книги / Справочное пособие по магнитным явлениям

Рис. 21.1. Резонанс Азбеля — Канера. Энергия излучения взаимодействует с электронами-носителями, движущимися по циклотронным траекториям, если эти траектории имеют такую же длину волны, как и излучение:

ф — электрон проводимости

Резонанс Азбеля — Канера является результатом взаимо­ действия периодического движения электронов при переносе пе­ ременного тока и периодического движения тех же самых элект­ ронов, описывающих спиральную магнетронную траекторию. При возникновении такого взаимодействия сопротивление, которое испытывают электроны проводимости, намного возрастает, когда частота орбиты и частота переменного тока либо совпадают, либо соотносятся между собой как частоты гармоник некоторого ос­

у поверхности тела, могут взаимодействовать с тангенциально направленным магнитным полем. В этом случае энергия излу­ чения поглощается, как и при других резонансных условиях.

21.2. МАГНИТОАКУСТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС

Магнитоакустический резонанс возникает при взаимодейст­ вии периодически чередующихся областей сжатия и растяжения, порождаемых распространяющейся звуковой волной, с периоди­ чески движущимися электронами на магнетронной орбите.

Если в металле распространяется продольная звуковая волна, то чередующиеся области сжатия и растяжения вызывают сину­ соидальное изменение траектории движения электронов прово­ димости, аналогичное изменениям при наличии переменного тока. Тогда внешнее магнитное поле, направленное перпендикулярно направлению распространения звука, заставляет электроны про­ водимости двигаться по спиральным орбитам (см. рис. 2.4 и

§ 21. 1).

Если электроны проводимости подвергаются действию таких комбинированных сил, то энергия, вызывающая их движение

(в данном случае энергия звуковой волны) испытывает при своем распространении наибольшее сопротивление, когда частота орби­ ты и частота звуковой волны либо совпадают, либо соотносятся между собой как частоты гармоник некоторого основного ко­ лебания.

21.3. МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭФФЕКТ В СИЛЬНОМ ПОЛЕ

Под магниторезистнвным эффектом подразумевается явле­ ние изменения электрического сопротивления проводника при его помещении в магнитное поле. При рассмотрении магниторези стивного эффекта в § 17.16 его общие проявления подразделены на две части. Во-первых, уменьшается скорость движения носи­ телей в направлении тока, так как они вынуждены совершать бо­ ковое движение наряду с движением вперед. Во-вторых, умень­ шается эффективная площадь поперечного сечения проводника, так как носители скапливаются у одной стороны проводящего тела. При этих условиях электроны проводимости описывают отно­ сительно небольшую часть своей магнетронной траектории (ко­ торая показана на рис. 2.4).

При магниторезистнвном эффекте в сильном поле электроны проводимости, напротив, описывают относительно большую часть магнетронной траектории. В данном случае длина траектории увеличивается за счет орбиты, причем электроны не обязательно скапливаются у одной стороны проводника. Тот факт, что элект­ роны описывают значительную часть спиральной траектории, а эта траектория обладает пространственной периодичностью по оси спирали и временной периодичностью, обусловленной цикло­ тронной частотой, делает возможным взаимодействие этой траек­ тории с периодическими структурами вещества. Поскольку перио­ дичность спиральной траектории зависит от напряженности маг­ нитного поля, эту траекторию можно изменять за счет изменения магнитного поля. Таким образом, удельное сопротивление веще­ ства будет испытывать периодические изменения, если изменяю­ щееся магнитное поле влияет на условия периодического взаимо­ действия.

В частности, эффект Шубникова------ де Гааза состоит в перио­ дическом изменении удельного сопротивления металла под влия­ нием изменяющегося магнитного поля, а эффект магнитофо­ нонного резонанса— это аналогичное явление, наблюдаемое

вслаболегированных полупроводниках.

