Значение eоб > 0 соответствует параллельной ориентации атомных магнитных моментов, то есть самопроизвольной (спонтанной) намагниченности тел (ферромагнетиков). При eоб < 0 имеет место тенденция к антипараллельной ориентации соседних магнитных моментов, характерной для атомной магнитной структуры антиферромагнетиков. Изложенное позволяет провести следующую физическую классификацию М. веществ.
I. Магнетизм слабовзаимодействующих частиц (eвз << mв Н или eвз << кТ )
А. Преобладание диамагнетизма. К веществам с диамагнитными свойствами относятся: а) все инертные газы, а также газы, атомы или молекулы которых не имеют собственного результирующего магнитного момента. Их магнитная восприимчивость отрицательна и очень мала по абсолютной величине [молярная восприимчивость c ~ —(10-7 —10-5 )]; от температуры она практически не зависит; б) органические соединения с неполярной связью, в которых молекулы или радикалы либо не имеют магнитного момента, либо парамагнитный эффект в них подавлен диамагнитным; у этих соединений c ~ —10-6 и также практически не зависит от температуры, но обладает заметной анизотропией (см. Магнитная анизотропия ); в) вещества в конденсированных фазах — жидкой и кристаллической: некоторые металлы (Zn, Au, Hg и другие); растворы, сплавы и химические соединения (например, галоиды) с преобладанием диамагнетизма ионных остовов (ионы, подобные атомам инертных газов, — Li+ , Be2+ , A13+ , Cl- и т.п.). М. этой группы веществ похож на М. «классических» диамагнитных газов.
Б. Преобладание парамагнетизма характерно: а) для свободных атомов, ионов и молекул, обладающих результирующим магнитным моментом. Парамагнитны газы O2 , NO, пары щелочных и переходных металлов. Восприимчивость их c> 0 мала по величине (~ 10-3 —10-5 ) и при не очень низких температурах и не очень сильных магнитных полях (mв Н/кТ << 1) не зависит от поля, но существенно зависит от температуры, для c имеет место Кюри закон c = С/Т, где С — постоянная Кюри; б) для ионов переходных элементов в жидких растворах, а также в кристаллах при условии, что магнитно-активные ионы слабо взаимодействуют друг с другом и их ближайшее окружение в конденсированной фазе слабо влияет на их парамагнетизм. При условии mв Н/кТ << 1 их восприимчивость не зависит от Н, но зависит от Т — имеет место Кюри — Вейса закон c = C’/(T — D), где C’ и D — константы вещества; в) для ферро- и антиферромагнитных веществ выше точки Кюри q.
II. Магнетизм электронов проводимости в металлах и полупроводниках
А. Парамагнетизм электронов проводимости в металлах (спиновый парамагнетизм) наблюдается у щелочных (Li, К, Na и другие), щёлочноземельных (Ca, Sr, Ba, Ra) и переходных металлов (Pd, Pt), а также у металлов Sc, Ti, V. Восприимчивость их мала (c ~ 10-5 ), не зависит от поля и слабо меняется с температурой. У ряда металлов (Cu, Ag, Au и других) этот парамагнетизм маскируется более сильным диамагнетизмом ионных остовов.
Б. Диамагнетизм электронов проводимости в металлах (Ландау диамагнетизм ) присущ всем металлам, но, как правило, его маскирует либо более сильный спиновый электронный парамагнетизм, либо диа- или парамагнетизм ионных остовов.
В. Пара- и диамагнетизм электронов проводимости в полупроводниках. По сравнению с металлами в полупроводниках мало электронов проводимости, но число их растет с повышением температуры; c в этом случае также зависит от Т.
Г. М. сверхпроводников обусловлен электрическими токами, текущими в тонком поверхностном слое толщиной ~10-5 см. Эти токи экранируют толщу сверхпроводника от внешних магнитных полей, поэтому в массивном сверхпроводнике при Т< Tk магнитное поле равно нулю (Мейснера эффект ).
III. Магнетизм веществ с атомным магнитным порядком (eвз >> mв Н или eвз >> кТ )
А. Ферромагнетизм имеет место в веществах с положительной обменной энергией (eоб > 0): кристаллах Fe, Со, Ni, ряде редкоземельных металлов (Gd, Tb, Dy, Но, Er, Tm, Yb), сплавах и соединениях с участием этих элементов, а также в сплавах Сг, Mn и в соединениях урана. Для ферромагнетизма характерна самопроизвольная намагниченность при температурах ниже точки Кюри q, при T > q ферромагнетики переходят либо в парамагнитное, либо в антиферромагнитное состояние (последний случай наблюдается, например, в некоторых редкоземельных металлах). Однако из опыта известно, что в отсутствии внешнего поля ферромагнитные тела не обладают результирующей намагниченностью (если исключить вторичное явление остаточной намагниченности). Это объясняется тем, что при Н = 0 ферромагнетик разбивается на большое число микроскопических областей самопроизвольного намагничивания (доменов ). Векторы намагниченности отдельных доменов ориентированы так, что суммарная намагниченность ферромагнетика равна нулю. Во внешнем поле доменная структура изменяется, ферромагнитный образец приобретает результирующую намагниченность (см. Намагничивание ).
Б. Антиферромагнетизм имеет место в веществах с отрицательной обменной энергией (eоб < 0): кристаллах Cr и Mn, ряде редкоземельных металлов (Ce, Рг, Nd, Sm, Eu), а также в многочисленных соединениях и сплавах с участием элементов переходных групп.
