Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Литературный обзор 11
1.1. Амплитуднонезависимое внутреннее трение в магнетиках и сегнето-электриках 11
1.1.1. Обратимые смещения доменных границ (ДГ) 14
1.1.2. Процессы обратимых вращений векторов спонтанной поляризации и намагниченности в магнетиках и сегнетоэлектриках 18
1.2. Амплитуднозависимые потери (гистерезисные) 24
1.2.1. Магнитоупругий гистерезис (МУГ) в магнетиках и гистерезисные потери в сегнетоэлектриках 24
1.2.2. Экспериментальные закономерности. 28
1.2.3. Способы теоретического описания МУГ 29
1.2.4. Необратимые вращения векторов спонтанной намагниченности и поляризации, индуцированные магнитным, электрическим и упругим полями .33
1.2.5. Вклад необратимых вращений векторов спонтанной поляризации и намагниченности во внутреннее трение магнетиков и сегнетоэлектриков...36
1.3. Потери немагнитной и неупругоэлектрической природы и проблемы их выделения из общих потерь 38
1.4. Генерация упругих волн в одно-, трех- и четырехосных магнетиках в переменных магнитных полях 40
1.5. О АЕ- и AG-эффектах в магнетиках и сегнетоэлектриках в смещающих полях (комбинированные внешние воздействия) 41
1.6. Выводы 44
ГЛАВА II. Генерация упругих волн в сегнетоэлектриках ...45
2.1. Сегнетоэлектрики типа смещения (ВаТі03) с закрепленными ДГ 45
2.2. Сегнетоэлектрики типа порядок-беспорядок (сегнетова соль) с закрепленными ДГ 62
2.3. Вклад доменных границ в генерацию упругих волн 72
2.4. Особенности генерации акустических волн в сегнетокомпозитах 79
ГЛАВА III. Генерация упругих волн в перовскитовых сегнетомагнетиках 84
3.1. Расчет исходных ориентации векторов спонтанной намагниченности и поляризации в смещающих полях при закрепленных ДГ 84
3.2. Определение компонент тензора напряжений, эквивалентных по упругому воздействию электрическому и магнитному полям, либо при их совместном воздействии 91
3.3. Нахождение суммарного эффективного акустического сигнала (амплитуды индуцированного механического напряжения) в сегнетомагнетике 94
ГЛАВА IV. Внутреннее трение в сегнетомагнетиках 97
4.1. «Вращательная» составляющая внутреннего трения в исходном размагниченном и деполяризованном полидоменном кристалле 97
4.2. Влияние смещающих полей на ориентационную составляющую поглощения энергии в манганитах 105
ГЛАВА V. О АЕ- и AG-эффектах в сегнетоэлектриках и сегнетомагнетиках 121
5.1. Вклад процессов смещений и вращений в статические и динамические АЕ-и AG-эффекты в ВаТЮ3 122
5.2. Составляющая АЕ- и AG-эффектов, связанная с процессами вращений в сегнетомагнетиках 136
Заключение 150
Список литературы 154
- Процессы обратимых вращений векторов спонтанной поляризации и намагниченности в магнетиках и сегнетоэлектриках
- Сегнетоэлектрики типа порядок-беспорядок (сегнетова соль) с закрепленными ДГ
- Определение компонент тензора напряжений, эквивалентных по упругому воздействию электрическому и магнитному полям, либо при их совместном воздействии
- «Вращательная» составляющая внутреннего трения в исходном размагниченном и деполяризованном полидоменном кристалле
Введение к работе
Актуальность темы. Успешное развитие физики магнитных явлений во многом предопределило открытие сегнетоэлектриков (СЭ), основными параметрами которых можно управлять с помощью внешнего электрического поля. При поиске новых СЭ были обнаружены сегнетомагнетики (СМ), для которых получены экспериментальные доказательства взаимодействия намагниченности и поляризации и возможности управления намагниченностью электрическим полем, а электрической поляризацией - магнитным полем. Эти свойства делают СЭ и СМ очень перспективными материалами для применений в современной технике: радиотехнике, электро- и акустооптике, нелинейной оптике, квантовой электронике, в системах обработки и хранения информации и других областях.
Для использования СЭ и СМ в практических целях нужны соединения с определенными физическими параметрами, например, СМ с низкими потерями, малой электропроводностью, значительным магнитным моментом и магнитоэлектрической восприимчивостью и т. д. Поэтому в современной физике твердого тела интенсивно исследуются взаимодействия различных подсистем кристалла друг с другом и внешними полями.
