravishda yo'naltiriladi (5a-rasm). Agar ko'proq magnit ionlari bo'lsa (masalan, yaqinda sintez qilingan Dy6 klasteridagi kabi), ular magnit momentlarning "karuselini" hosil qiladi (5b-rasm). Bunday tartib "toroidal" deb ataladi, chunki dumaloq elektromagnit simni magnit yadro atrofida donut (torus) shaklida o'rash orqali yaratilishi mumkin. Har qanday tartibni "ferro" so'zi bilan belgilash an'analariga ko'ra, toroidal tartibli tuzilmalar "ferrotorik" deb ataladi. Ular magnitoelektrik ta'sirga ega - magnit maydonning qo'llanilishi magnit momentlarning qayta taqsimlanishiga olib keladi: magnit momentlari magnit maydon bo'ylab yo'naltirilgan ionlar soni ortadi. Magnit ionlarning siljishi zaryadlarning qayta taqsimlanishiga olib keladi, shuning uchun elektr qutblanish sodir bo'ladi. Biroq, magnit momentlari soat yo'nalishi bo'yicha yo'naltirilgan molekula holatlari va momentlar yo'nalishi soat miliga teskari bo'lgan holatlar teng ehtimollik bilan amalga oshiriladi va bu hollarda magnitoelektrik ta'sir teskari bo'ladi. Shunday qilib, muammo magnit momentlarning bir aylanish yo'nalishi bo'lgan toroidal tuzilmalarni qanday olish kerakligicha qolmoqda.

Guruch. 5-rasm. Nodir yer ionlari asosidagi organik molekulyar nanoklaster: disprosiy kationlarining magnit momentlarining o'zaro yo'nalishi (a); tashqi magnit maydonida H magnit momentlarining toroidal tartibi bilan magnitlanishdan tashqari, elektr polarizatsiyasi P induktsiya qilinadi (b); Taqqoslash uchun - toroidal elektromagnit (markazda)

Xotira monitordan chiqmaydi

Tellegenning suyuqlikda aylanadigan magnit-elektr zarralaridan iborat kompozitsion g'oyasi elektron siyohning birinchi modeli - girikon (yunoncha. "aylanuvchi tasvir") paydo bo'lishi bilan amalga oshirildi. Girikon - bu suyuqlik bilan bo'shliqlar ichida aylanadigan ikki rangli sferik polietilen zarralari ko'milgan polimer muhit (6-rasm). Zarrachaning yarim sharlari nafaqat rangi, balki rangi bilan ham farq qilgan elektr zaryadi. Shuning uchun ular elektr maydonini qo'llash orqali yo'naltirilishi mumkin edi va oq fonda qora harflar paydo bo'ldi. Zarrachalarga magnit aralashmalar kiritilganda, elektr maydoni tizimning magnitlanishini nazorat qila boshladi. Biroq, aylanish uchun taxminan bir soniya kerak bo'ldi, shuning uchun elektron qog'ozni emas, balki boshqa turdagi displeyning asosiy komponenti - suyuq kristallarni "magnitlash" g'oyasi paydo bo'ldi.

Guruch. 6. Girikon: oq-qora sferik zarrachalar o'rnatilgan polimer (a), girikon asosidagi magnitoelektrik kompozit: dipol zarrachalari suyuqlik bilan mikrokavitlarda aylanadi. +/– elektr, S, N - magnit qutblar (b)

Suyuq kristallarda, nematiklarda (yunoncha "ip" dan), cho'zilgan molekulalar bir yo'nalish bo'ylab joylashgan (7a-rasm). Suyuq kristall monitorlar nematik molekulalarning maydon boʻylab orientatsiya qilish xususiyati tufayli ishlaydi (7b-rasm), lekin suyuq kristallga magnit nanopillarlar qoʻshilsa, ular molekulalar bilan birga aylanadi. Natijada elektr maydoni tomonidan boshqariladigan magnit material paydo bo'ldi va u elektr maydonining o'zgarishiga tezroq javob berdi - kommutatsiya chastotasi kilogerts edi.

Guruch. 7-rasm. Magnit nanopillarli suyuq kristall: elektr kuchlanishi bo'lmaganda (a), kuchlanish yoqilganda (b)

Bu allaqachon tezroq, ammo girikon va suyuq kristall hujayra yarimo'tkazgichli mikrosxemalarning elementlari bilan o'lchamlari va tezligi bo'yicha raqobatlasha olmaydi, ya'ni ular magnit xotira qurilmalari uchun mos emas. Magnit xotira qurilmalaridagi suyuq kristall o'rniga elektrodlar orasiga qattiq holatdagi magnitoelektrik qatlamini qo'yish taklif qilindi, ammo yuqori haroratli magnitoelektriklar va yuqori qochqin oqimlarning kichik soni tufayli magnitoelektrik xotira hali ham uzoqdir. amalga oshirilmoqda.

"Aqlli chang" energiya to'playdi

Elektron qurilmalarni miniatyuralashtirish - bu ma'lumotlarni to'plash, qayta ishlash va ularni bir-biri bilan almashishga qodir bo'lgan ko'plab sensorlardan iborat simsiz sensorli tarmoqlarni yaratish usuli. Bunday tuzilmalar ba'zan "aqlli chang" deb ataladi. Qo'llashning eng aniq sohalari - bu ekologik va tibbiy monitoring, xavfsizlik tizimlari. Ammo datchiklar quvvatga muhtoj va u bilan bog'liq muammolar mavjud: agar sensor ob'ekt ichida bo'lsa (masalan, aylanadigan qismda yoki inson tanasida), unda siz unga sim keltira olmaysiz, batareyalar miniatyura emas va etarlicha bardoshli va quyosh panellari qorong'ida foydasiz.

Guruch. 8-rasm. Datchiklarni masofadan quvvat bilan ta'minlash: toraygan metall plastinka tagida joylashgan pyezoelektrik va magnitostriktiv materiallarga asoslangan magnitoelektrik o'zgartirgich - to'lqin uzatuvchi akustik kontsentrator (a), magnetoelektrik quvvat manbai (b) bilan simsiz sensorli tarmoq tugunlari.

