Магніти можуть бути сильніше, ніж здавалося

Пошуки сильних магнітів сьогодні ведуться шляхом підбору їх хімічного складу та атомної структури. На цьому шляху регулярно домагаються деяких успіхів (як у випадку рідкоземельних магнітів, які здаються неперевершеними). Однак реальність виявляється складніше і цікавіше, ніж наші уявлення. В [1] дано короткий огляд сильних магнітів. Під сильними розуміється не величина магнітного поля, а той факт, що напруженість поля, створюваного цим магнітом, перевищує індукцію насичення матеріалу магніту. Може здатися, що такого не буває… Проте є експериментальні докази: в Греноблі виготовлена система магнітів, створює у вузькому зазорі поле до 5 Тл [2]. В [1] перераховані та інші експерименти в цій області.

Але, як відомо, чудес дійсно не буває. Головною умовою існування “сильних” магнітів є не тільки велика коерцитивна сила, але і сильна магнітна анізотропія, яку раніше не брали в розрахунок. Спін-орбітальна взаємодія d-електронів – головне джерело кристалічної анізотропії. З підручника Ч. Киттеля кожен добре знає, що сума діагональних компонент тензора розмагнічуючого фактора дає поле насичення. Це строго доведено тел еліпсоїдної форми. Застосування цієї оцінки для тіл іншої форми вносить невелику поправку на коефіцієнт і з точністю до 10% збігається з оцінками для еліпсоїда. Звідси робився висновок, що створюється поле не може перевищувати поле насичення. Але для тіл неэллипсоидальной форми з неоднорідною намагніченістю, індукованою анізотропією, ці оцінки виявляються невірними. В анізотропних магнетиках тензор розмагнічуючого фактора не можна привести до діагонального вигляду, а недиагональные компоненти досить великі. Такі ситуації протягом багатьох десятків років просто не розглядалися і тому не вважалися можливими.

Придатність магнітів для створення “сильних” полів визначається фактором якості: Q = K1/2pMs2, де K1 – магнитокристаллическая анізотропія, Ms намагніченість насичення. Наприклад, SmCo5 має Q ~ 50 і може, тому, вважатися сильно анізотропних, в той час як для NdFeB фактор якості
Q ~ 10, що дозволяє його віднести до перехідної області.

Рис. 1. а – Система з двох протилежно намагнічених
магнітів з магнітопроводом; б – залежність компонент поля
розсіяння від просторових координат x, y.

 

В якості прикладу можна навести систему двох магнітів, намагнічених в протилежні сторони і мають загальний магнітопровід (рис. 1). Поблизу місця зіткнення магнітів (у вузькій щілині між ними) спостерігається магнітне поле, що значно перевищує поле намагніченості насичення, яке в даному прикладі становить 1000 Гс.

В якості доказу існування сильних полів в огляді [1] наводиться три незалежних експериментальних методу. Один з них використовує магнітооптичні вимірювання. Автори скористалися тим фактом, що лабіринтова доменна структура (рис. 2) може виникати в зазорі між двома магнітами тільки в певному вузькому діапазоні “сильних магнітних полів”. Таким чином, доказ наявності таких полів вдається просто сфотографувати.

Рис. 2. Доменна структура ферит-гранатових плівки
у краю кордону між магнітами.

 

 

Якщо в якості магніту взяти конічну структуру, то оцінки показують, що максимально можливе поле, що в такій системі можна створити, досягає 10 Тл. Це, мабуть, гранична величина магнітного поля, якої можна досягти, змінюючи форму сильно анізотропних магнітів.

У технічних додатках важливу роль може грати не саме магнітне поле, а його градієнт, створення якого також є тонким мистецтвом. Розрахунки показують, що в системі постійних магнітів можна досягти градієнта поля до 107 Е/див.

В огляді запропоновані найрізноманітніші технічні застосування “сильних” магнітів: ЕПР мікроскопія, наномасштабные головки магнітного запису, холодильні установки, сепаратори слабомагнітних речовин і т. д. і т. п.

Таким чином, для реалізації дуже сильного магнітного поля (в надпровідних магнітах) виявляється досить сильно анізотропного магніту, напилка (для його обробки) і трохи терпіння і знань, щоб отримати бажані результати, що перевищують найсміливіші прогнози.

 

1. В. Н.Самофалов та ін., УФН 183, 287(2013).

2. F. Bloch et al., Eur.Phys. J. Appl.Phys. 55, 85 (1999).

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *