Барнетта эффект

Федеральное агентство по образованию  РФ 

Пензенский  государственный  педагогический университет  им. В.Г. Белинского 

Кафедра общей физики 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа на тему: 

« Барнетта эффект » 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: студент гр. ФИ-42

иванова

                                                                                                                                                                                                     Проверил: )  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Пенза – 2008

        СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….2

ОПИСАНИЕ  ЭФФЕКТА Эффект Барнетта………………………………6

                                      Эффект Эйнштейна-де Газа…………………....8

ПРИМЕНЕНИЕ  ЭФФЕКТА………………………………………………….11

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………….17 

ВВЕДЕНИЕ

       Барнетта  эффект, намагничивание ферромагнетиков при их вращении в отсутствии магнитного поля; открыт в 1909 американским физиком С. Барнеттом (S. Barnett). Барнетта эффект объясняется тем, что при вращении тела момент количества движения и связанный с ним магнитный момент его атомов изменяются; появляется составляющая магнитного момента вдоль оси вращения. Барнетта эффект, так же как и другие магнитомеханические явления, позволяет получить важные сведения о природе носителей магнитного момента в веществе. С его помощью для различных веществ было определено магнитомеханическое отношение (отношение магнитного момента атома к его моменту количества движения) и сделан вывод о том, что в металлах и сплавах группы железа ферромагнетизм обусловлен в основном магнитным моментом спина электрона.

       Ферромагнетики, вещества, которые ниже определенной температуры - Кюри точки Т_к обладают самопроизвольной намагниченностью. К ферромагнетикам относятся переходные элементы - Fe, Со, Ni, некоторые РЗЭ (Gd, Tb, Dy, Но, Er, Tm); металлические бинарные и многокомпонентные сплавы и соединения перечисленных металлов между собой и с др. неферромагнетными элементами; сплавы и соединения Cr и Mn с неферромагнетными элементами; аморфные сплавы, в т. ч. металлического стекла, например, состава 80% Fe, 20% В; некоторые соединения актиноидов, например UH₃.

       Ферромагнетики  - системы с открытыми электронными оболочками, т. е. их вырожденные молекулярные орбитали заполнены частично. Магнитные моменты атомов и ионов ферромагнетиков благодаря существующему между этими частицами обменному взаимодействию направлены одинаково, поэтому ферромагнетики всегда намагничены. Однако в отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность макроскопических ферромагнитных образцов может не проявляться. Т.к. магнитные моменты малых областей ферромагнетиков - доменов направлены различно, суммарный магнитный момент м. б. равен нулю. Во внешнем магнитном поле намагниченность Ф. увеличивается вследствие роста числа доменов с вектором намагниченности, близким к направлению поля, и последующего поворота магнитных моментов доменов по полю. Магнитный момент единицы объема , где H - напряженность поля, - магнитная восприимчивость. С ростом H значение 1 увеличивается нелинейно, т.к. зависит от H. Для ферромагнетиков, как правило, характерно явление гистерезиса - кривые намагничивания и размагничивания не совпадают (см. Магнитные материалы). При устранении намагничивающего поля ферромагнетики сохраняют остаточную намагниченность. Ее можно свести к нулю, например, нагревая ферромагнетик выше точки Кюри.

       Ферромагнетики подразделяют на магнитомягкие и магнитотвердые. Первые обладают малой коэрцитивной силой и значит, мага, проницаемостью. Для вторых характерны большие значения коэрцитивной силы и остаточной намагниченности.

       Магнитотвердые  ферромагнетики служат в основном для изготовления постоянных магнитов. Магнитомягкие ферромагнетики используют в электротехнике (трансформаторы, электромоторы, генераторы и др.), для изготовления магнитопроводов, элементов памяти ЭВМ, в устройствах преобразования электромагнитной энергии в механическую и наоборот. 

       Кюри точка (температура Кюри), температура Т_к, вблизи которой происходит качественное изменение физических свойств некоторых кристаллических тел (фазовый переход 2-го рода). В Кюри точке происходит переход ферромагнетик - парамагнетик, сопровождаемый исчезновением макроскопического магнитного момента. При температурах ниже Кюри точки ферромагнетик обладает самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью; при нагревании вещества и приближении к Кюри точке, тепловое движение атомов разупорядочивает ориентацию магнитного моментов атомов и в Кюри точке самопроизвольная намагниченность исчезает, ферромагнетик превращается в парамагнетик. Аналогично в антиферромагнитной Кюри точке (или точке Нееля) происходит разрушение характерной для антиферромагнетиков магнитной атомной структуры (магнитной подрешетки), и вещество превращается в парамагнетик. У сегнетоэлектриков в Кюри точке пропадает самопроизвольная (спонтанная) поляризация вещества из-за того, что тепловое движение атомов разрушает упорядоченную ориентацию электрических диполей элементарных ячеек кристаллической решетки. Вблизи Кюри точки наблюдается специфичная температурная зависимость не только магнитной восприимчивости (или электрической поляризации), но и теплоемкости. Однако плотность вещества изменяется непрерывно, теплота не поглощается и не выделяется. Для количественной оценки изменения свойств вводят т. наз. параметр порядка h, за который в случае перехода ферромагнетик - парамагнетик принимают намагниченность вещества. При температуре Т : Т_к параметр h : 0 и при Т_кh=0. Кюри точка названа по имени П. Кюри, подробно изучившего переход ферромагнетик-парамагнетик.