Qiziqarli alternativa energiya yig'ish - energiya olish kabi ko'rinadi muhit. Bular mexanik, harorat tebranishlari yoki radioto'lqinlarning energiyasini to'playdigan tizimlar bo'lishi mumkin, ammo tabiiy manbalardan keladigan energiya oqimi kichik - 1 mkVt / sm2 dan kam. Biroq, sensorlar joylashgan joyda o'zgaruvchan magnit maydon hosil qiluvchi radiatsiya manbasini yaratish mumkin. Magnit maydon energiyasini ga aylantiring elektrostatik energiya zaryadlangan kondensatorlar bir uchiga qarab toraygan plastinka shaklida umumiy metall substratda joylashgan magnitostriktiv va piezoelektrik materiallar qatlamlaridan tashkil topgan magnitoelektr element yordamida amalga oshirilishi mumkin (8-rasm). O'zgaruvchan magnit maydon rezonans chastotasida magnitostriktiv plastinkaning davriy deformatsiyasiga olib keladi. Bu mexanik tebranishlar substratga uzatiladi va u bo'ylab tarqaladi, shuning uchun tor uchiga yaqinlashganda, akustik energiya konsentratsiyasi va tebranishlar amplitudasi ortadi. Substratning tebranishlari piezoelektrik plitalarga o'tkaziladi va o'zgaruvchan elektr kuchlanish. Ushbu dizayn o'ziga xos magnetoelektrik kompozit materialdir, ammo akustik kontsentrator yordamida bog'langan magnit va piezoelektrik qatlamlarning an'anaviy ko'p qatlamli tuzilishiga nisbatan ikki baravar daromad olish mumkin.

Guruch. 9. Piezoelektrik konsolning mexanik tebranishlari: ga aylantirilgan elektr energiyasi(a), yurish paytida energiya yig'ish uchun piezoelektrik element (b)

Tibbiyotda, avtonom sensorlarda, shuningdek, aloqa va mobil elektronikada implantlarni quvvatlantirish uchun mexanik harakat yoki tebranishlardan, masalan, elastik plastinkaning tebranishlaridan (zamonaviy mikromexanika va nanotexnologiyalarda bunday plitalar konsol deb ataladi) foydalanish yaxshiroqdir. piezoelektrik material (9a-rasm). Magnitelektrik kompozit materialdan yasalgan konsol Yer magnit maydonida tebranganda, magnitostriktiv qatlam piezoelektrik qatlamga o'tadigan qo'shimcha deformatsiyalarni boshdan kechiradi va natijada o'zgaruvchan kuchlanishning amplitudasi o'n voltga etadi. Bunday qurilma doimo okean to'lqinlari va Yerning magnit maydoni mavjud bo'lgan suv osti transport vositalari va suzgichlarda qo'llanilishi taklif etiladi.

Bu erda yana bir eslatmani aytish kerak: tabiiy sharoitda uchraydigan tebranish chastotalari kichik - gerts, maksimal o'nlab gerts. Bu, bir tomondan, birlik tomonidan ishlab chiqarilgan past quvvatni (quvvat chastotaning kubiga mutanosib), boshqa tomondan, ushbu past chastotalarda tebranish qobiliyatiga ega bo'lgan qurilmalarning mutlaqo mikroskopik bo'lmagan o'lchamlarini anglatadi. Natijada, zaryadlovchi qurilmalar har bir kub santimetr uchun faqat mikrovatt beradi. Boshqa turlardan foydalanishdan yaxshi natijalar kutilmoqda tebranish harakati: inson tanasi yurish paytida (poyabzalda joylashgan piezoelektrik elementlar (9b-rasm) allaqachon 1 mVt / sm3 gacha qabul qilishga imkon beradi) va hatto avtomobil motorining yuqori chastotali tebranishlari - 30 mVt / sm3 gacha. Lekin har qanday holatda, biz hali mobil telefonlarda batareyalarni almashtirish haqida gapirmayapmiz. Erkin energiyani yig'ishning o'zi ("energiya yig'ish") taniqli jarayonga o'xshaydi "bochkaning tubiga qirib tashlang, uni omborlarga qo'ying" va bu nima uchun bunday hollarda boshqa atama tez-tez ishlatilishini tushuntiradi: "energiya yig'ish" ” (tozalash - tozalash, axlatni tashlash).

Qattiq jismdagi magnit va elektr hodisalari o'rtasidagi bog'liqlik muammosi nihoyatda ko'p qirrali bo'lib, ushbu maqolada uning faqat ba'zi jihatlari ko'rsatilgan. Ushbu fan sohasi hozir faol rivojlanmoqda, juda ko'p tushunarsiz va noma'lum effektlar kashfiyotchilarini kutmoqda.

A. P. Pyatakov, fizika-matematika fanlari nomzodi
A. K. Zvezdin, fizika-matematika fanlari doktori

Adabiyot:
1. Smolenskiy G.A., Chupis I.E. Temir-magnit. Fizika fanlaridagi yutuqlar, 1982, 137, 415–448.
2. Eerenstein W., Mathur N.D., Scott J.F. Multiferroik va magnitelektrik materiallar. Tabiat, 2006, 442, 7104, 759–765, doi: 10.1038/nature05023.
3. Pyatakov A.P., Zvezdin A.K. Magnetoelektrik materiallar va ko'p temirli materiallar. "Fizika fanlaridagi muvaffaqiyatlar", 2012, 182, 593–620.

Qayerga qaramang, hamma joyda magnit. Bir vaqtlar maktab o'quvchilariga faqat kompas haqida, keyinroq - sanoatda foydalanish haqida aytilgan, yaqinda ular kelajakdagi maglev poezdi haqida gapira boshladilar. Garchi har qanday elektr motor va har qanday transformator elektromagnit deb aytish mumkin. Bugungi kunda o'quvchini magnitlarning muhimligiga ishontirish osonroq bo'ldi: uning uyda (muzlatgich eshigida va mikroto'lqinli pechda), cho'ntagida (uyali telefonda) magnit borligini aytish kifoya. o'nlab magnitlar - kompyuterda va mashinada. Sanoat va tibbiyotda ularni umuman sanab bo'lmaydi va elementar zarralar fizikasi ularsiz amalga oshirilmaydi - ular tezlashtiruvchi halqaning butun perimetri bo'ylab va ko'pgina elementar zarrachalar detektorlarida joylashgan.

Bir fikr paydo bo'ladi: elektr va magnit maydonlarini kesib o'tish, moddani topish yoki material yaratish, elektr maydoniga joylashtirilganda u magnitga aylanadi, magnit maydonda esa, aksincha, elektr xususiyatlarini namoyon qiladi. Bunday moddalar Lomonosov nomidagi MDUdan A.P.Pyatakov va A.K.Zvezdinlar maqolasida tasvirlangan. M.V.Lomonosov va Umumiy fizika instituti. A. M. Proxorova.

