ПРИБОР ДЛЯ ПРОВЕРКИ МАГНИТНОГО СЦЕПЛЕНИЯ
DEVICE TO INSPECT MAGNETIC ENGAGEMENT

Изобретение относится к физике ферромагнетиков и может быть использовано при исследовании магнитной восприимчивости ферромагнетиков в широком диапазоне намагниченности, включая область глубокого насыщения, в частности, при исследовании эффекта динамического аномального намагничивания под действием магнитной вязкости ферромагнетиков.
-6
-9
3
Наблюдения в 1919 г. Г. Баркгаузена [1] показали, что при плавном изменении напряженности магнитного поля намагниченность ферромагнетика изменяется скачкообразно из-за действия различной природы трения доменов. Эффект Баркгаузена - одно из непосредственных доказательств доменной структуры ферромагнетиков, он позволяет определить объем отдельного домена. Для большинства ферромагнетиков этот объем равен 10…10 см (соответственно поперечный размер домена составляет 0,1…0,01 мм), что указывает на то, что один домен состоит из огромного числа атомов и молекул с одинаково ориентированными магнитными моментами, то есть домен имеет массу, во много порядков раз большую массы отдельной молекулы или атома вещества. Это, в частности, с учетом указанного трения доменов определяет свойство магнитной вязкости ферромагнитных материалов.
Считается, что при взаимодействии двух намагниченных ферромагнетиков выходящие из доменов магнитные силовые линии одного из них (с северного магнитного полюса N) входят в домены другого (в южный магнитный полюс S) и являются как бы «вмороженными» в соответствующие домены этих ферромагнетиков, расположенные между собой по кратчайшему пути. При взаимном перемещении магнитно взаимодействующих намагниченных ферромагнетиков друг относительно друга на некотором небольшом интервале перемещений магнитные силовые линии соответственно удлиняются или укорачиваются, что приводит к изменению магнитного сопротивления магнитной цепи, аналогично известному закону Ома для магнитной цепи. Всякое изменение во времени магнитного сопротивления может быть обнаружено техническими средствами на основе закона Фарадея об электромагнитной индукции.
Известно техническое решение [2] по обнаружению флуктуации магнитного потока при взаимном перемещении двух намагниченных ферромагнетиков без изменения расстояния между их магнитными полюсами. Это устройство состоит из двух магнитно связанных торцами тонкостенных цилиндрических и соосно расположенных постоянных магнитов из исследуемого ферромагнитного вещества, один из которых - ротор - приводится во вращательное движение электродвигателем, а другой - статор - выполнен в виде подковообразной структуры магнитопровода, на котором расположена катушка индуктивности, образующая вместе с присоединенным к ней конденсатором переменной емкости колебательный контур, настроенный на частоту F=ΩD/2md, где Ω - круговая частота вращения цилиндрического магнита-ротора с диаметром D, m - некоторое положительное число, подлежащее измерению, d - предполагаемый поперечный размер домена в используемом ферромагнетике, причем толщина h стенок цилиндрических торцов магнитных полюсов во много раз меньше диаметра D, например, на один-два порядка, а торцы магнитных полюсов ротора и статора расположены друг от друга на малом расстоянии s, соизмеримом с величиной h и образующим магнитный зазор. Увеличение отношения D/h в указанном техническом решении связано с требованием уменьшения разброса линейных скоростей различных точек торцов тонкостенных цилиндрических постоянных магнитов (электромагнитов) из исследуемого ферромагнитного вещества для получения квазимонохроматического колебательного процесса в указанном колебательном контуре, настраиваемым на частоту F.
Такой же эффект магнитного сцепления имеет место и при любых других конфигурациях намагниченной системы ротор-статор [3], например, в устройстве с соосно установленными цилиндрическим ротором и полым цилиндрическим статором, внутри которого установлен ротор, так что цилиндрические поверхности ротора и статора образуют цилиндрический магнитный зазор постоянной величины. Иначе говоря, утверждается, что для вращения намагниченной системы ротор-статор необходимо приложить добавочную величину энергии, по сравнению с таким же вращением, но при отсутствии намагниченности. Этот вывод и подлежит проверке и дополнительному исследованию в заявляемом техническом решении.
