электрическое поле и магнитное поле свойства

Электрическое и магнитное поле: в чем различия

Такой термин, как «поле» в нашем языке имеет общее, достаточно обширное понятие (например, картофельное или футбольное). А вот в точных науках, таких как физика и электротехника — это название применяется для того, чтобы описать определенные виды материи. Так, электромагнитная материя представляет собой две составных части: электрическую и магнитную.

pool22

С указанными формами материи непосредственно связан электрический заряд. И у этого заряда имеется характерная особенность. В неподвижном состоянии вокруг него постоянно существует электрическое поле, а как только заряд начинает осуществлять направленное движение, то появляется еще и магнитное поле. Рассмотрим характерные особенности электрического и магнитного полей по отдельности.

Два поля

slide 3

В процессе проведения исследований и в целях боле эффективного практического применения данного явления, ему дано название напряженность. Оценивается по степени воздействия на единичный (с положительным знаком) заряд.

slide 1

Здесь также применяется метод графического изображения при помощи силовых пунктирных линий. Но в отличие от схематического изображения электрического поля, эти линии замкнуты по контуру и не имеют определенной точки начала (равно, как и конца).

Как происходит взаимодействие электрического и магнитного полей

Первые достаточно точные обоснования и выводы (как теоретические, так и практические) по результатам исследований процессов внутри данных полей сделал великий ученый Д. Максвелл. Он показал, какая взаимосвязь происходит между эклектическими зарядами и протекающими токами электромагнитного поля. Для проведения исследований и получения результатов, были применены ранее сформулированные законы Ампера и Фарадея. В трудах физика было определено точное соотношение между электрическим и магнитным полем, которое возникало вследствие определенного способа распределения зарядов в пространстве.

img17

Сравнение полей: электрического и магнитного

Важно понять, что электрическое и магнитное поле – это не обособленные понятия, а единый комплекс, получивший название электромагнитного поля. Следовательно, и изучать это поле необходимо параллельно, относясь к исследуемому явлению, как к единому целому.

Утверждение, что в какой-либо определенной точке пространства может иметься только одно из действующих полей, не может быть принято во внимание, более того – оно бессмысленно. Вопрос может быть поставлен исключительно с учетом типа исследуемой системы, которая может быть стационарной или подвижной.

В целом, сама система отсчета – это составная часть исследования электромагнитного поля. По характеристикам системы можно делать оценку, касательно свойств и конфигурации электромагнитного поля. Но абсолютной значимости система не имеет.

Что может быть применено в качестве индикаторов электромагнитного поля

Для электрического поля – это заряженные тела. Именно они указывают на наличие в определенном месте пространства поля. При проведении опытов и наблюдений широко используются такие подручные материалы, как:

– мелкие кусочки бумаги;

– небольшие комочки, бумажные шарики;

– так называемые «султаны».

Чтобы «увидеть» магнитное поле, можно использовать стальные опилки либо замкнутый контур, по которому протекает электрический ток. Еже проще – использовать магнитную стрелку, которая имеется на каждом компасе.

ris25

«Законодательная база»

Исследование полей, магнитного и электрического, осуществляется по ранее открытым физическим законам. Так, для электрического поля, при исследовании протекающих внутри него процессов, бесценную помощь оказали исследования и опыты, проведенные кулоном. Магнитное поле проще себе представить, воспользовавшись законом Ампера, применительно к расположению ладони человека. Так, чтобы определить направление действия силы, воздействующей на проводник, необходимо расположить ладонь следующим образом:

– 4 пальца, сложенные вместе, указывают на направление протекающего тока;

– силовые линии магнитного поля входят в ладонь;

– большой палец руки, находящийся под углом в 90 градусов по отношению к другим пальцам ладони, укажет направление воздействия искомой силы.

Подведем итог

В заключении необходимо отметить: электрическое и магнитное поля существенно отличаются друг от друга. Но это не мешает им тесно взаимодействовать, оставаясь составными частями одного целого – электромагнитного поля!