21.4.АНИЗОТРОПНЫЙ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭФФЕКТ В СИЛЬНОМ ПОЛЕ

Многие кристаллы являются анизотропными, т. е. их струк­ туры обладают разными периодическими пространственными характеристиками по разным направлениям. Эти характеристики обусловливают различия взаимодействий структуры вещества со

спиральными траекториями носителей в зависимости от направ­ ления этих траекторий. Полярная диаграмма магниторезистивного сопротивления в сильном магнитном поле как функции направ­ ления относительно осей кристалла выявляет эту анизотропию — на ней имеются острые пики, между которыми находятся области малых значений магниторезистивного сопротивления. Анизотро­ пия магниторезистивного эффекта является прямым следствием кристаллографической анизотропии.

21.5. ИЗМЕНЕНИЕ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ В СИЛЬНОМ ПОЛЕ

Движение электрона проводимости по спиральной траектории обладает как периодичностью по времени (которая характеризу­ ется циклотронной частотой), так и периодичностью по простран­ ству (которая характеризуется шагом спирали). Выше обсужде­ ны взаимодействия электронов проводимости, обусловленные периодичностью, с переменным электрическим током и электромаг­

не исчерпываются периодические явления, с которыми могут взаимодействовать электроны на спиральной траектории.

Например, различные соотношения между структурными элементами кристаллической решетки (электронами, атомами, молекулами и т. п.) изменяются дискретными скачками-кванта­ ми, которые можно описать при помощи частоты фонона (коле­ бательной энергии) или частоты магнона (колебательного изме­ нения магнитного поля). При любом взаимодействии периодиче­ ских спиральных траекторий носителей с фононными или магнонными колебаниями может возникнуть явление резонанса.

Эффект де Г ааза— Ван Альфена состоит в том, что способ­ ность металла поддерживать изменяющееся магнитное поле, или его магнитная восприимчивость, испытывает периодическое из­ менение под влиянием изменяющегося сильного магнитного поля. Этот эффект является непосредственным результатом взаимодей­ ствия магнонных колебаний и спиральной траектории носителей. Лучше всего наблюдать его при низких температурах, поскольку активность кристаллической структуры, возникающая при высо­ ких температурах, может скрыть вышеуказанные эффекты, свя­ занные с взаимодействием между периодическими явлениями.

Часть IV

ДВИЖЕНИЕ МАГНЕТОНОВ ПРИ СЛАБЫХ СВЯЗЯХ (В ВАКУУМЕ ИЛИ ГАЗЕ)

Втом случае, когда электрически заряженная частица имеет возможность удалиться на достаточно большое расстояние от соседних частиц (например, в вакууме или газе), ее активность становится совершенно независимой от внешней среды. Если частица начинает двигаться по криволинейной траектории, то вполне вероятно, что она завершит это движение. Даже если частица отклонилась от своей исходной траектории в результате столкновения с каким-либо ионом газа, она все же может завер­ шить движение по новой траектории, не испытывая помех со стороны других ионов.

Вэтой части книги обсуждаются некоторые магнитные явле­ ния, которые могут возникнуть при движении магнетонов в отсут­ ствие значительного влияния со стороны других частиц этой же среды, или взаимодействия с другими частицами; такие условия характерны для вакуума и газа.

22. ИОННЫЕ ТОКИ

Если заряженные частицы движутся в газе при наличии внешнего магнитного поля, то они имеют возможность беспре­ пятственно описывать значительную часть своей магнетронной траектории. Однако каждая траектория совсем не обязательно завершается полностью. Она может быть прервана в результате столкновения между движущейся частицей и какой-либо молеку­ лой газа.

Такие столкновения иногда лишь отклоняют направление движения частиц, переводя их на новые траектории; однако при достаточно сильных соударениях возможна также ионизация молекул газа. В период после столкновения, приводящего к иони­ зации, необходимо учитывать существование трех заряженных частиц — исходной движущейся частицы, иона газа и освобо­ дившегося электрона. Движения ионизирующей частицы до столкновения, иона газа, освободившегося электрона и ионизиру­ ющей частицы после столкновения подвержены влиянию сил Лоренца.

Взаимодействие ионизирующих и ионизированных частиц с магнитным полем при движении этих частиц в газе порождает различные магнитные явления.

