книги / Справочное пособие по магнитным явлениям
..pdfление ориентаций магнетонов, которое при отсутствии поля имеет случайный характер, обусловленный тепловым движением. По скольку направления осей магнетонов реагируют на магнитное поле от любого источника, приложенное извне магнитное поле влияет на электрические характеристики вещества в соответствии с этой реакцией магнетонов.
Явления, связанные с упорядоченностью магнетонов, отлича ются от гальваномагнитных эффектов тем, что в основе первых лежит действие кулоновских сил и упорядоченность магнетонов по направлению, а вторые являются результатом действия сил Лоренца.
Поскольку явления обоих указанных типов вызываются при ложенным извне магнитным полем, они могут происходить од новременно.
18.1. ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭФФЕКТ
Уменьшение электрического сопротивления парамагнитного проводника при увеличении напряженности магнитного поля, когда ток в проводнике и внешнее магнитное поле направлены параллельно, называется отрицательным магниторезистивным эффектом. Это явление выражено наиболее сильно у парамаг нитных полупроводников.
У магнитных проводников связанные электроны, обладающие спином, обусловливают магнитные свойства вещества, а харак теристики среды, воспринимаемые свободными электронами, обусловливают его электрические свойства. Эти две группы фак торов взаимодействуют между собой, когда электроны проводимо сти рассеиваются магнетонами, локализованными в определенных
Рис. 18.1. Продольный отрицательный магниторезистивный эффект. Удельное сопротивление парамагнитного вещества уменьшается, когда его магнетоны упорядочиваются по ориентациям, особенно если их оси параллельны направле нию движения носителей:
позициях. В данном случае рассеяние зависит от упорядоченности магнетонов по направлениям (или упорядоченности спинов). Чем больше степень неупорядоченности, тем сильнее рассеяние электронов и тем больше сопротивление вещества.
На рис. 18.1, поясняющем общую природу эффекта отрицатель ной магниторезистивности, иллюстрируются случаи упорядочен ной и неупорядоченной ориентаций магнетонов. Поскольку при ложенное магнитное поле параллельно направлению тока, силы Лоренца здесь не действуют. При этих условиях и при ма лых напряженностях поля удельное сопротивление уменьшается, если увеличивается напряженность поля. Если же это парал лельное магнитное поле имеет очень большую напряженность, то доминирующую роль начинают играть явления, описанные в гл. 21, и отрицательный магниторезистивный эффект подавляет ся. В случае, когда проводящее тело очень мало по размерам, отрицательный магниторезистивный эффект может быть подав лен явлениями,, возникающими при изменении размеров тела, как описано в гл. 20.
На рис. 18.2 иллюстрируются разные структуры распределе ния упорядоченных и неупорядоченных магнетонов, приводящие к существенно различающимся характеристикам магниторези стивности. Если магнитное поле и электрический ток направлены взаимно перпендикулярно, то эффекты, связанные с упорядочен ностью магнетонов по ориентациям, и гальваномагнитные эффек ты проявляются одновременно. В этом случае при малых напря женностях магнитного поля удельное сопротивление возрастает с увеличением напряженности поля, так как возникает гальваномагнитное сопротивление, как описано в § 17.16.
Как и во всех системах, способных к упорядочению, здесь
Рис. 18.2. Поперечный отрицательный магниторезистивный эффект. Удельное сопротивление парамагнитного вещества уменьшается, когда его магнетоны упорядочиваются по ориентациям:
| — магнетон
существует определенное значение температуры, ниже которого порядок устанавливается самопроизвольно, а выше тепловая активность уничтожает установившийся порядок. У магнитных проводников упорядоченность ориентаций магнетонов зависит от температуры, локальных обменных сил и приложенных извне магнитных полей.
Эффект Гаусса, описанный в следующем параграфе, связан с магниторезистивностью ферромагнитных проводников. Эффект Кабреры — Торроя (см. § 5.5) связан с магниторезистивностью проводника при переходе Кюри — превращении ферромагнитного вещества в парамагнитное.
