Магнит постоянный магнит сверхпроводящий магнитная анизотропия

378

Спектрометры недостающей массы применяются при исследовании короткоживущих ч-ц (резонансов).

Спектрометры для экспериментов со встречными пучками, как правило, со­держат большие сверхпроводящие со­леноиды, окружающие область, где взаимодействуют два сталкивающихся пучка ч-ц. Такие магн. системы пе­рекрывают телесный угол, близкий к 4л. Встречные пучки проходят по оси соленоида, а детекторы ч-ц (трековые детекторы, сцинтилляц. счётчики, лив­невые детекторы и т. д.) располага­ются концентрически как внутри со­леноида, так и вне его. С помощью спектрометров такого типа открыты -

и '-частицы, очарованные мезоны и тяжёлые лептоны.

• Методы измерения основных величин ядер­ной физики. Сост.-ред. Люк К. Л. Юан и By Цзянь-сюн, пер. с англ., М., 1964; Эле­ментарные частицы, М., 1978, в. 2, 1980, в. 3 (Материалы школ физики ИТЭФ).

МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР (МГД-генератор), уста­новка для непосредств. преобразо­вания тепловой энергии в электриче­скую. Основан на явлении эл.-магн. индукции, т. е. возникновении тока в проводнике, пересекающем магн. си­ловые линии; в кач-ве движущегося в магн. поле проводника использу­ется плазма или проводящая жид­кость (электролиты и жидкие ме­таллы) .

На возможность использования про­водящих жидкостей, движущихся в магн. поле, для генерации электрич. токов указал ещё англ. физик М. Фа­радей в 1831. Однако предпринятые им же попытки экспериментально проверить эту идею были безуспешны. Осн. принципы устройства современ­ных М. г. были сформулированы в 1907 — 22, однако практич. реализация их оказалась возможной только в кон. 50-х гг. в связи с развитием магнитной гидродинамики, физики плазмы и т. д.

М. г. состоит (рис. 1) из генератора (нагревателя, источника) рабочего те­ла, в к-ром рабочее тело нагревается до необходимой темп-ры (тв. топливо переходит в газ и ионизуется) и раз­гоняется до требуемых скоростей; МГД-канала, в к-ром движется ра­бочее тело (плазма или проводящая жидкость) и происходит отвод генерируемой электроэнергии контакт­ным (с помощью электродов) или индукционным (вторичные обмотки) способами; магн. системы, в магн. поле " к-рой происходит пондеромоторное торможение рабочего тела.

Системы с М. г. могут работать по открытому и замкнутому циклам. В первом случае использо­ванные газы выбрасываются в атмо­сферу. В М. г. замкнутого цикла рабочее тело, пройдя М. г., возвращается в МГД-канал через компрессор или насос.

Как и в любом генераторе, основан­ном на принципе эл.-магн. индукции, в проводящем потоке (с электропро­водностью а), движущемся в МГД-канале М. г. со скоростью v поперёк магн. поля В, возникает индукц. поле напряжённостью E=vXB. Под действием этого поля в объёме потока и во внеш. цепи возбуждается элект­рич. ток.

Вз-ствие генерируемого тока с магн. полем приводит к появлению тормо­зящей пондеромоторной силы, работа к-рой на длине канала М. г. опреде­ляет уд. мощность и эффективность М. г. Она тратится на работу во внеш. цепи, на джоулев нагрев ра­бочего тела и на работу, связанную с токами утечки.

Мощность М. г. N~v²B². Для жидкометаллич. М. г. существенной проблемой при получении больших мощностей явл. разгон рабочего тела до высоких скоростей. В совр. схе­мах разгона парогазовой смеси с конденсацией перед МГД-каналом про­исходят большие потери кинетич. энер­гии, а при работе с гетерогенным парогазовым рабочим телом — потери электропроводности. Эти потери и ряд др. эффектов ограничивают кпд жидкометаллич. М. г. величинами ~3— 6%; агрегатные мощности М. г.— ок. 0,5—1,0 МВт. Значительно более высокие показатели имеют плазменные М. г. Во-первых, в них рабочее тело можно разгонять до больших скоро­стей (~2000 —2500 м/с), во-вторых, введение в газы небольших кол-в легко ионизующихся добавок (напр., паров щелочных металлов К, Cs) позволило снизить темп-ру иониза­ции и получить приемлемые электро­проводности плазмы уже при темп-рах 2300—3000 К и атм. давлениях. Ис­пользование перегрева электронной компоненты плазмы относительно ион­ной и ат. компонент также значи­тельно увеличивает электропровод­ность такой неравновесной плазмы. При типичных значениях магн. ин­дукции В ~ 3Т можно получать кпд плазменных М. г. до 20%, а мощ­ность с ед. объёма рабочего тела ~10³ МВт/м³.

При использовании плазмы в кач-ве рабочего тела нужно учитывать осо­бенности работы М. г., связанные с плазменными эффектами и сжимаемо­стью газа. Так, в сильных магн. полях или в разреж. газе, когда частота соударений эл-нов уменьша­ется и становится сравнимой с цик­лотронной частотой вращения эл-нов, они успевают за время между соуда­рениями пройти заметную дугу по ларморовской окружности. Благодаря этому направление тока в плазме не совпадает с направлением напряжён­ности электрич. поля (Холла эффект).

379
Это приводит к возникновению до­полнит. электрич. поля, т. н. поля Холла, направленного навстречу потоку газа. В результате а умень­шается в направлении индуцирован­ного поля и становится анизотропной. Для уменьшения вредных последствий эффекта Холла предпочтительны ре­жимы работы с давлениями, близкими атмосферным. Кроме того, можно раз­делить электроды на секции (чтобы уменьшить циркуляцию тока вдоль канала), причём каждая пара элект­родов должна иметь свою нагрузку



Рис. 2. Схемы сое­динения электродов в МГД-генераторах: a — линей­ный фарадеевский генератор с сек­ционированными электродами; б — линейный холловский ге­нератор; в — сериесный генератор с диаго­нальным соединением электродов.
(рис. 2, а), что усложняет конструк­цию М. г. Если же в идеально сек­ционированном канале электроды ко­ротко замкнуты (рис. 2, 6, в), то поле Холла значительно больше индук­ционного и этот эффект используется для получения высоких (10—20 кВ) напряжений.