Наличие указанных флуктуаций магнитного потока в такой системе указывает на дополнительные энергетические затраты при вращении магнита-ротора относительно неподвижного магнита-статора, связанные с проявлением магнитного сцепления этих магнитов друг с другом, обращенных друг к другу разноименными магнитными полюсами. Такое магнитное сцепление стремится воспрепятствовать вращению магнита-ротора из-за вынужденного удлинения магнитных силовых линий доменов, аналогично тому, как это происходит с затратой некоторой работы при увеличении расстояния между разноименными полюсами двух прямых постоянных магнитов [4-8]. При этом важно отметить, что такое растяжение магнитных силовых линий между связанными парами доменов внутри магнитного зазора между намагниченными торцами ротора и статора ограничено по величине растяжения, и при достижении наибольшего допустимого растяжения возникает срыв магнитных связей между доменными парами и переброс магнитных силовых линий от домена вращающегося ротора к ближайшему в данный момент времени от него домену неподвижного статора, то есть скачкообразное снижение магнитного сопротивления в магнитопроводе статора, которое регистрируется в форме ЭДС - положительных импульсов с частотой следования F - в колебательном контуре. Спектр возбуждаемых в колебательном контуре электрических колебаний сужается при увеличении отношения D/h при однородной структуре ферромагнитного вещества. Растяжение магнитных силовых линий между парами доменов и их срыв аналогичен природе звучания скрипки от взаимодействия движущегося смычка относительно скрипичной струны.
<mrow><mi>J</mi><mo>=</mo><msub><mi>μ</mi><mi>O</mi></msub><mi>χ</mi><mi>H</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>μ</mi><mi>O</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>μ</mi><mi>O</mi></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>256</mn><mo>*</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>6</mn></mrow></msup></mrow>
<mi>χ</mi>
<mi>χ</mi>
<mi>χ</mi>
<mrow><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>χ</mi><mi>H</mi><mo>≈</mo><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>s</mi><mi>t</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>H</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
НАС
НАС
Обнаружение флуктуации магнитного потока в намагниченной ферромагнитной системе ротор-статор совместно с проявлением эффекта Баркгаузена указывают на «вмороженность» парциальных частей, составляющих совокупно общий магнитный поток, к соответствующим магнитным доменам ферромагнетика. Эти парциальные части магнитного потока в виртуальном представлении - суть группа магнитных силовых линий, исходящих из каждого домена в отдельности, и при этом домены рассматриваются как самостоятельные прямые постоянные магниты, связанные между собой в намагниченном извне ферромагнитном веществе. Часть магнитных силовых линий домена связывается с рядом расположенными доменами, образуя группу последовательных магнитных силовых линий для совокупности доменов в их линейных цепях, а другая часть магнитных силовых линий домена замыкается по контуру внутри тела ферромагнетика, не оказывая влияния на намагниченность
ферромагнетика, помещаемого во внешнее намагничивающее магнитное поле с напряженностью H[A/м]; здесь
- магнитная постоянная, равная
Гн/м,
- магнитная восприимчивость ферромагнетика (безразмерная величина). Чем большая доля магнитных силовых линий домена образует магнитные связи с другими доменами линейной доменной цепи, тем больше оказывается магнитная восприимчивость ферромагнетика, помещенного во внешнее магнитное поле. Вариация величины этой доли определяется значением напряженности Н внешнего (намагничивающего) магнитного поля, что согласуется с известной кривой Столетова - зависимости магнитной восприимчивости
ферромагнетика от величины напряженности Н действующего на него магнитного поля. С ростом напряженности Н магнитная восприимчивость ферромагнетика
сначала растет, доходит до своего максимума
(различного для различных ферроматериалов) при напряженности магнитного поля H*, а затем уменьшается, а при сверхсильных магнитных полях - стремится к нулю. В то же время с ростом напряженности магнитного поля в диапазоне H>H* намагниченность J ферромагнетика растет с ростом напряженности магнитного поля и доходит до насыщения при H>H* несмотря на то, что магнитная восприимчивость ферромагнетика уменьшается согласно кривой Столетова. В области магнитного насыщения (в области парапроцесса) произведение
при H>>H*, и намагниченность насыщения J не растет с дальнейшим ростом магнитного поля. Это требует соответствующего физического объяснения, и оно может быть получено на основе применения заявляемого технического решения.
