СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ НАМАГНИЧИВАНИЯ ФЕРРОМАГНЕТИКА, БЫСТРО ВВОДИМОГО В НАСЫЩАЮЩЕЕ СВЕРХСИЛЬНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
METHOD OF INVESTIGATING DYNAMICS OF MAGNETISING FERROMAGNETIC MATERIAL RAPIDLY ENTERING SATURATING ULTRASTRONG MAGNETIC FIELD

Изобретение относится к физике магнетизма ферромагнетиков, предварительно намагниченных в магнитном поле до состояния, соответствующего максимальной магнитной восприимчивости ферромагнетика, а затем квазискачкообразно вводимого в сверхсильное насыщающее магнитное поле за промежуток времени, существенно меньший (например, на порядок) постоянной релаксации магнитной вязкости ферромагнетика.
Известно, что при помещении ферромагнетика в насыщающее магнитное поле его намагниченность в парапроцессе достигает наибольшей возможной величины, называемой намагниченностью насыщения, и не увеличивается практически при дальнейшем увеличении напряженности насыщающего магнитного поля [1]. Это объясняется тем, что все магнитные домены в насыщении ориентированы строго в одном направлении, и ферромагнетик просто не может получить дополнительный прирост намагниченности в выделенном направлении, поскольку уже нет дополнительных «незадействованных» носителей магнитного момента. Доменная структура ферромагнетика установлена опытами Г.Баркгаузена в 1919 [2]. Каждый из доменов представляет собой микроэквивалент прямого постоянного магнита, который имеет произвольную ориентацию в отсутствии внешнего магнитного поля и разворачивается по магнитному полю, преодолевая тепловые флуктуации, стремящиеся ориентировать магнитные моменты доменов хаотически в теле магнитомягкого ферромагнетика. Скорость установления магнитного домена вдоль вектора внешнего магнитного поля определяется так называемой постоянной магнитной вязкости ферромагнетика [3-5], величина которой варьирует в весьма широких пределах - от долей микросекунды до нескольких часов и может быть управляемой введением в ферромагнетик различного рода присадок.
Учитывая известный магнитокалорический эффект [6-7], при котором ферромагнетик нагревается при его помещении в насыщающее магнитное поле, сопровождающееся фазовым переходом первого рода, и объясняемого скачкообразным уменьшением удельной теплоемкости ферромагнетика, в сочетании с фундаментальным принципом сохранения энергии, добавляемой ферромагнетику со стороны намагничивающего магнитного поля, возникает вопрос о возможных аномалиях физического статуса ферромагнетика в динамике перемагничивания из состояния с максимальной величиной его магнитной восприимчивости, возникающего от действия внешнего магнитного поля определенной величины, в состояние глубокого насыщения, при котором магнитная восприимчивость резко уменьшается с постоянной времени, определяемой магнитной вязкостью ферромагнетика, когда этот переход от магнитного поля, отвечающего максимальной магнитной восприимчивости ферромагнетика, к сверхсильному насыщающему магнитному полю происходит за время, существенно (например, на порядок) меньшее постоянной релаксации магнитной вязкости ферромагнетика, то есть когда этот переход носит скачкообразный характер. Ниже будет рассмотрен физический механизм намагничивания ферромагнетика при таких условиях.
HAC
O
НАС
НАС
O
-6
Целью изобретения является предложение способа исследования и реализующего способ прибора для обнаружения эффекта аномального динамического процесса намагничивания ферромагнетика при скачкообразном увеличении внешнего насыщающего магнитного поля. Как известно, в статике (то есть при сравнительно медленном увеличении внешнего магнитного поля) сохраняется неизменным произведение напряженности внешнего насыщающего магнитного поля Н на величину магнитной восприимчивости χ(Н), и намагниченность насыщения ферромагнетика определяется как J=µχ(Н)·Н=const(H) при Н≥Н, где Н - напряженность внешнего насыщающего магнитного поля, µ=1,256· 10 Гн/м - магнитная постоянная.
Соответствующие аналоги заявляемого технического решения автором в известной технической литературе не обнаружены (отсутствует прототип).