O'zgaruvchan doimiy magnit

Magnit va elektr hodisalari qadim zamonlardan beri ma'lum bo'lgan, ammo ularni bir-biri bilan bog'lash ancha keyinroq, elektromagnetizm klassiklari: Oersted, Amper, Faraday, Maksvell asarlaridan keyin mumkin bo'lgan. Amperdan keyin doimiy magnitlarning magnit xossalari har bir molekulada moddaning ichida oqayotgan "molekulyar" oqimlar bilan tushuntirila boshlandi. Molekulyar oqimlarning tabiati uzoq vaqt davomida noto'g'ri tushunilgan bo'lsa-da, materiya ichidagi zaryadlarning abadiy harakatlanishining o'zi istiqbolli bo'lib tuyuldi (bu imkoniyat o'ta o'tkazgichlarda ham amalga oshiriladi, lekin past haroratlarda). Agar elektr maydoni yordamida molekulyar oqimlarga ta'sir qilish mumkin bo'lsa, u holda doimiy magnitlarni deyarli energiya yo'qotmasdan boshqarish mumkin edi.

L. D. Landau va E. M. Lifshits magnitoelektriklarni antiferromagnitlar, ya'ni qarama-qarshi magnitlangan pastki panjaralardan tashkil topgan kristallar orasidan izlash kerakligini ta'kidlaganlarida, ishlar joyidan chiqdi (1-rasm). 1959 yilda I. E. Dzyaloshinskiy o'ziga xos birikma - Cr 2 O 3 deb nom berdi va bir yil o'tgach, bu materialdagi magnitoelektrik effekt D. N. Astrov tomonidan kashf qilindi. Bir necha yil oldin, professor Jorj Rado guruhidagi amerikalik olimlar turli moddalarning magnitoelektrik xususiyatlarini kashf etishga harakat qilishdi, ammo izlanishlar samarasiz bo'lib chiqdi, chunki ular Landau, Lifshitz va Dzyaloshinskiyning ishi - tarjimalari haqida bilmaganlar. kitoblar va maqolalar kechikish bilan chiqdi. Astrovning kashfiyoti haqida bilib, ular Cr 2 O 3 ga teskari ta'sir ko'rsatdilar - magnit maydon tomonidan induktsiya qilingan elektr qutblanish.

Shu bilan birga, Leningrad fizika-texnika institutida G. A. Smolenskiy guruhida ular magnit ferroelektriklarni izlashdi. Oddiy temir elektr - bu tashqi ta'sirlar ishtirokisiz o'z-o'zidan ichki va tashqarida elektr maydonini yaratadigan modda, ya'ni qaysidir ma'noda doimiy magnitning elektr analogidir. Magnit ferroelektrik - bu tashqi maydonlar bo'lmaganda magnitlanish va elektr polarizatsiyasi kuzatiladigan material. U allaqachon ma'lum bo'lgan ferroelektriklarda ionlarni magnit elementlar bilan almashtirishi kerak edi va birinchi "ferromagnit" (yoki "ko'p qatlamli", bu materiallar hozirgi kunda deyiladi) "murakkab" bo'lib chiqdi, bu qattiq eritma edi (1- x)Pb (Fe 2/3 Vt 1/ 3)O 3 - xPb (Mg 1/2 Vt 1/2) O 3.

Ferromagnitika va multiferroika: kimera atamalari

Sizning baxtsizligingiz uchun
Men ruhlarni chaqirdim.
J. V. Gyote, "Sehrgarning shogirdi"

Ko'pgina tanish so'zlar mifologik kimeraga o'xshaydi - sher boshli, echki tanasi va ilon dumili hayvon. Shunday qilib, "avtobus" so'zi "avtomobil" va "omnibus" (lot. omnibus- hamma uchun, hamma uchun). Xuddi shunday, "ferromagnit" atamasi "ferroelektrik" va "ferromagnit" ikkita so'zdan iborat. "Ferroelektrik" so'zi birinchi kashf etilgan moddadan kelib chiqqan bo'lib, unda elektr maydoni bo'lmaganda (o'z-o'zidan elektr qutblanishi) qutblanish mavjud - frantsuz farmatsevti Seignet nomi bilan atalgan Roshel tuzi ( senet). Va yana bir mo''jiza bor - harorat pasayganda, kristal buzilmagan holda domenlarga - kristall panjaraning turli yo'nalishlariga ega bo'lgan hududlarga bo'linadi (bu tizimli fazaga o'tish deb ataladi). Shunday qilib, "ferromagnit" so'zi allaqachon g'alati gibriddir, ammo "ko'p qatlamli" atamasi yanada "ximerik".

Ingliz tilidagi ilmiy adabiyotlarda ushbu uchta toifadagi barcha moddalarning nomlari "ferro" prefiksi bilan boshlanadi: ferromagnitika, ferroelastiklar, ferroelektriklar, garchi temir bilan hech qanday aloqasi yo'q. Biroq, bu o'tgan asrning o'rtalarida yapon olimi Keychiro Aizu barcha uchta sinfni umumiy atama bilan ataganiga to'sqinlik qilmadi. ferroiklar» - ferroik. Xuddi shunday voqea ingliz tilida ham sodir bo'ldi: "omnibus" ning bir qismi "avtobus" ga ko'chib o'tdi va keyin avtobus mustaqil soʻz boʻlib, avtobusdan tashqari maʼlumotlarni uzatish kanali ham maʼnosini bildiradi.

Ferroika masalasida hikoya davom etdi: o'tgan asrning 90-yillari boshlarida shishadan yangi jin chiqarildi - "multiferroik" atamasi (lot. ko'p- ko'p) - bir vaqtning o'zida kamida ikkita ferroik sinfga tegishli bo'lgan moddani belgilash. Asrimizning boshida, magnit va elektr xususiyatlarga ega bo'lgan yangi vositalar paydo bo'lganida, bu so'z kutilmaganda tezda tan olindi va "ferromagnit" o'rnini egalladi, shuning uchun neologizmning yaratuvchisi shveytsariyalik olim Xans Shmid, u atama haqida gap ketganda. ixtiro qilingan, deb eslaydi Gyotening she'ri, undan parcha epigraf sifatida berilgan.

Aralash yoki qatlam?