СК
O
O
СК
O
O
<mrow><mi>χ</mi><mo>=</mo><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>I</mi><mi>N</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>I</mi><mi>N</mi></mrow></msub><msub><mi>H</mi><mi>O</mi></msub><mo>≈</mo><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>s</mi><mi>t</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>H</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>J</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mi>C</mi><mi>K</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>≈</mo><msub><mi>μ</mi><mi>O</mi></msub><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub><msub><mi>H</mi><mi>O</mi></msub><mo>></mo><mo>></mo><msub><mi>μ</mi><mi>O</mi></msub><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>I</mi><mi>N</mi></mrow></msub><msub><mi>H</mi><mi>O</mi></msub></mrow>
<mrow><mi>J</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>3</mn><mi>τ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>→</mo><msub><mi>μ</mi><mi>O</mi></msub><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>I</mi><mi>N</mi></mrow></msub><msub><mi>H</mi><mi>O</mi></msub></mrow>
<mrow><mi>J</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mi>C</mi><mi>K</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>≥</mo><mi>J</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>≥</mo><mi>J</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>3</mn><mi>τ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>μ</mi><mi>O</mi></msub><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub><msub><mi>H</mi><mi>O</mi></msub><mo>≥</mo><mi>J</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>≥</mo><msub><mi>μ</mi><mi>O</mi></msub><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>I</mi><mi>N</mi></mrow></msub><msub><mi>H</mi><mi>O</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mi>C</mi><mi>K</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>τ</mi><mo>></mo><mo>></mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mi>C</mi><mi>K</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>I</mi><mi>N</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mi>e</mi><mi>ω</mi><mo>*</mo><mi>R</mi><mi>τ</mi></mrow>
<mrow><mi>ω</mi><mo>*</mo></mrow>
Известное свойство магнитной вязкости ферромагнетиков [9-13] приводит к запаздыванию во времени изменения магнитной восприимчивости (ферромагнетика при скачкообразном изменении магнитного поля, и процесс установления нового значения магнитной восприимчивости является экспоненциальным с постоянной времени τ, называемой постоянной релаксации магнитной вязкости. Для различных (ферромагнетиков величина τ может принимать различные значения, в частности, в диапазоне 0.05…1 мс при соответствующем подборе присадок, вводимых при синтезе ферромагнетика. Это означает, что при выборе τ=0,2 мс и временном интервале ΔT скачка магнитного поля от величины H* (при котором
) до H>>H, например, на один-два порядка, равном ΔT=0,01 мс, под действием магнитного поля напряженности H магнитная восприимчивость ферромагнетика не может мгновенно уменьшится до величины
, при которой выполнялось бы соотношение
, отвечающее магнитному насыщению в установившемся режиме. Фактор магнитной вязкости ферромагнетика приводит к тому, что в динамическом режиме скачкообразного увеличения внешнего магнитного поля намагниченность
. За время порядка 2,3 τ намагниченность
, то есть экспоненциально стремится к своему установившемуся значению магнитного насыщения. Аномальный рост намагниченности ферромагнетика в указанном динамическом процессе может быть использован при создании ферромагнитовязких двигателей [14], энергетическая подпитка которых осуществляется за счет притока тепловой энергии к охлаждающемуся ферромагнитному веществу за счет его размагничивания под действием известного магнитокалорического эффекта [15-18]. Так, вращающееся ферромагнитное кольцо, краем помещенное в локализованное магнитное поле, первая по ходу вращения часть которого (подготовительная) имеет напряженность H*, а вторая (рабочая) - напряженность H>>H*, в зоне насыщающего магнитного поля Но будет иметь распределение намагниченности J(x) в диапазоне криволинейной координаты x, отсчитываемой от начала рабочей зоны длиной L насыщающего магнита (то есть при условии, что 0≤x≤L) в форме неравенства
или, что то же, в форме неравенства вида
. Эти неравенства показывают, что при x=0 магнитная восприимчивость ферромагнетика равна своей максимальной величине
и такой же остается в интервале времени
, а затем экспоненциально уменьшается с постоянной времени
и доходит до своей установившейся величины
к концу рабочей части магнита с насыщающим магнитным полем при x=L. Как показывают расчеты, величина отрезка L соотносится со средним радиусом R ферромагнитного кольца и постоянной времени τ для выбранного ферромагнитного материала по формуле
, где e=2,71 - основание натурального логарифма,
- круговая скорость вращения ферромагнитного кольца, соответствующая максимуму втягивающей силы f (ферромагнитного материала в магнитный зазор с насыщающим магнитным полем. В устройстве [14], кроме того, использован рабочий магнит с нарастающим насыщающим магнитным полем вдоль криволинейной координаты x, что создает градиент магнитного поля в рабочем зазоре вдоль этой оси x, что дополнительно увеличивает втягивающую силу f, направленную по касательной к радиусу R в сторону вращения ферромагнитного кольца.