Похожие статьи по теме

period peremennogo toka 300x203

elektrik 300x220

maxresdefault 300x169

%D0%92%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%8B %D0%B4%D0%BB%D1%8F %D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D0%BA%D0%B0 300x221

Поделитесь своим мнением Отменить ответ

Популярное на сайте

%D0%9A%D0%B0%D0%BA %D0%BE%D1%82%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B8%D1%82%D1%8C %D0%A3%D0%97%D0%9E %D0%BE%D1%82 %D0%B4%D0%B8%D1%84%D0%B0%D0%B2%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B0

%D0%90%D0%A1%D0%91 6 %D0%90%D0%A1%D0%912%D0%BB 6 %D0%B4%D0%BE 6 %D0%BA%D0%92

%D0%A0%D0%B5%D0%BC%D0%BE%D0%BD%D1%82 %D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%BE%D0%B9 %D0%BF%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D0%BB%D0%B8

%D0%9F%D1%80%D0%B5%D1%81%D1%81 %D0%BA%D0%BB%D0%B5%D1%89%D0%B8

%D0%A1%D1%85%D0%B5%D0%BC%D0%B0 %D1%81%D0%B1%D0%BE%D1%80%D0%BA%D0%B8 %D1%80%D0%B0%D1%81%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE %D1%89%D0%B8%D1%82%D0%BA%D0%B0

%D0%91%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%BE%D0%BF%D0%BB%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B5 %D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80%D1%8B

%D0%A3%D0%BC%D0%BD%D1%8B%D0%B5 gsm %D1%80%D0%BE%D0%B7%D0%B5%D1%82%D0%BA%D0%B8

Опросы

Наш сайт Все-электричество предоставляет вашему вниманию подробную информацию об электрике. Публикация наших материалов может разрешаться только в том случае если вы укажите ссылку на источник с указанием нашего проекта. Перед использованием нашего проекта рекомендуем прочесть пользовательское соглашение. Вся информация на сайте Все-электричество предоставлена в ознакомительных и познавательных целях. За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.

Источник

Электрическое и магнитное поле: в чем различия

Термином «поле» в русском языке обозначают очень большое пространство однородного состава, например, пшеничное или картофельное.

В физике и электротехнике его используют для описания различных видов материи, например, электромагнитной, состоящей из электрической и магнитной составляющих.

1460361203 jelektricheskoe i magnitnoe pole

Электрический заряд связан с этими формами материи. Когда он неподвижен, то вокруг него всегда есть электрическое поле, а при движении образуется еще и магнитное.

Представление человека о природе электрического (более точное определение — электростатического) поля сложилось на основе исследований опытным путем его свойств, ибо другого метода изучения пока не существует. При этом способе выявлено, что оно воздействует на движущиеся и/или неподвижные электрические заряды с определенной силой. По измерениям ее величины оценивают основные эксплуатационные характеристики.

1460361256 jelektricheskoe pole zarjada

вокруг электрических зарядов (тел или частиц);

при изменениях магнитного поля, как, например, происходит во время перемещения электромагнитных волн.

Изображают его силовыми линиями, которые принято показывать исходящими из положительных зарядов и оканчивающимися на отрицательных. Таким образом, заряды являются источниками электрического поля. По действию на них можно:

выявить наличие поля;

ввести калиброванную величину для измерения его значения.

1460361200 magnitnoe pole

электрические тела и заряды, находящиеся в движении с определённым усилием;

магнитные моменты без учета состояний их движения.

Магнитное поле создается:

прохождением тока заряженных частиц;

суммированием магнитных моментов электронов внутри атомов или других частиц;

при временном изменении электрического поля.

Его тоже изображают силовыми линиями, но они замкнуты по контуру, не имеют начала и конца в противоположность электрическим.

Взаимодействие электрического и магнитного полей

Первое теоретическое и математическое обоснование процессов, происходящих внутри электромагнитного поля, выполнил Джеймс Клерк Максвелл. Он представил систему уравнений дифференциальной и интегральной форм, в которых показал связи электромагнитного поля с электрическими зарядами и протекающими токами внутри сплошных сред либо вакуума.

В своем труде он использовал законы:

Ампера, описывающие протекание тока по проводнику и создание вокруг него магнитной индукции;

Фарадея, объясняющего возникновение электрического тока от воздействия переменного магнитного поля на замкнутый проводник.

1460361287 jelektricheskoe i magnitnoe pole

1460361250 peremennyjj potok magnitnogo polja

Труды Максвелла определили точные соотношения между проявлениями электрических и магнитных полей, зависящих от распределенных в пространстве зарядов.

1460361279 izobrazhenie jelektromagnitnogo polja

После публикации работ Максвелла прошло уже много времени. Ученые постоянно изучают проявления опытных фактов между электрическими и магнитными полями, но даже сейчас не особо получается выяснить их природу. Результаты ограничиваются чисто практическим применением рассматриваемых явлений.