Сжимаемость газа приводит к по­явлению градиентов давления и темп-ры вдоль канала. Эти эффекты ча­стично компенсируют расширением проточной части канала. Трение газа о стенки канала приводит к образо­ванию холодных пограничных слоев, где теряется часть генерируемого на­пряжения; в результате трения может также происходить зажигание дуг, разрушающих электроды. При силь­ных пондеромоторных торможениях рабочего тела может произойти отрыв пограничного слоя и в потоке плазмы возникнут резкие возмущения, поток расслаивается, резко уменьшается ин­дуцированное поле в выходных зонах, генерация срывается. Отсос погранич­ного слоя частично компенсирует этот эффект.

В канале М. г. может возникать также ряд плазменных неустойчивостей, обусловленных локальными пе­регревами, неоднородностью иониза­ции и т. п.

Отсутствие движущихся деталей (осн. преимущество М. г.) и принци­пиально высокая рабочая темп-ра позволяют создавать М. г. с высо­кими кпд и большими агрегатными мощностями. В комбинированных ТЭС можно применять М. г. как высо­котемпературные ступени перед обычными машинными генератора­ми, что должно повысить кпд стан­ции в целом на 10—15%. Быст­рота выхода на режим (~1 с) по­зволяет на базе М. г. создавать пиковые и аварийные электростанции, а также мощные импульсные МГД-установки. Используя принцип само­возбуждения магн. системы, можно создавать автономные импульсные МГД-установки. Малое количество вредных примесей в выхлопных га­зах М. г., работающих на природ­ных ископаемых топливах, обеспечи­вает лучшие условия защиты окружа­ющей среды от теплового и хими­ческого загрязнений. Созданы экспе­риментальные МГД-генераторы, ге­нерирующие до 10—20 МВт в течение сотен часов. В народном хо­зяйстве используются мощные им­пульсные М. г. открытого цикла, работающие на продуктах сгорания специальных твёрдых топлив. Раз­работаны МГД-установки для про­гнозирования землетрясений методом периодических глубинных зондиро­ваний земной коры, для геофиз. нефтепоисковых работ и т. д.

Исследования и разработки в об­ласти М. г. ведутся в СССР, США, Японии, Индии и др. стра­нах.

• Р о з а Р., Магнитогидродинамическое пре­образование энергии, пер. с англ., М., 1970; Магнитогидродинамическое преобразование энергии, М., 1979.

МАГНИТОДВИЖУЩАЯ СИЛА (на­магничивающая сила), величина, ха­рактеризующая магн. действие электрич. тока. Вводится для магнитных цепей по аналогии с электродвижущей силой в электрич. цепях. М. с. F равна циркуляции вектора напря­жённости магн. поля Н по замкну­тому контуру L, охватывающему элект­рич. токи, к-рые создают это магн.

поле:

(в ед. СИ). Здесь h_l — проекция Н на направление элемента контура ин­тегрирования dl, n — число провод­ников (витков) с током I_i, охваты­ваемых контуром. Единица М. с. в Международной системе единиц (СИ) — ампер (или ампер-виток), в СГС системе единиц (симметричной) — еильберт.

МАГНИТОДИЭЛЕКТРИКИ, маг­нитные материалы, представляющие собой конгломерат магн. порошка (из ферро- и ферримагнетиков) и связки — диэлектрика (напр., баке­лита, полистирола, резины); в мак­рообъёмах обладают высоким элект­рич. сопротивлением, зависящим от кол-ва и типа связки. М. могут быть как магнитно-твёрдыми материалами, так и магнитно-мягкими материалами. Магнитно-мягкие М. получают в осн. из тонких порошков карбонильно­го железа, молибденового пермал­лоя и алсифера; их применяют для

изготовления сердечников катушек ин­дуктивности, фильтров, дросселей и др. радиотехн. устройств, работаю­щих при частотах 10⁴—10⁸ Гц. Маг­нитно-твёрдые М. изготовляют на основе порошков из сплавов ални (Fe — Ni — Al — Cu), алнико (Fe — Ni — Al — Co), ферритов. Коэрцитив­ная сила этих М. ниже на неск. де­сятков %, а остаточная индукция меньше почти в два раза, чем у мас­сивных материалов. М. применяются в приборостроении (пост. магниты, эластичные герметизаторы для разъ­ёмных соединений и др.).

• Ферриты и магнитодиэлектрики. Справоч­ник, М., 1968; Толмасский И. С., Металлы и сплавы для магнитных сердечни­ков, М., 1971.

МАГНИТОЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ, низ­кочастотные (с частотой ниже ионной циклотронной) продольные эл.-магн. колебания, распространяющиеся в замагниченной плазме поперёк на­правления внеш. магн. поля. В М. в. в-во перемещается вдоль направления распространения. Механизм явления аналогичен обычному звуку и заклю­чается в сжатии и расширении в-ва вместе с вмороженным в него магн. полем; поэтому в определении ско­рости М. в. надо учитывать не только газовое, но и магн. давление. Ско­рость распространения М. в. равна скорости альфвеноеских волн. См. также Плазма.

МАГНИТОМЕТР, прибор для измере­ния хар-к магнитного поля и магн. св-в физ. объектов. М. различают по назначению, принципу действия и условиям эксплуатации.

При классификации по назначению выделяют две группы М. К первой, наиболее разветвлённой, относят при­боры для измерения осн. хар-к магн. поля: напряжённости Н (в А/м или Э), индукции В (в Тл или Гс), магн. по­тока Ф (в Вб или Мкс); ко второй — приборы для измерения магн. св-в материалов и горных пород.

Помимо обобщающего наименова­ния «М.», традиционного для 1-й группы приборов, нек-рые из них наз. в соответствии с наименованием единицы измеряемой величины (преим. Международной системы единиц), напр. тесламетр (реже гауссметр), веберметр.