В поле внешних воздействий СЭ и СМ перестраиваются, переходя в новое равновесное состояние. Этот процесс характеризуется важными дис-сипативными величинами: внутренним трением Q"1 и коэффициентом акустического поглощения а. Первая из них определяется в зависимости от вида воздействия на систему (СЭ или СМ) либо долей энергии, рассеянной за период колебания, либо через фазовое запаздывание отклика системы на это воздействие, либо по полуширине резонансного максимума амплитуды вынужденных колебаний. Коэффициент акустического поглощения, который иногда называют коэффициентом затухания упругой волны, определяется по ее ослаблению при распространении в кристалле.
Часто требуются материалы с определенным уровнем внутреннего трения Q"1, а на практике нередко появляется необходимость варьирования маг-
нитных и электрических потерь в достаточно широких пределах либо изменением внешних условий, либо целенаправленным воздействием на их кристаллическую структуру. Поэтому необходимы исследования по выявлению механизмов и закономерностей релаксационных процессов.
Что касается СЭ, то в настоящее время остается много вопросов, связанных либо с интерпретацией выявленных экспериментальных закономерностей, либо с их теоретическим описанием. Это объясняется тем, что часто используется малоинформативный полуфеноменологический подход. В результате некоторые вопросы вообще ни практически, ни теоретически не затрагиваются. В первую очередь это касается детальных экспериментальных исследований анизотропии поглощения продольных и сдвиговых волн в кристаллах, генерируемых переменным электрическим полем, и аномалий упругих модулей.
Теоретических и экспериментальных исследований потерь энергии в СМ в области линейного отклика не проводилось. Нет описания диссипатив-ных процессов для СМ в полях комбинированных внешних воздействий и процесса генерации упругих волн в переменных магнитных и упругоэлек-трических полях, в том числе при наложении еще и постоянных внешних воздействий. Поскольку чаще всего реальные объекты исследований используются при одновременном наложении нескольких видов воздействий, то выявление природы и последующее использование закономерностей релаксационных явлений, а также их строгое теоретическое описание является важной задачей для практики.
Цель и задачи исследования. С учетом ситуации, сложившейся при рассмотрении данной проблемы, была поставлена цель работы: произвести теоретическое описание процессов генерации упругих волн, их поглощения и ДЕ- и AG- эффектов в сегнетоэлектриках и перовскитовых сегнетомагнети-ках. Для реализации цели были поставлены и решены следующие задачи:
Разработать метод расчета важнейших величин, характеризующих процесс генерации продольных и поперечных акустических волн, индуцированных обратимыми вращениями векторов спонтанной поляризации в смещающих полях комбинированных внешних воздействий в сегнетоэлектриках типа смещения и «порядок-беспорядок».
Произвести теоретическое описание процесса генерации упругих волн доменными границами в сегнетоэлектриках в смещающих полях.
Рассмотреть особенности процесса генерации акустических волн в сегнетомагнетике с сильной связью между его электрической и магнитной подсистемами.
Описать ориентационную релаксацию в перовскитовых сегнетомаг-нетиках, в том числе и при наличии смещающих упругого, электрического и магнитного полей.
Количественно описать аномалии в поведении упругих модулей: статический и динамический АЕ- и AG- эффекты в сегнетоэлектриках, связанные со смещениями доменных границ и обратимыми вращениями, их частотную и ориентационную зависимости, а также их составляющие, обусловленные магнитоэлектрическим взаимодействием подсистем в сегнетомагнетиках.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту. Исследования, проведенные в данном направлении, привели к разработке новых положений, из которых на защиту выносятся:
Впервые предложенные методы расчета параметров, характеризующих процесс генерации акустических волн, индуцированных обратимыми вращениями и смещениями доменных границ в сегнетоэлектриках и сегнетомагнетиках типа манганитов в произвольных смещающих полях.
Особенности ориентационной и частотной зависимости амплитуды механических напряжений, наводимых переменным электрическим полем, а в сегнетомагнетиках и магнитным полями.
3. Теория внутреннего трения в сегнетомагнетиках с гигантским магни
тоэлектрическим эффектом, обусловленного обратимыми вращениями векто
ров спонтанной намагниченности и поляризации, в области линейного откли
ка в смещающих электрическом и магнитном полях.