       Магнитомеханические явления, гиромагнитные явления, группа явлений, обусловленных взаимосвязью магнитного и механических моментов микрочастиц - носителей магнетизма. Любая микрочастица, обладающая определённым моментом количества движения (электрон, протон, нейтрон, атомное ядро, атом), имеет также и определённый магнитный момент. Благодаря этому увеличение момента количества движения системы микрочастиц - физического тела, образца - приводит к возникновению у образца дополнительного магнитного момента и, наоборот, при намагничивании образец приобретает дополнительный механический момент.  
Магнитный момент, основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Источником магнетизма, согласно классической теории электромагнитных явлений, являются электрические макро- и микротоки. Элементарным источником магнетизма считают замкнутый ток. Из опыта и классической теории электромагнитного поля следует, что магнитные действия замкнутого тока (контура с током) определены, если известно произведение (М) силы тока i на площадь контура s. Вектор М и есть, по определению, М. м. Его можно записать и в иной форме: М = m l, где m - эквивалентный магнитный заряд контура, а l - расстояние между "зарядами" противоположных знаков (+ и -).

       Магнитный заряд, вспомогательное понятие, вводимое при расчётах статических магнитных полей (по аналогии с электрическим зарядом, создающим электростатическое поле). Магнитный заряд, в отличие от электрических зарядов, реально не существуют, так как магнитное поле не имеет особых источников, помимо электрических токов. Гипотеза П. Дирака (1931) о существовании в природе магнитных зарядов (магнитных монополей) экспериментально не подтверждена, хотя попытки обнаружить магнитные заряды продолжаются. Для тел, обладающих намагниченностью, можно ввести понятия объёмной r_m и поверхностной s_m плотностей магнитного заряда. Первая связана с неоднородным распределением намагниченности по объёму тела, вторая - со скачком нормальной составляющей намагниченности на поверхности магнетика. Магнитные заряды располагаются двойными слоями на поверхностях, где происходит скачок нормальной составляющей намагниченности, причём элементарные магнитные заряды противоположных знаков оказываются связанными в магнитные диполи.

       ОПИСАНИЕ ЭФФЕКТА

       Эффект  Барнетта заключается в намагничивании тел путем их вращения при отсутствии внешнего магнитного поля. Эффект реализуется в ферромагнетиках.

       Во  вращающемся с постоянной угловой  скоростью вокруг неизменной оси z образце (рис. 1) элементарные магнитики его материала представляют собой своеобразные гироскопы, обладающие механическим моментом количества движения и магнитным моментом.  

       Геометрия наблюдения эффекта Барнета.   

       Рис. 1  

       Вращающийся цилиндр сделан из ферромагнетика.  

       Вращение  гироскопов с постоянной угловой  скоростью W_z вокруг неизменной оси z эквивалентно процессу вращения гироскопов вокруг этой оси под действием некоторой ”опрокидывающей” пары сил, стремящейся поставить ось каждого гироскопа параллельно оси z.

       В то же время вращение всех гироскопов с постоянной угловой скоростью  вокруг неизменной оси z эквивалентно воздействию на эти магнетики поля Н_эф, направленного вдоль оси z, т.к. подобное поле вызовет, согласно теореме Лармора, прецессию гироскопических магнетиков с угловой скоростью W_z= g*_**. Наличие же эффективного поля Н_эф  должно проявиться не только в прецессии магнетиков, но и в возникновении  намагниченности образца вдоль оси z.

       Из  опытов по исследованию эффекта определено гиромагнитное отношение:  

       g = М / q = ge /(2mc),  

       где М - магнитный момент частицы вещества;

       q - момент количества движения частицы;

       е и т - заряд и масса электрона;

       с - скорость света;

       g - магнитно-механический фактор.(табл.1)  

       Эффект  возможен при температуре ниже точки  Кюри.

       Физический  эффект проявляется на телах удлиненной геометрической формы.

       Результат воздействия проявляется в объеме ферромагнитного тела. Результирующая магнитного поля направлена вдоль оси вращения.

       Временные характеристики:

       Время инициации (log t_o от -11 до -9);

       Время существования (log t_c от -9 до 15);

       Время деградации (log t_d от -11 до -9);

       Время оптимального проявления (log t_k от 0 до 6).