Объясняется это тем, что с нашим уровнем знаний можно только строить гипотезы, ибо пока мы способны лишь предполагать что-то. Ведь природа обладает неисчерпаемыми свойствами, которые еще предстоит много и длительно изучать.

Сравнительная характеристика электрического и магнитного полей

Взаимную связь между полями электричества и магнетизма помогает понять очевидный факт: они не обособленны, а связаны, но могут проявляться по-разному, являясь единым целым — электромагнитным полем.

Читайте также:  органайзер на стену в ванную комнату

Если представить, что в какой-то точке пространства создано неоднородное поле электрического заряда, неподвижное относительно поверхности Земли, то определить вокруг него магнитное поле в состоянии покоя не получится.

1460361249 jelektricheskoe i magnitnoe pole po

Если же наблюдатель начнет перемещаться относительно этого заряда, то поле станет меняться по времени и электрическая составляющая образует уже магнитную, которую сможет увидеть своими измерительными приборами настойчивый исследователь.

Аналогичным образом эти явления проявятся тогда, когда на какой-то поверхности расположен неподвижный магнит, создающий магнитное поле. Когда наблюдатель станет перемещаться относительно него, то он обнаружит появление электрического тока. Этот процесс описывает явление электромагнитной индукции.

Поэтому говорить о том, что в рассматриваемой точке пространства имеется только одно из двух полей: электрическое или магнитное, не имеет особого смысла. Этот вопрос надо ставить применительно к системе отсчета:

Другими словами, система отсчета влияет на проявление электрического и магнитного поля таким же образом, как рассматривание пейзажей сквозь светофильтры различных оттенков. Изменение цвета стекол влияет на наше восприятие общей картинки, но, оно, даже если принять за основу естественный свет, создаваемый проходом солнечных лучей через воздушную атмосферу, не даст истинной картины в целом, исказит ее.

Значит, система отсчета является одним из способов изучения электромагнитного поля, позволяет судить о его свойствах, конфигурации. Но, она не обладает абсолютной значимостью.

Индикаторы электромагнитных полей

Электрически заряженные тела используют в качестве индикаторов, указывающих на наличие поля в определенном месте пространства. Ими, для наблюдения электрической составляющей, могут использоваться наэлектризованные мелкие кусочки бумаги, шарики, гильзы, «султаны».

1460361284 issledovanie jelektrostaticheskogo polja

Рассмотрим пример, когда по обе стороны плоского наэлектризованного диэлектрика расположены на свободном подвесе два индикаторных шарика. Они будут одинаково притягиваться к его поверхности и вытянутся в единую линию.

На втором этапе между одним из шариков и наэлектризованным диэлектриком поместим плоскую металлическую пластину. Она не изменит действующие на индикаторы силы. Шарики не поменяют свое положение.

Третий этап эксперимента связан с заземлением металлического листа. Сразу только как это произойдет, индикаторный шарик, расположенный между наэлектризованным диэлектриком и заземленным металлом, изменит свое положение, сменив направление на вертикальное. Он перестанет притягиваться к пластине и будет подвержен только гравитационным силам тяжести.

Этот опыт показывает, что заземленные металлические экраны блокируют распространение силовых линий электрического поля.

В этом случае индикаторами могут выступать:

замкнутый контур с протекающим по нему электрическим током;

магнитная стрелка (пример с компасом).

1460361219 stalnye opilki

Принцип распределения опилок из стали вдоль магнитных силовых линий является наиболее распространенным. Он же заложен в работу магнитной стрелки, которая, для уменьшения противодействия сил трения, закрепляется на остром наконечнике и этим получает дополнительную свободу для вращения.

Законы, описывающие взаимодействия полей с заряженными телами

Прояснению картины процессов, происходящих внутри электрических полей, послужили опытные работы Кулона, осуществляемые с точечными зарядами, подвешенными на тонкой и длинной нити из кварца.

1460361276 opyty kulona

Когда к ним приближали заряженный шарик, то последний влиял на их положение, заставляя отклоняться на определенную величину. Это значение фиксировалось на лимбе шкалы специально сконструированного прибора.

Таким способом были выявлены силы взаимного действия между электрическими зарядами, называемые электрическим, Кулоновским взаимодействием. Они описаны математическими формулами, позволяющими проводить предварительные расчеты проектируемых устройств.