~ * мій IT
Количественное описание статических ДЕ- и AG- эффектов в титанате бария, связанных с процессами смещений и вращений.
Ориентационная и частотная зависимости АЕ- и AG- эффектов в манганитовых сегнетомагнетиках, связанных с процессами вращений векторов намагниченности и поляризации в полях комбинированных внешних воздействий.
Научная новизна. В работе впервые на основе развиваемого макроскопического подхода теоретически описана совокупность явлений в сегне-тоэлектриках (полидоменные ВаТЮ3 и сегнетова соль), связанных с обратимыми смещениями доменных границ и вращениями векторов спонтанной поляризации (линейный отклик), приводящими за счет электрострикции и пье-зоэффекта к генерации в них продольных и поперечных упругих волн во взаимосвязи с параметрами, характеризующими исходные структурные состояния кристалла: дисперсия и анизотропия эффективного акустического сигнала, наведенного переменным электрическим полем при наличии смещающих полей. Показано, что в некоторых характерных кристаллографических направлениях генерация этих сигналов невозможна из-за специфики их симметрии. Впервые предложен алгоритм расчета важнейших акусто-диссипативных параметров, характеризующих генерацию упругих волн в манганитовых сегнетомагнетиках, обладающих гигантским магнитоэлектрическим эффектом, обусловленным сильным взаимодействием между его электрической и магнитной подсистемами.
Впервые на основе макроскопического подхода описана ориентационная и частотная зависимости внутреннего трения в полидоменных сегнетомагнетиках с изотропной связью между их магнитной и электрической под-
системами в области линейного отклика, связанного с обратимыми вращениями векторов спонтанной намагниченности и поляризации. Показано, что внутреннее трение имеет релаксационный тип и определяется двумя процессами с характерными временами релаксации. В работе также произведено теоретическое описание как статических, так и динамических ДЕ- и AG-эффектов в титанате бария и в перовскитовых сегнетомагнитных кристаллах, в том числе и типа манганитов. Показано на примере ВаТЮ3, что вклад в
статический ДЕ-эффект, производимый смещениями доменных границ и вращениями, соизмерим. Таким образом, в работе получены новые результаты, относящиеся к описанию генерации упругих волн в сегнетоэлектриках и сегнетомагнетиках в области линейного отклика, а также по ориентационной релаксации векторов спонтанной намагниченности и поляризации в смещающих полях.
Достоверность полученных результатов. Результаты проведенных исследований, алгоритмы расчетов, предложенные в работе и выводы, следующие из них, коррелируют как с имеющимися экспериментальными данными разных авторов, полученными на исследуемых системах, так и с исследованиями подобных эффектов в ферромагнетиках, для которых наблюдается кроме качественного и количественное согласие теории с экспериментальными данными. Достоверность результатов, представленных в работе, следует из апробированности использовавшихся методов теоретического описания с применением термодинамики и электродинамики сплошных сред.
Практическая значимость. Представленные в работе результаты открывают новые возможности целенаправленного поиска способов управления уровнем диссипативных потерь в сегнетоэлектриках и перовскитовых сегнетомагнетиках, связанных с процессами вращений и смещений, со структурой их упругих, электрических и магнитных подсистем с учетом их взаимосвязи. Использование разработанной теории для расчета основных акусто-
диссипативных параметров исследуемых систем, характеризующих процесс генерации в них упругих волн, позволит находить оптимальные режимы работы электрострикторов, магнитострикторов и сегнетомагнитострикторов в реальных элементах узлов различных виброустройств. По отсутствию генерируемых акустических сигналов, например, можно определить ориентировку кристалла и пр. Установленные в работе аналитические взаимосвязи, например, внутреннего трения с параметрами исследуемых систем и внешнего воздействия, как и акусто-диссипативных параметров с ними, в принципе позволяет по совокупности их экспериментальных значений зондировать маг-нито-упруго-электрическую структуру и, наоборот, на основе параметров ее характеризующих производить целенаправленный поиск оптимальных условий использования на практике таких систем.
Апробация работы. Результаты отдельных этапов исследований докладывались на следующих конференциях и совещаниях: III Международный семинар «Компьютерное моделирование в физических, технических и химических системах» (Воронеж, апрель, 2004); XXI Intemetional Conference on Relaxation Phenomena in Solids (RPS - 21) (Voronezh, October, 2004) - 3 доклада; III Всероссийская конференция «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, январь, 2005); IV Международная конференция «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Воронеж, апрель, 2005) - 3 доклада, II Международный семинар «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, декабрь, 2005).