К осн. хар-кам магн. поля, к-рые измеряют М. 1-й группы, относятся: абс. значение (модуль) вектора поля (Н или В), абс. значения состав­ляющих (проекций) вектора поля в геомагнитной или др. системе коор­динат (см. Земной магнетизм), на­правление вектора поля или его про­екций (приборы, компас, буссоль, магн. теодолит, инклинатор, декли­натор, векторный М.), относит. изменения поля во времени (магн. вариометры) и пр-ве (градиентометры или дифференциальные М.).

М. 2-й группы измеряют след магн. св-ва горных пород и магн материалов: магнитный момент M (А•м²), намагниченность J (А/м), маг-

380

По принципу действия М. подраз­деляют на неск. типов. М а г н и т о с т а т и ч е с к и е М.— приборы, ос­нованные на вз-ствии измеряемого магн. ноля H_изм с постоянным (инди­каторным) магнитом, имеющим магн. момент М. В поле Н_изм на магнит дей­ствует механич. момент I=[МН_изм]. Момент в М. разл. конструкции урав­новешивается: а) моментом кручения кварцевой нити (действующие по это­му принципу кварцевые М. и универс. магн. вариометры на квар­цевой растяжке обладают чувствитель­ностью G ~ 1 нТл); б) моментом силы тяжести (магнитные весы с G~10 —15 нТл), в) моментом, действующим на вспомогательный эталонный маг­нит, установленный в определ. по­ложении (оси индикаторного и вспомогат. магнитов в положении равно­весия перпендикулярны). В послед­нем случае, определяя дополнительно период колебания вспомогат. магнита в поле .Н_изм, можно измерить абс. величину Н_изм (абс. метод Гаусса).

Модификации магнитостатич. М. с двумя параллельными магнитами на одной нити подвеса (астатич. системы) применяются также для измерения магн. св-в земных пород и магн. материалов.

Электрические М. основаны на сравнении Н_изм с полем эталонной катушки Н=ki, где k — постоянная катушки, определяемая из её геом. и конструктивных параметров, i — измеряемый ток. Электрич. М. со­стоят из компаратора для измерения размеров катушки и её обмотки,

теодолита для точной ориентации оси катушки по направлению измеряемой компоненты поля, потенциометрич. си­стемы для измерения тока i и чувствит. датчика — индикатора равенства полей. Чувствительность М. этого типа ~ 1 мкЭ, осн. область их при­менения — измерение горизонт. и вертик. составляющих геомагн. поля. Индукционные М. основаны на явлении электромагнитной индук­ции — возникновении эдс в измерит. катушке при изменении проходящего сквозь её контур магн. потока Ф. Изменение потока Ф в катушке может быть связано: а) с изменением величины или направления измеря­емого поля во времени (приборы: индукц. вариометры, флюксметры). Про­стейший флюксметр (веберметр) пред­ставляет собой баллистический гальва­нометр, действующий в сильно переус­покоенном режиме (G ~ 10^-4 Вб/дел); применяются магнитоэлектрич. веберметры с G ~10^-6 Вб/дел, фотоэлектрич. веберметры с G ~ 10^-8 Вб/дел и др.; б) с периодич. измене­нием положения (вращением, коле­банием) измерит. катушки в измеря­емом поле (рис. 2). Простейшие тесламетры с катушкой на валу синхрон­ного двигателя обладают G~10^-4 Тл.

Квантовые М.— приборы, ос­нованные на ядерном магнитном ре­зонансе, электронном парамагнитном.

Гальваномагнитные М. основаны на явлении искривления траектории электрич. зарядов, дви­жущихся в магн. поле H_изм, под действием Лоренца силы (см. Галь­ваномагнитные явления). К этой груп­пе М. относятся: М. на Холла эффекте (возникновении между гранями про­водящей пластинки разности потенциа­лов, пропорциональной протекающе­му току и H_изм), М. на эффекте Гаусса (изменении сопротивления проводника в поперечном магн. поле H_изм), М. на явлении падения анодного тока в магнетронах и электронно­лучевых трубках (вызванного ис­кривлением траектории эл-нов в магн. поле) и др.

Существуют также М. эксперимен­тального, прикладного и демонстрац. хар-ра, работа к-рых основана на изменении длины намагниченного стержня (см. Магнитострикция), на вращении плоскости поляризации све­та (см. Магнитооптика, Фарадея эф-

381

фект, Керра эффект) и т. д. М. каж­дого из указанных типов дополни­тельно различаются по осн. показа­телям: диапазону измерений, чувст­вительности, погрешности, скорости и способу отсчёта и т. д., а также по условиям эксплуатации. В частности, разработаны многочисл. типы М. для измерения магн. поля в условиях морской и аэромагн. съёмки, в около­земном и межпланетном косм. пр-ве.

• Яновский Б. М., Земной магнетизм, 2 изд., т. 2, Л., 1963; Ч е ч у р и н а Е. Н., Приборы для измерения магнитных величин, М., 1969; Померанцев Н. М., Рыж­ков В. М., Скроцкий Г. В., Физические основы квантовой магнитометрии, М., 1972; М и х л и н Б. 3., С е л е з н е в В. П., Селезнев А. В., Геомагнитная навига­ция, М., 1976.

МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВ­ЛЕНИЯ (гиромагнитные явления),

группа явлений, обусловленных взаи­мосвязью магн. и механич. моментов микрочастиц — носителей магнетизма. Любая микрочастица, обладающая определ. моментом количества движения (эл-н, протон, нейтрон, ат. ядро, атом), имеет также и определ. маг­нитный момент. Благодаря этому увеличение суммарного момента кол-ва движения микрочастиц, образующих физ. тело (образец), приводит к воз­никновению у образца дополнит. магн. момента; наоборот, при намагничива­нии образец приобретает дополнит. механич. момент.