В магнитном отношении кристаллическая решётка этих веществ разбивается на так называемые магнитные подрешётки, векторы самопроизвольной намагниченности J ki которых либо антипараллельны (коллинеарная антиферромагнитная связь), либо направлены друг к другу под углами, отличными от 0° и 180° (неколлинеарная связь, см. Магнитная структура ). Если суммарный момент всех магнитных подрешёток в антиферромагнетике равен нулю, то имеет место скомпенсированный антиферромагнетизм; если же имеется отличная от нуля разностная самопроизвольная намагниченность, то наблюдается нескомпенсированный антиферромагнетизм, или ферримагнетизм , который реализуется главным образом в кристаллах окислов металлов с кристаллической решёткой типа шпинели , граната , перовскита и других минералов (их называют ферритами ). Эти тела (обычно полупроводники и изоляторы) по магнитным свойствам похожи на обычные ферромагнетики. При нарушении компенсации магнитных моментов в антиферромагнетиках из-за слабого взаимодействия между атомными носителями М. возникает очень малая самопроизвольная намагниченность веществ (~ 0,1% от обычных значений для ферро- и ферримагнетиков). Такие вещества называются слабыми ферромагнетиками (например, гематит a-Fe2 O3 , карбонаты ряда металлов, ортоферриты и др.).
Магнитное состояние ферро- или антиферромагнетика во внешнем магнитном поле Н определяется, помимо величины поля, ещё и предшествующими состояниями магнетика (магнитной предысторией образца). Это явление называется гистерезисом . Магнитный гистерезис проявляется в неоднозначности зависимости J от Н (в наличии петли гистерезиса). Благодаря гистерезису для размагничивания образца оказывается недостаточным устранить внешнее поле, при Н = 0 образец сохранит остаточную намагниченность J r . Для размагничивания образца нужно приложить обратное магнитное поле H c , которое называется коэрцитивной силой . В зависимости от значения Hc различают магнитно-мягкие материалы (H c < 800 а/м, или 10 э ) и магнитно-твёрдые, или высококоэрцитивные, материалы (Hc > 4 ка/м, или 50 э ). J r и H c зависят от температуры и, как правило, убывают с её повышением, стремясь к нулю с приближением Т к q.
Кроме М. атомных частиц и веществ, современное учение о магнитных явлениях включает М. небесных тел и космической среды. Рассмотрению связанных с этим вопросов посвящены статьи: Земной магнетизм , Солнечный магнетизм , Магнитные звёзды , Межзвёздное магнитное поле , Космические лучи , а также Магнитное поле , Магнитная гидродинамика и другие.
Магнетизм в науке и технике. Основными научными проблемами современного учения о М. является выяснение природы обменного взаимодействия и взаимодействий, обусловливающих анизотропию в различных типах магнитоупорядоченных кристаллов; спектров элементарных магнитных возбуждений (магнонов ) и механизмов их взаимодействия между собой, а также с фононами (квантами колебаний кристаллической решётки). Важной проблемой остаётся создание теории перехода из парамагнитного в ферромагнитное состояние. Исследование М. веществ широко применяется в различных областях науки как средство изучения химических связей и структуры молекул (магнетохимия ). Изучение диа- и парамагнитных свойств газов, жидкостей, растворов, соединений в твёрдой фазе позволяет разобраться в деталях физических и химических процессов, протекающих в этих телах, и в их структуре. Изучение магнитных динамических характеристик (пара-, диа- и ферромагнитный, электронный и ядерный резонансы и релаксации) помогает понять кинетику многих физических и физико-химических процессов в различных веществах (см. Магнитный резонанс ). Интенсивно развивается магнитобиология .
К важнейшим проблемам М. космических тел относятся: выяснение происхождения магнитных полей Земли, планет, Солнца, звёзд (в частности, пульсаров ), внегалактических радиоисточников (радиогалактик , квазаров и др.), а также роли магнитных полей в космических процессах.
Основные технические применения М. находит в электротехнике, радиотехнике, электронике, приборостроении, электронных счётно-решающих устройствах, морской, авиационной и космической навигации, геофизических методах разведки полезных ископаемых, автоматике и телемеханике. В технике широкое применение нашли также магнитная дефектоскопия и магнитные методы контроля. Магнитные материалы идут на изготовление магнитопроводов генераторов, моторов, трансформаторов, реле, магнитных усилителей, элементов магнитной памяти, стрелок компасов, лент магнитной записи и так далее.
История учения о магнетизме. Первые письменные свидетельства о М. (Китай) имеют более чем двухтысячелетнюю давность. В них упоминается о применении естественных постоянных магнитов в качестве компаса. В работах древнегреческих и римских учёных есть упоминание о притяжении и отталкивании естественных магнитов и о намагничивании в присутствии магнита железных опилок (например, у Лукреция в поэме «О природе вещей», 1 век до н. э.). В эпоху средневековья в Европе стал широко применяться магнитный компас (с 12 века), были предприняты попытки экспериментального изучения взаимодействия магнитов разной формы (Пьер Перегрин де Марикур, 1269). Результаты исследований М. в эпоху Возрождения были обобщены в труде У. Гильберта «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» (1600). Гильберт показал, в частности, что Земля — магнитный диполь , и доказал невозможность разъединения двух разноимённых полюсов магнита. Далее учение о М. развивалось в работах Р. Декарта , Ф. Эпинуса , Ш. Кулона . Декарт был автором первой подробной метафизической теории М. и геомагнетизма («Начала философии», часть 4, 1644); он исходил из существования особой магнитной субстанции, обусловливающей своим присутствием и движением М. тел.
В трактате «Опыт теории электричества и магнетизма» (1759) Эпинус подчеркнул тесную аналогию между электрическими и магнитными явлениями. Эта аналогия, как показал Кулон (1785—1789), имеет определённое количественное выражение: взаимодействие точечных магнитных полюсов подчиняется тому же закону, что и взаимодействие точечных электрических зарядов (Кулона закон ). В 1820 Х. Эрстед открыл магнитное поле электрического тока.