Работа выполнена в области естественных наук по физике твердого тела по направлению 1.3.5.2. в Курском государственном техническом университете на кафедре теоретической и экспериментальной физики в соответствии с Перечнем приоритетных направлений фундаментальных исследований, утвержденным президиумом РАН (раздел 1.2. «Физика конденсированных состояний вещества», в том числе раздел 1.2.6. «Физика магнитных явлений, магнитные материалы и структуры»).
Личный вклад соискателя. Автором диссертации получены наиболее важные результаты и научные положения, выносимые на защиту. Им также проведен всесторонний анализ полученных результатов теоретических исследований и произведена подготовка всех материалов к опубликованию.
Публикации. Материалы, представленные в диссертации, опубликованы в 15 работах, из которых 9 - тезисы докладов, 6 - научные статьи.
Структура и объем работы. Диссертация состоим из введения, 5 глав, заключения, изложенных на 172 страницах машинописного текста, включает 6 рисунков, перечень использованной литературы, состоящий из 189 наименований. Первая глава обзорная. Во второй и третьей описан процесс генерации упругих волн соответственно в сегнетоэлектриках и сегнетомагнетиках. В четвертой главе представлено теоретическое описание диссипации энергии в сегнетомагнетиках, а в пятой - описаны аномалии упругих модулей в сегнетоэлектриках и сегнетомагнетиках, связанные со стрикционными явлениями в них.
Автор выражает признательность за научное руководство, помощь и внимание к работе д. ф.-м. н., проф. Родионову А. А.
Процессы обратимых вращений векторов спонтанной поляризации и намагниченности в магнетиках и сегнетоэлектриках
Сегнетоэлектрики (СЭ) - это вещества, характеризующиеся наличием в некотором интервале температур спонтанной электрической поляризации (Р ), направление которой может быть скачкообразно изменено внешним электрическим полем. Особенностью сегнетоэлектриков является не наличие Р , а возможность изменения направления Р практически достижимыми по лями, что отличает их от пироэлектриков, приобретающих необратимую по направлению электрическую поляризацию в момент кристаллизации. Сегнетоэлектрики называют также ферроэлектриками, поскольку СЭ являются формальными аналогами ферромагнетиков. Благодаря диэлектрическому гистерезису СЭ используются для записи информации. В элементах ферро-электрической памяти (FRAM) применяется сегнетоэлектрическая пленка на основе сплавов оксидов металлов (титана, циркония, свинца и т. п.). Главная особенность FRAM - сохранение информации при выключении питания. СЭ нашли применение также в электромеханических устройствах в качестве материалов для создания струйных принтеров, нового поколения малогабаритных и малошумящих антенн, цветовых фильтров в оптоэлектронике и т. д.
Поиск и исследование сегнетоэлектриков в 60-е годы прошлого столетия привели к открытию нового класса веществ, названных сегнетомагнети-ками [1].
Сегнетомагнетики (СМ) - это соединения, в которых одновременно существуют магнитное и сегнетоэлектрическое упорядочения. Взаимодействие этих упорядоченных подсистем, называемое магнитоэлектрическим, индуцирует ряд новых интересных эффектов [2].
Л.Д. Ландау и Е. М. Лифшиц указали на возможность существования в магнитоупорядоченных кристаллах равновесной электрической поляризации, пропорциональной напряженности магнитного поля, и равновесной намагниченности, пропорциональной напряженности электрического поля (линейный магнитоэлектрический эффект) [3]. Магнитоупорядоченные кристаллы с линейным магнитоэлектрическим эффектом принято называть магнитоэлек-триками. Сегнетомагнетик отличается от остальных веществ тем, что помимо магнитоэлектрических эффектов, индуцированных внешними полями, в нем существуют спонтанные магнитоэлектрические эффекты. Они обусловлены существованием в кристалле спонтанных сегнетоэлектрических (Р ) и маг нитных моментов (I ), наличие которых приводит к некоторым отличиям магнитоэлектрических взаимодействий в сегнетомагнетиках по сравнению с магнитоэлектриками [4].
Из теоретических работ, в которых на основе (квантового) формализма Гольдштейна — Примакова рассчитываются коэффициенты в выражениях для гамильтониана сегнетомагнитных кристаллов с различными типами симметрии и подрешеток и сопоставляются с данными опыта, можно отметить исследования И. Е. Чупис [5-10], которые показывают многогранность и разнообразие явлений в таких системах.
