Е. А. Богданов Основы технической
Магнитные характеристики ферромагнетиков
жүктеу/скачать 6.94 Mb.
|
| 7.2. Магнитные характеристики ферромагнетиков
Ферромагнитные материалы относятся к веществам, которые под воздействием внешнего (намагничивающего) магнитного поля способны намагничиваться. При этом они сами в окружающем пространстве создают магнитное поле. Степень намагниченности определяется вектором намагниченности М, который пропорционален вектору напряженности H поля, создаваемого ферромагнетиком. Количественно намагниченность, А/м, определяется из выражения где V — объем вещества; т — элементарный магнитный момент. Степень намагниченности М различных материалов под воздействием одного и того же намагничивающего поля напряженностью Я неодинакова. Она зависит от вида материала и его состояния (температура, наличие структурных повреждений и т.д.). Для количественной оценки способности вещества намагничиваться в магнитном поле вводят безразмерную характеристику — магнитную восприимчивость . Для изотропного вещества, свойства которого одинаковы во всех направлениях, связь между намагниченностью М и напряженностью магнитного поля Н устанавливается соотношением Напряженностью магнитного поля Н (векторная величина) называется сила, с которой единичный полюс в данной точке пространства отталкивается или притягивается. Напряженность магнитного Поля равна силе, отнесенной к единичному полюсу, Н = F/т; в системе СИ она измеряется в А/м. Поле, созданное в веществе, ориентирует его элементарные магниты, и в окружающем пространстве возникает магнитная индукция (влияние) В. Магнитной индукцией называется силовая (векторная) характеристика магнитного поля, складывающаяся из индукции внешнего намагничивающего поля и индукции поля, создаваемого ферромагнетиком: , Где Гн/м – магнитная постоянная (магнитная проницаемость пустоты). Магнитная индукция В является основной характеристикой магнитного поля, определяющей его величину и направление. В международной системе единиц СИ магнитная индукция измеряется в теслах (Тл). Являясь по определению плотностью магнитного потока, она описывается также уравнением В = Ф/S, где Ф — магнитный поток, измеряемый в веберах (Вб), проходящий через контур; S – площадь контура, м2, в направлении, перпендикулярном Ф. Приняв получим . Величина называется относительной магнитной проницаемостью, она является безразмерной физической величиной, характеризующей магнитные свойства ферромагнетиков. Чем больше проницаемость, тем меньше магнитное сопротивление R, которое обратно пропорционально магнитной проницаемости, т.е. R=1/ . Величина , и R не являются константами и определяются по сложной зависимости. Так, магнитную проницаемость определяют по кривой, представленной на рис. 7.1 [2]. Различают начальную , максимальную и дифференциальную магнитную проницаемость: Рис. 7.1. Зависимость магнитной проницаемости (I) и дифференциальной магнитной проницаемости (2) от напряженности поля Н В зависимости от величины все вещества делят на три класса: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. У диамагнетиков << 0; У парамагнетиков > 0; у ферромагнетиков >> 0 (104 и более). Ферромагнетики отличаются от парамагнетиков рядом свойств: кривая намагничивания, выражающая зависимость между H и В, для парамагнетиков будет прямой, для ферромагнетиков из-за не постоянства она имеет сложный характер; магнитная восприимчивость ферромагнетиков при некоторой температуре, называемой температурой Кюри (точкой Кюри), исче зает: ферромагнетик размагничивается и превращается в парамаг нетик; кривые намагничивания и перемагничивания ферромагнетика не совпадают — происходит своеобразное отставание изменения ин дукции от изменений напряженности намагничивающего поля. Это явление называют гистерезисом, а замкнутая кривая, изображающая зависимость В от H при перемагничивании, называется петлей гис терезиса (рис. 7.2). На зависимости В от H выделяют ряд характерных точек, имеющих соответствующие названия. Магнитной индукцией насыщения Вs называют индукцию, соответствующую максимуму М. Дальнейшее увеличение В с ростом Н осуществляется только за счет роста R, так как В = (H+ М). В зависимости от достигнутой величины индукции при перемагничивании различают предельную и частную петли гистерезиса. Предельная петля соответствует намагничиванию материала до насыщения Вs. Рис. 7.2. Петля магнитного