<mrow><mi>ω</mi><mo>≥</mo><mi>ω</mi><mo>*</mo></mrow>
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><msub><mi>μ</mi><mi>O</mi></msub><msubsup><mi>H</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></msubsup><mi>V</mi><mi>g</mi><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>d</mi><mi>χ</mi><mo>≈</mo><msub><mi>μ</mi><mi>O</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>I</mi><mi>N</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><msubsup><mi>H</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></msubsup><mi>V</mi><mo>/</mo><mi>L</mi></mrow>
<mrow><mi>d</mi><mi>Q</mi><mo>/</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>></mo><msub><mi>μ</mi><mi>O</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>L</mi><mo>/</mo><mi>e</mi><mi>R</mi><mi>τ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>R</mi><mo>*</mo><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>I</mi><mi>N</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><msubsup><mi>H</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></msubsup><mi>V</mi><mo>/</mo><mi>e</mi><mi>τ</mi></mrow>
MAX
MIN
O
MAX
MIN
MAX
MIN
MAX
MIN
Поскольку намагниченность ферромагнитного кольца в магнитном зазоре рабочей зоны существенно больше в начале этой зоны, чем в ее конце (при x=L), то центр намагниченности ферромагнетика, охваченного насыщающим магнитным полем, всегда оказывается смещенным к началу рабочей зоны, и поэтому он испытывает действие втягивающей силы при условии вращательного движения (ферромагнитного кольца с круговой частотой
, для чего ферромагнитное кольцо сначала раскручивают до этой скорости вращения от внешнего источника (например, электромотора). Под действием этой силы ферромагнитное кольцо продолжает вращаться с угловой скоростью ω, а мощность Р такого «самовращения» определяется тепловым потоком Р=dQ/dt, поступающим к охлаждающемуся ферромагнитному кольцу из внешней среды. Угловая скорость вращения ω снижается при увеличении присоединенной нагрузки, но не до критической величины ω*, определяемой равенством ω*=L/eRτ. Так как Р=ωМ, где М=fR - вращательный момент, приложенный к ферромагнитному кольцу под действием втягивающей силы f, постоянно действующей во времени в динамике его вращения, то действие рассматриваемого ферромагнитовязкого двигателя согласно закону сохранения и превращения энергии определяется забором тепловой энергии из внешней среды, например, из воды соответствующих водных бассейнов, запасенная тепловая энергия в которых, постоянно восполняемая солнечной радиацией, практически неисчерпаема. А возникающая втягивающая сила f определяется, в частности, градиентом магнитной восприимчивости dχ/dx в рабочей зоне насыщающего магнитного поля протяженности L. В первом приближении, при линеаризации градиента grad χ=dχ/dx≈(χ-χ)/L для насыщающего магнитного поля Н в рабочей зоне получим силу втягивания
. Тогда потребный тепловой поток к ферромагнитному кольцу должен составлять величину
, где V=(R-R)L h - объем части ферромагнитного кольца, находящийся в рабочей зоне с насыщающим магнитным полем, R и R - соответственно максимальный и минимальный радиусы ферромагнитного кольца толщиной h, причем R=(R+R)/2. Знак больше в выражении для dQ/dt взят потому, что реально ω>ω* в установившемся режиме при присоединенной нагрузке меньше критической.
Как было указано выше, выявляемая природа возникновения магнитного сцепления при взаимном перемещении магнитных полюсов друг от друга без изменения расстояния между ними (при постоянном магнитном зазоре) проявляется в форме дополнительных энергетических затрат для преодоления такого трения, создающего тормозной эффект.
В качестве ближайшего по конструкции аналога (прототипа) заявляемому техническому решению может быть взято устройство, известное из работы автора [19], в которой обсуждается практическое обнаружение распределения магнитной восприимчивости ферромагнетика при его протяжке через локализованное магнитное поле, напряженность Н которого регулируется в соответствующем электромагните от внешнего регулируемого источника постоянного тока, при регулируемой скорости вращения ферромагнитного кольца из исследуемого ферроматериала, частично помещенного в указанный магнитный зазор электромагнита.
Это техническое решение разрешает иную физическую задачу, непосредственно связанную с рассматриваемой, поэтому критику недостатков прототипа следует признать неуместной, так как заявляемое техническое решение имеет совершенно иную целевую задачу.
Целью изобретения является проверка существования магнитною трения двух разноименных магнитных полюсов, перемещаемых друг относительно друга без изменения расстояния между этими полюсами, что позволяет построить физическое толкование природы снижения магнитной восприимчивости согласно кривой Столетова в парапроцессе.