В том же году А. Ампер установил законы магнитного взаимодействия токов, эквивалентность магнитных свойств кругового тока и тонкого плоского магнита; М. он объяснял существованием молекулярных токов. В 30-х годах 19 века К. Гаусс и В. Вебер развили математическую теорию геомагнетизма и разработали методы магнитных измерений.
Новый этап в изучении М. начинается с работ М. Фарадея , который дал последовательную трактовку явлений М. на основе представлений о реальности электро-магнитного поля. Ряд важнейших открытий в области электромагнетизма (электромагнитная индукция — Фарадей, 1831; правило Ленца — Э. Х. Ленц , 1833, и др.), обобщение открытых электромагнитных явлений в трудах Дж. К. Максвелла (1872), систематическое изучение свойств ферромагнетиков и парамагнетиков (А. Г. Столетов , 1872; П. Кюри , 1895, и другие) заложили основы современной макроскопической теории М.
Микроскопический подход к изучению М. стал возможен после открытия электронно-ядерной структуры атомов. На основе классической электронной теории Х. А. Лоренца П. Ланжевен в 1905 построил теорию диамагнетизма (он создал также квазиклассическую теорию парамагнетизма). В 1892 Б. Л. Розинг и в 1907 П. Вейс высказали идею о существовании внутреннего молекулярного поля, обусловливающего свойства ферромагнетиков. Открытие электронного спина и его магнетизма (С. Гаудсмит , Дж. Ю. Уленбек , 1925), создание последовательной теории микроскопических явлений — квантовой механики — привело к развитию квантовой теории диа-, пара- и ферромагнетизма. На основе квантовомеханических представлений (пространственного квантования) Л. Бриллюэн в 1926 нашёл зависимость намагниченности парамагнетиков от внешнего магнитного поля и температуры. Ф. Хунд в 1927 провёл сравнение экспериментальных и теоретических значений эффективных магнитных моментов ионов в различных парамагнитных солях, что привело к выяснению влияния электрических полей парамагнитного кристалла на «замораживание» орбитальных моментов ионов — как было установлено, намагниченность кристалла определяется почти исключительно спиновыми моментами (В. Пенни и Р. Шлепп; Дж. Ван Флек, 1932). В 30-х годах была построена квантомеханическая теория магнитных свойств свободных электронов (парамагнетизм Паули, 1927; Ландау диамагнетизм , 1930). Существенное значение для дальнейшего развития теории парамагнетизма имело предсказанное Я. Г. Дорфманом (1923) и затем открытое Е. К. Завойским (1944) явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
Созданию квантовой теории ферромагнетизма предшествовали работы немецкого физика Э. Изинга (1925, двумерная модель ферромагнетиков), Дорфмана (1927, им была доказана немагнитная природа молекулярного поля), В. Гейзенберга (1926, квантовомеханический расчёт атома гелия), В. Гейтлера и Ф. Лондона (1927, расчёт молекулы водорода). В двух последних работах был использован открытый в квантовой механике эффект обменного (электростатического) взаимодействия электронов (П. Дирак , 1926) в оболочке атомов и молекул и установлена его связь с магнитными свойствами электронных систем, подчиняющихся Ферми — Дирака статистике (Паули принципу ). Квантовая теория ферромагнетизма была начата работами Я. И. Френкеля (1928, коллективизированная модель) и Гейзенберга (1928, модель локализованных спинов). Рассмотрение ферромагнетизма как квантового кооперативного явления (Ф. Блох , Дж. Слейтер , 1930) привело к открытию спиновых волн . В 1932—1933 Л. Неель и Л. Д. Ландау предсказали существование антиферромагнетизма. Изучение новых классов магнитных веществ — антиферромагнетиков и ферритов — позволило глубже понять природу М. Была выяснена роль магнитоупругой энергии в происхождении энергии магнитной анизотропии, построена теория доменной структуры и освоены методы её экспериментального изучения.
Развитию М. в значительной мере способствовало создание новых экспериментальных методов исследования веществ. Нейтронографические методы позволили определить типы атомных магнитных структур. Ферромагнитный резонанс, первоначально открытый и исследованный в работах В. К. Аркадьева (1913), а затем Дж. Гриффитса (1946), и антиферромагнитный резонанс (К. Гортер и другие, 1951) позволили начать экспериментальные исследования процессов релаксации магнитной, а также дали независимый метод определения эффективных полей анизотропии в ферро- и антиферромагнетиках.
Ядерный магнитный резонанс (Э. Пёрселл и др., 1945) и Мёссбауэра эффект (1958) значительно углубили наши знания о распределении спиновой плотности в веществе, особенно в металлических ферромагнетиках. Наблюдение рассеяния нейтронов и света позволили для ряда веществ определить спектры спиновых волн. Параллельно с этими экспериментальными работами развивались и различные аспекты теории М.: теория магнитной симметрии кристаллов, ферромагнетизм коллективизированных электронов, теория фазовых переходов II рода и критических явлений , а также модели одномерных и двумерных ферро- и антиферромагнетиков.
Развитие физики магнитных явлений привело к синтезированию новых перспективных магнитных материалов: ферритов для ВЧ и СВЧ-устройств, высококоэрцитивных соединений типа SmCo5 (см. Магнит постоянный ), прозрачных ферромагнетиков и др.