1460361257 zakon kulona

Здесь хорошо работает закон, описанный Ампером на основе взаимодействия проводника с током, размещенного внутри магнитных силовых линий.

1460361279 zakon ampera

Для направления действия силы, осуществляющей воздействие на проводник с протекающим по нему током, применяют правило, использующее расположение пальцев на левой руке. Четыре соединенных вместе пальца необходимо расположить по направлению тока, а силовые линии магнитного поля должны входить в ладонь. Тогда оттопыренный большой палец укажет направление действия искомой силы.

Графические изображения полей

Для их обозначения на плоскости чертежа используются силовые линии.

Для обозначения линий напряженности в этой ситуации используют потенциальное поле, когда имеются неподвижные заряды. Силовая линия выходит из положительного заряда и направляется в отрицательный.

Примером моделирования электрического поля может служить вариант размещения кристаллов хинина в масле. Более современным способом считается использование компьютерных программ графических проектировщиков.

Они позволяют создавать изображения эквипотенциальных поверхностей, судить о численном значении электрического поля, анализировать различные ситуации.

1460361200 modelirovanie jelektricheskogo polja

У них для наглядности отображения применяются линии, характерные для вихревого поля, когда они замкнуты единым контуром. Приведенный ранее пример со стальными опилками наглядно отображает это явление.

Их принято выражать векторными величинами, имеющими:

определённое направление действия;

значение силы, рассчитываемое по соответствующей формуле.

Вектор напряженности электрического поля у единичного заряда можно представить в форме трехмерного изображения.

1460361282 naprjazhennost jelektricheskogo polja

направлена от центра заряда;

имеет размерность, зависящую от способа вычисления;

определяется бесконтактным действием, то есть на расстоянии, как отношение действующей силы к заряду.

Напряженность, возникающую в катушке, можно рассмотреть на примере следующей картинки.

1460361191 naprjazhennost magnitnogo polja katushki

Силовые магнитные линии в ней от каждого витка с внешней стороны имеют одинаковое направление и складываются. Внутри межвиткового пространства они направлены встречно. За счет этого внутреннее поле ослаблено.

На величину напряженности влияют:

сила проходящего по обмотке тока;

количество и плотность намотки витков, определяющих осевую длину катушки.

Повышенные токи увеличивают магнитодвижущую силу. Кроме того, в двух катушках с равным числом витков, но разной плотностью их намотки, при прохождении одного и того же тока эта сила будет выше там, где витки расположены ближе.

Таким образом, электрическое и магнитное поля имеют совершенно определенные отличия, но являются взаимосвязанными составляющими единого общего — электромагнитного.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Магнит чувствует электрическое поле

А. П. Пятаков,
кандидат физико-математических наук
А. К. Звездин,
доктор физико-математических наук
«Химия и жизнь» №5, 2013

Куда ни кинь взгляд, всюду — магнит. Когда-то школьникам рассказывали только про компас, позже — про применение в промышленности, в последнее время заговорили о будущем поезде на магнитной подвеске. Хотя можно было бы сказать, что любой электродвигатель и любой трансформатор — электромагнит. Сегодня убедить читателя в важности магнитов стало проще: достаточно сказать, что магнит почти наверняка есть у него дома (на дверце холодильника и в микроволновке), в кармане (в сотовом), десятки магнитов — в компьютере и автомобиле. В промышленности и медицине их вообще не счесть, и физика элементарных частиц без них не обходится — они стоят и по всему периметру ускорительного кольца, и в большинстве детекторов элементарных частиц.

Есть постоянные магниты, есть электромагниты. Постоянные имеют один большой плюс — не потребляют энергию, и несколько минусов — их поле нельзя регулировать (а если можно, то медленно — механически перемещая), и оно не может быть очень сильным. Электромагниты свободны от этих недостатков, но зато у них есть тот, которого нет у постоянных магнитов, — они потребляют энергию, и много потребляют. Иногда говорят, что проблему решают электромагниты со сверхпроводящими обмотками, как у Токамака. Но, во-первых, ни жидкого гелия, ни жидкого азота на Земле из озера не зачерпнешь, а во-вторых, магнитное поле таких электромагнитов тоже трудно регулировать.

Возникает идея: скрестить электрическое и магнитное поле, найти вещество или создать материал, при помещении которого в электрическое поле он становится магнитом, а в магнитном поле, наоборот, проявляет электрические свойства. О таких веществах рассказывается в статье А. П. Пятакова и А. К. Звездина из Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова и Института общей физики им. А. М. Прохорова.