Указанная цель достигается в заявляемом способе исследования динамики намагничивания ферромагнетика, быстро вводимого в насыщающее сверхсильное магнитное поле, основанный на взаимодействии ферромагнетика с насыщающим магнитным полем, отличающимся тем, что измеряют с помощью пленочного пьезоэлектрического датчика силу давления, возникающую между двумя ферромагнитными образцами, между которыми помещают пленочный пьезоэлектрический датчик, выходами включенный к измерителю пьезо-эдс, указанные ферромагнитные образцы с пленочным пьезоэлектрическим датчиком между ними вводят в магнитный зазор с насыщающим магнитным полем со скоростью ввода V, величину которой согласуют с постоянной релаксации магнитной вязкости τ ферромагнетика и длиной L магнитного зазора с насыщающим магнитным полем согласно выражению V=L/еτ, где е=2,718 - основание натурального логарифма, а размер l ферромагнитных образцов в направлении их движения в магнитном зазоре с насыщающим магнитным полем выбирают во много раз меньше длины L этого магнитного зазора, например L/l≥10.
H
мах
H
H
Способ по п.1 отличается тем, что до ввода пары ферромагнитных образцов с пленочным пьезоэлектрическим датчиком между ними в магнитный зазор с насыщающим магнитным полем H эту пару пропускают в дополнительном магнитном зазоре длиной L со скоростью V, напряженность поля Н*, в котором задают такой величины, при которой магнитная восприимчивость ферромагнитных образцов достигает максимума χ, а отношение напряженностей H/Н* задают много больше единицы (например, H/Н*≥10), ферромагнитные образцы выполняют из магнитомягкого ферроматериала с относительно малой индукцией насыщения, например из никеля, который одновременно служит электродами пленочного пьезоэлектрического датчика.
Способ по п.1 отличается тем, что измеряемую величину возникающей пьезо-эдс калибруют в значениях силы давления, возникающей между намагничивающимися ферромагнитными образцами, пропорциональной величине намагниченности последних.
Достижение указанной цели в заявляемом способе и его дополнениях объясняется эффектом перегруппировки внутреннего магнитного поля доменов ферромагнетика и их внешнего магнитного поля, при которой увеличение внешнего насыщающего магнитного поля уменьшает собственное поле доменов на полюсах ферромагнитных образцов с одновременным увеличением их внутреннего магнитного поля, и эта перегруппировка происходит с задержкой по времени, определяемой магнитной вязкостью ферромагнетика, что и приводит к эффекту динамической (импульсной) аномальной намагниченности ферромагнитных образцов, экспоненциально уменьшаемой до значения стационарной намагниченности насыщения. Эффект динамической аномальной намагниченности смещает центр намагниченности ферромагнетика, находящегося в магнитном зазоре с насыщающим магнитным полем, при протяжке ферромагнетика в этом магнитном зазоре со скоростью, согласованной с постоянной магнитной вязкости ферроматериала и длиной магнитного зазора с насыщающим магнитным полем. Это важное обстоятельство может быть использовано при построении магнитных двигателей, топливом для которых является тепло окружающей среды, поскольку в указанном режиме протяжки ферромагнетика в локализованном насыщающем магнитном поле картина перераспределения намагниченности движущегося ферромагнетика в пределах локализации насыщающего магнитного поля сохраняется - намагниченность ферромагнетика, входящего в насыщающее магнитное поле, больше намагниченности его к концу магнитного зазора, что способствует возникновению втягивающей ферромагнетик силы. Этот эффект усиливается, если ферромагнетик предварительно намагничивают в магнитном поле, доводящем магнитную восприимчивость ферромагнетика до максимальной.
Заявляемый способ реализуется устройством, схема которого приведена на рис.1.
На рис.1 представлены следующие элементы и узлы:
1 - первый ферромагнитный образец,
2 - второй ферромагнитный образец,
3 - пленочный пьезоэлектрический датчик,
4 - электромагнит,
5 - обмотка подмагничивания электромагнита,
6 - регулируемый источник постоянного тока,
7 - диэлектрический диск,
8 - ось вращения диэлектрического диска,
9 - трехфазный синхронный электродвигатель,
10 - регулируемый по частоте трехфазный генератор,
11 - кольцевые токосъемники, связанные с электродами пленочного пьезоэлектрического датчика,
12 - скользящие контакты,
13 - усилитель сигнала с пленочного пьезоэлектрического датчика,
14 - блок обработки информации и индикации.