Таким образом, здесь понятие магниторезистивности отно сится к нескольким различным явлениям, в том числе к эффекту Гаусса, эффекту Кабреры — Торроя, отрицательному эффекту Холла, эффекту Корбино, к эффектам, связанным с влиянием размеров тела и напряженности поля, и др.
18.2. ЭФФЕКТ ГАУССА
Ферромагнитный проводник, помещенный в магнитное поле, изменяет свое удельное сопротивление. В тех случаях, когда текущий в этом проводнике ток параллелен направлению внеш него магнитного поля, изменение удельного сопротивления на зывают эффектом Гаусса. Здесь внешнее магнитное поле устанав ливает такую упорядоченную структуру распределения ориента ций магнетонов ферромагнитного вещества, которая отличается
от упорядоченной структуры, образующейся |
самопроизвольно |
•за счет их собственных обменных сил (рис. 18.3). |
|
Хотя отрицательный магниторезистивный |
эффект и эффект |
Гаусса взаимосвязаны, последний основан на упорядочении ори ентаций доменов, а первый — на индивидуальном упорядочении ориентаций магнетонов. Поскольку при помещении ферромагнит ного вещества в магнитное поле возникает также явление магнитострикции, изменения геометрических параметров кристалличе ской решетки вследствие магнитострикционных изменений раз меров представляют собой неотъемлемую часть эффекта Гаусса.
При отсутствии внешнего поля каждый домен ферромагнит ного вещества имеет однонаправленную структуру распределе ния ориентаций магнетонов, в то же время ориентации магнето нов смежных доменов образуют противодействующие структуры. Поэтому общий результат упорядочения ориентаций всех магне тонов в ферромагнитном веществе очень близок к результату индивидуального упорядочения магнетонов с вполне случайно распределенными ориентациями. Как и при любых условиях упо рядочения случайного распределения, приложенное поле увели чивает число магнетонов, ориентированных в одном и том же направлении.
Результирующая упорядоченная структура распределения
302
Рис. 18.3. Эффект Гаусса. Сопротивление ферромагнитного проводника изме няется, когда под влиянием приложенного извне магнитного поля происходит изменение структуры распределения доменов с упорядоченными по ориентациям
магнетонами:
| — магнетон
ориентаций магнетонов и соответствующие магнитострикционные изменения размеров существенно различаются при разных значениях напряженности и при разных направлениях поля. Вслед ствие этого у разных веществ, помещаемых в разные магнитные поля, эффект Гаусса может проявляться с разными интенсив ностями и иметь разные направленности. Так, сопротивление проводника может увеличиваться при возрастании напряжен ности слабого магнитного поля, а затем уменьшаться при возра стании напряженности сильного магнитного поля (возможен и противоположный характер изменения сопротивления). Это яв ление обращения Гаусса происходит при определенной напряжен ности поля, когда изменения этой напряженности не влияют на сопротивление.
При поперечном эффекте Гаусса приложенное магнитное поле перпендикулярно направлению тока, текущего в ферромагнитном проводнике, и результат обычно противоположен по знаку в сравнении с эффектом Гаусса. Иными словами, сопротивление уменьшается при возрастании напряженности слабого поля и увеличивается при возрастании напряженности сильного поля (если для эффекта Гаусса имеет место противоположная зави симость). Поперечный эффект Гаусса объединяет в себе явления, связанные с упорядоченностью магнетонов, гальваномагнитные и магнитострикционные явления. Изменения удельного сопро тивления являются следствием одновременного действия всех трех указанных механизмов.
зоз
Электрическое сопротивление ферромагнитных проводников изменяется при изменении приложенного к ним механического напряжения. Если текущий в проводнике ток направлен парал лельно механическому напряжению, то результирующее измене ние сопротивления называется гальваноулругим (или эласторезистивным) эффектом. Он аналогичен эффекту Гаусса, однако в данном случае на упорядоченную ориентацию доменов влияет механическая деформация, а не внешнее магнитное поле.
В поперечном гальваноупругом эффекте изменение сопротив ления происходит при механическом напряжении, приложенном перпендикулярно направлению тока.