Keyinchalik oddiyroq birikmalar ham topildi va vismut ferrit BiFeO 3 ayniqsa qiziq bo'lib chiqdi (2-rasm). Uning ajoyib xususiyatlarining aksariyati ideal kubik tuzilishdan farqlarga bog'liq. Kislorod oktaedrasining aylanishi (2a-rasm) bu antiferromagnitda qo'shni ionlarning magnit o'qlari endi qat'iy qarama-qarshi bo'lib, 180 darajadan kam burchak hosil qilishiga olib keladi. Natijada, ular bir-birini to'liq kompensatsiya qilmaydi va kristalning umumiy magnitlanishi paydo bo'ladi (bunday materiallar zaif ferromagnitlar deb ataladi). Elektr va magnitoelektrik xossalari kubning asosiy diagonali boʻylab ionlarning siljishi, shuningdek, oktaedrning buzilishi (2b-rasm). Vismut ferrit kristalli yorug'lik nurlarida ham cho'zilishi mumkin (2c-rasm) va elektr maydoni ta'sirida yarim o'tkazgichli diodga aylanishi mumkin (2d-rasm). Oxirgi transformatsiya kislorod bo'shligi - o'tkazuvchanlik turini o'zgartiruvchi zaryadlangan nuqsonlar tufayli sodir bo'ladi.

Vismut ferriti kabi "yuqori haroratli" magnitoelektriklar juda kam, deyarli o'ndan ortiq, va hatto ularning sezilarli kamchiligi bor - xona haroratida sezilarli o'tkazuvchanlik. Bu magnit maydonni olishning magnitoelektrik usulining asosiy afzalligini inkor etadi - elektr maydoni qo'llanilganda, bunday moddada oqim o'ta boshlaydi, ya'ni energiya sarfi sezilarli bo'ladi. Shu sababli, o'tgan asrning 70-yillarida ikkita kukun aralashmasi shaklida sun'iy kompozitsion magnitoelektr muhitini yaratishga birinchi urinishlar qilindi (3a-rasm): magnit maydonida magnitostriktiv zarralar shaklini o'zgartirdi, ular piezoelektrik zarrachalarga ta'sir ko'rsatdi. , va bu, o'z navbatida, deformatsiyalar elektr qutblangan edi.

G'oya ajoyib edi, lekin ta'sir kichik va beqaror edi. Aralashtirish jarayonida bo'laklar va pıhtılar paydo bo'ldi va magnitostriktiv zarralarni o'tkazuvchi kanallarning shakllanishi namunaning "qisqa tutashuvi" ga va shuning uchun elektr kuchlanishining yo'qligiga olib keldi. Keyin bir-biriga yopishtirilgan magnitostriktiv va piezoelektrik materiallardan tayyorlangan "qatlam keki" yoki sendvich g'oyasi paydo bo'ldi (3b-rasm). O'tkazuvchi kanallar endi shakllanmadi va magnitoelektrik effekt Cr 2 O 3 ga qaraganda 50 baravar ko'paydi. Sendvich konstruktsiyalardagi sensorlar yordamida Yer maydonidan million marta kichik magnit maydonlarni o'lchash mumkin edi - bu bizning yuragimiz tomonidan yaratilgan, tomirlar orqali qonni distillash.

Struktura xususiyatlariga ta'sir qilganda

Kompozit materiallarni yaratishda yangi bosqich zamonaviy texnologiyalarning paydo bo'lishi bilan keldi: endi sun'iy magnitoelektriklar ustunli nanostrukturali plyonkalar ko'rinishidagi chiplarda ishlab chiqariladi (3c-rasm). Nanofilm dizaynidagi sendvich konstruksiyalar yaxshi ishlamaydi - substrat-chipga yopishish ularning erkin deformatsiyalanishiga imkon bermaydi va ustunlar vertikal yo'nalishda osongina siqiladi va cho'ziladi. Bundan tashqari, bunday tuzilmalarni maxsus yaratish kerak emas edi, ular substratga bir vaqtning o'zida ikkita moddaning cho'kishi bilan "o'z-o'zini tashkil qiladi": magnitostriktiv, masalan, shpinel CoFe 2 O 4 va piezoelektrik, masalan, bariy titanat BaTiO 3 yoki vismut ferrit BiFeO 3. Substratning kristallografik yo'nalishini o'zgartirib, piezoelektrik matritsadagi magnitostriktiv ustunlarni ham, magnitostriktiv matritsadagi piezoelektrik ustunlarni ham o'stirish mumkin (4-rasm).

Ikki fazaning bu tarzda cho'kishiga nima sabab bo'ladi? Bir tomchi suvning toza oynaga yoyilishi va mumlangan yuzada to'pga aylanishiga olib keladigan xuddi shu hodisa sirt tarangligidir. Agar substrat kristallografik yo'nalishga perpendikulyar kesilsa (ya'ni, o'q z koordinata tizimlari), keyin magnitostriktiv materialning moddasi sirtni namlantirmaydi, tomchilarga to'planadi, ular keyinchalik ustunlarga aylanadi, piezoelektrik faza esa substratni namlaydi va ustunlarni o'rab oladi va matritsa hosil qiladi. (111) substratda hamma narsa aksincha sodir bo'ladi: magnitostriktiv matritsa ichida piezoelektrikning ustunli tuzilishi o'sadi.

Nanostrukturalarning xarakterli o'lchamlari bir necha atomlararo masofa bo'lsa, kompozitsiyaning fazalari bir-birining ichki tuzilishi va xususiyatlariga ta'sir qila boshlaydi. Agar bariy titanat qatlamlari xuddi shunday kristall tuzilishga ega magnit material bilan kesishsa, masalan, kaltsiy o'rnini bosuvchi La 0,7 Ca 0,3 MnO 3 bo'lgan lantan manganit, u holda sun'iy magnitoelektrik muhit olinadi: yaqinlik tufayli kristall tuzilmalar. ikkala materialning o'zaro buzilishiga duchor bo'ladi, bu elektr va magnit quyi tizimlarning o'zaro ta'siriga olib keladi. Ya'ni, nafaqat nanostrukturali material yaratish, balki moddalar-komponentlarning xususiyatlarini o'zgartirib, atom darajasida muhandislik ishlarini ham amalga oshirish mumkin edi.

