Магнітострикція (від магніт і лат.(латинський) strictio — стискування, натягування), зміна форми і розмірів тіла при намагніченні. Явище М. було відкрите Дж. Джоулем в 1842. У ферро- і феримагнетиках (Fe, Ni, З, Gd, Tb і інших, ряду сплавів, феритах) М. досягає значної величини (відносне подовження D l / l » 10 -6 —10 -2 ). У антиферомагнетиках, парамагнетиках і діамагнетіках М. дуже мала. Зворотне по відношенню к М. явище — зміна намагніченості феромагнітного зразка при деформації — називається магнітопружним ефектом, інколи — Вілларі ефектом .
В сучасній теорії магнетизму М. розглядають як результат прояву основних типів взаємодій у феромагнітних тілах: електричного обмінної взаємодії і магнітної взаємодії (див. Феромагнетизм ). Відповідно до цього можливі 2 види різних за природою магнітострикційних деформацій кристалічні решітки: за рахунок зміни магнітних сил (діполь-діпольних і спін-орбітальних) і за рахунок зміни обмінних сил.
При намагніченні ферро- і феримагнетиків магнітні сили діють в інтервалі полів від 0 до поля напруженістю H s , в якому зразок досягає технічного магнітного насичення I s . Намагнічення в цьому інтервалі полів обумовлене процесами зсуву кордонів між доменами і обертання магнітних моментів доменів. Обидва ці процесу змінюють енергетичний стан кристалічної решітки, що виявляється в зміні рівноважних відстаней між її вузлами. В результаті атоми зміщуються, відбувається магнітострикційна деформація грат. М. цього вигляду носить анізотропний характер (залежить від напряму і величини намагніченості J ) і виявляється в основному в зміні форми кристала майже без зміни його об'єму (лінійна М.). Для розрахунку лінійною М. існують напівемпіричні формули. Так, М. феромагнітних кристалів кубічної симетрії, намагнічених до насичення, розраховується по формулі:
,
де s i , s j і b i , b j — направляючі косинуси відповідно вектора J s і напрями виміру відносно ребер куба, а 1 і a 2 — константи анізотропії М., чисельно рівні,, де і — максимальні лінійні М. відповідно у напрямі ребра і діагоналі вічка кристала. Величину l s = (D l / l ) s називають М. насичення або магнітострикційною постійною.
М., обумовлена обмінними силами, у феромагнетиках спостерігається в області намагнічення вище технічного насичення, де магнітні моменти доменів повністю орієнтовані у напрямі поля і відбувається лише зростання абсолютної величини J s (парапроцесс, або дійсне намагнічення). М. за рахунок обмінних сил в кубічних кристалах ізотропна, тобто виявляється в зміні об'єму тіла. У гексагональних кристалах (наприклад, гадоліній) ця М. анізотропна. М. за рахунок парапроцесса в більшості феромагнетиків при кімнатних температурах мала, вона мала і поблизу точки Кюрі, де парапроцесс майже повністю визначає феромагнітні властивості речовини. Проте в деяких сплавах з малим коефіцієнтом теплового розширення (інварних магнітних сплавах) М. велика [у магнітних полях ~ 8×10 4 а/м (10 3 е ) відношення D V / V ~ 10 -5 ]. Значна по величині М. парапроцесса виникає також в феритах при руйнуванні або створенні магнітним полем неколінеарних магнітних структур .
М. відноситься до так званих парних магнітних ефектів, оскільки вона не залежить від знаку магнітного поля. Експериментально більш всього вивчалася М. в полікристалічних феромагнетиках. Зазвичай вимірюється відносне подовження зразка у напрямі поля (подовжня М.) або перпендикулярно напряму поля (поперечна М.). Для металів і більшості сплавів подовжня і поперечна М. в області полів технічного намагнічення мають різні знаки, причому величина поперечною М. менше, ніж подовжньою, а в області парапроцесса ці величини однакові ( мал. 1 ). Для більшості феритів як подовжня, так і поперечна М. негативні; причина цього ще не ясна. Величина знак і графічний хід залежності М. від напруженості поля і намагніченості залежать від структурних особливостей зразка (кристалографічної текстури, домішок сторонніх елементів, термічної і холодної обробки). В Fe ( мал. 2 ) подовжня М. в слабкому магнітному полі позитивна (подовження тіла), а в сильнішому полі — негативна (укорочення тіла). Для Ni при всіх значеннях поля подовжня М. негативна. Складний характер М. в полікристалічних зразках феромагнетиків визначається особливостями анізотропії М. в кристалах відповідного металу. Більшість сплавів Fe — Ni, Fe — Co, Fe — Pt і інших мають позитивний знак подовжньої М.: D l / l » (1—10)×10 -5 . Найбільшою подовжньою М. володіють сплави Fe — Pt, Fe — Pd, Fe — З, Mn — Sb, Mn — Cu — Bi, Fe — Rh. Серед феритів найбільша М. в Cofe 2 O 4 , Tb 3 Fe 5 O 12 , Dy 3 Fe 5 O 12 : D l / l » (2—25)×10 -4 . Рекорд висока М. в деяких рідкоземельних металів, їх сплавів і з'єднань, наприклад в Tb і Dy, в Tbfe 2 і Dyfe 2 : D l / l » 10 -3 —10 -2 (залежно від величини прикладеного поля). М. приблизно такого ж порядку виявлена в ряду сполук урану (U 3 As 4 U 3 P 4 і інших).