Когда под влиянием высокой температуры от некоторых молекул газа отделяются орбитальные электроны, возникает богатая смесь свободных электронов и положительных ионов. Таким образом, пламя порождает как электроны, так и положительные ионы, способные служить носителями для поддержания электри­ ческого тока. В то же время пламя создает температурные градиенты, вызывающие конвекционные потоки газов, из которых состоит пламя. Поскольку носители электрического заряда яв­ ляются составной частью газов, конвекционные потоки пред­ ставляют собой также и электрические токи.

Эти конвекционно-электрические токи, существующие в пла­ мени, при наличии внешнего магнитного поля подвержены дейст­ вию сил Лоренца. В зависимости от природы взаимодействия между током и полем приложение внешнего магнитного поля мо­ жет либо уменьшить, либо увеличить яркость пламени. Давление газов в пламени, взаимодействующем с переменным магнитным полем, модулируется силами Лоренца, которые действуют на кон­ векционные потоки. Поскольку в результате модуляции давления газа возникают звуковые колебания, пламя может служить преоб­ разователем, который преобразует электрическую энергию в зву­ ковую. Пламя, обладающее описанными свойствами, называют поющим пламенем.

22.3. ДУГОГАСЯЩИЙ МАГНИТ

Дугогасящие магниты применяют для гашения электри­ ческой дуги. Это осуществляется путем растягивания дуги до такой степени, что градиент потенциала вдоль дуги становится меньше того, который необходим для ионизации газа и соответ­ ственно для поддержания дуги.

Электрическая дуга представляет собой электрический ток разряда, протекающий через газ. Разряд может поддержи­ ваться одним из следующих двух механизмов (или обоими механизмами одновременно). В первом механизме электроныносители испускаются с поверхностей электродов, когда гради­ енты потенциала на этих поверхностях превышают работу вы­ хода. Во втором механизме градиенты потенциала ионизируют молекулы газа. После ионизации появляются свободные электро­ ны и остаточные положительные ионы, обладающие свойствами носителей тока. Градиент потенциала на электрической дуге в газе приблизительно соответствует потенциалу ионизации моле­ кул газа в области дуги.

Независимо от того, за счет каких механизмов поддержива­ ется дуга, она представляет собой электрический ток и, следова­ тельно, подвержена действию сил Лоренца. При наличии по­ перечно направленного внешнего магнитного поля дуга по край­ ней мере изгибается, вследствие чего увеличивается ее длина. Такое взаимодействие между током и магнитным полем обычно

Рис, 22,1. Дугогасящий магнит. Под влиянием сил Лоренца, дей­ ствующих на носители заряда в искре, длина искры увеличи­ вается до тех пор, пока не про­ изойдет ее гашение

используют для гашения электрической дуги, возникающей при размыкании контактов реле в цепях высокого напряжения. Если параллельно с контактами реле включены электроды, обра­ зующие воздушный зазор в форме буквы V, как показано на рис. 22.1, то дуга, обусловленная напряжением прерываемой цепи, первоначально образуется у нижней границы У-образного зазора. Затем под действием поперечного приложенного магнит­ ного поля дуга изгибается и одновременно смещается вдоль поверхностей электродов к верхней, расширенной части зазора. Оба фактора приводят к значительному увеличению длины дуги. Поскольку длина пути электрического тока быстро увели­ чивается при неизменном приложенном напряжении, градиент потенциала вдоль дуги уменьшается, и дуга гасится, когда этот градиент становится меньше значения, соответствующего потен­ циалу ионизации молекул газа.

22.4. МАГНИТОСФЕРА

Магнитосфера представляет собой ту область среды, окру­ жающей Землю, где доминирующую роль играет магнитное поле. Это поле является векторной суммой собственного маг­ нитного поля Земли, или геомагнитного поля, и магнитных по­ лей, связанных с солнечным излучением.