Ammo Kyurining magnitoelektrik molekulalar haqidagi asl g'oyasi haqida nima deyish mumkin? Bu Dy 3 organik molekulyar nanoklasterlarda amalga oshirilishi mumkin, unda uchta disprosium atomi magnit atomlar sifatida muntazam uchburchak hosil qiladi (5a-rasm). Eng kam energiyaga ega bo'lgan molekula holatida (tuproq holatida) disprosium ionlarining magnit o'qlari (momentlari) uchburchakning qarama-qarshi tomoniga parallel ravishda yo'naltiriladi (5a-rasm). Agar ko'proq magnit ionlari bo'lsa (masalan, yaqinda sintez qilingan Dy 6 klasteridagi kabi), ular magnit momentlarning "karuselini" hosil qiladi (5b-rasm). Bunday tartib "toroidal" deb ataladi, chunki dumaloq elektromagnit simni magnit yadro atrofida donut (torus) shaklida o'rash orqali yaratilishi mumkin. Har qanday tartibni "ferro" so'zi bilan belgilash an'analariga ko'ra, toroidal tartibli tuzilmalar "ferrotorik" deb ataladi. Ular magnitoelektrik ta'sirga ega - magnit maydonning qo'llanilishi magnit momentlarning qayta taqsimlanishiga olib keladi: magnit momentlari magnit maydon bo'ylab yo'naltirilgan ionlar soni ortadi. Magnit ionlarning siljishi zaryadlarning qayta taqsimlanishiga olib keladi, shuning uchun elektr qutblanish sodir bo'ladi. Biroq, magnit momentlari soat yo'nalishi bo'yicha yo'naltirilgan molekula holatlari va momentlar yo'nalishi soat miliga teskari bo'lgan holatlar teng ehtimollik bilan amalga oshiriladi va bu hollarda magnitoelektrik ta'sir teskari bo'ladi. Shunday qilib, muammo magnit momentlarning bir aylanish yo'nalishi bo'lgan toroidal tuzilmalarni qanday olish kerakligicha qolmoqda.

Xotira monitordan chiqmaydi

Tellegenning suyuqlikda aylanadigan magnit-elektr zarralaridan iborat kompozitsion g'oyasi elektron siyohning birinchi modeli - girikon (yunoncha. "aylanuvchi tasvir") paydo bo'lishi bilan amalga oshirildi. Girikon - bu suyuqlik bilan bo'shliqlar ichida aylanadigan ikki rangli sferik polietilen zarralari ko'milgan polimer muhit (6-rasm). Zarrachaning yarim sharlari nafaqat rangi, balki elektr zaryadi bilan ham farq qilgan. Shuning uchun ular elektr maydonini qo'llash orqali yo'naltirilishi mumkin edi va oq fonda qora harflar paydo bo'ldi. Zarrachalarga magnit aralashmalar kiritilganda, elektr maydoni tizimning magnitlanishini nazorat qila boshladi. Biroq, aylanish uchun taxminan bir soniya kerak bo'ldi, shuning uchun elektron qog'ozni emas, balki boshqa turdagi displeyning asosiy komponenti - suyuq kristallarni "magnitlash" g'oyasi paydo bo'ldi.

"Aqlli chang" energiya to'playdi

Elektron qurilmalarni miniatyuralashtirish - bu ma'lumotlarni to'plash, qayta ishlash va ularni bir-biri bilan almashishga qodir bo'lgan ko'plab sensorlardan iborat simsiz sensorli tarmoqlarni yaratish usuli. Bunday tuzilmalar ba'zan "aqlli chang" deb ataladi. Qo'llashning eng aniq sohalari - bu ekologik va tibbiy monitoring, xavfsizlik tizimlari. Ammo datchiklar quvvatga muhtoj va u bilan bog'liq muammolar mavjud: agar sensor ob'ekt ichida bo'lsa (masalan, aylanadigan qismda yoki inson tanasida), unda siz unga sim olib kelolmaysiz, batareyalar emas. miniatyura va etarlicha bardoshli va quyosh panellari zulmatda foydasiz.

Qiziqarli muqobil ko'rinadi energiya yig'ish- atrof-muhitdan energiya olish. Bu mexanik, harorat o'zgarishi yoki radioto'lqinlarning energiyasini to'playdigan tizimlar bo'lishi mumkin, ammo tabiiy manbalardan keladigan energiya oqimi kichik - 1 mkVt / sm 2 dan kam. Biroq, sensorlar joylashgan joyda o'zgaruvchan magnit maydon hosil qiluvchi radiatsiya manbasini yaratish mumkin. Magnit maydon energiyasini magnitoelektr elementi yordamida zaryadlangan kondansatkichlarning elektrostatik energiyasiga aylantirish mumkin, u bir uchiga qarab toraygan plastinka shaklida umumiy metall substratda joylashgan magnitostriktiv va piezoelektrik materiallar qatlamlaridan iborat (8-rasm). O'zgaruvchan magnit maydon rezonans chastotasida magnitostriktiv plastinkaning davriy deformatsiyasiga olib keladi. Bu mexanik tebranishlar substratga uzatiladi va u bo'ylab tarqaladi, shuning uchun tor uchiga yaqinlashganda, akustik energiya konsentratsiyasi va tebranishlar amplitudasi ortadi. Substratning tebranishlari piezoelektrik plitalarga uzatiladi va ularda o'zgaruvchan elektr kuchlanish paydo bo'ladi. Ushbu dizayn o'ziga xos magnetoelektrik kompozit materialdir, ammo akustik kontsentrator yordamida bog'langan magnit va piezoelektrik qatlamlarning an'anaviy ko'p qatlamli tuzilishiga nisbatan ikki baravar daromad olish mumkin.

Bu erda yana bir eslatmani aytish kerak: tabiiy sharoitda uchraydigan tebranish chastotalari kichik - gerts, maksimal o'nlab gerts. Bu, bir tomondan, birlik tomonidan ishlab chiqarilgan past quvvatni (quvvat chastotaning kubiga mutanosib), boshqa tomondan, ushbu past chastotalarda tebranish qobiliyatiga ega bo'lgan qurilmalarning mutlaqo mikroskopik bo'lmagan o'lchamlarini anglatadi. Natijada, zaryadlovchi qurilmalar har bir kub santimetr uchun faqat mikrovatt beradi. Boshqa turdagi tebranish harakatlarini qo'llashdan yaxshi natijalar kutilmoqda: yurish paytida inson tanasi (poyabzalda joylashgan piezoelektrik elementlar (9b-rasm) allaqachon 1 mVt / sm 3 gacha olish imkonini beradi) va avtomobilning undan ham yuqori chastotali tebranishlarini olish imkonini beradi. vosita - 30 mVt / sm 3 gacha. Lekin har qanday holatda, biz hali mobil telefonlarda batareyalarni almashtirish haqida gapirmayapmiz. Erkin energiya yig'ish (" energiya yig'ish") "omborning pastki qismini qirib tashlash, uni omborlarga qo'yish" kabi taniqli jarayonni eslatadi va bu nima uchun bunday hollarda boshqa atama ko'pincha ishlatilishini tushuntiradi: " energiya yig'ish» ( tozalash- tozalash, chiqindilarni yo'q qilish).