HAC
МАХ
На рис.2 показан магнитный зазор - основной с насыщающим магнитным полем H и дополнительный с магнитным полем Н*, при котором достигается максимум магнитной восприимчивости χ у ферромагнетика, и два ферромагнитных образца с пленочным пьезоэлектрическим датчиком между ними. На рис.1 и 2 выводы этого датчика не показаны.
НАЧ
МАХ
H
MIN
На рис.3 представлен график зависимости магнитной восприимчивости ферромагнетика от времени при заданной скорости протяжки ферромагнитных образцов 1 и 2 в обоих магнитных зазорах с определенной скоростью, зависящей от постоянной магнитной вязкости ферромагнетика и длины магнитных зазоров. В начальный момент времени, когда ферромагнитные образцы начинают входить в магнитное поле Н*, у ферромагнетика имеется начальная магнитная восприимчивость χ, по мере продвижения в дополнительном магнитном зазоре с магнитным полем Н* магнитная восприимчивость доходит до максимального значения χ,а когда ферромагнетик попадает в насыщающее магнитное поле H, то магнитная восприимчивость экспоненциально уменьшается до величины χ за время 2Δt=2L/V=2L/ωR, где - ω угловая скорость вращения диэлектрического диска 7, R - радиус этого диска, на краю которого закреплены два ферромагнитных образца 1 и 2 и пленочный пьезоэлектрический датчик 3 между ними.
O
МАХ
H
MAX
O
MAX
H
H
HAC
O
MIN
H
H
На рис.4 приведен график зависимости намагниченности двух ферромагнитных образцов 1 и 2 от времени при их движении со скоростью V в дополнительном и основном магнитных зазорах электромагнита 4. В первой части этого зазора намагниченность ферромагнетика достигает уровня J*(Δt)=µχН*, при переходе в начало основного магнитного зазора с насыщающим магнитным полем H намагниченность аномально возрастает почти до величины J=µχH, поскольку H>>Н*, после чего намагниченность спадает экспоненциально до уровня намагниченности насыщения J=µχH, величина которой больше намагниченности J*(Δt). Аномальное поведение намагниченности ферромагнетика при переходе квазискачком его из магнитного поля с напряженностью Н* к магнитному полю с напряженностью H>>Н* обусловлено свойством магнитной вязкости ферромагнетика, благодаря которому его магнитная восприимчивость не может уменьшиться скачком.
Пунктирной кривой на рис.4 показан ход намагничивания ферромагнетика при помещении его из ненамагниченного состояния в насыщающее магнитное поле при плавном увеличении напряженности магнитного поля, и тогда ожидаемый аномальный эффект динамического намагничивания не возникает (известная зависимость магнитной индукции в ферромагнетике от напряженности магнитного поля).
H
На рис.5 дана попытка наглядного объяснения рассматриваемого аномального динамического намагничивания ферромагнетика, имеющего доменную структуру, домены в которой образуют магнитосвязанные цепи, ориентируемые по внешнему магнитному полю. На рис.5а представлена цепь из трех магнитосвязанных доменов 15, 16 и 17 (в каждой цепи может быть огромное количество доменов) при магнитном поле Н<Н*, на рис.5б - те же домены, но при напряженности магнитного поля Н*, а на рис.5в - при насыщающем магнитном поле H>>Н*. Более подробно о различии этих рисунков будет указано ниже.
Рассмотрим действие заявляемого способа с использованием реализующего его устройства (рис.1) с линейной разверткой его магнитной части на рис.2.
Пусть с помощью трехфазного синхронного двигателя 9 с осью вращения 8 приводится во вращательное движение с круговой частотой ω диэлектрический диск 7, на краю которого, то есть на радиусе R, укреплены первый 1 и второй 2 ферромагнитные образцы с пленочным пьезоэлектрическим датчиком 3 между ними. Ферроматериал этих образцов имеет постоянную магнитной вязкости τ. Оба ферромагнитных образца с пленочным пьезоэлектрическим датчиком проходят внутри магнитного зазора электромагнита 4 с обмоткой подмагничивания 5, подключенной к регулируемому источнику постоянного тока 6. Регулировка тока подмагничивания необходима для того, чтобы задавать напряженность магнитного поля Н* в первой части магнитного зазора при использовании различных ферромагнетиков. Скорость протяжки ферромагнитных образцов V=ωR в магнитном зазоре с общей длиной 2 L согласована с постоянной магнитной вязкости τ по оптимизированной формуле V=L/еτ, где е=2,718 - основание натурального логарифма. При известных значениях L, R и τ частоту F вращения трехфазного синхронного электродвигателя 9 следует задавать равной F=L/2πeRτ, на эту частоту настраивают регулируемый по частоте трехфазный генератор 10. При этом время пребывания ферромагнитных образцов в каждом из половин магнитного зазора равно Δt=L/ωR.
