Еще в начале прошлого века, после открытия магнитного взаимодействия токов, Ампер высказал мысль, что магнетизм вещества связан с "молекулярными токами" - движением электрических зарядов по замкнутым траекториям микроскопически малых размеров. Позднее, когда была принята планетарная модель атома, эти токи стали отождествлять с движением электронов вокруг ядра, создающим орбитальный магнитный момент. Дальнейшее, более глубокое изучение "деталей" атома привело к выводу, что и сами электроны обладают магнитным моментом, его назвали спиновым, так как он связан со спином электрона - собственным моментом импульса частицы, уже не имеющим отношения к ее перемещению, в частности по орбите. Но какой бы сложной ни представлялась картина появления магнитных свойств всего атома, его, атом, в большинстве случаев можно, предельно упростив картину, рассматривать как один микроскопический магнит.

Все вещества по их поведению в магнитном поле делят на три класса: диамагнетики, парамагнетики и магнитоупорядоченные вещества, к числу которых относятся ферромагнетики (железо, никель, кобальт и др.) - у этих последних магнитные моменты атомов в отсутствии внешнего поля располагаются параллельно (магнитный момент - вектор, и речь идет о направлении векторов).

Какие же силы приводят к такому упорядочению? В некоторых твердых телах соседние атомы как бы обмениваюся электронами, отчего возникает - его так и называют - обменное взаимодействие электронов. Кроме того, на магнитные свойства какого-либо атома влияют электрические поля всех атомов кристалла - их в сумме называют кристаллическим полем. Благодаря совместному влиянию обменного взаимодействия и кристаллического поля магнитные моменты атомов и стремяться установиться параллельно.

Все магнитоупорядоченные вещества при нагревании выше некоторой температуры, называемой "точкой Кюри", теряют свои магнитные свойства и переходят в парамагнитное состояние. Например, железо, нагретое выше 770^oC, к магниту практически не притягивается - оно стало парамагнитным, то есть имеющим крайне слабо выраженные магнитные свойства.

Однако то, что внутренние силы ориентируют магнитные моменты ферромагнетика параллельно, еще не приводит к намагничиванию образца в целом. Весь его объем разбивается на множество мелких - обычно в сотые доли миллиметра - областей, называемых доменами. В каждом из доменов магнитные моменты параллельны и направлены в одну и ту же сторону, так что намагниченность каждого домена почти максимально возможная. Но направления намагниченности доменов различны, так что полный магнитный момент всего физического тела обычно равен нулю.

Под действием внешнего магнитного поля происходит рост тех доменов, намагниченность которых близка к направлению поля. При росте доменов их границы смещаются, а магнитные моменты поворачиваются строго по направлению внешнего поля. При смещении границ домена и повороте его магнитного момента происходит изменение расстояний между атомами кристаллической решетки и образец меняет форму - удлинняется или укорачивается. Это явление и называется магнитострикцией, она была открыта еще в середине IXX века. Магнитострикционные материалы (в основном никель и сплавы железа с кобальтом) широко используются в технике, например, в качестве излучателей ультразвука.

В 1960 году в МГУ было обнаружено, что у редкоземельных элементов тербия, диспрозия, тулия, гольмия, эрбия и их соединений (позже в МГУ обнаружили это и у соединений урана) магнитострикция необычайно велика. Так, у поликристаллов тербия и диспрозия относительное удлинение (отношение удлинения стержня при намагничивании к его длине) составило 0,3 процента, а в монокристаллах достигло 2 процентов. Для сравнения напомним, что у классических ферромагнитных сплавов относительное удлинение - сотые доли процента.

Авторами открытия установлено, что такими необычными свойствами эти вещества обязаны особенностям строения атомов редкоземельных элементов и урана, образующих кристаллическую решетку. Их электронные облака имеют сильно вытянутую, несферическую форму (крайне упрощенно это показано на рисунке), и, к тому же, ведут они себя как "жесткие", недеформируемые. Под действием внешнего магнитного поля электронное облако каждого атома поворачивается и, грубо говоря, как бы раздвигает соседние атомы, сильно деформируя, растягивая всю кристаллическую решетку. В магнетиках же типа железа деформация значительно меньше - их атомы имеют электронную оболочку почти сферической формы, и, кроме того, она "мягче", легко деформируется сама, не вызывая большого растяжения или сжатия решетки.

Научные результаты, полученные университетскими физиками, используются при создании новых материалов: вводя ионы редкоземельных элементов или урана в кристалл, можно придавать ему нужные магнитострикционные свойства. Доцент физического факультета МГУ, кандидат физико-математических наук Г. И. Катаев, который руководит работами по совершенствованию и внедрению новых материалов, отметил, что в области комнатных температур особо большие перспективы практического использования имеют так называемые интерметаллические соединения редкоземельных элементов с металлами группы железа. На базе одного из этих соединений TbFe₂ при содействии МГУ и Государственного института редкометаллической промышленности (ГИРЕДМЕТ) освоен выпуск подобных материалов. Намечены пути улучшения качества новых материалов, в частности на основе использования металлокерамики - вещества, в котором частицы одного интерметаллического соединения "склеены" с другим. Изготовляются такие материалы методом порошковой металлургии, и при этом изделиям легко придавать любую, самую сложную форму. Ведется поиск соединений с такой кристаллической решеткой, которая позволила бы получить максимальное удлинение образца при возможно меньших используемых полях.

Новые магнитострикционные материалы на основе редкоземельных металлов (РЗМ; на картинке этим сокращением обозначены редкоземельные магнетики) практически не имеют "насыщения" магнитострикции, хорошо работают в импульсном режиме и позволяют получать огромную акустическую мощность даже при небольших размерах излучателей. Их можно использовать не только в резонансном режиме, но и в широкой полосе частот излучения. Неизбежное при этом снижение амплитуды колебаний не страшно - она все равно будет выше, чем у резонансных излучателей из "старых" материалов. Так, например, излучатели на основе РЗМ могут иметь максимальную акустическую энергию до 5300 джоулей на кубический метр излучающего вещества, в то время как у одного из лучших ферромагнитных сплавов эта удельная энергия не превышает 40 джоулей и даже у пьезокерамики она не более 700 джоулей.

В совместных работах МГУ и кишиневского ВНИИ по разработке неразрушающих методов контроля уже найден способ возбуждения в новых материалах магнитострикции на частотах 4-5 МГц. При этом получают мощные излучатели ультразвука, которые могут быть очень полезны для целей дефектоскопии. Гигантскую магнитострикцию (это уже устоявшийся технический термин) можно использовать для конструирования управляемых электрическим током механических приводов особо точных механизмов, там, где нужно получать малые, строго контролируемые перемещения. Гигантская магнитострикция новых соединений приводит к тому, что скорость звука в них зависит от внешнего магнитного поля, а коэффициент их теплового расширения может быть близок к нулю и тоже регулироваться магнитным полем. Поэтому на базе этих материалов можно создавать новые типы регулируемых акустических линий задержки и конструировать изделия, не расширяющиеся при нагреве - они, как и излучатели ультразвука, представляют немалый интерес для техники.

ЛИТЕРАТУРА:
К. П. Белов. Редкоземельные магнетики и их применение. Наука. 1980.
Г. И. Катаев, Р. З. Левитин. Физика магнитных материалов и новые редкоземельные магнетики. Знание. 1976.