Увеличение магн. момента (намаг­ниченности) в ферромагн. образцах при их вращении было обнаружено в 1909 амер. физиком С. Барнеттом (см. Барнетта эффект). Обратный эффект — поворот свободно подвешен­ного ферромагн. образца при его намагничивании во внеш. магн. поле открыт в 1915 в опытах А. Эйнштейна и В. де Хааза (см. Эйнштейна — де Хааза эффект).

М. я. позволяют определить отно­шение магн. момента атома к его полному механич. моменту (гиромаг­нитное, или магнитомеханическое от­ношение) и сделать заключение о природе носителей магнетизма в разл. в-вах. Так было установлено, что в переходных Зd-металлах (Fe, Co, Ni) магн. момент обусловлен спиновыми моментами эл-нов (см. Спин). В др. в-вах (напр., редкозем. металлах) магн. момент создаётся как спиновыми, так и орбитальными моментами эл-нов.

В связи с созданием новых, в пер­вую очередь резонансных, методов исследования магнетизма (см. Маг­нитный резонанс) интерес к М. я. уменьшился.

• Вонсовский С. В., Магнетизм., М., 1971.

МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОТНО­ШЕНИЕ (гиромагнитное отношение),

отношение магнитного момента элем. ч-ц (и состоящих из них систем — атомов, молекул, ат. ядер и т. д.) к их моменту кол-ва движения (механич. моменту). Для каждой элем. ч-цы, обладающей отличным от нуля механич. моментом — спином, М. о. имеет определ. значение. Для разл. состояний ат. системы значения М. о. определяются по ф-ле: =g₀, где ₀ — единица М. о., g — Ланде мно­житель. В этом случае за единицу М. о. принимают его величину для ор­бит. движения эл-на в атоме: —е/2m_ес, где е — заряд эл-на, m_e — масса эл-на. Для ядер за единицу М. о. принимают аналогичную величину для протона: е!2m_рС (m_р — масса протона).

Величина М. о. определяет действие магн. поля на систему, обладающую магн. моментом. Согласно классич. теории, магн. момент во внеш. магн. поле напряжённостью Н совершает прецессию — равномерно вращается вокруг направления Н, сохраняя оп­редел. угол наклона, с угл. скоро­стью =-Н. В частном случае, когда магн. момент обусловлен орбит. движением эл-нов, имеет место Лармора прецессия. Согласно квант. тео­рии, масштаб магн. расщепления уров­ней энергии в магн. поле (см. Зеемана эффект) определяется М. о., он равен: ћН= g₀nћH.

МАГНИТООПТИКА (магнетооптика),

раздел физики, изучающий измене­ния оптич. свойств в-ва под дейст­вием магн. поля. Подавляющее боль­шинство магнитооптич. явлений свя­зано с расщеплением уровней энергии атома (снятием вырождения). Непо­средственно это расщепление прояв­ляется в Зеемана эффекте. Др. маг­нитооптич. эффекты по существу явл. следствием эффекта Зеемана и свя­заны с особенностями поляризац. хар-к зеемановских оптич. переходов и с закономерностями распростра­нения поляризов. света в среде, об­ладающей дисперсией. Спецификой магнитооптич. эффектов является то, что в магн. поле, помимо обычной линейной оптической анизотропии, появляющейся в среде под действием электрич. поля или деформаций, воз­никает циркулярная анизо­тропия, связанная с неэквивалентно­стью двух направлений вращения в плоскости, перпендикулярной полю. Это важное обстоятельство явл. след­ствием аксиальности магн. поля.

Наиболее просто осн. явления М. можно классифицировать феномено­логически в зависимости от направ­ления магн. поля. При этом рас­сматриваются два осн. случая: 1) волн. вектор светового излучения k параллелен магн. полю Н и 2) волн. вектор света перпендикулярен магн. полю. Явление Зеемана наблюдается в обоих случаях, причём различие поляризац. хар-к компонент зеемановского расщепления влечёт за собой различный хар-р индуцированной магн. полем анизотропии в этих слу­чаях. Так, при распространении монохроматич. света вдоль поля (при продольном эффекте Зеемана) его право- и левоциркулярно поляризованные составляющие поглощаются по-разному (т. н. магнитный циркулярный дихроизм), а при распространении света поперёк поля (поперечном эффекте Зее­мана) имеет место магнитный линейный дихроизм, т. с. разное поглощение составляющих, линейно поляризованных параллельно и перпендикулярно магн. полю (см. Поляризация света). Эти поляризац. эффекты имеют сложную зависимость от длины волны излучения (сложный спектр. ход), знание к-рой позволяет определить величину и хар-р зеемановского расщепления в тех случаях, когда оно много меньше ширины спект­ральных линий. (Аналогичные эффек­ты могут наблюдаться и в люминес­ценции.)

Расщепление спектр. линий влечёт за собой соответствующее расщепление дисперс. кривых, характеризующих зависимость показателя преломления среды от длины волны излучения (см. Дисперсия света, Преломление света). В результате при продольном (по полю) распространении показатели преломления для света с правой и левой круговыми поляризациями ста­новятся различными (магнитное циркулярное двойное лу­чепреломление), а линейно поляризованный монохроматич. свет, проходя через среду, испытывает вра­щение плоскости поляризации. По­следнее явление носит назв. Фарадея эффекта. В области линии поглощения фарадеевское вращение проявляет ха­рактерную немонотонную зависимость от длины волны — эффект М а к а л у з о — К о р б и н о. При попереч­ном относительно магн. поля распро­странении света различие показателей преломления для линейных поляри­заций приводит к линейному магнитному двойному лу­чепреломлению, известному как Коттона — Мутона эффект (или эффект Фохта). Изучение и использо­вание всех этих эффектов входит в круг проблем совр. М.

Один из важных разделов совр. М.— исследование влияния слабых магн. полей на излучения газов (в т. ч. и газовых лазеров). При этом в эксперименте регистрируется измене­ние пространств. и поляризац. хар-к излучения под действием магн. поля (Ханле эффект).

