СПОСОБ НАМАГНИЧИВАНИЯ МАГНИТОЖЕСТКОГО ФЕРРОМАГНЕТИКА
METHOD OF MAGNETISING HARD-MAGNETIC FERROMAGNETIC SUBSTANCES

3
Изобретение относится к физике магнетизма и может быть использовано при намагничивании стержневых постоянных магнитов, выполненных из магнитожестких ферромагнетиков, например, из материала SmСо.
Известен и широко используется способ намагничивания магнитожестких ферромагнетиков помещением их в сильное постоянное магнитное поле, получаемое в соленоиде с постоянным током в его обмотке [1-3]. При этом постоянное магнитное поле выбирают таким, что оно приводит к насыщению ферромагнетика. При снятии магнитного поля в ферромагнетике сохраняется так называемая остаточная намагниченность, которая и определяет силовые свойства постоянного магнита. При этом значительное число магнитных доменов ферромагнетика ориентируются коллинеарно намагничивавшему магнитному полю и не изменяют своей магнитной ориентации после снятия внешнего магнитного поля, создаваемого в соленоиде.
Недостатком известного способа намагничивания является снижение намагниченности магнитожесткого ферромагнетика из-за того, что не все атомные магнитные моменты его магнитных доменов ориентируются взаимно коллинеарно по полю.
Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.
Целью изобретения является повышение уровня намагниченности магнитожесткого ферромагнетика (увеличение остаточной намагниченности).
Указанная цель достигается в заявляемом способе намагничивания магнитожесткого ферромагнетика, основанном на его помещении в соленоид с постоянным током в его обмотке, приводящим к магнитному насыщению магнитожесткого ферромагнетика, отличающимся тем, что указанный магнитожесткий ферромагнетик также помещают в высокочастотное магнитное поле генератора переменного тока с регулируемыми частотой и мощностью колебаний, связанного с колебательным контуром, в катушке индуктивности которого размещают намагничиваемый стержень из магнитожесткого ферромагнетика, с помощью которого возбуждают в последнем ультразвуковую волну, распространяющуюся вдоль оси намагничивания, а частоту колебаний f генератора переменного тока выбирают из условия резонанса колебаний магнитных доменов f=v/d, где v - скорость ультразвуковой волны в магнитожестком ферромагнетике, d - характерный размер магнитного домена, а величину мощности высокочастотных колебаний в магнитострикционном процессе выбирают из условия обеспечения требуемой подвижности не ориентированных вдоль постоянного магнитного поля магнитных доменов и антипараллельно ориентированных атомно-молекулярных магнитных моментов в доменах.
Достижение поставленной цели в заявляемом способе объясняется резонансным магнитострикционным возбуждением структуры магнитных доменов магнитожесткого ферромагнетика, которое увеличивает подвижность атомно-молекулярных структур внутри доменов, не ориентированных по внешнему магнитному полю, создаваемому внутри соленоида и увеличивает тем самым число взаимно ориентированных доменов в единице объема магнитожесткого ферромагнитного вещества, что повышает уровень кривой его в области насыщения (парапроцесса), а следовательно, и величину остаточной намагниченности, то есть увеличивает энергию магнитного поля, запасенную в создаваемом постоянном магните. Указанное возбуждение, кроме того, переориентирует по внешнему магнитному полю магнитные моменты (спины) атомов и молекул, входящих в состав доменов, которые были до этого ориентированы в доменах встречно внешнему магнитному полю, что также повышает величину намагниченности насыщения и увеличивает энергию магнитного поля постоянного магнита.