Лит.: Тамм И. Е., Основы теории электричества, 7 издание, М., 1957; Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М., Электродинамика сплошных сред, М., 1959; Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Пайерлс Р. Е., Квантовая теория твердых тел, перевод с английского, М., 1956; Дорфман Я. Г., Магнитные свойства и строение вещества, М., 1955; Киттель Ч., Введение в физику твердого тела, перевод с английского, 2 издание, М., 1962; Вонсовский С. В., Шур Я. С., ферромагнетизм, М. — Л., 1948; Поливанов К. М., ферромагнетики, М. — Л., 1957; Бозорт Р., Ферромагнетизм, перевод с английского, М., 1956; Маттис Д., Теория магнетизма. Введение в изучение кооперативных явлений, перевод с английского, М., 1967; Туров Е. А., физические свойства магнитоупорядоченных кристаллов, М., 1963; Vleck J. Н. van, The theory of electric and magnetic susceptibilities, Oxf., 1932; Backer R., Doring W., Ferromagnetismus, B., 1939; Magnetism, ed. G. T. Rado and Н. Suhl, v. 1, v. 2, pt. A — B, v. 3, v. 4, N. Y., 1963—66; Goodenough J., Magnetism and the chemical bond, N. Y. — L., 1963.
С. В. Вонсовский.
Магнетик
Магне'тик, термин, применяемый ко всем веществам при рассмотрении их магнитных свойств. Разнообразие типов М. обусловлено различием магнитных свойств микрочастиц, образующих вещество, а также характера взаимодействия между ними. М. классифицируют по величине и знаку их магнитной восприимчивости c (вещества с c < 0 называются диамагнетиками , с c > 0 — парамагнетиками , с c >> 1 — ферромагнетиками ). Более глубокая физическая классификация М. основана на рассмотрении природы микрочастиц, обладающих магнитными моментами , их взаимодействия в веществе, а также влияния на М. внешних факторов (подробнее см. Магнетизм ).
Магнетит
Магнети'т (нем. Magnetit, от греч. magnetis — магнит), магнитный железняк, минерал, сложный окисел состава FeO×Fe2 O3 ; содержит 31% FeO, 69% Fe2 O3 ; 72,4% Fe; часто присутствуют примеси MgO, Cr2 O3 , Al2 O3 , MnO, ZnO и др. М. — феррит с кристаллической структурой обращенной шпинели . Кристаллизуется в кубической системе ao = 8,3963 . Обычно образует октаэдрические, реже додекаэдрические кристаллы и зернистые агрегаты. Весьма редко встречается в виде колломорфных агрегатов. В технике широко применяют синтезированный М., обычно его получают синтезом в твёрдой фазе в результате совместного отжига спрессованных порошков окислов FeO и Fe2 O3 при температурах 1000—1400 °С. Излом М. неровный, спайность отсутствует, хрупок, твёрдость по минералогической шкале 5,5—6. Плотность 4800—5300 кг/м3 . Цвет чёрный, блеск полуметаллический, иногда матовый; непрозрачен. Хороший проводник электричества. По магнитным свойствам М. — ферримагнетик ; намагниченность М. определяется разностью магнитных моментов двух магнитных подрешёток: 1) состоящей из ионов Fe2+ и Fe3+ , находящихся в октаэдрических узлах, и 2) состоящей из ионов Fe3+ , находящихся в тетраэдрических узлах (см. Антиферромагнетизм ). При комнатной температуре намагниченность насыщения Js = 4,8×10-2 тл (480 гс ); коэрцитивная сила Hc природного М. зависит от примесей, синтезированного М. — от способа получения. У порошков М. Hc растет при уменьшении размера частиц [у тонких порошков Hc ~ 12—16 ка/м (150—200) э ]. Из порошков изготовляют магнитодиэлектрики . При температурах выше 550—600 °С (выше Кюри точки ) М. теряет ферримагнитные свойства и становится парамагнетиком . Температура плавления М. 1591—1597 °С. При окислении М. переходит в гематит (мартит ). Псевдоморфоза М. по кристаллическому гематиту называется мушкетовитом. При повышенном содержании изоморфных примесей в М. выделяют разновидности: магномагнетит, манганмагнетит, ванадомагнетит, хроммагнетит, алюмомагнетит и другие. В тесном прорастании с ильменитом и другими титановыми минералами (структура распада твёрдых растворов ) входит в состав так называемых титаномагнетитов.
Встречается в месторождениях различного генезиса, однако главные промышленные типы относятся к сложным магматическим, контактово-метасоматическим или регионально-метаморфическим образованиям. В виде акцессорных минералов часто присутствует в магматических, осадочных и метаморфических породах. См. также Железо , Железные руды .
В. М. Григорьев.
Магнето
Магне'то, магнитоэлектрический генератор переменного тока (обычно совмещенный с индукционной катушкой), предназначенный для создания электрических разрядов между электродами свечи зажигания, воспламеняющих рабочую смесь в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания . М. устанавливались в системах зажигания авиационных, тракторных, автомобильных, мотоциклетных и других двигателей; с 60-х годов 20 века практически не применяются.
Магнетокалорический эффект
Магнетокалори'ческий эффе'кт, изменение температуры магнетика при адиабатическом изменении напряжённости магнитного поля Н, в котором находится магнетик. С изменением поляна dH совершается работа намагничивания dА = JdH (J — намагниченность). По первому началу термодинамики dА = dQ — dU, где dQ — сообщенное магнетику количество теплоты (оно равно нулю в условиях адиабатичности), dU — изменение внутренней энергии магнетика. Таким образом, при dQ = 0 работа совершается лишь за счёт изменения внутренней энергии (dA = —dU ), что приводит к изменению температуры магнетика, если его внутренняя энергия зависит от температуры Т. В пара- и ферромагнетиках с ростом Н намагниченность J увеличивается, то есть растет число атомных магнитных моментов (спиновых или орбитальных), параллельных Н . В результате энергия пара- и ферромагнетиков по отношению к полю и их внутренняя энергия обменного взаимодействия уменьшаются. С другой стороны, внутренняя энергия пара- и ферромагнетиков увеличивается с увеличением Т. Поэтому на основании Ле Шателье — Брауна принципа при намагничивании должно происходить нагревание пара- и ферромагнетиков. Для ферромагнетиков этот эффект максимален вблизи точки Кюри, для парамагнетиков М. э. растет с понижением температуры. При адиабатическом уменьшении поля происходит частичное или полное (при выключении поля) разрушение упорядоченной ориентации моментов за счёт внутренней энергии, к охлаждению магнетика (См. Магнитное охлаждение ).