Электрический сигнал с пленочного пьезоэлектрического датчика 3 поступает через кольцевые токосъемники 11 и скользящие контакты 12 к усилителю 13, а с его выхода усиленный сигнал подается на первый вход блока обработки информации и индикации 14, на второй вход которого поступает сигнал с дополнительного выхода регулируемого по частоте трехфазного генератора 10, частота F которого позволяет рассчитать скорость V протяжки ферромагнитных образцов в магнитном зазоре электромагнита 4. В блоке обработки и индикации 14 осуществляется переработка данных, поступающих на его входы, с получением искомых значений намагниченности J(t) в функции времени или координат нахождения ферромагнитных образцов в магнитном зазоре. Эта зависимость отображается на экране дисплея в виде графиков и запоминается в блоке, в качестве которого может выступать персональный компьютер.
2
2
2
2
O
O
Сигнал с выхода пленочного пьезоэлектрического датчика 3 пропорционален оказываемому на него давлению, образующемуся при намагничивании первого 1 и второго 2 ферромагнитных образцов, которые во внешнем магнитном поле становятся магнитами, притягиваемыми друг к другу с силой, пропорциональной намагниченности этих образцов при практически неизменном расстоянии между магнитными полюсами этих образцов, равном толщине пленочного пьезоэлектрического датчика 3. Известно, что сила притяжения полюсов двух магнитов при малом расстоянии между полюсами пропорциональна величине BS/2µχHS/2=J(t)S/2µ, где S - площади полюсов магнитов (одинаковые) [4], а знак приблизительного равенства установлен при соблюдении неравенства µ>>1, справедливого для ферромагнетиков, и при этом µ=χ+1. При соответствующей калибровке сигнала пленочного пьезоэлектрического датчика 3 в блоке обработки информации и индикации 14 можно определять искомую намагниченность и, в частности, исследовать динамическую аномальную намагниченность ферромагнетика, а также уточнять значение его магнитной вязкости по виду временной функции J(t), отображаемой на дисплее.
Погрешность оценки J(t), связанная с влиянием постоянной релаксации пленочного пьезоэлектрического датчика 3 и масс ферромагнитных образцов 1 и 2, легко учитывается в программе обработки информации в блоке 14 (персональном компьютере).
МАХ
По мере продвижения ферромагнитных образцов в первой части магнитного зазора с действующей в нем напряженностью магнитного поля Н* происходит возрастание магнитной восприимчивости ферромагнетика до максимальной величины χ согласно кривой Столетова за время Δt=L/ωR=еτ.
H
MAX
O
MAX
H
HAC
O
MIN
H
Затем ферромагнетик попадает скачкообразно в насыщающее магнитное поле H>>Н*. Поскольку магнитная восприимчивость ферромагнетика не изменяется скачком, а из-за магнитной вязкости снижается экспоненциально, как это указано на рис.3, то намагниченность ферромагнетика должна квазискачком доходить почти до максимального значения J=µχH, а затем экспоненциально убывать до стационарного значения намагниченности насыщения J=µχH за время Δt, как это видно на рис.4. Следует иметь в виду, что одновременно с быстрым возрастанием намагниченности ферромагнетика при его вхождении во вторую часть магнитного зазора с насыщающим магнитным полем происходит относительно медленное снижение величины магнитной восприимчивости. Поэтому указанное выше максимальное значение намагниченности, строго говоря, не достигается из-за встречного снижения магнитной восприимчивости за время квазискачка напряженности магнитного поля, хотя и достаточно близко к нему.
