Магнітострикція: ефект, помножений багаторазово
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Явище магнітострикції, тільки в незмірно менших масштабах, було відомо ще з минулого століття. До п’ятдесятих — шістдесятих років ХХ століття магнітострикція вже широко застосовувалася в практичних цілях. Кожен знає, що при нагріванні фізичні тіла розширюються, при охолодженні — стискаються. Візьміть в руку залізний стержень, і від тепла вашої долоні він подовжиться на крихітну величину, яку можна зафіксувати тільки особливо точними приладами. А що станеться, якщо цей стержень помістити в магнітне поле, скажімо, всередину дротяної спіралі, по якій пропущений струм? Картина вийде та ж сама — стержень або подовжиться, або вкоротиться і теж на мікроскопічну величину.
Начебто відбуваються одні й ті ж явища? Аж ніяк ні, абсолютно різні. При нагріванні або охолодженні метал змінює обсяг повільно, поступово. Під впливом магнітного поля – миттєво. І так само миттєво повертається до колишніх розмірів, коли поле зникає. Причому, з якою б частотою не пульсувало магнітне поле, аж до мільйонів коливань в секунду, з такою ж частотою метал буде міняти свої розміри. Це явище і називається магнітострикцією.
Температурні перепади змушують подовжуватися або скорочуватися будь-які тіла, магнітне поле – тільки метали, та й то далеко не всі. До недавнього часу вважалося, що сильніше змінюють розміри в магнітному полі залізо, нікель, кобальт, деякі інші метали і сплави. Їх і використовували в численних апаратах і приладах, заснованих на цьому явищі. Наприклад, при бурових роботах магнітострикційний сердечник забезпечує буру додаткову вібрацію, що значно підвищує продуктивність інструменту. На металорізальних верстатах для особливо точних робіт ефект магнітострикції використовується для подачі супорта з різцем на малі розміри.
І, тим не менш, інженери були не зовсім задоволені: їм би хотілося, щоб магнітострикція мала більш «зручні» для їх цілей параметри. Зокрема, вони нарікали на занадто малу амплітуду коливань, іншими словами – на крихітну зміну розмірів. Справді, навіть найкращий магнітострикційний матеріал змінював, скажімо, довжину не більше, ніж на одну десятитисячну первісної величини. Доводилося робити величезні магнітострикційні випромінювачі. Наприклад, в ехолоті одного американського підводного човна стояв випромінювач в десять метрів завдовжки.
Ще в середині п’ятдесятих років минулого століття в руки вчених – спочатку радянських і американських, а потім і дослідників інших країн — потрапили хімічно чисті рідкоземельні елементи, або, як їх ще називають, лантаноїди.
Дослідники вимірювали все, що можна виміряти. Спочатку ця робота не таїла в собі ніяких несподіванок – лантаноїди мали саме ті властивості, які їм і належало мати відповідно до місця, займаного в періодичній системі елементів. Картина різко змінилася, коли приступили до вимірювання магнітострикції. Раптом виявилося, що деякі лантаноїди мали воістину гігантську магнітострикцію — в сто разів більшу, ніж звичайні метали. Правда, вони проявляли її тільки при дуже низьких температурах, але в той період це не мало значення.
Дослідники ще не підозрювали, що зробили відкриття. Знали тільки, що виявили нове явище. Вчені намагалися визначити, наскільки це явище загальне. Стали досліджувати різні сполуки лантаноїдів з металами і неметалами. І виявилося, що майже будь-яке з’єднання, до складу якого входять певні лантаноїди, має гігантську магнітострикцію. Потім настала черга ще одного завдання – зрозуміти, чому у одних лантаноїдів магнітострикція величезна, а у інших зовсім маленька, треба було пояснити «механізм» гігантської магнітострикції у лантаноїдів.
Справа тут ось у чому. Кожен атом – це, по суті, елементарний магнітик: електронні хмарки, що крутяться навколо ядра, створюють крихітні магнітні поля, але оскільки всі ці поля, спрощено кажучи, орієнтовані в різні боки і гасять один одного, то в сукупності речовина виходить немагнітною. Але залізо, нікель, кобальт і ряд інших речовин мають одну особливість — варто їм потрапити в зовнішнє магнітне поле, як «елементарні магнітики» однієї із зовнішніх орбіт орієнтуються в однаковому напрямку. При цьому самі орбіти як би витягуються, а результат — збільшення розмірів самої речовини.
У лантаноїдів ж орієнтується в магнітному полі внутрішня електронна орбіта, третя від ядра. Але для того щоб «витягнутися», їй доводиться долати опір зовнішніх орбіт. І ось один з парадоксів мікросвіту – чим сильніше цей опір, тим більше «витягуються» внутрішні орбіти.
Зрозуміло, це лише дуже наближена картина фізичних процесів, що відбуваються в атомі. Вона лише допомагає зрозуміти суть гігантської магнітострикції.
Зараз необхідно забезпечити гігантській магнітострикції широке застосування в техніці. На її основі можна створити набагато більш потужні апарати і прилади. Але в хімічно чистих лантаноїдах і уранових з’єднаннях вона проявляється тільки при вкрай низьких температурах. Значить, треба створити такі речовини на основі лантаноїдів, де магнітострикція залишалася б гігантською в звичайних умовах. Такі речовини створені.
Автор: А. Валентинов.