Указанная цель достигается в приборе для проверки магнитного трения, содержащем электромагнит с плоско-параллельными торцами магнитных полюсов, подключенный к регулируемому источнику постоянного тока, в магнитный зазор которого помещен край ферромагнитного кольца из исследуемого ферроматериала, приводимого во вращательное движение от синхронного двигателя переменного тока, связанного с генератором переменного тока с регулируемой частотой, а также блок управления и обработки информации, например, на основе персонального компьютера с периферийными устройствами ввода-вывода данных о напряженности магнитного поля в магнитном зазоре электромагнита путем задания и измерения тока подмагничивания от регулируемого источника постоянного тока, а также задания и измерения круговой частоты вращения ферромагнитного кольца по данным от генератора переменного тока с регулируемой частотой, отличающийся тем, что в него введен между генератором переменного тока с регулируемой частотой и синхронным двигателем переменного тока измеритель мощности электрических колебаний, информация от которого о потребляемой мощности синхронным двигателем переменного тока поступает на дополнительный вход блока управления и обработки информации, кроме того, плоско-параллельные торцы электромагнита снабжены плоскими насадками из исследуемого ферроматериала, например, их приклеиванием.
Достижение цели изобретения объясняется возможностью сравнения графиков зависимости потребляемой мощности синхронным двигателем переменного тока в заданном диапазоне его скоростей вращения при различных токах подмагничивания электромагнита, включая и отсутствие подмагничивающего тока, то есть в отсутствие магнитного поля в магнитном зазоре электромагнита.
Изобретение понятно на основе представленных рисунков и графиков. На рис.1 представлена блок-схема заявляемого устройства, состоящая из:
1 - электромагнита с обмоткой подмагничивания и торцевыми насадками 1.1 и 1.2 из исследуемого ферроматериала,
2 - регулируемого источника постоянного тока подмагничивания электромагнита 1,
3 - ферромагнитного кольца из исследуемого ферроматериала с его осью вращения,
4 - синхронного двигателя переменного тока, связанного с осью вращения ферромагнитного кольца 3,
5 - измерителя мощности электрических колебаний,
6 - генератора переменного тока с регулируемой частотой,
7 - блока управления и обработки информации с периферийными устройствами ввода-вывода данных.
На рис.2 представлены кривая Столетова 8 для магнитной восприимчивости J(H) и кривая 9 намагничивания J(H) исследуемого ферромагнетика в функции от приложенного магнитного поля с варьируемой напряженностью H.
На рис.3 дано наглядное представление природы изменения магнитной восприимчивости ферромагнетика при вариации напряженности Н внешнего магнитного поля.
На рис. 4 приведены графики для сравнения зависимостей потребляемой мощности P(ω) в синхронном двигателе переменного тока при различных скоростях вращения ω ферромагнитного кольца и при отсутствии тока подмагничивания в электромагните - наклонная прямая 10 и токе подмагничивания, создающем сильное насыщающее магнитное поле, - кривая 11.
Рассмотрим действие заявляемого прибора.
Электромагнит 1 с обмоткой подмагничивания, связанной с выходом регулируемого источника постоянного тока 2, создает в его магнитном зазоре магнитное поле с напряженностью H в функции от тока подмагничивания. Это магнитное поле выбрано однородным на всей длине L магнитного зазора, хотя оно может быть в ферромагнитовязких двигателях задано возрастающим вдоль криволинейной координаты x, то есть создающим градиент магнитного поля вдоль координаты x, совпадающей с отрезком окружности радиуса R - среднего радиуса ферромагнитного кольца 3 постоянной толщины h. В случае плоскопараллельного расположения торцов электромагнита 1 размер магнитного зазора определяется как (2s+h), где величина s - суть расстояние между плоскостями (ферромагнитного кольца 3 и соответствующими плоскими торцевыми насадками 1.1 и 1.2 электромагнита 1, и в этих зазорах происходит при вращении ферромагнитного кольца удлинение магнитных силовых линий между множеством пар доменов ферромагнитного ротора (ферромагнитного кольца 3) и статора, выполненного с плоскими насадками на торцах электромагнита 1 из такого же ферромагнитного материала, которые могут быть приклеены к магнитным полюсам стального магнитопровода этого электромагнита. Ферромагнитное кольцо 3 вращается на оси, сочлененной с синхронным двигателем переменного тока 4, получающим питание от генератора переменного тока с регулируемой частотой 6, в электрической цепи которого последовательно включен измеритель мощности 5, потребляемой синхронным двигателем 4. Управление током подмагничивания электромагнита 1 от регулируемого источника постоянного тока 2, а также управление частотой ω генератора переменного тока 6 осуществляется по программе в блоке управления и обработки данных 7. Этим же блоком осуществляется измерение тока подмагничивания в обмотке электромагнита 1, измерение частоты в генераторе переменного тока 6 и измерение мощности, потребляемой синхронным двигателем 4 в диапазоне скоростей вращения ферромагнитного кольца 2 при различных токах подмагничивания электромагнита 1, то есть при различных значениях напряженности магнитного поля H внутри магнитного зазора. Связи управления и обработки данных указаны фигурными двунаправленными стрелками между блоками 2 и 6 и блоком 7. Передача данных от измерителя мощности электрических колебаний 5 показана однонаправленной стрелкой. В программу работы блока 7 введены постоянные параметры устройства, знание которых необходимо для обработки поступающей информации, в частности, конструктивные параметры - средний радиус ферромагнитного кольца R, длина магнитного зазора L, его размер (2s+h), и отдельно данные по h и s. Кроме того, вводится параметр τ ферромагнитного вещества, подлежащего исследованию.