Оптич. анизотропия среды в магн. поле проявляется также и при отра­жении света от её поверхности. При намагничивании среды происходит из­менение поляризации отражённого све­та, хар-р и степень к-рой зависят от взаимного расположения поверх­ности, плоскости поляризации пада­ющего света и вектора намагниченно­сти. Этот эффект наблюдается в пер­вую очередь в ферромагнетиках и но­сит назв. магнитооптического Керра эффекта.

М. тв. тела интенсивно развивалась в 60—70-х гг. 20 в. В особенности это

382

относится к М. полупроводников и таких магнитоупорядоченных кри­сталлов, как ферриты и антиферромагнетики.

Подзоны Ландау расщепляются в магн. поле вследствие того, что эл-н обладает собственным моментом кол-ва движения — спином. При определ. условиях наблюдается вынужденное рассеяние света на эл-нах в ПП с переворотом спина относительно магн. поля. При таком процессе энергия рассеиваемого фотона изменяется на величину спинового расщепления под­зоны, к-рое для нек-рых ПП весьма велико. На этом эффекте основано плавное изменение частоты излучения мощных лазеров и создан светосиль­ный ИК спектрометр сверхвысокого разрешения (см. Инфракрасная спект­роскопия),

Большой раздел М. полупроводни­ков составляет изучение зеемановского расщепления уровней энергии мелких водородоподобных примесей и экситонов (см. также Квазичастицы). На­блюдение магнитопоглощения и от­ражения ИК излучения в узкозонных ПП позволяет исследовать коллектив­ные колебания электронной плазмы (см. Плазма твёрдых тел) и её вз-ствие с фононами.

В прозрачных ферритах и антифер­ромагнетиках магнитооптич. методы применяют для изучения спектра спиновых волн, экситонов, примесных уровней энергии и пр. В отличие от диамагнетиков и парамагнетиков, во вз-ствии света с магнитоупорядоченными средами гл. роль играют не внеш. поля, а внутр. магн. поля этих сред (их напряжённости достигают 10⁵—10⁶ Э), к-рые определяют спон­танную намагниченность (подрешёток или кристалла в целом) и её ориен­тацию в кристалле. Магнитооптич.

св-ва прозрачных ферритов и анти­ферромагнетиков могут быть исполь­зованы в системах управления лазер­ным лучом (напр., для создания мо­дуляторов света, см. Модуляция света) и для оптич. записи и считывания информации, особенно в ЭВМ.

Создание лазеров привело к обна­ружению новых магнитооптич. эф­фектов, проявляющихся при больших интенсивностях светового потока. По­казано, в частности, что поляризо­ванный по кругу свет, проходя через прозрачную среду, действует как эфф. магн. поле и вызывает появление намагниченности среды (т. н. обрат­ный эффект Фарадея).

Магнитооптич. методы использу­ются при исследованиях квант. со­стояний, ответственных за оптич. пе­реходы, спектров электронного парамагн. резонанса в ат. и конденсиров. средах, физ.-хим. структуры в-ва, электронной структуры металлов и ПП, фазовых переходов и пр.

• Б о р н М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; В о н с о в с к и й С. В., Магнетизм, М, 1971; З а п а с с к и й В. С., Ф е о ф и л о в П. П., Раз­витие поляризационной магнитооптики па­рамагнитных кристаллов, «УФН», 1975, т. 116, в. 1, с. 41: Писарев Р. В., Магнит­ное упорядочение и оптические явления в кристаллах, в кн.: Физика магнитных ди­электриков, Л., 1974.

МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭФ­ФЕКТ, изменение электрич. сопротив­ления тв. проводников под действием внеш. магн. поля Н. Различают по­перечный М. э., при к-ром электрич. ток I течёт перпендикулярно магн. полю Н, и продольный М. э. (I||Н). Причина М. э.— искривление тра­екторий носителей тока в магн. поле (см. Гальваномагнитные явления). От­носительное поперечное изменение со­противления (/) при комнатных темп-pax мало: у хороших металлов (/) ~ 10^-4 при Н ~ 10⁴ Э. Ис­ключение — Bi, у к-рого (/)2 при H=3•10⁴ Э. Это позволяет ис­пользовать его для измерения магн. поля (см. Магнитометр). У полу­проводников (/) ~10^-2—10 и су­щественно зависит от концентрации примесей и от темп-ры, напр. у до­статочно чистого Ge (/)~3 при T=90 К и H=1,8•10⁴ Э.

Понижение темп-ры и увеличение Н приводит к увеличению (/). П. Л. Капица в 1927, используя силь­ные магн. поля (в неск. сотен тысяч Э) при темп-ре жидкого азота, обнаружил у большого числа металлов и в ши­роком интервале полей линейную за­висимость (/) от Н (з а к о н К а п и ц ы). В слабых полях (/) пропорц. Н². Коэфф. пропорциональ­ности обычно положителен, т. е. сопротивление растёт с увеличением магн. поля; исключение составляет ферромагнетики (см. Кондо эффект). Т. к. сопротивление чувствительно к кол-ву примесей и дефектов в крист. решётке, а также к темп-ре, то измерения (на определ. образце, при определ. темп-ре) могут приводить к разным зависимостям  от Н. Эксперим. данные для металлов удобно описывать, выразив (/) в виде ф-ции от H_эф=H(₃₀₀/),. где ₃₀₀— сопротивление данного металла при комнатной темп-ре (300 К) и H=0, а  — при темп-ре эксперимента и при H=0. При этом разл. данные, относящиеся к одному металлу, ук­ладываются на одну прямую (п р а в и л о К о л е р а). Резкая анизо­тропия сопротивления в сильных магн. полях (у Au, Ag, Cu, Sn и др. небольшое изменение ориентации магн. поля может привести к изме­нению  иногда в 1000 раз) означает анизотропию Ферми поверхности (не­большая анизотропия соответствует изотроп. поверхности Ферми). Если с ростом Н для всех направлений  не стремится к «насыщению» — не пе­рестаёт расти (Bi, As и др.), то эл-ны и дырки содержатся в проводнике в равном кол-ве. Стремление к насыще­нию означает преобладание носителей одного типа.