18.4. ФЕРРОМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ ХОЛЛА
Понятие ферромагнитного эффекта Холла не следует воспри нимать буквально. Эффект Холла наблюдается в ферромагнит ном веществе точно так же, как и в любом другом проводнике, однако под ферромагнитным эффектом Холла подразумевается такое сочетание эффектов Холла и Гаусса, когда холловская под вижность носителей зависит от интенсивности эффекта Гаусса. На самом деле эффект Холла может также проявиться совместно с эффектом Кондо или любым другим явлением, оказывающим влияние на холловскую подвижность носителей.
18.5. ЭЛЕКТРОФЕРРИМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ
Изменение диэлектрической проницаемости изоляционного ферримагнитного вещества при изменении напряженности маг нитного поля, когда на это вещество воздействуют одновремен но электрическое и магнитное поля, назовем электроферримагнитным эффектом (рис. 18.4).
Рис. 18.4. Электроферримагнитный эффект. Диэлектрическая проницаемость феррита зависит от структуры распределения его магнитных доменов:
1 — магнетон
Образование доменов влияет на структуру кристаллической решетки феррита точно так же, как и на кристаллическую решет ку любого ферромагнитного вещества. Поскольку диэлектриче ские характеристики изоляционных веществ зависят от структуры решетки, строение доменов оказывает влияние на диэлектриче скую проницаемость феррита.
В соответствии со свойствами вещества электроферримагнитный эффект может иметь скалярный или тензорный характер.
Электроферримагнитный эффект связан с термоферримагнитным эффектом, описанным в § 5.6. В основе термоферримагнетизма лежит преобразование Кюри, тогда как электроферримагнетизм наблюдается при температурах ниже температуры преобразования Кюри.
18.6.ЭФФЕКТЫ ПЕРЕНОСА ТЕПЛА
В§ 17.23 описаны различные механизмы, обеспечивающие перенос тепла через кристаллическую структуру. Эффективность передачи тепла от одного элемента решетки к другому зависит от взаимной упорядоченности этих элементов.
Поскольку внешнее магнитное поле влияет на упорядочен; ность элементов решетки, перенос тепла в твердых веществах может изменяться в зависимости от магнитного поля. Различ ные условия, имеющие значение для переноса тепла, не очень отличаются от условий, влияющих на электрический ток. В ре зультате можно наблюдать целое семейство магнитных явлений, связанных с переносом тепла и аналогичных рассмотренным здесь явлениям, связанным с электрическим током.
19.ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ ЭФФЕКТЫ
Гистерезисные эффекты обусловлены свойствами петель гистерезиса. Хотя петли гистерезиса всех типов имеют одну и ту же общую форму, различные параметры, определяющие эту форму, у разных веществ имеют разные значения. Наиболее важные параметры петли указаны на рис. 4.2. Все они сим метричны, причем зеркальное изображение любого отрицатель ного элемента петли совпадает с соответствующим положитель ным элементом. Как положительные, так и отрицательные точки петли обладают точной воспроизводимостью при одинаковых внешних условиях.
Вследствие симметрии петли гистерезиса образец вещества можно намагничивать в диаметрально противоположных направ лениях, получая совершенно одинаковые магнитные характери стики. Однако из-за анизотропии магнитных веществ (порождаю щей тенденцию магнетонов ориентироваться параллельно осям кристалла) намагничивание в разных направлениях может опи сываться разными петлями гистерезиса.
Гистерезисные характеристики, такие, как коэрцитивная сила, магнитная проницаемость, насыщение и т. д., могут сильно различаться у разных веществ.
Для классификации магнитных веществ используют понятие остаточного магнетизма — способности вещества поддерживать магнитный поток после прекращения действия приложенной извне намагничивающей силы. Магнитожесткие вещества об ладают относительно большим остаточным магнетизмом, а маг нитомягкие вещества — малым остаточным магнетизмом. Маг нитомягкие вещества обычно применяются для проведения в нужном направлении магнитного потока, тогда как магнито жесткие вещества — в качестве источников магнитодвижущей силы, создающей магнитный поток в магнитной цепи.