Несмотря на то, что СМ были открыты около полувека назад, в настоящее время резко возрос интерес к магнитоэлектрикам как из-за обнаружения в них специфических гигантских эффектов, так и из-за обнадеживающих их практических применений [11-12]. В одной из последних работ [13] изучается новый СМ со структурой перовскита на базе редкоземельных ман-ганитов, температурная зависимость его намагниченности, диэлектрическая и смешанная проницаемости в магнитных полях, магнитострикция и пр. Можно ожидать, что использование этих перовскитовых сегнетомагнитных кристаллов в качестве электрострикторов и одновременно магнитострикто-ров весьма перспективно. Для них из соображений симметрии найден вид термодинамического потенциала и число независимых компонент тензора, описывающего пьезомагнитоэлектрический эффект [14]. Представляет интерес и описание диссипации магнитоэлектрической энергии в перовскитовых сегнетомагнетиках, где взаимосвязь между упругой, электрической и магнитной подсистемами может привести к существенным особенностям в поведении внутреннего трения и эффективного коэффициента затухания в их частотной и ориентационной зависимостях.
Вышеупомянутые структуры характеризуются своими диссипативны-ми весьма информативными параметрами: внутренним трением Q"1, коэффициентом акустического поглощения а, фазовыми запаздываниями и аномалией ряда их свойств. Изучением диссипативных процессов, в частности в ферромагнетиках, начали заниматься ещё с начала 20 века [15-17]. При этом магнитные и сегнетоэлектрические потери принято подразделять на ампли-тудонезависимые и зависящие от амплитуды. Предполагается, что первые из них происходят без отрыва доменных границ (ДГ) от дефектов их закрепляющих, а также без преодоления векторами спонтанной намагниченности I и поляризации Р "трудных" направлений в кристаллах (обратимые вращения). Такой отклик системы будем называть линейным. Оказалось, что диссипативныи отклик весьма чувствителен как к структурным изменениям изучаемых магнетиков, так и к внешним воздействиям. Именно это обстоятельство делает этот метод исследования структуры магнито- и электроупо-рядоченных сред весьма информативным. Действительно, внутреннее трение, например, может изменяться на несколько порядков от своей исходной величины. При частотах 104 Гц возникают потери, обусловленные спиновой релаксацией, то есть "вязким" поведением спиновой системы [18-20]. Существует фононный и магнонный механизм диссипации энергии в ферромагнетиках [21]. Амплитуднонезависимые потери в свою очередь подразделяют в ферромагнетиках на макровихревые и микровихревые [15, 16]. При этом первые связаны с токами, наводимыми соответственно во всём образце, а вторые в отдельных доменах магнетиков, находящихся в поле знакопеременных напряжений. Все магнитные потери взаимосвязаны, как и упругоэлектрические в сегнетоэлектриках. Однако их приближенно можно считать независимыми. Рассмотрим некоторые из этих составляющих потерь подробнее.
Сегнетоэлектрики типа порядок-беспорядок (сегнетова соль) с закрепленными ДГ
Потери на вихревые токи в ферритах, практически, можно не учитывать [52], но в них есть составляющая Q-1, связанная со смещениями ДГ, так как под действием внешнего магнитного поля изменяется вектор намагниченности I и диссипируется энергия, представленная соотношением -у (Їх Н ), где у - гиромагнитное отношение в уравнении Ландау — Лифши ца. Используя это уравнение, можно получить выражение для расчета коэффициента вязкого трения ДГ который также можно найти, измеряя зависимость скорости ДГ у от поля Н. Здесь v - энергия ДГ на единицу её площади, А — коэффициент обменной жесткости, X - коэффициент, задающий величину затухания. Обычно величина Р для ферромагнетиков на порядок больше, чем для ферритов. Исходя из этих соображений в работе [53] для ферромагнетиков и ферритов при обратимых смещениях ДГ описан метод теоретического расчета диссипативных параметров этих материалов.
