Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод и многое другое.
 
Школа для электрика | Электротехника | Электроника | Автоматизация | Робототехника | Возобновляемая энергетика | Контакты



 

База знаний | Избранные статьи | Эксплуатация электрооборудования | Электроснабжение
Электрические аппараты | Электрические машины | Электропривод | Электрическое освещение

 Школа для электрика / Электрические явления / Явления, связанные с упорядоченностью магнетонов


 Школа для электрика в Telegram

Явления, связанные с упорядоченностью магнетонов




Здесь будут рассмотрены изменения электрических характеристик веществ, причина которых состоит в изменении структуры распределения ориентаций магнетонов (единиц элементарного магнитного момента), т. е. явления, связанные с упорядоченностью магнетонов.

Например, электрическое сопротивление тела зависит от упорядоченности структуры вещества, из которого оно состоит. Понятие упорядоченности включает как упорядоченность расположения ядер и электронов, составляющих вещество, так и упорядоченность ориентаций этих же частиц, функционирующих как магнетоны.

Электромагнитные ферриты для кабельного оборудования

Свой вклад в удельное сопротивление вещества вносят такие факторы, как расположение элементов в структуре кристаллической решетки, геометрические параметры этой решетки, регулярность структуры решетки, тепловые движения элементов решетки в пределах, допускаемых связями, и др. Любые изменения этих факторов отражаются на удельном сопротивлении.

Кроме того, поскольку установившиеся направления осей магнетонов также представляют собой фактор организации кристаллической решетки, эти направления также влияют на явления, связанные с удельным сопротивлением. Силы, которые могут изменить распределение ориентаций магнетонов, сказываются и на удельном сопротивлении.

Распределение ориентаций осей магнетонов играет двоякую роль:

  • Во-первых, направления магнетонов влияют на геометрические параметры решетки и другие ее характеристики, к которым чувствительны электроны проводимости. Иными словами, направления магнетонов оказывают влияние на кулоновские силы взаимного притяжения или отталкивания между отдельными элементами решетки. Эти силы деформируют решетку. Если они по какой-либо причине изменяются, то в результате изменяются и геометрические параметры решетки.
  • Во-вторых, магнетоны сами по себе действуют как центры рассеяния электронов проводимости. При этом магнетоны со случайной ориентацией оказывают на электроны более сильное рассеивающее воздействие, чем магнетоны с упорядоченной ориентацией. Таким образом, изменение характера упорядоченности ориентаций магнетонов приводит к изменению взаимного расположения элементов в структуре решетки и механизма рассеяния электронов, связанного с упорядоченностью магнетонов.

Поскольку любой фактор, влияющий на ориентации магнетонов, в определенной степени влияет и на структуру решетки, изменение этого фактора, несомненно, влечет за собой изменение всех электрических характеристик вещества.

При помощи магнитного поля можно упорядочить распределение ориентаций магнетонов, которое при отсутствии поля имеет случайный характер, обусловленный тепловым движением.

Поскольку 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, отличаются 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 приложенным извне магнитным полем, они могут происходить одновременно.

Ферритовое магнитное кольцо

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 парамагнитных полупроводников. У магнитных проводников связанные электроны, обладающие спином, обусловливают магнитные свойства вещества, а характеристики среды, воспринимаемые свободными электронами, обусловливают его электрические свойства.

Эти две группы факторов взаимодействуют между собой, когда электроны проводимости рассеиваются магнетонами, локализованными в определенных 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.

Как и во всех системах, способных к упорядочению, здесь 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 связан с магниторезистивностью ферромагнитных проводников. Эффект Кабреры — Торроя связан с магниторезистивностью проводника при переходе Кюри — превращении ферромагнитного вещества в парамагнитное.

Таким образом, здесь понятие магниторезистивности относится 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.

Флоппи-диск, гибкий магнитный диск

Эффект Гаусса

Ферромагнитный проводник, помещенный в магнитное поле, изменяет свое удельное сопротивление. В тех случаях, когда текущий в этом проводнике ток параллелен направлению внешнего магнитного поля, изменение удельного сопротивления называют эффектом Гаусса.