Площадь области, ограниченной петлей гистерезиса, служит показателем количества энергии, потребляемой цепью под дейст вием вынуждающей силы. В этом смысле магнитожесткие ве щества потребляют больше энергии, чем магнитомягкие. Если расход энергии в системе является существенным фактором, то для нее выбирают магнитомягкие материалы, так как у них очень мала площадь вспомогательной петли гистерезиса.
19.1. МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Магнитная проницаемость показывает, насколько легко может быть возбужден магнитный поток в магнитном веществе. Эта величина определяется уравнением (2.7) как отношение плотности магнитного потока в веществе к намагничивающей силе, требуемой
для |
создания этого потока. Символически оно обозначается |
как |
В/Н. |
Величина В /Н выражает абсолютную, или статическую, маг нитную проницаемость. Если магнитные вещества используются в устройствах, для которых характерны динамические условия работы, то представляют интерес изменения плотности магнит ного потока, вызванные изменениями намагничивающей силы.
Из-за нелинейной формы петли гистерезиса магнитная прони цаемость вещества имеет разные значения при разных плот ностях потока. Фактически ее значения при одной и той же плотности потока будут различаться в зависимости от предысто рии намагничивания вещества.
Для описания изменений магнитной проницаемости исполь зуется ряд дополнительных величин: дифференциальная маг нитная проницаемость — наклон основной кривой намагничива ния в конкретной заданной точке, магнитная проницаемость возврата — наклон вспомогательной петли гистерезиса в окрест ности рабочей точки, разностная магнитная проницаемость — отношение малого циклического изменения плотности потока к соответствующему циклическому изменению намагничивающей
306
силы, максимальная м агнитная проницаем ость — значение магнитной проницаемости в той точке петли гистерезиса, где элементарное изменение намагничивающей силы вызывает мак симальное изменение плотности потока.
Соотношение между индуктивностью катушки и магнитной проницаемостью сердечника определяется уравнением (13.1). Если магнитная проницаемость сердечника по какой-либо причи не изменится, то в результате этого изменится и индуктивность катушки. Как указано в гл. 12, для определения изменений магнитной проницаемости, связанных с гистерезисом, можно воспользоваться многими различными методами, позволяющими измерять изменения индуктивности катушки и соответственно изменения маг^'тного сопротивления сердечника.
19.2. РАБОЧАЯ ТОЧКА
Каждый элемент магнитной цепи имеет так называемую рабочую точку. Она определяется конкретными значениями магнитной индукции В и намагничивающей силы Н (в координа тах петли гистерезиса). Рабочие точки могут находиться в любом месте внутри основной петли гистерезиса или на самой петле. Для цепей с постоянными характеристиками магнитного поля рабочие точки имеют более или менее фиксированное расположе ние, а при циклическом изменении характеристик поля они обычно совпадают с центрами масс вспомогательных петель гистерезиса.
Магниты, представляющие собой тела соответствующей формы из магнитожесткого вещества, широко используются для создания в магнитной цепи магнитного потока, преодолевающего размагничивающие силы. Постоянная размагничивающая сила характеризуется вертикальной прямой, проведенной на обычном графике В (Я) слева от нулевого значения намагничивающей силы. Источником такой размагничивающей силы является, например, воздушный зазор в магнитной цепи. Каждый конкрет ный воздушный зазор характеризуется определенной вертикаль ной прямой на этом графике. Таким образом, рабочая точка магнита, используемого для создания магнитного потока через воздушный зазор, может находиться в любом месте вертикальной прямой, соответствующей этому воздушному зазору. Конкретное положение точки на вертикальной прямой зависит от предысто рии намагничивания вещества, из которого состоит питающий магнит.
Для выбора рабочей точки сначала доводят до состояния насыщения магнитный блок, включающий собственно магнит, полюсные наконечники и воздушный зазор (рис. 19.1). Если необходимо достичь максимальной плотности магнитного потока в воздушном зазоре, то состояние насыщения должно наступить
Ркс. 19.1. Постоянный магнит. Магнит ные характеристики магнитной цепи, содержащей воздушный зазор, зависят от предыстории ее намагничивания, обеспечивающего достижение рабочей точки
сила
при функционировании магнита в составе рабочего магнитного блока. После устранения силы, создающей состояние насыщения, плотность магнитного потока в магнитном веществе будет умень шаться, «соскальзывая» вдоль основной петли гистерезиса, пока не достигнет вертикальной прямой, характеризующей воздушный зазор.