Читайте также:  что постелить на неровный пол под линолеум

Переменный постоянный магнит

Магнитные и электрические явления известны с античных времен, но связать их между собой удалось намного позже, уже после работ классиков электромагнетизма: Эрстеда, Ампера, Фарадея, Максвелла. Вслед за Ампером магнитные свойства постоянных магнитов стали объяснять «молекулярными» токами, текущими внутри вещества в каждой молекуле. Хотя природа молекулярных токов долгое время оставалась непонятой, сама возможность вечного движения зарядов внутри вещества казалась многообещающей (такая возможность реализуется и в сверхпроводниках, но при низких температурах). Если бы с помощью электрического поля удалось воздействовать на молекулярные токи, то можно было бы управлять постоянными магнитами практически без потерь энергии.

magnets pole 2 600

Слева направо: Пьер Кюри (1859–1906), Бернард Теллеген (1900–1990), Л. Д. Ландау (1908–1968) (справа) и Е. М Лифшиц (1915–1985), И. Е. Дзялошинский (слева) и Д. Н. Астров, Джордж Радо, Г. А. Смоленский (1910–1986)

В 1884 году французский физик Пьер Кюри высказал мысль, что существование таких молекул и веществ, которые намагничивались бы под действием электрического поля, не противоречит известным законам. Американский инженер-электроник Бернард Теллеген позже предложил создать композит — магнитоэлектрическую среду в виде взвеси, где плавали бы частицы, представлявшие собой магнитики, сцепленные с кусочками электрета. А электрет — это вещество, которое можно «зарядить» внешним электрическим полем, и оно после этого долго, например годы, создает вокруг себя электрическое поле, как магнит — магнитное. Электретами являются многие хорошие диэлектрики, однако материалы, сочетающие в себе свойства и электрета и магнита, ни найдены, ни созданы не были. Хотя название для них придумали — «магнитоэлектрики».

Дело сдвинулось с мертвой точки, когда Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц указали, что магнитоэлектрики надо искать среди антиферромагнетиков, то есть кристаллов, состоящих из противоположно намагниченных подрешеток (рис. 1). И. Е. Дзялошинский назвал в 1959 году конкретное соединение — Cr2O3, и через год магнитоэлектрический эффект в этом материале был обнаружен Д. Н. Астровым. За несколько лет до того американские ученые в группе профессора Джорджа Радо пытались обнаружить магнитоэлектрические свойства у различных веществ, но поиски оказались безрезультатными, поскольку они не знали о работах Ландау, Лифшица и Дзялошинского — переводы книг и статей выходили с задержкой. Узнав об открытии Астрова, они продемонстрировали на Cr2O3 и обратный эффект — электрическую поляризацию, наводимую магнитным полем.

magnets pole 1 600

Рис. 1. Антиферромагнетизм. Идею антиферромагнитного упорядочения предвосхитили рисунки Мориса Эшера, например «День и ночь» (а), в соседних узлах кристаллической ячейки магнитные стрелки (моменты) ионов направлены противоположно (б)

В это же время в ленинградском Физико-техническом институте, в группе Г. А. Смоленского, вели поиск магнитных сегнетоэлектриков. Обычный сегнетоэлектрик — это вещество, которое само по себе, без участия внешнего воздействия, создает и внутри себя, и снаружи электрическое поле, то есть в некотором смысле электрический аналог постоянного магнита. А магнитный сегнетоэлектрик — материал, в котором бы при отсутствии внешних полей наблюдались бы и намагниченность, и электрическая поляризация. Предполагалось замещение магнитными элементами ионов в уже известных сегнетоэлектриках, и первый «сегнетомагнетик» (или «мультиферроик», как теперь называют эти материалы) получился «сложносочиненным», это был твердый раствор (1–x)Pb(Fe2/3W1/3)O3 — xPb(Mg1/2W1/2)O3.