Лит.: Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971.
С. В. Вонсовский.
Магнетон
Магнето'н, единица измерения магнитного момента , принятая в атомной и ядерной физике.
Магнитный момент атомных систем в основном обусловлен движением электронов и их спином и измеряется в магнетонах Бора:
эрг/гс (1)
Здесь — Планка постоянная , е и m — абсолютные величина заряда и масса электрона, с — скорость света.
В ядерной физике магнитные моменты измеряются в ядерных магнетонах, отличающихся от mБ заменой массы электрона m на массу протона М :
эрг/гс (2)
Физический смысл величины mБ легко понять из полуклассического рассмотрения движения электрона по круговой орбите радиуса r со скоростью v. Такая система аналогична витку с током, сила I которого равна заряду, деленному на период вращения: I = ev / 2pr . Согласно классической электродинамике, магнитный момент витка с током, охватывающего площадь S, равен в системе Гаусса (см. СГС система единиц ) m = IS/c = evr / 2c , или m = eMl / 2mc , где Ml = mvr — орбитальный момент количества движения электрона. Если учесть, что по квантовым законам орбитальный момент Ml электрона может принимать лишь дискретные значения, кратные постоянной Планка, Ml = l , где l = 0, 1, 2,..., то получится следующее выражение:
(3)
Таким образом, магнитный момент электрона, находящегося в состоянии с орбитальным моментом Ml , кратен М. Бора. Следовательно, в данном случае mБ играет роль элементарного магнитного момента — «кванта» магнитного момента электрона.
Помимо орбитального момента количества движения Ml , обусловленного вращением, электрон обладает собственным механическим моментом — спином, равным s = 1 /2 (в единицах ). Спиновый магнитный момент ms = 2mБ s , то есть в 2 раза больше величины, которую следовало ожидать на основании формулы (3), но так как s = 1 /2 , то ms электрона также равен М. Бора: ms = mБ . Этот факт непосредственно вытекает из релятивистской квантовой теории электрона, в основе которой лежит Дирака уравнение .
Ядерный М. имеет аналогичный смысл: это магнитный момент, создаваемый движением протона (внутри ядра) с орбитальным моментом l = 1. Однако собственные магнитные моменты ядерных частиц — протона и нейтрона, обладающих, как и электрон, спином 1 /2 , значительно отличаются от тех значений, которые они должны были бы иметь по теории Дирака. Аномальные магнитные моменты этих частиц обусловлены их сильным взаимодействием .
Д. В. Гольцов.
Магнетосопротивление
Магнетосопротивле'ние, магниторезистивный эффект, изменение электрического сопротивления твёрдого проводника под действием внешнего магнитного поля. Различают поперечное М., при котором электрический ток течёт перпендикулярно магнитному полю, и продольное М. (ток параллелен магнитному полю). Причина М. — искривление траекторий носителей тока в магнитном поле. У полупроводников относительное изменение сопротивления Dr/r в 100 — 10 000 раз больше, чем у металлов , и может достигать сотен %. М. относится к группе гальваномагнитных явлений . М. используется для исследования электронного энергетического спектра и механизма рассеяния носителей тока кристаллической решёткой, а также для измерения магнитных полей.
Лит.: Лифшиц И. М., Азбель М. Я., Каганов М. И., Электронная теория металлов, М., 1971; Блатт Ф., Физика электронной проводимости в твердых телах, пер. с англ., М., 1971; Ансельм А. И., Введение в теорию полупроводников, М. — Л., 1962.
Э. М. Эпштейн.
Магнетохимия
Магнетохи'мия, магнитохимия, раздел физической химии, в котором изучается связь между магнитными и химическими свойствами веществ; кроме того, М. исследует влияние магнитных полей на химические процессы. М. опирается на современную физику магнитных явлений (см. Магнетизм ) и кристаллохимию . Изучение связи между магнитными и химическими свойствами позволяет выяснить особенности химического строения вещества. Для этих целей используют как постоянные, так и переменные магнитные поля. В случае переменных полей необходимо различать магнитные явления, происходящие в отсутствие резонансных эффектов, и явления, непосредственно связанные с резонансом. В первом случае изучение магнитных явлений не отличается в принципе от их исследования в постоянных полях. Наблюдаемые же при определённых условиях в переменных (преимущественно высокочастотных) полях специфические эффекты резонансного поглощения веществом электромагнитной энергии потребовали разработки самостоятельных методов исследования (см. Электронный парамагнитный резонанс , Ядерный магнитный резонанс , Ферромагнитный резонанс , Химическая поляризация ядер ).
При образовании химической связи спины валентных электронов приобретают антипараллельную ориентацию, что приводит к взаимной компенсации их магнитных моментов. В силу этого большинство химических соединений обладает диамагнитными свойствами (см. Диамагнетизм ). К диамагнитным веществам относятся, во-первых, ионные соединения (например, NaCl, KCl), у которых электронная структура ионов имитирует электронную структуру атомов благородных газов, и, во-вторых, ковалентные насыщенные неорганические и особенно органические соединения (например, CO2 , CH4 ).