       Диаграмма:

       Технические реализации эффекта

       Техническая реализация в соответствии с рис. 2.  

       Намагничивание вращающегося стержня  

       Рис. 2   

       Возникающее магнитное поле, порождаемое намагниченностью, измеряется стандартным магнетометром.

       Таблица 1. Значение магнитомеханического отношения  g для ферромагнитных веществ, полученные при помощи измерений эффекта Барнетта.

       Эффект  Эйнштейна-де Гааза

       Эффект  Эйнштейна-де Гааза – это обратный эффект эффекту Барнетта. В первом случае тело вращается только из-за возникновения в нем намагниченности без участия внешних механических сил. Во втором случае, наоборот, в теле создают намагниченность без участия внешнего магнитного поля, лишь приводя тело во вращение.

       Принципиальная  схема опыта Эйнштейна-де Гааза состоит в следующем.

       рис. 3

       Исследуемый образец цилиндрической формы A, подвешенный на тонкой упругой нити B, при изменении его магнитного момента вдоль оси образца поворачивается на небольшой угол α. Этот поворот измеряется по отклонению зеркальца С, жестко связанного с образцом. При баллистическом методе, коммутируя намагничивающий ток i в соленоиде, в который помещается исследуемый образец, измеряют его намагниченность от –I до +I, а затем наблюдают затухающие вращательные колебания образца. Для начального угла отклонения α₀ в типичных случаях получают величины порядка 1 – 5·10^-4 град. Таким образом, при наблюдениях отражения солнечного зайчика от зеркала при расстоянии до шкалы около 5 м эти отклонения составляют 1 – 5 мм. Из-за малости наблюдаемых величин эти опыты требуют высокой техники эксперимента. В табл.2 приведены из обзора Скотта некоторые результаты измерений величины g, полученные с помощью этих методов для различных ферромагнитных веществ. Видно, что почти во всех случаях магнетомеханическое отношение близко к 2 (наибольшее отклонение, порядка 7%, от этого числа наблюдается у сплава Co_0.5Ni_0.5).

       Таблица 2. Значение магнитомеханического отношения  g для ферромагнитных веществ, полученные при помощи измерений эффекта Эйнштейна – де Гааза.

       ПРИМЕНЕНИЕ  ЭФФЕКТА 

       Физический  эффект применяется для исследования природы и строения ферромагнитных веществ. Он позволил установить, что в некоторых ферромагнитных металлах (Fe, Co, Ni, Cd) элементарными магнетиками являются спиновые магнитные моменты электронов, тогда как в других ферромагнитных телах и парамагнетиках - спиновые и орбитальные магнитные моменты электронов.

       В Левин Л.А. II ЖТФ. 1996. Т. 66. Вып. 4,  рассмотрена принципиальная возможность создания нового криогенного ферромагнитного гироскопа (КФГ) — датчика угловой скорости. КФГ основан на использовании эффекта Барнетта. показано, что известны три физических явления возбуждения магнитного поля при вращении различных тел. Это — магниторезонансный эффект в ³Не, момент Лондона в сверхпроводниках и эффект Барнетта. Для получения в КФГ магнитной индукции, равной индукции, возникающей в давно разрабатываемом ядерном гироскопе (КЯГ) с ³Не, необходимо, чтобы относительная безразмерная магнитная проницаемость ферромагнитного тела была > 800. При этом показано, что КФГ должен быть значительно проще КЯГ.

       В настоящей работе рассматриваются  некоторые варианты устройства КФГ. В Левин Л.А. II ЖТФ. 1996. Т. 66. отмечалось, что простейшая схема КФГ представляет собой ферромагнитный стержень, помещенный внутри цилиндрического сверхпроводящего, электрически разомкнутого экрана. На стержень нанесена сверхпроводящая чувствительная обмотка, соединенная в сверхпроводящий короткозамкнутый контур с входной обмоткой сквида. Однако эта схема имеет два недостатка. Во-первых, простой цилиндрический разомкнутый магнитный экран обеспечивает низкий коэффициент экранирования, во-вторых, обмотка, нанесенная непосредственно на ферромагнитный стержень, обладает большой индуктивностью, что уменьшает ток во входной обмотке сквида и затрудняет согласование обмотки со входом сквида. В принципе возможна установка ферромагнитного стержня в цилиндрическом замкнутом сверхпроводящем экране, но в этом случае резко возрастают габариты сверхпроводящего экрана из-за компенсирующего магнитного поля, возникающего внутри экрана, или должны быть уменьшены размеры стрежня, что ведет к снижению чувствительности прибора. Итак, оба варианта с простым разомкнутым и замкнутым экранами мало пригодны для создания реального КФГ.