Сегнетомагнетики и мультиферроики: термины-химеры

На свое несчастье
Духов я призвал.
И. В. Гёте, «Ученик чародея»

magnets pole 11 300

Многие привычные слова представляют собой подобие мифологической химеры — животного с головой льва, туловищем козы и хвостом змеи. Так слово «автобус» получилось соединением частей слов «автомобиль» и «омнибус» (от лат. omnibus — всем, для всех). Похожим образом термин «сегнетомагнетик» составлен из двух слов «сегнетоэлектрик» и «ферромагнетик». Слово «сегнетоэлектрик» происходит от первого обнаруженного вещества, в котором существует поляризация в отсутствие электрического поля (спонтанная электрическая поляризация), — сегнетовой соли, названной по имени французского аптекаря Сеньета (Seignette). А есть и другое чудо — вещества, в которых при понижении температуры кристалл, оставаясь целым, разбивается на домены — области с разной ориентацией кристаллической решетки (это называется структурным фазовым переходом). Таким образом, слово «сегнетомагнетик» уже представляет собой довольно странный гибрид, но еще более «химеричен» термин «мультиферроик».

magnets pole 12 225

Химера античной мифологии

В англоязычной научной литературе названия всех этих трех классов веществ начинаются с приставки «ферро»: ferromagnetics, ferroelastics, ferroelectrics, хотя железо здесь ни при чем. Это не помешало, однако, в середине прошлого века японскому ученому Кейчиро Айдзу назвать все три класса общим термином «ferroics» — ферроики. Похожая история произошла в английском языке: кусочек от «омнибуса» перекочевал в «автобус», а потом bus стал самостоятельным словом, означающим кроме автобуса еще и канал передачи данных.

В случае ферроиков история имела продолжение: в начале девяностых годов прошлого века из бутылки был выпущен новый джинн — термин «мультиферроик» (от лат. multi — много) — для обозначения вещества, которое одновременно принадлежит хотя бы двум классам ферроиков. В начале нашего столетия, когда появились новые среды с магнитными и электрическими свойствами, это слово неожиданно быстро завоевало признание и вытеснило «сегнетомагнетик», так что сам создатель неологизма, швейцарский ученый Ганс Шмид, когда речь заходит о придуманном им термине, вспоминает стихотворение Гёте, отрывок из которого приведен в качестве эпиграфа.

Перемешать или прослоить?

Позже нашли и более простые соединения, а особенно интересным оказался феррит висмута BiFeO3 (рис. 2). Большинство его замечательных свойств — следствие отличий от идеальной кубической структуры. Вращение кислородных октаэдров (рис. 2а) приводит к тому, что в этом антиферромагнетике магнитные стрелки соседних ионов уже не строго противоположны, образуя угол меньше 180 градусов. В результате они не полностью компенсируют друг друга, и появляется общая намагниченность кристалла (такие материалы называют слабыми ферромагнетиками). Электрические и магнитоэлектрические свойства обусловлены смещением ионов вдоль главной диагонали куба, а также искажениями октаэдра (рис. 2б). Кристалл феррита висмута способен также растягиваться в лучах света (рис. 2в) и превращаться в полупроводниковый диод под действием электрического поля (рис. 2г). Последнее превращение происходит из-за кислородных вакансий — заряженных дефектов, которые изменяют тип проводимости.

magnets pole 3 600

Рис. 2. Кристаллическая структура феррита висмута: в центрах кубов находятся ионы железа, в вершинах — ионы висмута, в центрах граней — ионы кислорода: вращение кислородных октаэдров (а), смещение ионов вдоль диагонали куба и вызванное им искажение октаэдров — смещения ионов показаны стрелками (б), электрострикция в феррите висмута — растяжение образца под действием светового излучения, под стоваттной лампой относительное удлинение составляет около тысячной процента, что не так уж и мало для твердого тела (в), образование p-n перехода под действием электрического поля в результате перемещения кислородных вакансий (г)

Таких «высокотемпературных» магнитоэлектриков, как феррит висмута, совсем немного, едва ли больше десятка, да и те имеют существенный недостаток — заметную проводимость при комнатной температуре. Это сводит на нет главное достоинство магнитоэлектрического способа получения магнитного поля — при приложении электрического поля в таком веществе начнет протекать ток, а значит, расход энергии становится ощутимым. Поэтому в 70-х годах прошлого столетия были предприняты первые попытки создать искусственные композиционные магнитоэлектрические среды в виде смеси двух порошков (рис. 3а): магнитострикционные частички изменяли форму в магнитном поле, они воздействовали на частички пьезоэлектрика, а те, в свою очередь, при деформации электрически поляризовались.