Динамика ДГ в ферромагнетике изучалась в [54] с помощью синхротронного излучения. Структура одномерной доменной границы представлена в [55]. В [56, 57] рассматривалось влияние на нее поверхностного рассеяния энергии. Линейная и нелинейная динамика ДГ изучается в работах [58, 59], где приведен расчет силы вязкого трения, действующей на ДГ, в котором использована зависимость скорости ДГ от внешнего поля Н , перпендикулярного оси легкого намагничивания, v H и показано, что эта зависимость сильно нелинейна и могут возникать области неустойчивого движения. В работе [59] ДГ представлена в виде солитона. Нелинейная динамика ДГ в поле упругих напряжений рассмотрена в [60]. Численный расчет движения бло-ховских ДГ во внешнем поле, лежащем в плоскости границы, и новых типов неблоховских ДГ в кубическом ферромагнетике описан в [61]. Генерация ультразвуковых волн в ферромагнетиках в области полей насыщения, когда возбуждение ультразвука за счет магнитоупругого механизма на основной частоте неэффективно, теоретически исследована в [62, 63]. Здесь рассмотрена генерация второй гармоники продольных акустических волн и установлено, что для нелинейного возбуждения магнитоупругий механизм почти всегда превосходит индукционный. В работах [64, 65] также изучена генерация ультразвуковых волн от магнитных поверхностей, тонких пленок и пластин кубического ферромагнетика и определены полевая, температурная зависимости амплитуды продольных и поперечных волн для различных ориентации подмагничивающего поля относительно кристаллографических осей. В сегнетоэлектриках вопросам изучения внутреннего трения, связанного со смещением ДГ, также посвящен ряд работ [66-74].
Импульсным эхо-методом измерены скорость и поглощение продольных звуковых волн в диапазоне частот 10-30 МГц в нескольких сегнетоэлек-трических материалах [66, 67]. В рамках релаксационной теории Ландау -Халатникова по результатам эксперимента определены аномалии и дисперсия скорости и поглощения, характерные времена релаксации. На основе измерений ультразвуковым методом скорости распространения объемных акустических волн в базовых и поверхностных средах в монокристаллах тетра-бората лития произведен расчет электромеханических материальных постоянных кристаллов [68].
Зависимости диэлектрической проницаемости монокристаллов Cd2Nb207 от температуры, частоты в диапазоне 10-10 Гц, одноосного давления в интервале 0-4 МПа и напряженности переменного электрического поля от 1 до 100 В/см получены в [69]. Где показано, что релаксация проницаемости связана с движением ДГ и переориентацией спонтанной поляризации доменов, то есть вклад в эту релаксацию вносят как процессы смещения ДГ, так и процессы вращения. Методом обратного крутильного маятника экспериментально изучено аномальное поведение низкочастотных упругих и неупругих свойств сегне-тоэлектрика (NH SC при фазовом переходе [70].
Распространение сдвиговых волн проанализировано численными методами для доменных структур в кристалле BaTiO с помощью математического формализма периодических гамильтоновых систем [71]. Низкочастотное внутреннее трение, зависящее от смещающего электрического и постоянного механического полей напряжения, изучено в [72]. При этом установлено влияние кинетики перестройки доменной структуры на упругие и неупругие характеристики материала. Вблизи сегнетоэластиче-ского фазового перехода выявлен пик внутреннего трения [73], этот факт объясняется на основе модели, учитывающей взаимодействие межфазных границ с точечными дефектами в условиях размытого фазового перехода.
В [74] показано, что в сильно анизотропных сегнетоэлектриках преобладающая часть подводимой энергии будет тратиться на процессы смещения ДГ, при этом, по аналогии с ферромагнетиками [51], в сегнетоэлектриках для описания смещений ДГ можно использовать адекватную опыту модель гибкой ДГ в области линейного отклика. Здесь через упругоэлектрические параметры сегнетоэлектриков рассчитан вклад процессов смещений в диссипацию электроупругой энергии в сопровождающих упругом и электрическом полях.
Определение компонент тензора напряжений, эквивалентных по упругому воздействию электрическому и магнитному полям, либо при их совместном воздействии
Аналогично потерям на МУГ в сегнетоэлектриках можно говорить об электроупругом гистерезисе (ЭУГ), связанном с гистерезисным смещением ДГ, но судя по литературным данным, теория ЭУГ в отличие от МУГ разработана в значительно меньшей степени.
В [109] теоретически рассмотрены модели смещений ДГ в сегнетоэлектриках: смещение ДГ как целого и модели её прогибных смещений. Предполагается, что ДГ закреплена в узлах. Данные модели применимы для описания поведения диэлектрической восприимчивости в кристаллах группы КН2РО4. Приведенные в работе оценки показывают, что при малых полях можно говорить о смещении ДГ как целого, а при больших - следует использовать модель прогибающейся ДГ. При ещё больших полях определённые её участки отрываются от мест закрепления.
