«Живые» лантаноиды
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
Исследователи обнаружили новые материалы, способные значительно изменять свои размеры под действием магнитного поля. Это свойство позволит использовать такие материалы в ряде отраслей современной техники.
На дне колбы с водой, помещенной между полюсами электромагнита, лежал металлический брусок. Щелкнул выключатель, вокруг магнитов возникло поле, и тотчас же над сосудом поднялся фонтан водяных капель. А «двигателем» фонтана был внезапно оживший брусок. Он, в буквальном смысле слова, дышал, то резко увеличиваясь в объеме, то съеживаясь до первоначальных размеров. Изменял свои размеры брусок из-за магнитострикции, то есть способности любого магнитного вещества изменять свои размеры и форму под воздействием магнитного поля.
Магнитострикцию обнаружили сравнительно давно в металлах-ферромагнетиках, к числу которых принадлежат железо и сталь, никель и кобальт. Как и все другие вещества, ферромагнетики состоят из атомов, вокруг ядер, которых вращаются по определенным орбитам электроны. Орбиты эти удалены от ядра на разные расстояния, изменяемые миллионными долями миллиметра. Каждый электрон представляет собой микроскопический магнитик. Но если в обычных металлах мириады крошечных магнитиков нейтрализуют друг друга, то у ферромагнетиков подобного равновесия нет, так как в их атомах есть незаполненные электронами орбиты.
Если подобных «дырок» не тысяча и не миллион, а сотни и тысячи миллиардов и размещены они вовсе не беспорядочно, а собраны в параллельные шеренги, то в металле и зарождаются так хорошо знакомые каждому из нас магнитные силы. Когда на ферромагнетик действуют искусственным магнитным полем, то «облака» электронов, которые есть в металле, давят на кристаллическую решетку металла. Если последняя достаточно прочна, как, скажем, у традиционных ферромагнетиков, то деформируется более мягкое электронное облако, а если нет, то деформируется сама решетка, причем брусок металла меняет свои размеры. Обычно эти изменения незначительны.
Несколько лет назад исследователи зарегистрировали необычайно мощные магнитострикционные свойства у некоторых редкоземельных элементов, так называемых лантаноидов. Эти вещества необычно сильно (в 100—120 раз больше, чем типичные ферромагнетики) изменяли размеры под влиянием магнитного поля. Но лантаноиды очень редки и «действуют» при температурах ниже комнатной. Специалисты же создали на базе лантаноидов новые сплавы, работающие при комнатной температуре. Один из них и находился на дне фонтанирующей колбы.
Физиками уже получены материалы, способные заметно изменять свои размеры под влиянием магнитного поля. Новые сплавы найдут широкое применение в технике, например в металлообработке. Алмазный инструмент, насаженный на магнитострикционную основу, позволит с небывалой точностью и деликатностью растачивать и шлифовать чрезвычайно твердые и хрупкие материалы, обрабатывать которые пока еще не научились. Стоит подействовать на такой резец магнитным полем, и он увеличит или уменьшит глубину обработки материала. Не менее перспективны такие материалы и в сложнейших системах автоматики.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.