Adabiyot:
1. Smolenskiy G.A., Chupis I.E. Temir-magnit. Fizika fanlaridagi yutuqlar, 1982, 137, 415–448.
2. Eerenstein W., Mathur N.D., Scott J.F. Multiferroik va magnitelektrik materiallar. Tabiat, 2006, 442, 7104, 759–765, doi: 10.1038/nature05023.
3. Pyatakov A.P., Zvezdin A.K. Magnetoelektrik materiallar va ko'p temirli materiallar. "Fizika fanlaridagi muvaffaqiyatlar", 2012, 182, 593–620.

Doimiy magnitlar va elektromagnitlar
xususiyatlar va harakatlar.

Mavzu

Magnitlarning xususiyatlaridan foydalanish juda keng. Ularni ko'plab elektr, mexanik va boshqa qurilmalarda topish mumkin. Ammo qancha odam magnitlar qanday joylashtirilganini va ular qanday printsipda ishlashini biladi? Ushbu maqolada biz buni tushunishga harakat qilamiz va magnitlarning qanday va nima uchun bunday xususiyatlarga ega ekanligini bilib olamiz.

Boshlash uchun shuni ta'kidlash kerakki, har qanday magnit (doimiy yoki elektromagnit) ta'sirining asosi bir xil hodisadir. Bu magnitning o'zini (magnit xususiyatlarga ega bo'lgan jism) o'rab turgan magnit maydonlarining o'zaro ta'siridan iborat. Magnitning magnit maydoni qayerdan kelib chiqadi? Javob berish uchun fizikani eslaylik. Magnit maydon - harakatlanuvchi zaryadlangan zarralar atrofida paydo bo'ladigan maxsus turdagi materiya. Esingizda bo'lsa, har qanday jism atomlar va molekulalardan iborat (atomlarning murakkab tuzilishi). Har bir atomning yadrosi bor, uning atrofida elektronlar aylanadi.

Elektron manfiy elektr zaryadlangan zarrachadir. Elektron doimo harakatda bo'lgani uchun uning atrofida doimo magnit maydon mavjud. Ammo nima uchun barcha jismlar magnit xususiyatlarini ko'rsatmaydi? Va atomlar teng bo'lmagan joylashuvda bo'lganligi sababli, bir-birining magnit maydonlarini kompensatsiya qiladi (muvozanat qiladi). Ammo ba'zi moddalar (ferromagnitlar), shunga qaramay, kuchli magnit impuls ta'sirida o'zlarining ichki tuzilishini shunday joylashtirishga qodirki, unda mavjud bo'lgan zarrachalarning magnit maydonlari bir xil yo'nalishda aylanadi. Bu barcha magnit maydonlarning yig'indisiga va tashqi kuchaytirilgan magnit maydonning paydo bo'lishiga yordam beradi. Shunday qilib, doimiy magnit paydo bo'ladi. Ammo magnitning bu xususiyati doimiy emas.

Muayyan sharoitlarda doimiy magnit zarrachalarining mavjud bir yo'nalishliligi buzilishi mumkin. Misol uchun, agar doimiy magnit ta'sir qilsa yuqori harorat, kuchli zarbalar, magnitlanishni qaytarish o'zgaruvchan tok keyin uning magnit maydonlari zarrachalar tuzilishini o'zgartiradi va yana tana o'zining asosiy holatiga qaytadi (endi uning atrofida magnit maydon bo'lmaydi).

Doimiy magnitning kamchiliklari bor: magnit maydonning nisbatan zaif kuchi, magnit maydonning kuchini ham, uning namoyon bo'lish holatlarini ham nazorat qila olmaslik (kerak bo'lganda u magnitlanadi va kerak bo'lmaganda magnitlanadi). magnitlanmaydi). Bu kamchiliklar elektromagnitlardan mahrum. Endi ularga o'tamiz.

Elektromagnitlar- Bular elektr qurilmalari bo'lib, ular orqali oqim o'tganda magnit xususiyatlarini ko'rsatishga qodir. Har qanday elektromagnit qurilmasining markazida oddiy elektr lasan mavjud bo'lib, u po'lat yadroga o'ralgan. Ma'lumki, lasanga kuchlanish qo'llanilganda, unda elektr toki paydo bo'ladi (tartibda harakatlanadigan elektronlar oqimi paydo bo'ladi). Va biz yuqorida bilib olganimizdek, har qanday harakatlanuvchi elektr zaryadlangan zarracha o'z atrofida magnit maydonga ega bo'lishga qodir. Shunday qilib, o'tayotganda elektr toki g'altakning atrofida magnit maydon paydo bo'ladi.

Elektromagnit bobinning magnit maydonini kuchaytirish uchun uning ichiga po'lat yadro o'rnatilgan. Bobinlarda magnit maydon paydo bo'lganda, u po'latning ichki strukturasining o'zgarishiga hissa qo'shadi (ichki zarralarni bir yo'nalishda aylantirib, magnitlanganda doimiy magnit bilan jarayonga o'xshash).

Natijada, bobinning magnit maydonlari po'lat yadroning magnit maydonlari bilan umumlashtiriladi, bu esa elektromagnitning ta'sirini taxminan ming marta oshiradi. Quvvat elektromagnitdan uzilganda, lasan magnitlanishni to'xtatadi, buning natijasida po'lat yadrodagi zarrachalarning tuzilishi (uning xususiyatlari tufayli) asl holatiga o'zgaradi, bu uning to'liq demagnetizatsiyasiga olib keladi. Elektromagnitning magnit maydonining kuchini elektromagnitning sariqlari orqali o'tadigan oqim kuchini o'zgartirish orqali osongina sozlash mumkin.

Qattiq magnit materiallardan samarali foydalanishning eng muhim muammosi doimiy magnitli tizimlarning magnitlanishining yuqori sifati hisoblanadi.