Как перегретое тело, подверженное сильным тепловым и ра­ диоактивным возмущениям, Солнце выбрасывает огромные коли­ чества плазмы, состоящей приблизительно наполовину из элек­ тронов и наполовину из протонов. Хотя плазма выбрасывается с поверхности Солнца во всех направлениях, значительная ее часть, удаляясь от Солнца, образует след, направленный более или менее в одну сторону под влиянием движения Солнца в пространстве. Такая миграция плазмы называется солнеч­ ным ветром. Пока электроны и протоны, образующие сол­ нечный ветер, движутся совместно, имея равные концентрации, они не создают магнитного поля. Однако любые различия в

скоростях их дрейфа порождают электрический ток, а различия в концентрациях — напряжение, способное вызывать электриче­ ский ток. В любом случае плазменные токи порождают соот­ ветствующие магнитные поля.

Земля находится на пути солнечного ветра. Когда его час­ тицы и связанное с ними магнитное поле приближаются к Земле, они взаимодействуют с геомагнитным полем. В результате взаимо­ действия изменяются оба поля. Таким образом, форма и харак­ теристики геомагнитного поля отчасти определяются проходя­ щим через него солнечным ветром.

Излучательная активность Солнца чрезвычайно изменчива как во времени, так и в пространстве — по поверхности Солнца. Поскольку Солнце вращается вокруг своей оси, солнечный ветер находится в состоянии непрерывного изменения. Вследствие того что Земля также вращается вокруг своей оси, характер взаимодействия между солнечным ветром и геомагнитным полем также непрерывно изменяется. Значительные проявления этих изменяющихся взаимодействий называются магнитосферными бурями в солнечном ветре и магнитными бурями в геомагнитном поле.

Другие явления, связанные с взаимодействием между части­ цами солнечного ветра и магнитосферой,— это полярное сия­ ние, упомянутое выше, и электрический ток, текущий в атмо­ сфере вокруг Земли в направлении с востока на запад.

22.5. МАГНИТНАЯ ФОКУСИРОВКА

Траектория заряженной частицы, движущейся в тороидаль­ ном магнитном поле, изгибается под влиянием этого поля по­ добно световым лучам, проходящим через стеклянную линзу. Фактически такое магнитное поле действует как магнитная линза. При этой магнитной фокусировке все заряженные час­ тицы, движущиеся с одной и той же скоростью, отклоняются

Катушка

Рис. 22.2. Магнитная фокусировка. Катушка действует как линза, сводя в одну

фокальную точку носители, имеющие одинаковые скорости н массы:

• — холодная заряженная частица; • — горячая заряженная частица

Северный

полюс

Рис. 22.4. Схема Штерна — Герлаха. При помощи магнитного поля определенной формы можно разделить магнетоны пучка, ориентированные в противоположных

направлениях:

| — ионный магнетон

напряженности по направлению, совпадающему с направлением поля. Магнетоны, представляющие собой атомные ядра со спи­ ном, упорядочивают свои ориентации под влиянием магнитного поля — одни из них ориентируются по направлению поля, т. е. параллельно, другие — в противоположном направлении, т. е. антипараллельно, в зависимости от напряженности поля. В лю­ бом случае один конец магнетона находится под воздействием более сильного поля, чем другой конец. При этом у параллель­ ного магнетона один конец, обращенный к более сильному полю, притягивается им сильнее, чем другой конец притягивается бо­ лее слабым полем. И, наоборот, у антипараллельного магнетона один конец отталкивается полем сильнее, чем другой конец. В результате те магнетоны, которые ориентированы в направле­ нии поля, приобретают некоторое ускорение в этом направлении, тогда как магнетоны, ориентированные противоположно направ­ лению поля, приобретают ускорение в этом противоположном направлении.

Как показано на рис. 22.4, при достаточно длинном пути пучка частиц в неравномерном магнитном поле параллельные магнетоны отделяются от антипараллельных. Первые из них попадают на мишень с некоторым смещением в сторону более сильного поля, вторые — с некоторым смещением в сторону более слабого поля.

22.8. СХЕМА РАБИ

Опыты со схемой Раби доказывают существование ядерной прецессии. Это достигается путем отделения ядер одного тина, которые заставляют прецессировать, от ядер всех других ти­ пов. Раби объединил два сепаратора типа Штерна — Герлаха, расположив их последовательно навстречу один другому так,