М. в області технічного намагнічення виявляє явище гістерезису ( мал. 3 ). На М. в сильній мірі впливають також температура, пружна напруга і навіть характер розмагнічування, якому піддавався зразок перед виміром.
Всестороннє вивчення М. перш за все сприяє з'ясуванню фізичної природи сил, які визначають феррі-, антіферро- і феромагнітна поведінка речовини. Дослідження М., особливо в області технічного намагнічення, грає також велику роль при дослідженнях нових магнітних матеріалів; наприклад, відмічено, що висока магнітна проникність сплавів типа пермалою пов'язана з тим, що в них мала М. (поряд з малим значенням константи магнітної анізотропії).
З магнітострикційними ефектами зв'язані аномалії теплового розширення ферро-, феррі- і антиферомагнітних тіл. Ці аномалії пояснюються тим, що магнітострикційні деформації, що викликаються обмінними (а в загальному випадку і магнітними) силами в гратах, виявляються не лише при приміщенні вказаних тіл в магнітне поле, але також при нагріванні їх у відсутності поля (термострикція). Зміна об'єму тіл унаслідок термострикції особливо значно при магнітних фазових переходах (в точках Кюрі і Нєєля, при температурі переходу колінеарної магнітної структури в неколінеарну і інших). Накладення цих змін об'єму на звичайне теплове розширення (обумовлене тепловими коливаннями атомів в гратах) інколи приводить до аномально малого значення коефіцієнта теплового розширення в деяких матеріалів. Експериментально доведено, наприклад, що мале теплове розширення сплавів типа інвар пояснюється впливом негативних магнітострикційних деформацій, що виникають при нагріві, які майже повністю компенсують «нормальне» теплове розширення таких сплавів.
З М. пов'язані різні аномалії пружності у ферро-, феррі- і антиферомагнетиках. Різкі аномалії модулів пружності і внутрішнього тертя, спостережувані у вказаних речовинах в районі крапок Кюрі і Нєєля і інших фазових магнітних переходів, зобов'язані впливу М., що виникає при нагріві. Крім того, при дії на ферро- і феррімагнітниє тілах пружної напруги в них навіть за відсутності зовнішнього магнітного поля відбувається перерозподіл магнітних моментів доменів (у загальному випадку змінюється і абсолютна величина мимовільної намагніченості домена). Ці процеси супроводяться додатковою деформацією тіла магнітострикційної природи — механострикцією, яка приводить до відхилень від закону Гуку. У безпосередньому зв'язку з механострикцією знаходиться явище зміни під впливом магнітного поля модуля упругості Е феромагнітних металів (D Е -еффект).
Для виміру М. найбільшого поширення набули установки, що працюють за принципом механооптічеського важеля, дозволяють спостерігати відносні зміни довжини зразка до 10 -6 . Ще більшу чутливість дають радіотехнічний і інтерференційний методи. Набув поширення також метод дротяних датчиків, в якому на зразок наклеюють зволікання, включене в одне з плечей моста вимірника . Зміна довжини зволікання і її електричного опору при магнітострикційній зміні розмірів зразка з високою точністю фіксується приладом електровимірювання.
М. знайшла широке вживання в техніці. На явищі М. заснована дія магнітострикційних перетворювачів (датчиків) і реле, випромінювачів і приймачів ультразвука, фільтрів і стабілізаторів частоти в радіотехнічних пристроях, магнітострикційних ліній затримки і т.д.
Літ.: Вонсовський С. Ст, Магнетизм, М., 1971; Белов До. П., Пружні, теплові і електричні явища у феромагнетиках, 2 видавництва, М. — Л., 1957; Бозорт Р., Феромагнетизм, переклад з англійського, М., 1956; Рідкоземельні феромагнетики і антиферомагнетики, М., 1965; Ультразвукові перетворювачі, переклад з англійського, під редакцією І. П. Голяміной, М., 1972.