НАЧ
MAX
<mrow><mi>χ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>H</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>*</mo><mi>H</mi><mo>≈</mo><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>s</mi><mi>t</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>H</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Как известно, кривая Столетова 8 (рис.2) выражает немонотонную зависимость магнитной восприимчивости χ ферромагнетика от напряженности H внешнего магнитного поля. При H=0 начальное значение магнитной восприимчивости  не равно нулю, и для различных ферроматериалов может составлять несколько сотен или тысяч. Например, известные ферритовые кольца типа М2000НМ-1 имеют начальную магнитную восприимчивость χ=2000. По мере увеличения напряженности H магнитного поля магнитная восприимчивость растет нелинейно, и при H=H* достигает своего наибольшего значения χ, после чего с дальнейшим ростом напряженности H магнитного поля (H>H*) начинает относительно медленно падать. При этом в парапроцессе, то есть при насыщении, приблизительно выполняется ранее указанное условие
. Строго говоря, темп роста величины H несколько превышает темп падения величины χ(H), что видно из кривой намагничивания 9 ферромагнетика для режима парапроцесса - практически прямой участок кривой намагничивания имеет очень малый положительный наклон в области магнитного насыщения ферромагнетика.
Какова физическая природа роста и падения магнитной восприимчивости при изменении напряженности внешнего магнитного поля? Для пояснения этого вопроса обратимся к концепции разделения магнитных потоков (или совокупной группы магнитных силовых линий) каждого из магнитных доменов на потоки, связывающиеся в единые линейные цепи, выходящие наружу ферромагнетика, и потоки, замыкающиеся в доменах по внутренним контурам, не выходящими наружу тела ферромагнетика и замыкающимися внутри него.
НАС
<mrow><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>Н</mi><mi>А</mi><mi>Ч</mi><mo>,</mo></mrow></msub><mtext> </mtext><msub><mi>χ</mi><mrow><mtext>MAX</mtext></mrow></msub><mtext> и </mtext><mi>χ</mi><msub><mrow><mtext>(H</mtext></mrow><mrow><mi>Н</mi><mi>А</mi><mi>С</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>J</mi><mrow><mi>Н</mi><mi>А</mi><mi>С</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>μ</mi><mi>O</mi></msub><msub><mrow><mtext> H</mtext></mrow><mrow><mtext>НАС</mtext></mrow></msub></mrow>
Автором предлагается модель этого процесса, объясняющая поведение ферромагнетика в магнитном поле, в частности, эффект динамического аномального намагничивания. На рис.3 представлены цепи магнитных доменов A, B, V,… при трех разных значениях напряженности магнитного поля H=0, H* и H, магнитная восприимчивость ферромагнетика при которых имеет соответственно значения
.
В восходящей ветви кривой Столетова при 0≤H≤H* действие на ферромагнетик внешнего магнитного поля увеличивает его способность к намагничиванию, а в нисходящей ветви кривой Столетова, наоборот, уменьшает. Это возможно объяснить перераспределением плотности магнитного потока каждого из магнитных доменов ферромагнетика, ориентируемых по вектору внешнего магнитного поля, одна часть которого замыкается внутри ферромагнетика около каждого из доменов, а другая его часть образует магнитную цепь группы последовательно связанных доменов, создающую внешний магнитный поток намагниченного ферромагнетика. При этом каждый домен рассматривается как прямой микромагнит с его собственным магнитным моментом, магнитные силовые линии которого частично замыкаются во внутреннем контуре, а частично образуют магнитные связи с другими доменами в последовательно расположенных цепях. При этом внешнее магнитное поле управляет процессом указанного перераспределения магнитных полей доменов в ферромагнетиках.