При отсутствии взаимной деформации электронных оболочек диамагнитная восприимчивость соединения аддитивно слагается из восприимчивостей атомов или ионов, входящих в его состав. Сопоставление измеренной на опыте диамагнитной восприимчивости соединения с её значением, вычисленным по аддитивной схеме, позволяет обнаружить деформацию электронных оболочек, связанную с особенностями химического строения. Так, заметное снижение суммарного диамагнетизма органического соединения вызывается наличием в молекуле двойной связи . Ароматическая связь, характеризующаяся движением делокализованных электронов по ароматическому кольцу, приводит, напротив, к значительному увеличению диамагнетизма и к его анизотропии (магнитная восприимчивость c^, измеренная перпендикулярно плоскости ароматического кольца, значительно превышает восприимчивость c||, измеренную параллельно его плоскости). Указанные закономерности позволяют использовать данные измерения магнитной восприимчивости диамагнитных соединений для идентификации этих соединений и получения ориентировочных сведений о характере химических связей.
Для веществ с ненасыщенными химическими связями характерно наличие нескомпенсированных магнитных моментов. В состав таких веществ обычно входят атомы переходных элементов (например, элементов группы железа, редкоземельных элементов). Ионные соединения этого типа обнаруживают обычно парамагнитные свойства (см. Парамагнетизм ). Исследование температурного хода магнитной восприимчивости этих веществ позволяет определить величину ионного магнитного момента и судить о валентности составляющих атомов и их электронной структуре. Наиболее часто встречаются, однако, вещества, содержащие атомы переходных элементов, с ковалентной связью. Эти химические соединения могут быть как парамагнитными, так и ферромагнитными или антиферромагнитными (см. Ферромагнетизм и Ферримагнетизм ). В первых двух случаях значение магнитной восприимчивости и её температурный ход позволяют оценить величину эффективного магнитного момента и сделать определённые предположения о характере химической связи. У ферромагнитных и ферримагнитных соединений по зависимости их магнитных свойств от напряжённости поля и температуры также удаётся в ряде случаев определить эффективный магнитный момент иона (или атома) переходного элемента и число неспаренных электронов в нём, то есть определить его электронную конфигурацию. Такие данные дополняют результаты других физико-химических исследований.
Постоянные магнитные поля непосредственно не оказывают влияния ни на характер химической связи, ни на химическое равновесие. Однако в ряде случаев они могут влиять на кинетику некоторых химических процессов.
Существенное влияние на некоторые физико-химические процессы в газовой и жидкой фазах могут оказывать внешние магнитные поля, воздействующие на коагуляцию мельчайших частичек железной окалины, зачастую в значительном количестве присутствующих в воздухе и воде. Магнетохимические измерения широко применяются для обнаружения этих дисперсных включений и контроля чистоты химического эксперимента.
Лит.: Селвуд П., Магнетохимия, пер. с англ., М., 1958; Figgis В. N., The magnetic properties of transition metalcomplexes, «Progress in in organic Chemistry»1964, v. 6; Haberditzl W., Magnetochemie, B., 1968: Дорфман Я. Г., Диамагнетизм и химическая связь, М., 1961; Соколик И. А., Франкович Е. Л., Влияние магнитных полей на фотопроцессы в органических твердых телах, «Успехи физических наук», 1973, т. Ill, в. 2.
Я. Г. Дорфман.
Магнетоэлектрический эффект
Магнетоэлектри'ческий эффе'кт, возникновение в кристаллах намагниченности J при помещении их в электрическое поле Е (J = aЕ ). М. э. возможен только в магнитоупорядоченных кристаллах (антиферро-, ферри- и ферромагнетиках). На возможность существования М. э. указали впервые Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц (1957). И. Е. Дзялошинский (1959) на основании данных о магнитной симметрии кристаллов предсказал, в каких из известных антиферромагнетиков должен наблюдаться М. э. Экспериментально эффект был открыт Д. Н. Астровым (1960) в антиферромагнитном кристалле Cr2 O3 . Величина М. э. невелика. Максимальное значение коэффициента a для Cr2 O3 составляет ~ 2×10-6 . Существует и обратный эффект — возникновение электрической поляризации Р при помещении кристалла в магнитное поле Н (Р = aН ).
Лит.: Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Боровик-Романов А. С., Антиферромагнетизм, в сборнике: Антиферромагнетизм и ферриты, М., 1962 (Итоги науки, физико-математические науки, в. 4).
А. С. Боровик-Романов.
Магнетрон
Магнетро'н [от греч. magnetis — магнит и электрон ], в первоначальном и широком смысле слова — коаксиальный цилиндрический диод в магнитном поле, направленном по его оси; в электронной технике — генераторный электровакуумный прибор СВЧ, в котором взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю.
Термин «М.» был введён американским физиком А. Халлом (A. Hull), который в 1921 впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы М. в статическом режиме и предложил ряд конструкций М. Генерирование электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне волн (на волнах l ³ 29 см ) посредством М. открыл и запатентовал в 1924 чехословацкий физик А. Жачек. В 20-е годы влияние магнитного поля на генерирование колебаний СВЧ исследовали физики: Е. Хабан (1924, Германия), А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг (1926—1929, СССР), К. Окабе и Х. Яги (1928—1929, Япония), И. Ранци (1929, Италия). В 30-е годы исследования М. как генератора СВЧ велись во многих странах. Основная задача этого периода — увеличение выходной мощности генерируемых колебаний — была решена в 1936—1937 советскими инженерами Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым под руководством М. А. Бонч-Бруевича . Они увеличили мощность М. на 2 порядка (до 300 вт на волне 9 см ), применив в качестве анода массивный медный блок, содержащий ряд резонаторов. М. такой конструкции называют многорезонаторным. Эта конструкция М. оказалась настолько совершенной, что в последующие годы во всём мире разрабатывались и выпускались только многорезонаторные М. В М. применяют катод, имеющий форму полого цилиндра, внутри которого располагается подогреватель. Катод такой формы впервые был предложен для радиоламп советским академиком А. А. Чернышевым в 1918. В 30-е годы многие инженеры предлагали для М. катоды в форме полого цилиндра, например американский инженер К. Хенсел в 1933 (для М., у которого катод окружает анод), американские инженеры Л. Молтер, Дж. Райхман, Р. Гудрич в 1936 (для использования вторичной эмиссии катода в М.), советский инженер В. П. Илясов в 1939 (для многорезонаторного М.).