Аналогией такого процесса повышения намагниченности насыщения в намагничиваемом магнитожестком ферромагнетике является хорошо известный опыт распределения железных опилок, равномерно рассыпанных на листе бумаги, снизу которого подносится подковообразный магнит, магнитное поле которого ориентирует железные описки в виде рисунка магнитных силовых линий. Если при этом лист слегка потряхивать, то рисунок становится более четким, цепи железных опилок становятся тоньше, а опилки в них располагаются более концентрированно. Магнитный поток замыкается между полюсами магнита, в основном, по образованным цепям из железных опилок, а не в воздушной среде, магнитное сопротивление которой на несколько порядков более высокое, чем в образующихся цепях. Каждая из опилок представляет собой элементарный магнит, полюсы которого ориентированы вдоль магнитного поля магнита, поэтому эти элементарные магниты-опилки в смежных магнитных цепях взаимно отталкиваются друг от друга, образуя четко выраженные нити из железных опилок. Встряхивание железных опилок на листе бумаги в заявляемом способе аналогично магнитострикционному возбуждению молекул, образующих домены, при действии на них продольных ультразвуковых колебаний, раскачивающих атомно-молекулярную структуру ферромагнитного вещества, что увеличивает подвижность атомов и молекул и повышает вероятность переориентации их магнитных моментов по внешнему магнитному полю.
Заявляемый способ поясняется реализующим его устройством, приведенном на фиг.1 и состоящем из следующих элементов и блоков:
1. Стержня из магнитожесткого ферромагнетика;
2. Соленоида, внутрь которого помещен стержень 1;
3. Источника постоянного тока намагничивания стержня 1 до глубокого насыщения;
4. Катушки колебательного контура, намотанной на стержень 1;
5. Конденсатора переменной емкости колебательного контура;
6. Генератора переменного тока с регулируемыми частотой и мощностью колебаний.
НАС
ОСТ-1
ОСТ-2
ОСТ-2
ОСТ-1
На фиг.2 представлены графики зависимостей индукции насыщения В(Н) в функции напряженности Н магнитного поля в соленоиде 2 для двух случаев - без использования магнитострикционного возбуждения атомно-молекулярных структур доменов (кривая 7) и при наличии такого резонансного возбуждения (кривая 8). Величина напряженности внешнего магнитного поля Н, создаваемого в соленоиде 2, должна выбираться в области парапроцесса для кривой В(Н) при включении резонансного магнитострикционного возбуждения при заданной резонансной частоте колебаний и их мощности. Величины остаточной намагниченности В и В соответственно для обеих кривых 7 и 8 указаны на фиг.2. При этом видно, что В>В после выключения генератора переменного тока 6 и источника постоянного тока 3.
Рассмотрим операционную сущность заявляемого способа.
ОСТ
ОСТ
Остаточная магнитная индукция В - намагниченность предварительно намагниченного магнитного материала при уменьшенной до нуля напряженности магнитного поля. Величина ее зависит от многих факторов: магнитных свойств материала, его магнитной предыстории, температуры. Она возрастает с увеличением напряженности намагничивающего поля, стремясь к предельному значению, которое и принимают за остаточную намагниченность данного материала. Последнюю следует отличать от остаточной намагниченности тела (образца), то есть от значения его средней намагниченности при равной нулю напряженности внешнего магнитного поля. Поскольку в этом состоянии на тело действует собственное размагничивающее поле, его остаточная намагниченность всегда меньше остаточной намагниченности материала. Чем больше размагничивающий фактор тела, тем меньше его остаточная намагниченность, остаточная магнитная индукция В.
В размагниченном состоянии ферромагнетик разбивается на отдельные области -домены, в пределах которых материал намагничен до насыщения вдоль одной из осей легкого намагничивания. Ввиду различной ориентации намагниченности в доменах суммарный магнитный момент образца равен нулю. Под влиянием внешнего магнитного поля происходит рост областей, в которых магнитные моменты доменов составляют наименьшие углы с направлением поля за счет соседних областей. Этот рост осуществляется в результате смещения доменных границ (доменных стенок). После завершения процессов смещения в каждом кристалле остается всего лишь один домен, намагниченность которого ориентирована вдоль ближайшей к направлению поля оси легкого намагничивания. Дальнейшее намагничивание идет за счет вращения атомно-молекулярных спинов в доменах к направлению магнитного поля. По завершении процесса вращения в образце достигается техническое магнитное насыщение, и прирост намагниченности может иметь место лишь за счет парапроцесса - увеличения самой намагниченности насыщения вследствие подавления магнитным полем тепловых колебаний элементарных магнитных моментов вещества [4-6]. Согласно квантовой теории ферромагнетизма [7] расположение атомных магнитных моментов в доменах может быть параллельным или антипараллельным, что связано с различным знаком орбитального спина электронов. Наличие в доменах группы антипараллельно расположенных атомных магнитных моментов из их общего числа приводит к снижению намагниченности насыщения во внешнем магнитном поле при парапроцессе.