Для сегнетоэлектриков, в отличие от ферромагнетиков, есть специфические релаксационные процессы, приводящие из-за процессов переключения к медленным изменениям Q-1 во времени и модуля сдвига при ступенчатом приложении внешнего напряжения [109]. При этом процессы преодоления границей системы стопоров имеют статистический характер, ибо последние предполагаются случайно распределенными по объёму образца.
Точно также динамикой ДГ в [ПО] объяснено изменение диэлектрической проницаемости в зависимости от температуры кристалла. Отмечается [111], что представления о механизме низкочастотных диэлектрических потерь вблизи точки Кюри, связанных с перестройкой доменной структуры, количественно согласуются с экспериментальными результатами.
В [112] на частотах 1 Гц изучено внутреннее трение в сегнетоэлектриках в диапазоне температур от - 240С до температур термического разложения кристаллов. Обнаружено, что высота пика Q-1 (Тс) 1/со. Для объяснения этого авторами предложен флуктуационный механизм механических потерь в области размытого фазового перехода 1 рода. Экспериментально установлено, что в магнетиках в постоянных полях Н при малых ст зависимость Q (ю) почти линейна [16]. Кроме того, экстраполированные на нулевую амплитуду значения Q" в постоянном поле Н практически совпадают между собой и примерно равны Q" (н ). Это означает, что Q (H,a- 0) = Q (0,a—»0) = Q (н ). С увеличением поля Н уровень немагнитных потерь Q (а) при небольших а уменьшается, либо изменяется с максимумом. Линейность Q (а) и исчезновение потерь на МУГ когда a - О наблюдали в никеле, железе и сталях [16]. Во многих работах значения Q (а-»0) отличаются от Q" (н ). Причина этого в неправомерности экстраполяции Q к нулевым значениям айв наличии потерь, связанных с обратимыми смещениями ДГ [113]. Используя метод механической спектроскопии, данный вид потерь рассмотрен в ряде металлов и сплавов [114]. Максимум Q (Н), наблюдаемый в некоторых материалах, объясняется, например, на основе доменного механизма [115]. В сильно деформированном никеле зависимость Q (Н) получается слабо убывающей. В [116] для железа выяснилось, что Q" не зависит от а и уменьшается с ростом Н, а для кобальта наоборот: Q" зависит от а, но не зависит от Н [117]. С уменьшением процента примесей максимум Q (Н) и потери на МУГ возрастают. Так в сверхчистом железе при Н = 0 эти потери настолько велики, что Q даже повторно не воспроизводится [118]. То же самое имеет место в хорошо отожженном никеле [119]. В переменных магнитных полях потери на МУГ обусловлены процессами, приводящими к амплитуднонезависимому внутреннему трению. Для них закономерности изменения Q" (a, HJ заметно отличаются в сравнении с постоянными магнитными полями [88]. Для ферромагнитных сплавов рассмотрены магнитомеханические потери [120], связанные с нелинейной упругостью, а для аморфных ферромагнетиков показано, что доменная структура вносит основной вклад в изменение характеристик материала [121]. В работе [122] установлено, что магни-томеханический гистерезис является основной причиной затухания упругих колебаний для исследованного сплава в нанокристаллическом состоянии в области низких частот.
Что касается сегнетоэлектриков, то кинетика доменных границ в одноосных сегнетоэлектриках исследовалась в [123]. Здесь для кристалла ниобата бария-натрия в сегнетоэлектрической фазе вблизи точки Кюри экспериментально показано, что Q"1 со-1. Это не соответствует механизму Ландау - Ха-латникова, согласно которому Q"1 со. Не подходит для объяснения этого и низкочастотный флуктуационный механизм Гриднева С.А., Даринского Б.М. [112]. Отмечается как монотонное, так и немонотонное движение доменных стенок в кристаллах с дефектами.
Изучались и релаксоры (сегнетоэлектрики с размытым фазовым переходом), для которых отмечается отсутствие даже качественной непротиворечивой теории для объяснения экспериментальных результатов (Гриднев С.А., Попов СВ.). Исследовалась и система КН2РО4, для которой [124] в области амплитуднонезависимого внутреннего трения для инфразвукового диапазона также нет согласия с теорией Ландау - Халатникова, как и с [112]:
«Вращательная» составляющая внутреннего трения в исходном размагниченном и деполяризованном полидоменном кристалле
В магнетиках отклонения векторов I доменов от равновесных исход ных ориентации происходят при наложении магнитного Н или упругого ст полей и если эти поля достигают некоторого порогового значения, зависящего от их ориентации, то отклонения I становятся необратимыми. То же са мое происходит и с векторами Р в сегнетоэлектриках, если ДГ закреплены.