O
1
2
<mrow><msub><mi>σ</mi><mi>O</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>σ</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>σ</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
<mrow><mi>ε</mi><mo>=</mo><msub><mi>σ</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>σ</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
Обозначим полный магнитный поток домена как σ, часть его, связывающуюся во внешнюю магнитную цепь, обозначим как σ, а другую его часть, образующую внутренний контур, обозначим как σ. Тогда
. Отношение
определяет степень указанной перегруппировки магнитного потока домена. В магнитном поле с напряженностью H* все магнитные силовые линии домена образуют внешние магнитные цепи и значение ε=1, а при иных напряженностях магнитных полей значение ε<1.
<mrow><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub><mo>></mo><mo>></mo><mi>H</mi><mo>*</mo></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>J</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>μ</mi><mi>O</mi></msub><msub><mi>H</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mi>χ</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>H</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo></mrow>
ск
Эффект динамического аномального намагничивания наиболее сильно проявляется в случае, когда перед наступлением квазискачка напряженности внешнего магнитного поля, воздействующего на ферромагнетик, последний имеет максимально возможную магнитную восприимчивость
, которая достигается при помещении ферромагнетика в магнитное поле H* до приложения к нему квазискачка магнитного поля до величины
. В этом случае приращение
. При этом важно соблюдать необходимое условие Δt<<τ.
Рассмотренная модель, объясняющая эффект динамического аномального намагничивания (или определеннее - сверхнамагничивания) и причину изменения магнитной восприимчивости ферромагнетика в соответствии с кривой Столетова под управляющим действием внешнего магнитного поля, связана с магнитной вязкостью ферромагнетиков, которая опосредуется на эффект временного запаздывания перегруппировки магнитных потоков доменов на внутренние и внешние.
На основе эффекта динамического аномального намагничивания можно создать экологически чистые термомагнитовязкие двигатели [4, 14], преобразующие теплоту внешней среды, например, сосредоточенную в водных бассейнах, в механическую работу.
Из рассмотрения модели физического объяснения изменения магнитной восприимчивости ферромагнетика под управлением внешним магнитным полем (рис.3) можно утверждать, что магнитные силовые линии, виртуально описывающие соответствующие парциальные магнитные потоки доменов, являются действительно «вмороженными» в эти домены, то есть обособлены от магнитных потоков других доменов, а следовательно, магнитное взаимодействие доменов системы «ротор-статор» представляется взаимодействием отдельных пар магнитно связанных доменов, расположенных соответственно на роторе и на статоре с кратчайшими расстояниями между этими парами доменов. Тогда становится понятным эффект магнитного сцепления (торможения), препятствующего взаимному перемещению ротора относительно статора без изменения расстояния между ними (без изменения величины магнитного зазора s). Понятно также и то, что такое магнитное сцепление, нарушаемое скачкообразными переходами магнитных связей между близлежащими парами доменов ротора и статора, связано с необходимостью затраты дополнительной энергии при взаимном перемещении ротора от статора, то есть при вращении ротора - ферромагнитного кольца 3 в магнитном зазоре электромагнита 1 (рис.1).
ТР
<mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>s</mi><mi>t</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>ω</mi><msub><mi>M</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>Р</mi></mrow></msub></mrow>
Если полагать момент трения M ротора относительно статора, определяемый качеством подшипников, неизменным от угловой скорости ω вращения (ферромагнитного кольца 3, то есть при
в достаточно широком диапазоне от ω=0 до ω>>ω*, то в случае отсутствия намагничивающего тока в обмотке электромагнита 3, то есть при H=0, зависимость мощности
, потребляемой синхронным двигателем 4, от частоты вращения ферромагнитного кольца 3 будет строго линейной, как это видно из наклонной прямой 10 на рис.4.
O
<mrow><mi>ω</mi><mo>=</mo><mi>ω</mi><mo>*</mo></mrow>
В том случае, когда электромагнит 1 создает в своем магнитном зазоре магнитное поле с напряженностью H, при которой поле является насыщающим, возникает эффект магнитного сцепления (дополнительного трения, как при наличии присоединенной нагрузки), и при этом потребляемая синхронным двигателем 4 мощность от генератора переменного тока 6 и регистрируемая измерителем мощности 5, сначала растет быстрее, чем при отсутствии магнитного поля, а при частоте вращения ферромагнитного кольца
кривая мощности P(ω) пересекает прямую 10 (см. рис.4), снижается относительно прямой 10, а затем с ростом частоты ω вновь растет и пересекает вторично прямую 10. Такой эффект немонотонной зависимости P(ω) для кривой 11 при действии на вращающееся ферромагнитное кольцо 3 насыщающего магнитного поля ω связан с возникновением в этом кольце втягивающей силы f, как об этом было указано выше. то есть с работой такой системы в режиме магнитовязкого ферромагнитного двигателя, компенсирующего частично потери на трение в подшипниках. Регистрация такой кривой 11 по сравнению с наклонной прямой 10, как это видно на рис.4, явно свидетельствует о правомерности принятой концепции об управлении внешним магнитным полем перераспределения магнитных силовых линий доменов на внешне выходящие и внутренне замыкающиеся в теле ферромагнетика, а также о «вмороженности» магнитных силовых линий, виртуально описывающих парциальные магнитные потоки доменов, в эти самые домены, функционирующие как совокупность микромагнитов. С учетом свойства магнитной вязкости ферромагнетиков становится также понятным эффект динамического аномального намагничивания ферромагнетиков, на основании которого и при участи магнитокалорического эффекта становится возможным построение тепловых ферромагнитовязких двигателей, превращающих теплоту внешней среды в механическую работу в квазиадиабатическом процессе.