В 40—70-е годы в многорезонаторный М. инженерами многих стран (СССР, Великобритании, США, Японии и других) был внесён ряд улучшений, были разработаны более тысячи типов многорезонаторных М., в основном для радиолокации . С конца 60-х годов резко увеличился выпуск М. непрерывного генерирования колебаний на волне ~ 12 см для нагрева полями СВЧ в печах бытового назначения (мощностью 0,5—3 квт ) и промышленных установках (мощностью 5—100 квт ). В 1950—1970-е годы на основе многорезонаторного М. был создан ряд приборов для генерации и усиления колебаний СВЧ (см. Магнетронного типа приборы ).
Распространение М. вызвано высоким кпд (до 80%), компактностью конструкции и стабильностью работы при сравнительно невысоких анодных напряжениях. В начале 70-х годов промышленно развитыми странами выпускаются М. для работы на различных частотах от 0,5 до 100 Ггц, с мощностями от нескольких вт до десятков квт в непрерывном режиме генерирования колебаний и от 10 вт до 5 Мвт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков мксек. М. выпускаются как неперестраиваемые (фиксированная частота), так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10%). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в сек ) — ротационные и вибрационные механизмы.
В простейшей конструкции многорезонаторного М. (рис. 1 ) анодный блок представляет собой массивный медный цилиндр с центральным круглым сквозным отверстием и симметрично расположенными сквозными полостями (от 8 до 40), выполняющими роль объёмных резонаторов . Каждый резонатор соединяется щелью с центральным отверстием, в котором расположен катод. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему . Такая система имеет не одну, а несколько резонансных частот, при которых на кольцевой колебательной системе укладывается целое число стоячих волн от 1 до N/2 (N — число резонаторов). Наиболее выгодным является вид колебаний, при котором число полуволн равно числу резонаторов (так называемый p-вид колебаний). Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на p. Для стабильной работы М. (во избежание перескоков во время работы на другие виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10%). Так как в М. с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной (рис. 2 , а), её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока (рис. 2 , б), либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные — другой) (рис. 2 , в).
В многорезонаторном М. на электроны, движущиеся в пространстве между катодом и анодным блоком, действуют 3 поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле и электрическое поле СВЧ (резонаторной системы). При перемещении электронов в радиальном направлении (от катода к аноду) энергия источника анодного напряжения преобразуется в кинетическую энергию электронов. Под влиянием постоянного магнитного поля, направленного по оси катода (перпендикулярно постоянному электрическому полю), электроны изменяют направление движения: их радиальная скорость переходит в тангенциальную, перпендикулярную радиальной, Так как часть электрического поля СВЧ через щели резонаторов проникает в пространство анод — катод, то электроны при движении в тангенциальном направлении тормозятся тангенциальной составляющей электрического поля СВЧ, и поэтому их энергия, полученная от источника постоянного напряжения, преобразуется в энергию колебаний СВЧ. Поле СВЧ дважды за период колебаний меняет направление. Для непрерывного торможения электронов необходимо, чтобы они от одного резонатора к соседнему (в тангенциальном направлении) перемещались за полпериода. Такой синхронизм между перемещением электронов и тормозящим электрическим полем СВЧ является основным принципом работы многорезонаторного М. Электроны, которые попадают в ускоряющее поле СВЧ, увеличивают свою кинетическую энергию и выпадают из синхронизма. Они либо возвращаются на катод, либо попадают в тормозящее поле СВЧ и снова входят в синхронизм.
Типичные характеристики М. приведены на рис. 3 . М. начинает работать, когда анодное напряжение достигает значения, соответствующего началу синхронизма. С увеличением напряжения условия синхронизма улучшаются; сила тока, выходная мощность и кпд М. увеличиваются. При оптимальных условиях синхронизма кпд М. достигает максимума. Дальнейшее повышение анодного напряжения постепенно ухудшает синхронизм и сопровождается снижением кпд, несмотря на увеличение силы тока и выходной мощности.
Лит.: Алексеев Н. Ф., Маляров Д. Е., Получение мощных колебаний магнетроном в сантиметровом диапазоне волн, «Журнал технической физики», 1940, т. 10, в. 15, с. 1297—1300; Фиск Д., Хагструм Г., Гатман П., Магнетроны, пер. с англ., М., 1948; Бычков С. И., Магнетронные генераторы, Л., 1948; Магнетроны сантиметрового диапазона, пер. с англ., под ред. С. А Зусмановского, ч. 1—2, М., 1950—51, Коваленко В. Ф., Введение в электронику сверхвысоких частот, 2 изд., М., 1955; Самсонов Д. Е., Основы расчёта и конструирования многорезонаторных магнетронов, М., 1966.
В. Ф. Коваленко.
Рис. 3. Типичная рабочая характеристика импульсного магнетрона. Заштрихованными участками обозначены области отсутствия генерации, сплошными линиями — импульсная выходная мощность Ри и напряжённость постоянного магнитного поля Н, пунктирными линиями — кпд (без учёта мощности подогрева катода).