Для определения величины порогового поля Но рассмотрим одноосный магнетик, "легкие" оси которого ориентированы под углом 9о к оси Н так, что проекция I на вектор направления поля Н отрицательна в случае Н = 0. При включении поля вектор I поворачивается к направлению поля на угол 0 - 0 0. В этом случае с учетом конкуренции энергий, запишем сумму энергии анизотропии и магнитостатической энергии высоких полях и происходят необратимые вращения векторов.
Упруго-пластическое воздействие, как и магнитное, способно производить переориентацию векторов I , причем, даже при наложении смещающего магнитного поля. Это явление принято называть ориентационным фазовым переходом (ОФП) или самообращением намагниченности. Впервые оно было обнаружено еще Нагаокой в 1888 г., а интерпретировано Кармайклом и Фул-лером в 1967 г. на основе рассмотрения различных видов энергии магнетика.
Родионов А.А. с сотрудниками экспериментально исследовали самообращение намагниченности никеля и предложили детальный механизм этого явления [142,143], обнаружив его и в железе [144,145], и в кобальте [146].
Было выяснено, что растягивающие нагрузки стр и закручивание сгк проволочного образца из состояния с остаточной намагниченностью IR вызывает изменение знака IR в зависимости от угла закручивания. Для никеля подобное наблюдалось при наложении растягивающего напряжения ст 2-10 дин/см . При уменьшении стр петля крутильного гистерезиса IR (ф) становится симметричной и похожей на зависимость магнитострикции от внешнего магнитного поля [88, 147]. Аналогично уменьшению ар, наложение продольного поля Н IR 0 смещает петлю IR (ф).
В [88] рассмотрена эволюция 1(ф) при циклическом многократном закручивании проволочных образцов никеля и железа. Чтобы систему "взвести", перед исследованием зависимости 1(ф) необходимо выполнить закручивание. Затем образец переводится в состояние IR и включается циркулярное магнитное поле Hz. За счет него создается состояние с одной, явно преобладающей магнитной фазой. После этого самообращение намагниченности в кобальте будет происходить и при отсутствии поля Hz.
В [88] также экспериментально изучена температурная зависимость самообращения намагниченности. Стало ясно, что самообращенйе намагниченности в железе, никеле и кобальте возможно лишь в определенном (установленном) интервале температур и ориентации магнетика относительно крутильной оси.
Теория явления самообращения намагниченности, детально разработанная в [142-146] для классических ферромагнетиков, сводится к установлению системы жестких неравенств, выполнение которых необходимо для развития самообращения намагниченности. Для согласия с этой теорией дефектная структура магнетиков должна удовлетворять определенным требованиям, изложенным в [147]. Например, при отсутствии дефектов кристаллической решетки "опрокидывание" векторов I становится энергетически не выгодным и явление не наблюдается. В предположении о том, что ориентацией вектора І в образцах "управляет" магнитоупругая энергия, было выяснено, что, например, в железе самообращение намагниченности наблюдается при выполнении условий где FCT - магнитоупругая энергия, FA - энергия анизотропии, F = -(lqH J магнитостатическая энергия, НЭф — эффективное поле магнитного взаимодействия доменов, зависящее от дисперсии "легких" осей по кристаллитам и от угла закручивания, AF - глубина потенциальных ям, в которых находится ДГ. Необходимо также, чтобы критическое скалывающее напряжение стк было больше сдвигового, при котором векторы I преодолевают "трудные" ориентации. Количественно данное явление описано в [148, 149]. Создание строгой теории инверсии намагниченности хотя и проблематично, но необходимо в особенности для прикладных палеомагнитных исследований. Что касается сегнетоэлектриков, то для них, даже с менее сильной анизотропией, нежели у сегнетоэлектриков типа ТГС, по-видимому, необратимые вращения за счет упругих воздействий невозможны, а более реальным является процесс переполяризации векторов Р , о котором шла речь в 1Л .2. При слабой же анизотропии явления подобные самообращению намагниченности возможны и для сегнетоэлектриков в электрических полях при механических воздействиях на них. Однако, по имеющимся данным, они не изучались.