Odatda, magnitlar (bariy ferrit magnitlaridan tashqari) tizim yig'ilgandan so'ng magnitlanadi, chunki bu holda, magnit stabilizatsiyadan so'ng, bo'shliqdagi induksiya qiymati tizimsiz magnitlanishga qaraganda kattaroq bo'lib chiqadi, keyin esa yig'ish va magnit stabilizatsiyasi (57-rasm). Rasmda OA - montajdan keyin magnit tizimni tavsiflovchi demagnetizatsiya koeffitsienti chizig'i; OS - armaturasiz magnit uchun demagnetizatsiya koeffitsienti chizig'i; B\ va Ba - yig'ilishdan oldin va keyin magnitlangan tizim uchun mos ravishda magnit stabilizatsiyadan so'ng olingan bo'shliq induksiyalari.

Yig'ishdan oldin magnitlanish, shuningdek, magnitlangan magnitlangan qurilmani yig'ishda yuzaga keladigan texnologik qiyinchiliklar bilan bog'liq (magnit bo'lmagan asbobga ega bo'lish zarurati, ferromagnit chang bilan tiqilib qolish ehtimoli va boshqalar).

Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, radiatsiya paytida tushunarli holat uchun cheklovchi magnit xususiyatlar mavjud

Magnitlashdan oldin va PISTIC magnitlangan kuchlanish - yig'ishdan keyin r r, r p g

Go maydoni 5-7 barobar katta bo'lishi kerak

majburlash kuchi. Ushbu ma'lumotlar magnitning butun hajmini ma'lum bir kattalikdagi maydon bilan o'tkazgan holatga tegishli bo'lib, masalan, elektromagnit qutblari orasiga o'rnatilgan tekis-parallel qutblari bo'lgan magnitni magnitlashda sodir bo'ladi. to'g'ridan-to'g'ri oqim. Ko'pgina hollarda, qochqin oqimlarining ta'siri, havo bo'shliqlarining magnit qarshiligi, girdob oqimlari (magnitlanish paytida) o'zgaruvchan maydon) magnitlanish maydonining qiymati belgilangan qiymatdan kattaroq bo'lishi va 3000-10 000 Oe ga to'g'ri kelishi kerak.

Magnit tizimning bo'shlig'iga mos keladigan hajmda bunday kattalikdagi maydonlarni yaratish uchun muhim magnitlanish amper-burilishlari talab qilinadi. Bir qator hollarda qo'llaniladigan bir burilishli magnitlanish bilan o'n minglab amperlik oqimlarga ega bo'lish kerak.

Magnitlanish to'g'ridan-to'g'ri oqim, o'zgaruvchan tok bilan ishlaydigan, to'g'ridan-to'g'ri va o'zgaruvchan toklarning bir vaqtning o'zida ta'sirida, shuningdek impulsli qurilmalarda qo'llaniladi.

Guruch. 57. Sehrni o'zgartiring

DC magnitlanishi elektrda amalga oshiriladi
magnitlar. Bunday elektromagnitlar katta hajmga ega va kuchli quvvat manbalarini talab qiladi.

Masalan, 50 mm bo'shliqda 4000 Oe ga teng maydon hosil qiluvchi U-541 qurilmasining kuchli maydonlarining o'tkazuvchanligi 250 kg ga teng massaga ega va doimiy magnitlarni magnitlash uchun mo'ljallangan elektromagnit, maydon bilan ning 40 000 Oe va 12 mm bo'shliq, quvvat sarflaydi , 28 kt ga teng.

O'zgaruvchan tokda transformatorlardan foydalanish natijasida kerakli oqim qiymatini olish nisbatan oson. Biroq, bu holda, boshqa qiyinchiliklar paydo bo'ladi: magnitlanishning yuqori sifatini kafolatlash mumkin emas, chunki o'chirish sodir bo'ladigan oqim qiymatiga qarab, magnit yomonroq, yaxshiroq yoki magnitlangan bo'lishi mumkin. hatto umuman magnitlanmagan. Ushbu kamchilikni bartaraf etish uchun oqim maksimal qiymatga yetganda o'chirilishini ta'minlash yoki magnitlanish oqimi uchun katta chegaraga ega bo'lish kerak, bu esa yomon magnitlanish ehtimolini kamaytiradi.

Bundan tashqari, girdobli oqimlarning ta'sirini yodda tutish kerak, ularning ta'siri elektromagnit to'lqinning metallga chuqur kirib borishi natijasida susayishi natijasida magnitning ichki hajmi bo'lishi mumkin. magnitlanmagan.

Magnitning butun hajmi magnitlangan minimal impuls davomiyligi T o'rtasidagi bog'liqlik, magnitning o'lchamlari va uning jismoniy xususiyatlar quyidagi empirik formula bilan ifodalanishi mumkin:

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

Guruch. 58. Shok transformatorining sxematik joylashuvi

Bu erda K - magnit materialning o'ziga xos o'tkazuvchanligi (temir-nikel-alyuminiy qotishmalari uchun K = 1,7-104 ohm ~ 1) \ B - magnitdagi induksiya, gs \ H - magnitlanish maydonining kuchi, e \ D magnitning samarali diametri, rasmga qarang.

O'zgaruvchan tok orqali magnitlanish usuli zarba transformatorida amaliy qo'llanilishini topdi (58-rasm).

Transformator W\ bilan birlamchi o'rashdan iborat katta raqam burilishlar va ikkilamchi o'rash ®2 = 1 qisqa tutashgan qalin mis avtobus shaklida. K kaliti birlamchi kontaktlarning zanglashiga olib ochilganda, magnitni magnitlash uchun ishlatiladigan ikkilamchida bir necha o'n minglab amperlik oqim pulsi paydo bo'ladi.

B. M. Yanovskiy ideal egri chiziq bo'ylab magnitlanishni ishlab chiqarishni taklif qildi, buning uchun magnit doimiy maydonga joylashtiriladi va bir vaqtning o'zida amplitudasi nolga tushadigan o'zgaruvchan maydon bilan ta'sir qiladi. Bunday holda, to'yinganlik uchun magnitlanish uchun zarur bo'lgan to'g'ridan-to'g'ri oqimning qiymati o'zgaruvchan maydon yo'qligidan taxminan uch baravar kamroq olinishi mumkin.