Здесь внешнее магнитное поле устанавливает такую упорядоченную структуру распределения ориентаций магнетонов ферромагнитного вещества, которая отличается от упорядоченной структуры, образующейся самопроизвольно за счет их собственных обменных сил.

Хотя отрицательный магниторезистивный эффект и эффект Гаусса взаимосвязаны, последний основан на упорядочении ориентаций доменов, а первый — на индивидуальном упорядочении ориентаций магнетонов.

Поскольку при помещении ферромагнитного вещества в магнитное поле возникает также явление магнитострикции, изменения геометрических параметров кристаллической решетки вследствие магнитострикционных изменений размеров представляют собой неотъемлемую часть эффекта Гаусса.

При отсутствии внешнего поля каждый домен ферромагнитного вещества имеет однонаправленную структуру распределения ориентаций магнетонов, в то же время ориентации магнетонов смежных доменов образуют противодействующие структуры.

Поэтому общий результат упорядочения ориентаций всех магнетонов в ферромагнитном веществе очень близок к результату индивидуального упорядочения магнетонов с вполне случайно распределенными ориентациями.

Как и при любых условиях упорядочения случайного распределения, приложенное поле увеличивает число магнетонов, ориентированных в одном и том же направлении.

Результирующая упорядоченная структура распределения ориентаций магнетонов и соответствующие магнитострикционные изменения размеров существенно различаются при разных значениях напряженности и при разных направлениях поля. Вследствие этого у разных веществ, помещаемых в разные магнитные поля, эффект Гаусса может проявляться с разными интенсивностями и иметь разные направленности.

Так, сопротивление проводника может увеличиваться при возрастании напряженности слабого магнитного поля, а затем уменьшаться при возрастании напряженности сильного магнитного поля (возможен и противоположный характер изменения сопротивления). Это явление обращения Гаусса происходит при определенной напряженности 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 зависимость).

Поперечный эффект Гаусса объединяет в себе явления, связанные с упорядоченностью магнетонов, гальваномагнитные и магнитострикционные явления. Изменения удельного сопротивления являются следствием одновременного действия всех трех указанных механизмов.

Электронные компоненты компьютерного блока питания

Гальваноупругий эффект

Электрическое сопротивление ферромагнитных проводников изменяется при изменении приложенного к ним механического напряжения. Если текущий в проводнике ток направлен параллельно механическому напряжению, то результирующее изменение сопротивления называется гальваноупругим (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 сопротивления происходит при механическом напряжении, приложенном перпендикулярно направлению тока.

Ферромагнитный эффект Холла

Понятие ферромагнитного эффекта Холла не следует воспринимать буквально. Эффект Холла наблюдается в ферромагнитном веществе точно так же, как и в любом другом проводнике, однако под ферромагнитным эффектом Холла подразумевается такое сочетание эффектов Холла и Гаусса, когда холловская подвижность 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.

Электроферримагнитный эффект

Изменение диэлектрической проницаемости изоляционного ферримагнитного вещества при изменении напряженности магнитного поля, когда на это вещество воздействуют одновременно электрическое и магнитное поля, назовем электроферримагнитным эффектом.

Образование доменов влияет на структуру кристаллической решетки феррита точно так же, как и на кристаллическую решетку любого ферромагнитного вещества.

Поскольку диэлектрические характеристики изоляционных веществ зависят от структуры решетки, строение доменов оказывает влияние на диэлектрическую проницаемость феррита. В соответствии со свойствами вещества электроферримагнитный эффект может иметь скалярный или тензорный характер.

Электроферримагнитный эффект связан с термоферримагнитным эффектом. В основе термоферримагнетизма лежит преобразование Кюри, тогда как электроферримагнетизм наблюдается при температурах ниже температуры преобразования Кюри.

Эффекты переноса тепла

При переносе 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 упорядоченность элементов решетки, перенос тепла в твердых веществах может изменяться в зависимости от магнитного поля.

Различные условия, имеющие значение для переноса тепла, не очень отличаются от условий, влияющих на электрический ток. В результате можно наблюдать целое семейство магнитных явлений, связанных с переносом тепла и аналогичных рассмотренным здесь явлениям, связанным с электрическим током.