Рис. 2. Виды резонаторных систем магнетрона (а — равнорезонаторная без связок, б — равнорезонаторная со связками, в — разнорезонаторная) и графики разделения их резонансных частот D=( fp — fn )/fp , где fp — частота колебаний, соответствующая p-виду колебаний, fn — частота колебаний, соответствующая n-му номеру колебаний. В 18-резонаторном магнетроне 9-й вид колебаний является p-видом.
Рис. 1. Многорезонаторный магнетрон простейшей конструкции (слева — внешний вид; справа — разрез): 1 — анодный блок с 8 резонаторами типа «щель-отверстие»; 2 — резонатор; 3 — ламель анодного блока; 4 — связка в виде металлического кольца (второе такое же кольцо расположено на другом торце анодного блока); 5 — катод; 6 — выводы подогревателя катода; 7 — радиатор; 8 — петля связи для вывода энергии СВЧ; 9 — стержень вывода энергии СВЧ для присоединения к коаксиальной линии.
Магнетрон коаксиальный
Магнетро'н коаксиа'льный, магнетрон с коаксиальным резонатором, магнетрон , в котором вокруг анодного блока расположен коаксиальный резонатор, соединённый щелями с резонаторами анодного блока. Щели, соединяющие коаксиальный резонатор с анодным блоком, прорезаются параллельно оси магнетрона в задних стенках не всех резонаторов, а через один (рис. ). М. к. применяются в наземных и бортовых радиолокационных станциях различного назначения. М. к. выпускаются для работы только в импульсном режиме как с механизмами медленной и быстрой перестройки частоты, так и на фиксированных частотах от 2 до 70 Ггц с выходными мощностями от 1 квт до 2 Мвт (в импульсе). М. к. был предложен французским инженером И. Азема в 1950 и более совершенной конструкции — американскими учёными Р. Колье и И. Фейнштейном в 1955.
Коаксиальный резонатор в М. к.: а) повышает стабильность его работы (у М. к. уход частоты, вызванный отражением волн от нагрузки, ширина спектра частот и интенсивность боковых лепестков спектра примерно в 5 раз меньше, а уход частоты от изменения силы тока и пропуск импульсов примерно в 10 раз меньше, чем у обычного магнетрона); б) разделяет частоты равнорезонаторного анодного блока настолько, что отпадает необходимость применения связок; в) позволяет увеличить рабочую поверхность катода и анодного блока и за счёт этого снизить плотность электронного потока, увеличить долговечность М. к. в 3 — 4 раза по сравнению с обычным магнетроном; г) обеспечивает механическую перестройку частоты на 6 — 13% перемещением поршня в коаксиальном резонаторе без существенного изменения выходной мощности.
Лит.: Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями, пер. с англ., под ред. М. М. Федорова, т. 2, М.,1961, с. 119 — 29.
В. Ф. Коваленко.
Схема коаксиального магнетрона: а — вид системы резонаторов; б — вид в поперечном сечении; 1 — резонаторы анодного блока; 2 — коаксиальный резонатор; 3 — щели, соединяющие резонаторы анодного блока с коаксиальным резонатором; 4 — поршень коаксиального резонатора для перестройки частоты; 5 — окно для вывода мощности колебаний СВЧ; 6 — катод; 7 — полюсные наконечники магнита.
Магнетрон, настраиваемый напряжением
Магнетро'н, настра'иваемый напряже'нием , генераторный прибор магнетронного типа, рабочая частота которого в широком диапазоне изменяется пропорционально анодному напряжению. Его иногда называют митроном. Явление перестройки частоты магнетрона напряжением впервые обнаружили в 1949 американские инженеры Д. Уилбур и Ф. Питерс. Ими же в 1950 был предложен М., н. н., с центральным катодом и в 1955 — с вынесенной в торец электронной пушкой. М., н. н., выходной мощностью до 1 вт широко применяются в измерительной радиоаппаратуре, в гетеродинах широкополосных радиоприёмников с быстрой перестройкой частоты и в качестве задающих генераторов в радиолокационных станциях, 1—10 вт — в радиовысотомерах, телеметрической аппаратуре и других устройствах, где требуется режим частотной модуляции в широкой полосе генерируемых частот, свыше 10 вт — в широкополосных радиопередатчиках, телевизионных и телеметрических устройствах бортовых систем и других. В 50—60-х годах 20 века было выпущено много типов М., н. н., работающих на частотах 0,2—10 Ггц . М., н. н., с выходной мощностью до 1 вт (включительно) имеют диапазон перестройки частоты примерно 1—1,5 октавы, 1—10 вт — до 50% от средней частоты, 10—500 вт — до 10—20%. Кпд маломощных М., н. н., как правило, не превышает 10%, а наиболее мощных достигает 70%.
От обычного многорезонаторного магнетрона М., н. н., отличается пониженной добротностью колебательной системы и уменьшенной силой электронного тока в пространстве взаимодействия. Колебательная система М., н. н. (рис .), представляет собой цилиндрический анод, выполненный в виде встречных штырей, встроенных в объёмный резонатор , или отрезок линии, например отрезок радиоволновода , полосковой линии и др. Уменьшение силы тока в пространстве взаимодействия М., н. н., достигается либо путём недогрева катода (ограничение эмиссии электронов температурой), либо применением торцевой электронной пушки и заменой центрального эмитирующего катода неэмитирующим электродом. Распространён второй способ, так как он позволяет посредством управляющего электрода изменять силу тока и, следовательно, мощность М., н. н. Так же, как и в многорезонаторном магнетроне, при генерировании колебаний электронные сгустки движутся с такой тангенциальной скоростью, что за один полупериод колебаний перемещаются на расстояние, равное шагу анодной штыревой системы. Это условие синхронизма выражается следующей линейной зависимостью между анодным напряжением Ua (в ) и рабочей частотой f (Ггц )
,