Возбуждение ферромагнитной среды ультразвуковой волной (продольными акустическими колебаниями) способствует возникновению подвижности атомов и молекул вещества, что повышает вероятность разворота антипараллельно расположенных атомных магнитных моментов в доменах по внешнему магнитному полю, что соответствует повышению уровня магнитного насыщения на кривой зависимости магнитной индукции ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля, как это указано на фиг.2.
Ультразвуковая волна в стержне 1 возникает за счет магнитострикционного эффекта, для чего намагничиваемый стержень помещают в высокочастотное переменное магнитное поле, создаваемое катушкой 4 колебательного контура, подключенного к генератору переменного тока 6 с регулируемыми частотой колебаний и их мощностью. Настройка в резонанс колебательного движения доменов осуществляется с помощью конденсатора 5 переменной емкости указанного колебательного контура. Размер доменов d, скорость распространения ультразвуковой волны v в ферромагнитном стержне 1 и резонансная частота f связаны соотношением f=v/d.
НАС
Известно, что размер доменов для некоторых ферромагнетиков растет с увеличением напряженности Н внешнего магнитного поля, поэтому требуется соответствующая перестройка частоты f в генераторе переменного тока 6 (уменьшение частоты) после того, как напряженность магнитного поля в соленоиде 2 установится на уровне насыщения Н (фиг.2). Тренировка намагничиваемого магнитожесткого ферромагнетика достигается его циклическим намагничиванием по известной методике - включением и выключением тока намагничивания в обмотке соленоида 2 от источника постоянного тока 3. При этом сначала включается внешнее насыщающее магнитное поле, а затем генератор переменного тока 6. При окончании цикла намагничивания сначала отключают генератор переменного тока 6, а затем источник постоянного тока 3. И цикл намагничивания можно повторять несколько раз, пока величина остаточной намагниченности прекратит возрастать от цикла к циклу.
Если стержень 1 имеет плоскопараллельные торцы, то в нем устанавливается стоячая ультразвуковая волна, если на длине стержня L укладывается целое нечетное число n полуволн ультразвука, то есть n=2Lf/v - нечетное число. Можно организовать в стержне 1 также бегущую ультразвуковую волну, которая одинаково раскачивает все атомы вещества, но при этом необходимо увеличить мощность колебаний и использовать согласованный по импедансу поглотитель ультразвуковой волны на конце стержня 1.
Пример реализации. Пусть стержень 1 имеет длину L=10 см, скорость распространения ультразвуковой волны v=1000 м/с, размер домена d=0,1 мм. Тогда резонансная частота f=10 МГц. Отметим, что это значение частоты существенно отличается от частоты ферромагнитного резонанса, имеющей порядок нескольких сотен МГц, то есть возбуждение ферромагнитного вещества не приводит к поглощению электромагнитной энергии ферромагнетиком.
0
ОСТ
0
2
-6
3
Использование заявляемого способа позволяет создавать постоянные магниты с повышенными значениями энергии магнитного поля W=µ Н  V/2, где µ=1,256·10 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума, V - объем магнита [м]. Выбор величины мощности ультразвуковых колебаний осуществляется опытным путем и для различных ферромагнетиков может различаться по величине.
Литература
1. Вонсовский С.В., Магнетизм, М., 1971.
2. Парселл Э., Электричество и магнетизм, пер. с англ., 3 изд., М., 1983.
3. Преображенский А.А., Бишард Е.Г., Магнитные материалы и элементы, 3 изд., М., 1986.
4. Тикадзуми С., Физика ферромагнетизма. Магнитные свойства вещества, пер. с япон., М., 1983.
5. Филиппов Б.Н., Танкеев А.П., Динамические эффекты в ферромагнетиках с доменной структурой, М., 1987.
6. Зайкова В.А., Старцева И.Г., Филиппов Б.Н., Доменная структура и магнитные свойства электротехнических сталей, М., 1992.
7. Уайт Р., Квантовая теория магнетизма, пер. с англ., 2 изд., М., 1985.