Читайте также:  автомобильный багажник на крышу атлант

magnets pole 4 600

Идея была замечательная, но эффект оказался малым и нестабильным. При перемешивании получались комки и сгустки, а образование каналов из проводящих магнитострикционных частиц приводило к «короткому замыканию» образца, а значит, и к отсутствию электрического напряжения. Тогда возникла идея «слоеного пирога» или сэндвича из магнитострикционного и пьезоэлектрического материалов, склеенных вместе (рис. 3б). Проводящие каналы теперь не образовывались, и магнитоэлектрический эффект стал в 50 раз больше, чем в Cr2O3. С помощью датчиков на сэндвич-структурах удавалось измерить магнитные поля в миллион раз меньшие, чем поле Земли, — такие создает наше сердце, перегоняя кровь по сосудам.

Когда структура влияет на свойства

Новый этап в создании композиционных материалов наступил с приходом современных технологий: теперь искусственные магнитоэлектрики изготавливают на чипах в виде пленок со столбчатыми наноструктурами (рис. 3в). Сэндвич-структуры в нанопленочном исполнении работают плохо — сцепление с подложкой-чипом не дает им свободно деформироваться, а столбики легко сжимаются и растягиваются в вертикальном направлении. Вдобавок такие структуры не надо было создавать специально, они «самоорганизуются» при одновременном осаждении на подложку двух веществ: магнитострикционного, например шпинели CoFe2O4, и пьезоэлектрического, например титаната бария BaTiO3 или феррита висмута BiFeO3. Изменяя кристаллографическую ориентацию подложки, можно выращивать как магнитострикционные столбики в пьезоэлектрической матрице, так и пьезоэлектрические столбики в магнитострикционной матрице (рис. 4).

magnets pole 5 600

Рис. 4. Строение нанокомпозита зависит от кристаллографической ориентации плоскости подложки: подложка с ориентацией(001) (а), подложка с ориентацией (111) (б); кубики соответствуют кристаллам пьезоэлектрика, октаэдры — кристаллам магнитострикционного материала

Что же вынуждает две фазы осаждаться таким образом? То же самое явление, которое заставляет капельку воды расплываться на чистом стекле и скатываться в шарик на поверхности, натертой воском, — поверхностное натяжение. Если подложка вырезана перпендикулярно кристаллографическому направлению [001] (то есть оси z системы координат), то вещество магнитострикционного материала не смачивает поверхность, собираясь в капли, которые потом вырастают в столбики, в то время как пьезоэлектрическая фаза смачивает подложку и обволакивает столбики, образуя матрицу. На подложке (111) всё происходит наоборот: внутри магнитострикционной матрицы растет столбчатая структура из пьезоэлектрика.

Когда характерные размеры наноструктур составляют несколько межатомных расстояний, фазы композита начинают влиять на внутреннее строение и свойства друг друга. Если слои титаната бария перемежать магнитным материалом с похожей кристаллической структурой, например манганита лантана с замещением кальцием La0.7Ca0.3MnO3, то получается искусственная магнитоэлектрическая среда: благодаря близкому соседству кристаллические структуры двух материалов подвергаются взаимным искажениям, что приводит к взаимодействию электрической и магнитной подсистем. То есть удалось не только создать наноструктурированный материал, но и осуществлять инженерию на атомном уровне, изменяя сами свойства веществ-компонентов.

А как же первоначальная идея Кюри о магнитоэлектрических молекулах? Ее можно реализовать в органических молекулярных нанокластерах Dy3, в которых магнитными атомами являются три атома диспрозия, образующие правильный треугольник (рис. 5а). В состоянии молекулы с наименьшей энергией (в основном состоянии) магнитные стрелки (моменты) ионов диспрозия ориентированы параллельно противолежащей стороне треугольника (рис. 5а). Если бы магнитных ионов было больше (как, например, в недавно синтезированном кластере Dy6), они бы образовали «карусель» из магнитных моментов (рис. 5б). Такое упорядочение называют «тороидным», поскольку круговой электромагнит можно создать, намотав провод на магнитный сердечник в форме бублика (тора). Структуры с тороидным упорядочением, следуя традиции обозначать любое упорядочение словом «ферро», называют «ферротороиками». Они обладают магнитоэлектрическим эффектом — приложение магнитного поля вызывает перераспределение магнитных моментов: число ионов, у которых магнитные моменты направлены по магнитному полю, возрастает. Смещение магнитных ионов влечет перераспределение зарядов, так что возникает электрическая поляризация. Однако с равной вероятностью реализуются и состояния молекулы, в которых магнитные моменты направлены по часовой стрелке, и состояния с направлением моментов против часовой стрелки, а в этих случаях магнитоэлектрический эффект будет противоположным. Так что остается проблема, как получать тороидные структуры с одним направлением вращения магнитных моментов.