Использование заявляемого устройства расширяет границы нашего познания происходящих в ферромагнетиках явлений и создает предпосылки освоения тепловой энергии, сосредоточенной в неограниченных количествах в водах мировых бассейнов.
Литература
1. Рудяк В. М., Эффект Баркгаузена, УФН′′, 1970, т.101, с.429.
2. Меньших О.Ф., Магнитопараметрический генератор. Патент РФ №2359397, опубл. в бюлл.№17 от 20.06.2009.
3. Меньших О.Ф., Устройство для измерения спектра сигнала индукции в магнитно связанной системе. Патент РФ №2467464, опубл. в бюл. №32 от 20.11.2012.
4. Меньших О.Ф., Устройство стабилизации частоты генератора. Патент РФ №2368063, опубл. в бюл. №26 от 20.09.2009.
5. Меньших О.Ф., Прибор для измерения энергии взаимодействия ферромагнетика с магнитным полем. Патент РФ №2377590, опубл. в бюл. №36 от 27.12.2009.
6. Меньших О.Ф., Прибор для измерения силового взаимодействия ферромагнитных тороидов с косокруговым намагничиванием. Патент РФ №2405164, опубл. в бюл. №33 OT27.11.2010.
7. Меньших О.Ф., Анализатор ферромагнитного взаимодействия. Патент РФ №2409819, опубл. в бюл. №2409819 от №2 от 20.01.2011.
8. Меньших О.Ф., Прибор для исследования магнитного силового взаимодействия. Патент РФ №2421747, опубл. в бюл. №17 от 20.06.2011.
9. Kronmiiller H., Nachwirkung in Kerromagnetika, В. - [u.a.], 1968.
10. Вонсовский С.В., Магнетизм, М., 1971.
11. Мишин Д.Д. Магнитные материалы. М., 1981.
12. Меньших О.Ф., Измеритель магнитной вязкости ферромагнетиков. Патент РФ БИ №2357241, опубл. в №15 от 27.05.2009.
13 Меньших О.Ф., Способ измерения магнитной вязкости ферромагнетиков, Патент РФ №2451945, опубл. в БИ №15 от 27.05.2012.
14. Меньших О.Ф., Устройство для автоматического управления электрогенератором, Патент РФ №2444802, опубл. в бюл. №7 от 10.03.2012.
15. Никитин С.А. и др., Магнитокалорический эффект в соединениях редкоземельных металлов с железом, "ЖЭТФ", 1973, т.65, с.2058.
16. Никитин С.А. и др. Особенности магнитного поведения и Магнитокалорический. эффект в монокристалле гадолиния, "ЖЭТФ", 1978, т.74, с.205.
17. Никитин С.А. и др. Магнитные фазовые превращения и Магнитокалорический эффект в монокристаллах сплавов Tb-Y, "ЖЭТФ", 1977, т.73, с.228.
18. Архаров А.М., Брандт П.Б., Жердев А.А., О возможности создания магнитных холодильных машин, "Холодильная техника", 1980. №8, с.13.
19. Меньших О.Ф. Устройство для измерения динамического распределения магнитной восприимчивости ферромагнетика. Патент РФ №2467342, опубл. в бюл. №32 от 20.1 1.12 (прототип).
Данные патентного поиска
RU 2467342 С1, 20.11.2012 RU 2451945 C1, 27.05.2012 RU 2357240 C1, 27.05.2009 RU 2357241 C1, 27.05.2009 RU 2338216 C1, 10.11.2008 US 2009009157 A1, 08.01.2009 RU 2309527 C1, 27.10,2007. RU 2291546 C1, 10.01.2007. JP 20011255305 A, 21.09.2001. JP 63180851 A, 25.07.1988.