11.4. Магнитострикция и термострикция
Важной особенностью ферромагнетиков
при намагничивании является изменение
их размеров. Это явление получило
название магнитострикции. Так, никель
при намагничивании сжимается в направлении
намагничивания и удлиняется в поперечном
направлении. Относительное изменение
размеров
.
Железо в слабых магнитных полях удлиняется
в направлении намагничивания. В сильных
полях и Fe, и Со, и Ni сжимаются.
Величина относительной деформации при намагничивании зависит и от направления по отношению к кристаллографическим осям ферромагнетика. Не остается в целом постоянным и объем при намагничивании. Например, железо во всех магнитных полях несколько увеличивает объем.
Наблюдается и обратный эффект ‒ магнитоупругий: при изменении размеров ферромагнетика под действием внешних сил изменяется его магнитное состояние.
Магнитострикция является четным эффектом и нечувствительна к перемене знака намагниченности, т.е. к изменению ее направления на 180°. Если ферромагнитный образец намагничивается в переменном поле, то его размеры меняются с частотой, равной удвоенной частоте поля. На этом основаны магнитострикционные вибраторы, являющиеся мощными источниками ультразвуковых колебаний.
Некоторые ферромагнетики столь чувствительны к внутренним напряжениям, возникающим при деформации, что это их свойство используется в тензометрических целях для измерения деформации и напряжений. В парамагнетиках и диамагнетиках магнитострикция очень мала. Она является непосредственным результатом проявления основных типов взаимодействия в ферромагнитных телах ‒ обменного взаимодействия и магнитного взаимодействия. В соответствии с этим возможны два вида различных по природе магнитострикционных деформаций кристалла ‒ за счет изменения магнитных сил и за счет изменения обменных сил. При намагничивании, когда происходят смещение стенок Блоха и вращение магнитных моментов доменов, изменяется энергетическое состояние решетки, а следовательно, изменяются равновесные расстояния между атомами. Атомы смещаются, происходит деформация решетки ‒ магнитострикция. Магнитострикция этого типа носит анизотропный характер и проявляется в основном в изменении формы кристалла почти без изменения его объема.
Магнитострикция, обусловленная обменными силами, обычно наблюдается в области насыщения, в области так называемого парапроцесса. Этот вид магнитострикции изотропен и проявляется в изменении объема кристалла.
Интересная особенность наблюдается в ферромагнетиках при тепловом расширении. Известно, что расширение твердых тел при нагревании обусловлено ангармоническим характером колебаний атомов около своих положений равновесия. Эта причина изменения размеров при нагревании является единственной в диамагнитных и парамагнитных твердых телах, поэтому при нагревании такие тела расширяются. В ферромагнитных телах кроме этой причины возникает и другая. Изменение температуры приводит к изменению намагниченности ферромагнетика, а изменение намагниченности ‒ к изменению их размеров. Это явление называется термострикцией. Таким образом, температурный коэффициент расширения (ТКР) ферромагнетика может быть представлен суммой двух коэффициентов. Один ‒ α1 ‒ обусловлен ангармоничностью колебаний атомов, он всегда положителен. Другой ‒ α2 ‒ связан с термострикцией. Он может быть и положительным и отрицательным. Результирующий ТКР может иметь разные величину и знак. Из ферромагнитных материалов, имеющих отрицательный термострикционный ТКР, хотелось бы отметить так называемые инварные сплавы, широко используемые в промышленности. Это прежде всего ковар (29 % Ni + 17 % Со + 54 % Fe) с α = 4,5∙10‒6 и инвар (36 % Ni + 64%Fe) с α = 1,2∙10‒6 [40, 41].