М. э. используется для исследова­ния электронного энергетич. спектра и механизма рассеяния носителей тока в проводниках, а также для измерения магн. полей.

• См. лит. при ст. Гальваномагнитные явления.

Э. М. Эпштейн.

МАГНИТОРЕЗОНАНСНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР, устройство, в к-ром для разделения ионов по отношению массы к заряду используется движе­ние «узкого» пакета ионов, сформи­рованного в модуляторе, в однородном магн. поле. Ионы, циклотронная ча­стота к-рых совпадает с частотой перем. напряжения, приложенного к электродам модулятора, дополнитель­но ускоряются и после неск. оборотов по расширяющимся траекториям по­падают на коллектор. М. м.-с. исполь­зуется для прецизионных измерений масс ионов, а также для изотопного анализа. См. Масс-спектрометр.

МАГНИТОСТАТИКА, раздел теории эл.-магн. поля, в к-ром изучаются св-ва стационарного магнитного поля (поля пост. электрич. токов или поля пост. магнитов). Для расчёта этих полей часто пользуются понятием маг­нитного заряда, позволяющим при­менять в М. ф-лы, аналогичные ф-лам электростатики. Формально это воз­можно благодаря теореме эквивалент­ности поля магн. зарядов и поля пост. электрич. токов (см. Ампера теорема), хотя в природе свободных магн. за­рядов не существует (см. Магнитный монополь).

• Т а м м И. Е., Основы теории электриче­ства, 9 изд., М., 1976.

МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ МА­ТЕРИАЛЫ, ферромагнитные металлы и сплавы (см. Ферромагнетик), а так­же ферриты, обладающие хорошо вы­раженными магнитострикц. св-вами

383

Примечание: k,  соответствуют Н_{0 опт}; для а приведены макс. значения.

(см. Магнитострикция) и применя­емые для изготовления магнитострикционных преобразователей эл.-магн. энергии в механич. и обратно (излу­чатели акустич. колебаний, датчики давления, фильтры и др. приборы). Осн. хар-ки М. м. (см. табл.): коэфф. магнитомеханич. связи k, квадрат к-рого равен отношению преобразо­ванной энергии (механич. или маг­нитной) к подводимой (соответственно магнитной или механической) без учё­та потерь; динамические магнитострикц. постоянная а, определяющая чувствительность преобразователя в режиме излучения, и относительная магнитная проницаемость ; скорость звука с; магнитострикция насыщения _s, определяющая предельную интен­сивность звука, излучаемого преоб­разователем; коэрцитивная сила Н_с и уд. электрич. сопротивление , характеризующие потери энергии со­отв. на гистерезис и на вихревые токи. Магнитострикц. преобразователи ра­ботают, как правило, при пост. поле подмагничивания Н₀, соответствую­щем максимуму k (H_{0 опт}) или не­сколько большем.

Металлич. М. м. изготавливают в виде лент толщиной 0,1—0,3 мм, из к-рых штампуют или навивают сер­дечники, ферриты-шпинели применя­ют в виде монолитных сердечников, ферриты-гранаты — в виде монокри­сталлов.

МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕ­ОБРАЗОВАТЕЛЬ, электромеханиче­ский или электроакустический пре­образователь, действие к-рого осно­вано на эффекте магнитострикции. В М. п. используется линейная маг­нитострикция ферромагнетиков в об­ласти техн. намагничивания (см. Фер­ромагнетизм). М. п. представляет собой сердечник из магнитострикц. материалов с нанесённой на него об­моткой.

В М. п.— излучателе энергия перем. магн. поля, создаваемого в сердечнике протекающим по обмотке перем. элект­рич. током, преобразуется в энергию механич. колебаний сердечника; в М. п.— приёмнике энергия механич. колебаний, возбуждаемых действую­щей на сердечник внеш. перем. си­лой, преобразуется в энергию магн.

поля, наводящего перем. эдс в об­мотке.

М. п. используются в гидроакус­тике, УЗ технологии, акустоэлектронике в кач-ве излучателей и приём­ников звука, фильтров, резонаторов, стабилизаторов частоты и т. п., а также в технике в кач-ве датчиков колебаний. Материалом для М. п.— излучателей и приёмников звука в гидроакустике и УЗ технике, рабо­тающих на частотах ~100 Гц — 100 кГц, служат металлич. магнито­стрикц. материалы и керамич. фер­риты (на основе феррита никеля). Для фильтров, резонаторов и др. устройств акустоэлектроники в диа­пазоне десятков и сотен кГц исполь­зуются магнитострикц. ферриты-шпинели, на частотах до десятков и сотен МГц — ферриты-гранаты на основе редкозем. элементов.

М. п. чаще всего работают в режиме резонансных колебаний сердечника. Сердечники М. п. в гидроакустич. устройствах или в установках пром. применения УЗ представляют собой обычно радиально колеблющиеся коль­ца или продольно колеблющиеся стержни, соединённые между собой приёмно-излучающими накладками.

• Харкевич А. А., Теория преобразо­вателей, М.—Л., 1948; Матаушек И., Ультразвуковая техника, пер. с нем., М., 1962; Ультразвуковые преобразователи, под ред. Е. Кикучи, пер. с англ., М., 1972.

МАГНИТОСТРИКЦИЯ (от магнит и лат. strictio — сжатие, натягивание), изменение формы и размеров тела при его намагничивании; открыто англ. учёным Дж. Джоулем (1842). В ферро- и ферримагнетиках (Fe, Ni, Со, Gd, Tb, Dy и др., в ряде сплавов, ферритах) М. достигает значит. ве­личины (относит. удлинение l/l ~10^-5—10^-2). В антиферро-, пара- и диамагнетиках М. в большинстве случаев очень мала (10^-6—10^-7). Об­ратное по отношению к М. явление — изменение намагниченности ферромагн. образца при деформации — наз. магнитоупругим эффектом или Виллари эффектом.