гистерезиса: 0—1 — первоначальная кривая намагничивания из размагниченного состояния; 1—2 — нисходящая ветвь; 4—1 — восходящая ветвь; 1—2—3—4—1 — предельная петля гистерезиса Все остальные петли называются частными гистерезисными циклами, получаемыми при меньших, чем Hмах, напряженностях поля. Остаточной магнитной индукцией Вs называют индукцию, которая остается в предварительно намагниченном до насыщения материале после снятия магнитного поля. Коэрцитивная сила Нс (от латинского соеrcitio — удерживание) — напряженность магнитного поля, необходимая для полного размагничивания предварительно намагниченного до насыщения ферромагнетика (получения В=0 по предельной петле гистерезиса). Магнитные свойства ферромагнетиков (в первую очередь сталей) определяются их химическим составом. Так, введение никеля, марганца, углерода, азота и меди уменьшает начальную магнитную проницаемость и повышает коэрцитивную силу Нс. Одновременное введение кремния, хрома, молибдена, ниобия, вольфрама и ванадия увеличивает ц и уменьшает Нс. Между начальной магнитной проницаемостью и коэрцитивной силой Нс для сталей существует обратно пропорциональная зависимость. Так, для диапазона значений Нс = О, 2...5 кА/м и = 10...270 установлена зависимость = (0,17Hc.) -1 (см.: Богачева Н. Д. Расширение возможностей применения метода коэрцитивной силы // В мире неразрушающего контроля. - М., 2005 г. — № 2. - С. 8-10). Свойства ферромагнетиков объясняются наличием в них равномерно расположенных самопроизвольно намагниченных до точки насыщения доменов (объемов), разделенных граничным переходным слоем (домен — от французского domiane — владение, область, сфера). Размеры доменов колеблются в пределах (0,005...0,5)10-3 м, толщина граничного слоя (0,25...0,35)10-7 м. Векторы намагниченности каждого из доменов направлены вдоль так называемых направлений легкого намагничивания. Намагниченность соседних доменов направлена либо встречно, либо под углом 90°. Это связано с тем, что направлением легкого намагничивания ферромагнетика является ребро куба кристаллической решетки {для железа) или пространственная диагональ куба (для никеля). Ввиду хаотичности направлений этих векторов при отсутствии внешнего магнитного поля общая намагниченность всего объема материала равна нулю. При помещении ферромагнетика в магнитное поле границы между доменами начинают смещаться и векторы их намагниченности разворачиваются по направлению намагничивающего поля, в результате чего ферромагнетик намагничивается. При изменении намагничивающего поля доменные границы смещаются скачками, так как для их смещения необходимо преодолеть некоторый энергетический уровень. При этом, в соответствии с законом сохранения энергии, увеличивается энергия граничного слоя между доменами. Такие скачки можно увидеть при большом (109) увеличении кривой намагниченности (см. рис. 7.2). Этот эффект открыт в 1919 г. немецким ученым Генрихом Баркгаузеном и носит его имя. Параметры скачков Баркгаузена (их число, форма и длительность, спектральное распределение) используют для контроля качества и свойств материалов. Этот метод применяют к тонким лентам и листам, так как при большой массе намагничиваемого материала скачки сливаются в сплошной шум. Вместе с тем установлено, что ЭДС магнитных шумов перемагничивания связана не только с массой намагничиваемого материала, но и с уровнем действующих в нем напряжений. Эта зависимость используется для контроля уровня остаточных и приложенных напряжений в деталях из ферромагнитных материалов. Например, в магнитно-шумовом приборе ПИОН-01 регистрация ЭДС магнитных шумов перемагничивания осуществляется с помощью накладного преобразователя, последовательно размещаемого вдоль направлений действия главных напряжений. Прибор успешно применяется не только при контроле напряженно-деформированного состояния, но и ударной вязкости КСU металла стальных подземных газопроводов (см., например, РД 12-411-01). В области, приближающейся к В5, процессы смещения границ между доменами и вращения векторов их намагниченности заканчиваются, и дальнейшее незначительное увеличение В5 происходит за счет поворота магнитных моментов атомов под действием магнитного поля. В качестве первичных информативных параметров при магнитном неразрушающем контроле чаще всего используют Вs, Вr и Нс. жүктеу/скачать 6.94 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|