В некоторых устройствах невозможно обеспечить насыщение при наличии воздушного зазора. В этом случае нужно снабдить воздушный зазор временным магнитным шунтом, который уда ляется после достижения состояния насыщения. Для дальней шего размагничивания магнита нужно создать дополнительное стабилизирующее магнитное поле. При этом продолжается «соскальзывание» плотности потока по основной петле гистере зиса до новой вертикальной прямой, характеризующей совмест ное влияние воздушного зазора и стабилизирующего поля. После устранения стабилизирующего поля плотность потока возрастает, «скользя» по вспомогательной петле гистерезиса до второй точки пересечения (на более низком уровне) с исходной вертикальной прямой, соответствующей воздушному зазору.
До тех пор пока стабилизированный магнит не подвергается воздействию внешнего магнитного поля, превышающего по ин тенсивности стабилизирующее поле, устройство с магнитом будет при своей работе сохранять заданную вспомогательную петлю гистерезиса. Если плотность магнитного потока в магнитном веществе почему-либо будет смещена с рабочей точки, характе ристики поля будут всегда описывать эту же самую вспомога тельную петлю гистерезиса и возвращаться к исходной рабочей точке после исчезновения внешней размагничивающей силы.
Если же вещество испытает действие размагничивающей
308
силы, превосходящей напряженность стабилизирующего поля, то данная вспомогательная петля гистерезиса исчезнет. При удале нии магнита из собранной магнитной цепи он подвергается воздействию именно такой дестабилизирующей силы. Если дан ная вспомогательная петля гистерезиса исчезла, то устройство начинает работать с другой вспомогательной петлей и в другой устойчивой точке, причем намагничивающая сила в этой точке создает меньший поток в воздушном зазоре. Вспомогательная петля гистерезиса с требуемыми свойствами и соответствующая рабочая точка могут быть восстановлены только в результате повторной процедуры насыщения и стабилизации.
Переменный ток, который течет в катушке, окружающей фер ромагнитное вещество, создает переменную намагничивающуюразмагничивающую силу. В зависимости от амплитуды этого тока характеристики поля в веществе описывают определенную петлю гистерезиса, основную или вспомогательную. Если описы вается вспомогательная петля, то ее можно расположить внутри основной при помощи заданной силы смещения.
19.3. ПОСТОЯННЫЙ МАГНЕТИЗМ
Постоянный магнетизм является следствием устойчивого остаточного магнетизма. При наличии постоянного магнита в магнитной цепи поддерживается магнитный поток и после устранения всех внешних намагничивающих сил.
Постоянные магниты обычно используют для создания маг нитного потока в воздушных зазорах. В этом случае воздушный зазор действует как размагничивающая сила. На рис. 19.1 пока зана та часть петли гистерезиса, где плотность магнитного пото ка уменьшается вследствие возрастания размагничивающей силы. Влияние конкретной размагничивающей силы (т. е. опре деленного воздушного зазора) в конкретном устройстве харак теризуется некоторой вертикальной прямой.
На рис. 19.1 также иллюстрируются типичные общие элемен ты постоянных магнитных цепей. Здесь тело из магнитожесткого вещества (состоящее из двух частей) используются для создания магнитного потока в воздушном зазоре с площадью поперечного сечения А и длиной (расстоянием между полюсами) Ь при нали чии полюсных наконечников из магнитомягкого вещества. На рисунке элементы из магнитожесткого вещества заштрихованы темной, а элементы из магнитомягкогб вещества — светлой штриховкой.
Магнитомягкие вещества применяют в постоянных магнитных цепях по двум причинам. Во-первых, многие вещества, жесткие в отношении магнитных свойств, являются также механически твердыми и хрупкими, вследствие чего они с трудом поддаются обработке при изготовлении из них деталей. Кроме того, если