magnets pole 6 600

Рис. 5. Органический молекулярный нанокластер на основе редкоземельных ионов: взаимная ориентация магнитных моментов катионов диспрозия (а); при тороидном упорядочении магнитных моментов во внешнем магнитном поле H помимо намагниченности наводится электрическая поляризация P (б); для сравнения — тороидальный электромагнит (в центре)

Из монитора память не получится

Идея Теллегена о композите, состоящем из магнитоэлектрических частиц, которые вращаются в жидкости, была реализована с появлением первой модели электронных чернил — гирикона (от греч. «вращающееся изображение»). Гирикон — полимерная среда, в которую внедрены двухцветные сферические частицы из полиэтилена, вращающиеся внутри полостей с жидкостью (рис. 6). Полусферы частицы отличались не только цветом, но и электрическим зарядом. Поэтому их можно было ориентировать, прикладывая электрическое поле, и на белом фоне появлялись черные буквы. Когда же в частицы ввели магнитные примеси, электрическое поле стало управлять намагниченностью системы. Однако на вращение уходило около секунды, поэтому возникла идея «омагнитить» не электронную бумагу, а главную составляющую другого типа дисплеев — жидкие кристаллы.

magnets pole 7 600

В жидких кристаллах нематиках (от греч. «нить») продолговатые молекулы располагаются вдоль одного направления (рис. 7а). Жидкокристаллические мониторы работают благодаря свойству молекул нематика ориентироваться вдоль поля (рис. 7б), но если примешать к жидкому кристаллу магнитные наностолбики, то они будут поворачиваться вместе с молекулами. Получился магнитный материал, управляемый с помощью электрического поля, причем он откликался на изменение электрического поля намного быстрее — частота переключения составляла килогерцы.

magnets pole 8 450

Рис. 7. Жидкий кристалл с магнитными наностолбиками: в отсутствие электрического напряжения (а), при включении напряжения (б)

Это уже быстрее, но гирикон и жидкокристаллическая ячейка ни по размерам, ни по быстродействию не могут соперничать с элементами полупроводниковых микросхем, а значит, для устройств магнитной памяти не годятся. Вместо жидкого кристалла в устройствах магнитной памяти между электродами предлагали помещать слой твердотельного магнитоэлектрика, однако из-за малочисленности высокотемпературных магнитоэлектриков и больших токов утечки магнитоэлектрическая память пока еще далека от реализации.

«Умная пыль» собирает энергию

Миниатюризация электронных устройств — путь к созданию беспроводных сенсорных сетей, состоящих из множества датчиков, способных собирать, обрабатывать информацию и обмениваться ею между собой. Такие структуры иногда называют «умная пыль». Наиболее очевидные области применения — экологический и медицинский мониторинг, охранные системы. Но датчикам нужно питание, а с ним проблемы: если датчик находится внутри объекта (например, во вращающейся детали или в теле человека), то провод к нему не подведешь, батарейки недостаточно миниатюрны и долговечны, а солнечные батареи в темноте бесполезны.

magnets pole 9 600

magnets pole 10 300

Для электропитания имплантатов в медицине, автономных датчиков, а также средств связи и мобильной электроники лучше использовать механическое движение или вибрации, например колебания упругой пластинки (в современных микромеханике и нанотехнологиях такие пластинки называют кантилеверами) из пьезоэлектрического материала (рис. 9а). Когда кантилевер, изготовленный из магнитоэлектрического композиционного материала, колеблется в магнитном поле Земли, магнитострикционный слой испытывает дополнительные деформации, которые передаются пьезоэлектрическому слою, и в результате амплитуда переменного напряжения достигает десятка вольт. Такое устройство предлагается использовать на подводных аппаратах и буях, где всегда есть океанские волны и магнитное поле Земли.

Проблема взаимосвязи магнитных и электрических явлений в твердом теле чрезвычайно многогранна, и в этой статье показаны лишь некоторые ее стороны. Эта область науки сейчас активно развивается, остается много непонятного, и неизвестные эффекты ждут своих первооткрывателей.

Источник

Оцените статью
Мой дом
Adblock
detector