Барнетта эффект

       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

       

            (1)

       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

       

, (2)

       где I_eL_e — ток и индуктивность экрана.

         Магнитный поток входной обмотки  сквида

       

, (3)

       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

       

,                   (4)

       откуда  чувствительность КФГ к угловой  скорости будет равна

       

,                     (5)

       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.