В теории магнетизма М. рассмат­ривают как результат проявления осн. типов вз-ствий в ферромагн. телах: электрического обменного вз-ствия и магн. вз-ствия (см. Ферромагнетизм), В соответствии с этим возможны два вида различных по природе магнито­стрикц. деформаций тел (их крист. решётки): за счёт изменения магн. сил (диполь-дипольных и спин-ор­битальных) и за счёт изменения об­менных сил.

При намагничивании ферро- и ферримагнетиков магнитные силы действуют в интервале от нулевого поля до поля напряжённостью H_s, в к-ром образец достигает техн. магн. насыщения J_s. Намагничивание в этом интервале полей обусловлено процессами смещения границ между доменами и поворота магн. моментов доменов по полю. Оба эти процесса изменяют энергетич. состояние крист. решётки, что проявляется в изме­нении равновесных расстояний между

384

ее узлами. В результате атомы сме­щаются, происходит деформация ре­шётки. М. этого вида зависит от на­правления и величины намагничен­ности J (т. е. анизотропна) и про­является в осн. в изменении формы кристалла почти без изменения его объёма (линейная М.). Для расчёта линейной М. существуют феноменологич. ф-лы. Так, М. ферромагн. кристаллов кубич. симметрии, намагниченных до насыщения, рас­считывается по ф-ле:

где s_i, s_j и _i, _j — направляющие косинусы вектора J_s и направления измерения (относительно рёбер куба), a₁ и a₂ — константы анизотропии М., численно равные:

где (l//l)_[100] и (tl/l)_[111] — макси­мальные линейные М. соотв. в на­правлении ребра и диагонали ячейки, кристалла; их называют магнитострикц. постоянными. Величину _s=(l/l)_s наз. М. насыщения.

М., обусловленная обменными силами, в ферромагнетиках на­блюдается в области намагничивания выше техн. насыщения, где магн. моменты доменов полностью ориен­тированы в направлении поля и про­исходит только рост абс. величины J (парапроцесс). М. за счёт обменных сил в кубич. кристаллах изотропна, т. е. проявляется в изменении объёма тела. В гексагональных кристаллах (напр., в Gd, Tb и др. редкозем. ме­таллах) эта М. анизотропна. М. за счёт парапроцесса в большинстве фер­ромагнетиков при комнатных темп-рах мала, она мала и вблизи точки Кюри, где парапроцесс почти полностью оп­ределяет ферромагн. св-ва в-ва. Од­нако в нек-рых сплавах с малым коафф. теплового расширения (инварных магн. сплавах) М. велика [в магн. полях ~ 8•10⁴ А/м (10³ Э) отношение V/V~10^-5]. Значитель­ная М. при парапроцессе характерна также для ферритов и редкозем. ме­таллов и сплавов при разрушении ни создании в них магн. полем неколлинеарных магнитных структур.

М. относится к т, н. чётным магн. эффектам, т. к. она не зависит от знака магн. поля. Наиболее исследо­вана М. в поликрист. ферромагне­тиках. Обычно измеряется относит. удлинение образца в направлении ноля H (п р о д о л ь н а я М.) или перпендикулярно направлению поля (п о п е р е ч н а я М.). Для металлов и большинства сплавов продольная и поперечная М. в области полей техн. намагничивания имеют разные знаки, причём величина поперечной М. меньше, чем продольной, а в об­ласти парапроцесса эти величины имеют одинаковый знак (рис. 1). Для боль­шинства ферритов как продольная, так и поперечная М. отрицательны. У Fe (рис. 2) продольная М. в слабом магн. поле положительна (удлинение тела), а в более сильном поле отри­цательна (укорочение тела). Для Ni при всех значениях поля продоль­ная М. отрицательна.

М. влияет на тепловое расширение ферро-, ферри- и антиферромагнети­ков, т. к. действие обменных (а в общем случае и магнитных) сил про­является не только в магн. поле, но также и при нагревании тел в отсут­ствии поля (т е р м о с т р и к ц и я). Изменение объёма тел вследствие термострикции особенно значительно

Большие аномалии модулей упру­гости и внутр. трения, также наблю­даемые в ферро-, ферри- и антифер­ромагнетиках в окрестности точек Кюри и Нееля и др. магн. фазовых переходов, обязаны влиянию М., воз­никающей при нагреве. Кроме того, при воздействии на ферро- и ферри-магн. тела упругих напряжений в них даже при отсутствии внеш. магн. поля происходит перераспределение магн. моментов доменов (в общем случае изменяется и абс. величина самопроизвольной намагниченности до­мена). Эти процессы сопровождаются дополнит. деформацией тела магнитострикц. природы — механострикцией. В непосредств. связи с механострикцией находится явление изме­нения под влиянием магн. поля мо­дуля упругости ферромагн. металлов (E-эффект).

Для измерения М. наибольшее рас­пространение получили установки, ра­ботающие по принципу механооптич. рычага, позволяющие наблюдать от­носит. изменения длины образца ~10^-6. Ещё большую чувствитель­ность дают радиотехн. и пнтерференц. методы. Получил распространение также метод проволочных датчиков, в к-ром на образец наклеивают проволоч­ку, включённую в одно из плеч моста измерительного. Изменение длины

385

• Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Белов К. П., Упругие, тепловые и электрические явления в ферромагнетиках, 2 изд., М., 1957; Б о з о р т Р., Ферромагне­тизм, пер. с англ., М., 1956; Редкоземельные ферромагнетики и антиферромагнетики, М., 1965; Белов К. П., Редкоземельные магнетики и их применение, М., 1980.

МАГНИТОСФЕРА, область околозем­ного пр-ва, физ. св-ва, размеры и форма к-рой определяются магн. по­лем Земли и его вз-ствием с потоками заряж. ч-ц от Солнца (солнечным ветром). М. несферична, она сильно вытянута в сторону, противополож­ную направлению на Солнце. С днев­ной стороны поток плазмы солн. ветра сжимает геомагн. поле (искажая его дипольный харак­тер), на ночной стороне силовые линии магн. по­ля вытягиваются в про­тяжённый магн. хвост (рис.). Линии геомагн. по­ля, расположенные выше плоскости эклектики, на­правлены к Солнцу, ниже — от Солнца (согласно рас­положению магн. полюсов Земли). Диаметр хвоста составляет ~40R_зем (земных радиусов). Поля противо­положных направлений в магн. хвосте разделяет токовый слой. Внутри то­кового слоя напряжённость

Строение земной магнитосферы в плоскости, проходящей через магн. полюсы Земли и линию Земля — Солнце.

