Магнитострикция: эффект, умноженный многократно
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Явление магнитострикции, только в неизмеримо меньших масштабах, было известно еще с прошлого века. К пятидесятым — шестидесятым годам ХХ века магнитострикция уже широко применялась в практических целях. Каждый знает, что при нагреве физические тела расширяются, при охлаждении — сжимаются. Возьмите в руку железный стерженек, и от тепла вашей ладони он удлинится на крохотную величину, которую можно зафиксировать только особо точными приборами. А что произойдет, если этот стерженек поместить в магнитное поле, скажем, внутрь проволочной спирали, по которой пропущен ток? Картина получится та же самая — стерженек либо удлинится, либо укоротится и тоже на микроскопическую величину.
Вроде бы происходят одни и те же явления? Отнюдь нет, совершенно разные. При нагреве или охлаждении металл меняет объем медленно, постепенно. Под воздействием магнитного поля — мгновенно. И так же мгновенно возвращается к прежним размерам, когда поле исчезает. Причем, с какой бы частотой ни пульсировало магнитное поле, вплоть до миллионов колебаний в секунду, с такой же частотой металл будет менять свои размеры. Это явление и называется магнитострикцией.
Температурные перепады заставляют удлиняться или сокращаться любые тела, магнитное поле — только металлы, да и то далеко не все. До недавнего времени считалось, что сильнее меняют размеры в магнитном поле железо, никель, кобальт, некоторые другие металлы и сплавы. Их и использовали в многочисленных аппаратах и приборах, основанных на этом явлении. Например, при буровых работах магнитострикционный сердечник обеспечивает буру дополнительную вибрацию, что значительно повышает производительность инструмента. На металлорежущих станках для особо точных работ эффект магнитострикции используется для подачи суппорта с резцом на малые размеры.
И, тем не менее, инженеры были не совсем довольны: им бы хотелось, чтобы магнитострикция имела более «удобные» для их целей параметры. В частности, они сетовали на слишком малую амплитуду колебаний, иными словами — на крохотное изменение размеров. В самом деле, даже самый лучший магнитострикционный материал изменял, скажем, длину не более, чем на одну десятитысячную первоначальной величины. Приходилось делать огромные магнитострикционные излучатели. Например, в эхолоте одной американской подводной лодки стоял излучатель в десять метров длиной.
Еще в середине пятидесятых годов прошлого века в руки ученых — сначала советских и американских, а затем и исследователей других стран — попали химически чистые редкоземельные элементы, или, как их еще называют, лантаноиды.
Исследователи измеряли все, что можно измерить. Поначалу эта работа не таила в себе никаких неожиданностей — лантаноиды имели именно те свойства, какие им и полагалось иметь в соответствии с местом, занимаемым в периодической системе элементов. Картина резко изменилась, когда приступили к измерению магнитострикции. Вдруг обнаружилось, что некоторые лантаноиды имели поистине гигантскую магнитострикцию — в сто раз большую, чем обычные металлы. Правда, они проявляли ее только при очень низких температурах, но в тот период это не имело значения.
Исследователи еще не подозревали, что сделали открытие. Знали только, что обнаружили новое явление. Ученые старались определить, насколько это явление всеобщее. Стали исследовать различные соединения лантаноидов с металлами и неметаллами. И оказалось, что почти любое соединение, в состав которого входят определенные лантаноиды, имеет гигантскую магнитострикцию. Затем наступила очередь еще одной задачи — понять, почему у одних лантаноидов магнитострикция огромна, а у других совсем маленькая, надо было объяснить «механизм» гигантской магнитострикции у лантаноидов.
Дело тут вот в чем. Каждый атом — это, по сути, элементарный магнитик: электронные облачка, крутящиеся вокруг ядра, создают крохотные магнитные поля, но поскольку все эти поля, упрощенно говоря, ориентированы в разные стороны и гасят друг друга, то в совокупности вещество получается немагнитным. Но железо, никель, кобальт и ряд других веществ обладают одной особенностью — стоит им попасть во внешнее магнитное поле, как «элементарные магнитики» одной из внешних орбит ориентируются в одинаковом направлении. При этом сами орбиты как бы вытягиваются, а результат — увеличение размеров самого вещества.
У лантаноидов же ориентируется в магнитном поле внутренняя электронная орбита, третья от ядра. Но для того чтобы «вытянуться», ей приходится преодолевать сопротивление внешних орбит. И — вот один из парадоксов микромира — чем сильнее это сопротивление, тем больше «вытягиваются» внутренние орбиты.
Разумеется, это лишь очень приближенная картина происходящих в атоме физических процессов. Она лишь помогает понять суть гигантской магнитострикции.
Сейчас необходимо обеспечить гигантской магнитострикции широкое применение в технике. На ее основе можно создать гораздо более мощные аппараты и приборы. Но в химически чистых лантаноидах и урановых соединениях она проявляется только при крайне низких температурах. Значит, надо создать такие вещества на основе лантаноидов, где магнитострикция оставалась бы гигантской в обычных условиях. Такие вещества созданы.
Автор: А. Валентинов.