       Для создания работоспособного КФГ предлагается использовать специальный электрически разомкнутый сверхпроводящий экран. Он представляет собой практически цилиндрический, разрезанный по образующей экран с большой зоной перекрытия места. Если в такой схеме обеспечить отношение высоты зазора к длине зоны перекрытия зазора 1:10, то коэффициент экранирования будет составлять порядка 10⁵—10⁶. Дальнейшее уменьшение отношения будет повышать коэффициент экранирования. Эта схема и принята нами в рассматриваемом далее устройстве.

       К этому типу экрана относится, например, цилиндр с очень узким разрезом по образующей порядка 0.01—0.1mm и большой толщиной стенки 2—3 mm. Такой экран кроме увеличения коэффициента экранирования позволяет экранировать чувствительную обмотку, нанесенную на него, от ферромагнитного материала и примерно в µ раз уменьшать ее индуктивность.

       Внутри  экрана установлен ферромагнитный стержень. Диаметр стержня и внутренний диаметр экрана должны быть близки друг к другу (D_c D_e), так чтобы на внутренней поверхности экрана действовало поле, близкое к индукции Барнетта Вв. Ток, который создается на внутренней стороне экрана для компенсации поля Вв, протекает по внешней поверхности экрана, перенося поле Вв на поверхность экрана. Это поле возбуждает ток в сверхпроводящей чувствительной обмотке, намотанной на поверхность экрана и соединенной в короткозамкнутый сверхпроводящий контур с входной обмоткой сквида. Для исключения утечки тока ширина экрана должна быть несколько меньше длины ферромагнитного стержня.

       Ток, возбужденный в чувствительной обмотке, пропорциональный скорости вращения прибора, течет по входной обмотке сквида, создавая поток, который измеряется сквидом. По-видимому, вместо чувствительной обмотки может быть использован электрически разомкнутый экран.

       Магнитный поток, созданный за счет эффекта Барнетта, в ферромагнитном стержне

       где µ — относительная безразмерная магнитная проницаемость материала стержня, Ω — угловая скорость вращения, S — поперечное сечение стержня, — маг-нитомеханическое отношение ( = 1.7 • 10¹¹ А • s • kg^-1). При условии D_c = D_e поток экрана

       где I_eL_e — ток и индуктивность экрана.

         Магнитный поток входной обмотки  сквида

       где I₀ — ток в короткозамкнутом сверхпроводящем контуре, протекающий через входную обмотку сквида с индуктивностью L_c; L₀ — индуктивность чувствительной обмотки.

       Обозначим L_с/L₀ + L_с = К — коэффициент передачи потока. В сложных схемах этот коэффициент более громоздкий, чем в (3), как правило, он состоит из соотношений между индуктивностями и взаимными индуктивностями элементов, входящих в прибор. Практическая величина К ~ 10^-1 — 10^-3. Измерение магнитного потока Барнетта возможно, если Ф_с Ф_пс> где Ф_nс — шум сквида. Тогда

       откуда  чувствительность КФГ к угловой  скорости будет равна

       Из (5) следует, что для повышения чувствительности КФГ необходимо увеличивать µ материала, S и К. Например, при Ф_nc — 1О^-5 Ф₀ (Ф₀ = 2 • 10^-15 Wb — квант магнитного потока), µ = 800, S = 10^-3 m², К = 10^-2 получим f порядка 10^-7 s^-1.

       Упрощенная  схема КФГ представлена на рисунке. Внутри корпуса / находятся жестко связанные с ним ферромагнитный стержень 2 и сверхпроводящий магнитный экран 3, возможные формы которого показаны справа и слева на том же рисунке. На экране 3 намотана сверхпроводящая чувствительная обмотка 4, соединенная с входной обмоткой 5 сквида 6. Для повышения коэффициента экранирования с боков установлены сверхпроводящие крышки-экраны 7. Отношение высоты зазоров и длины перекрытия экранов 3 и 7 1:10.

       Известно, что при вращении сверхпроводящего тела, например сплошного или полого замкнутого цилиндра, в нем возникает магнитное поле — момент Лондона. В электрически разомкнутом экране 3 момент Лондона не возникает. Для исключения его влияния на измерение поля эффекта Барнетта необходимо, чтобы крышки-экраны 7 были разрезаны соответствующим образом. При этом отношение высоты зазора к зоне перекрытия должно быть 1: 10, т. е. крышка должна быть сравнительно толстой, а разрез очень узким.

       Есть  еще некоторые детали, которые  могут быть использованы при создании и использовании КФГ. Охлаждение прибора до рабочей температуры для исключения захвата магнитного потока сверхпроводящими деталями должно производиться в условиях практически нулевого магнитного поля, особенно вблизи температуры перехода материала в сверхпроводящее состояние.

       В качестве ферромагнитного материала  стержня желательно использовать монокристалл, а ось легкого намагничивания совмещать с осью стержня.