Magnitlanish uchun kuchli kondansatör bankining zaryadlash va tushirish fenomenini ishlatadigan sxemalar keng qo'llaniladi. Bunday sxemalarda tebranishlarni bartaraf qilish uchun oqimning bir yo'nalishda o'tishiga, ya'ni impulsli magnitlanish hosil bo'lishiga imkon beruvchi turli xil rektifikatorlar qo'llaniladi.

Impulsli magnitlanishli qurilmalar uzoq vaqt davomida kondansatörda energiya to'playdi va qisqa vaqt ichida tushirish jarayonida uni chiqaradi. Shuning uchun, kuchli zarba yaratish uchun katta oqim iste'moli talab qilinmaydi, bu esa o'rnatishni quvvatlantirish uchun an'anaviy yoritish tarmog'idan foydalanish imkonini beradi. Impulsli o'rnatishlarning afzalliklari, shuningdek, ularning kichik o'lchamlari va qurilmaning nisbatan soddaligini ham o'z ichiga olishi kerak.

Impulsli magnitlangan o'rnatishning mumkin bo'lgan sxemalaridan biri rasmda ko'rsatilgan. 59.

Ko'rib chiqilayotgan qurilma nafaqat magnitlanish uchun ishlatilishi mumkin magnit tizimlar, balki ularning demagnetizatsiyasi uchun ham. Birinchi holda, HL vilkasi yopiq bo'lishi kerak va kommutatorning vilkasi ochiq bo'lishi kerak, ikkinchi holatda, aksincha.

Sxemaning ishlashini magnitlanish moslamasi sifatida ko'rib chiqing. K kaliti yopiq bo'lsa, tarmoq kuchlanishi Tr transformatori orqali K \ kontaktini boshqaradigan va yopadigan P \ o'rni o'rashiga etkazib beriladi va shu bilan C va C2 kondansatkichlari uchun zaryadlash davri hosil qiladi (B rektifikatori orqali). , zaryadlash qarshiligi 7 * kontakt / Ci va vilka ulagichi WELL). C] va C2 kondansatkichlarining sig'imlari 700 mikrofarad.

Voltmetr V, kuchlanish bo'luvchi (qarshiliklari r2 va r3) orqali ulangan, kondansatkichlardagi oqim kuchlanishini o'lchaydi. Pulsdagi kerakli oqimga qarab, kontaktlarning zanglashiga olib keladigan sxemasi r4 qarshiligidan foydalanib, zaryadlash kuchlanishining maksimal qiymatini 600 dan 1000 V gacha o'rnatishga imkon beradi. Belgilangan kuchlanish qiymatiga erishilganda, o'rni faollashadi

Pr va K.2 kontakti orqali ochiladi Kontakt Ki o'rni elektr ta'minoti sxemasi ochiladi va konteynerlarni zaryadlash jarayoni tugaydi.

A tugmachasini bosish orqali Rz o'rni quvvat bilan ta'minlanadi, bu kontaktlarni yopish orqali / Cz, ignitron I uchun quvvat zanjirini yaratadi. Ignitron yonadi va kondansatör banki 1 va terminallarga ulangan magnitlangan lasan orqali zaryadsizlanadi. 2. Bo'shatish pallasida qarshilik r5 \u003d Yu- 2 ohm va r6 ham mavjud. Birinchi qarshilik magnitlanish pulsini kuzatish uchun osiloskopni yoqishda ishlatiladi. Ikkinchi qarshilik ehtimolini istisno qilish uchun zarur

Guruch. 59. Impulsli magnitlanish uchun o'rnatishning sxematik diagrammasi

Teskari yarim to'lqinning o'zgarishi va magnitlangan o'rashning magnit bilan induktivligiga qarab o'rnatiladi.

Demagnetizatsiya sxemasidan foydalanilganda, vilka NL rozetkasidan kommutator rozetkasiga o'tkaziladi va 1, 2 va 3 terminallarga demagnetizator ulanadi. Bu ikkita o'rashli havo transformatoridir. Sarg'ishlarning boshlanishi 1 va 3 terminallariga, uchlari esa 2-gachasi terminalga ulanadi. Bunday holda, quvvat yoqilganda, faqat Cr kondansatörü zaryadlanadi. Ignitron va magnitsizlashtiruvchi transformatorning birlamchi o'rashi orqali uni chiqarish vaqtida, o'rash induktivligi va sig'imi Cb dan tashkil topgan tebranish zanjiri bo'lgan ikkilamchi konturda sönümli tebranishlar paydo bo'ladi. Ular amplitudasi nolga tushadigan o'zgaruvchan maydon hosil qiladi, bu demagnetizatsiya uchun ishlatiladi.

Magnitlanish texnikasi magnitning shakli va o'lchamlariga bog'liq.

Taqa magnitlari, masalan, rasmda ko'rsatilganidek, magnitlangan bo'lishi mumkin. 60.

Magnitlash moslamasi magnit qarshiligi past bo'lgan temir plastinkadan iborat bo'lib, uning ustiga ko'p sonli burilishli lasan o'rnatiladi. Magnitlar plastinka ustiga qo'yiladi, lasanni qoplaydi va temir orqali qutblarni yopadi. O'rnatish bir vaqtning o'zida ko'p miqdordagi magnitlarni magnitlash imkonini beradi.

Guruch. 60. Podkoning magnitlanishi - rasm. 61. Har xil massiv magnitlar plastinkasida shox shaklidagi magnitlarning magnitlanishi

Og'irligi 50-100 kg gacha bo'lgan massiv shox shaklidagi magnitlarni magnitlash uchun ketma-ket magnitlanish usuli qo'llaniladi, bu quyidagilardan iborat. Magnitlarga tekis bobinlar qo'yiladi va ustunlar temir jumperlar bilan yopiladi (61-rasm).

Bobinlar shunday hisoblab chiqilganki, oqim yoqilganda, magnit ularning joylashgan joyida to'yingangacha magnitlanadi. Oqim yoqiladi, ya'ni bobinlar ostidagi maydon magnitlangan. Oqim o'chiriladi, bobinlar magnit bo'ylab harakatlanadi, oqim yoqiladi, bobinlar yana ko'chiriladi va shunga o'xshash bo'laklar to'liq birlashtirilguncha davom etadi.

Keltirilgan misollar shuni ko'rsatadiki, har safar masalaning o'ziga xos shartlaridan kelib chiqqan holda, magnitlanish usuli va magnitlash moslamasining dizaynini tanlash masalasini o'ylab ko'rish kerak.