поля близка к нулю, здесь давление полей разл. направлений уравно­вешивается давлением горячей плаз­мы, поэтому часто говорят, что противоположно направленные поля в геомагн. хвосте разделены нейтр. слоем. Давление магн. поля урав­новешивается давлением плазмы и вдоль всей границы М. Границу М. при грубом рассмотрении мож­но считать непрозрачной для солн. ветра. На дневной стороне граница М.— магнитопауза — прохо­дит на расстоянии ~10r_зем. Напря­жённость поля на границе зависит от параметров солн. ветра и обычно составляет неск. десятков гамм. Сверх­звук. поток солн. плазмы при обте­кании М. вызывает формирование

бесстолкновительной ударной волны. Все линии геомагн. поля в М. можно разделить на два классах ли­нии, близкие к линиям магн. диполя, и линии, уходящие в хвост М. В пр-ве эти два класса линий разделены об­ластями, к-рые наз. полярными ова­лами (северным и южным). Тополо­гия поля в районе овалов такова, что здесь можно говорить о существо­вании магн. щели, в к-рую проникают ч-цы солн. ветра. Особенно эффек­тивно ч-цы проникают в щель вблизи полуденного меридиана, эту область часто называют полярным каспом. Прорвавшиеся в М. ч-цы вызывают полярные сияния, однако процессы в полярных овалах чрезвычайно слож­ны, и происходящие там явления нельзя рассматривать как результат только прямого прорыва ч-ц солн. ветра. Внутр. часть М., расположен­ную в пределах диполеподобного гео­магн. поля (примерно до ЗR_зем), на­зывают плазмосферой. Концентрация ч-ц «холодной» плазмы в плазмосфере составляет ~10⁴ см^-3; ч-цы плазмосферы участвуют в суточном вращении Земли.

Концентрация ч-ц во внеш. части М. на 2—3 порядка ниже, чем в плазмосфере; движение ч-ц плазмы здесь определяется электрич. полями, возбуждаемыми солн. ветром. Общая картина движений (конвекции) ч-ц во внеш. частях М. сильно зависит от величины и направления магн. поля в межпланетной среде.

Во внутр. областях М. магн. поле удерживает, как в магн. ловушке, потоки быстрых ч-ц с энергией в сотни и более кэВ. Эти ч-цы образуют радиационные пояса Земли. Резкое возрастание плотности энергии в солн. ветре приводит к магнитосферным бурям (усилению полярных сияний, возрастанию потоков ч-ц в радиац. поясах, искажению магн. поля Земли). Бури часто объясняют быстрым вы­делением энергии, запасённой в по­лях хвостовой части М. Альтернативным объяснением явл. представление о магнитосферной динамо-генерации эдс на границе М.

Исследования при помощи косм. аппаратов показали, что М. сущест­вует и у нек-рых др. планет. М. Мер­курия напоминает М. Земли, но магн. поле Меркурия значительно слабее. М. Юпитера — самая мощная среди М. планет. Она простирается до 100R_Ю. Большие размеры М. и высокая ско­рость вращения Юпитера приводят к заметному влиянию на М. центробеж­ных сил — М. Юпитера сплющена. На её границе напряжённость магн. поля ~6. Обширной М. окружена планета Сатурн. Магн. поле Венеры опреде­ляется в осн. токами униполярной индукции, возникающими при взаи­модействии солн. ветра с ионосферой. Здесь, как и у комет, можно говорить о наведённой М.

• А к а с о ф у С. И., Ч е п м е н С., Сол­нечно-земная физика, пер. с англ., ч. 1—2, М., 1974—75; X е с с В. Н., Радиационный пояс и магнитосфера, М., 1972; R о е d e r e r J. G., Global problems in magneto-spheric plasma physics and prospects for their solution, «Space sci. rev.», 1977, v. 21, № 1, p. 23—71.

И. М. Подгорный.

МАГНИТОТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ, изменения теплового состояния тел при изменениях их магн. состояния (намагничивания или размагничива­ния). Различают М. я. при адиабатич. намагничивании и размагничи­вании (магпетокалорический эффект, при к-ром происходит изменение темп-ры тела) п М. я. изотермические, при к-рых происходит выделение или поглощение теплоты. Принципиально М. я. можно наблюдать в любых в-вах, т. к. их причина имеет общий термодинамич. хар-р — изменение внутренней энергии тела при изме­нениях его магн. состояния. Особенно значительны М. я. в ферро-, антиферро- и ферримагнетиках; хар-р М. я. в этих в-вах зависит от того, какие процессы намагничивания в них про­исходят: 1) смещение границ между доменами, 2) вращение магн. моментов доменов, 3) парапроцесс, 4) процессы разрушения или индуцирования неколлинеарной магнитной структуры (в антиферро- и ферромагнетиках). Особенно велики тепловые эффекты, сопутствующие последним двум про­цессам. В тесной термодинамич. связи с М. я., возникающими при намагни­чивании, находятся наблюдаемые в ферро-, антиферро- и ферримагнети­ках аномалии уд. теплоёмкости вблизи точек Кюри, Нееля и др. точек магн. фазовых переходов (напр., вблизи точки изменения неколлинеарной магн. структуры ферримагнетика). М. я. в нек-рых парамагнетиках используют для получения сверхнизких темп-р (см. Магнитное охлаждение].

• Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Белов К. П., Редкоземельные магнетики и их применение, М., 1980.

К. П. Белов.

МАГНИТОТОРМОЗНОЕ ИЗЛУЧЕ­НИЕ, то же, что синхротронное излу­чение.

386