1
2
0
1
2
0
MAX
MAX
0
1
0
1
0
1
H
Н
2
1
МАХ
Эффект аномального динамического намагничивания должен иметь определенное физическое толкование, связанное, например, с деструктуризацией собственных магнитных полей магнитных доменов ферромагнетика в зависимости от изменения напряженности внешнего магнитного поля, в частности с учетом запаздывающей во времени перегруппировки их магнитных полей, одна группа которых для каждого из доменов замыкается внутри ферромагнетика (в каждом из его доменов), а другая - образует структуру внешнего силового поля, образующегося на магнитных полюсах ферромагнитных образцов. Действительно, о намагниченности ферромагнетика мы судим по его внешним магнитным свойствам (например, по силе притяжения намагниченного ферромагнетика), не учитывая магнитных полей, замыкающихся внутри тела ферромагнетика для каждого из его доменов. Правильнее говорить об относительной (безразмерной) плотности магнитного потока - внешнего σ и внутреннего σ для каждой доменной цепи, ориентированной по внешнему магнитному полю. Общая плотность магнитного потока, исходящая из домена какого-либо сорта ферромагнетика, равна сумме плотностей σ=σ+σ, и величина σ сопоставляется со значением максимальной магнитной восприимчивости χ данного ферромагнетика при соответствующем внешнем магнитном поле Н* (разном для разных ферромагнетиков), так что можно записать χ=βσ, где β - некоторый безразмерный коэффициент. Текущие значения магнитной восприимчивости χ(Н) в зависимости от напряженности магнитного поля Н выражаются соотношением ε=σ/σ. Чем больше отношение ε, тем больше магнитная восприимчивость χ данного сорта ферромагнетика. Так, при действии на ферромагнетик внешнего магнитного поля с напряженностью Н* имеем, например, σ=σ (в общем случае имеем σ→Max), и значение ε=1. Для начальной магнитной восприимчивости (Н=0) и при насыщающих магнитных полях (Н=H) значение ε<1. На рис.5 условно показана доменная цепь ферромагнетика при разных величинах напряженности внешнего магнитного поля - Н<Н* (рис.5а), Н* (рис.5б) и Н (рис.5в). Видно, что при увеличении или уменьшении напряженности магнитного поля относительно величины Н* величина внутренней относительной плотности магнитного потока σ растет, а внешней σ падает, что и приводит к уменьшению χ относительно χ, что согласуется с известной кривой Столетова.
MAX
MIN
Перегруппировка отношения е в ту или иную сторону при вариации напряженности внешнего магнитного поля Н происходит с временной задержкой экспоненциально с постоянной τ магнитной вязкости данного сорта ферромагнетика. Именно поэтому и должен возникать аномальный эффект динамического намагничивания, когда внешняя составляющая внешнего магнитного поля цепи доменов (при χ=χ) от действия сверхсильного внешнего насыщающего магнитного поля не успевает мгновенно снизиться до величины, соответствующей ее стационарному значению χ (соответствующему намагниченности насыщения).
HAC
O
MIN
H
MIN
O
H
<mrow><munder><mrow><mrow><mi>χ</mi><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo>=</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></munder><mo>=</mo><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub><mo>≫</mo><munder><mrow><mrow><mrow><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>I</mi><mi>N</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo>→</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></munder><mo>.</mo></mrow>
Внешнее насыщающее магнитное поле может выбираться произвольно, но его величина определяет свойства ферромагнетика - его магнитную восприимчивость, поскольку в статике (при относительно медленном изменении внешнего насыщающего магнитного поля) произведение J=µχH=const (Н), то есть χ=const(Н)/µH при t→∞. Однако при t=0 в момент квазискачка внешнего магнитного поля
При этом возникает важная физическая задача о том, что происходит с доменами ферромагнетика, кроме одного утверждения об их выстраивании вдоль внешнего магнитного поля, в частности, со структурой распределения их собственных магнитных полей. Так возникла гипотеза о перегруппировке магнитных полей доменов под действием внешнего магнитного поля на внутренние поля, замывающиеся внутри тела ферромагнетика в каждом из доменов, и собственно внешнее магнитное поле для группы доменов, составляющей тело ферромагнетика. При этом процесс указанной перегруппировки затягивается во времени на величину порядка Δt=еτ, то есть согласован с параметром τ магнитной вязкости ферромагнетика. Заявляемый способ и реализующее его устройство позволяют найти ответ о достоверности выдвинутой гипотезы. При положительном результате можно будет утверждать, что внешнее насыщающее магнитное поле как бы частично нейтрализует собственное внешнее магнитное поле группы связанных и коллинеарно размещенных в ферромагнетике магнитных доменов.
Литература
1. Савельев И.В. Курс общей физики, т.2, «Электричество», изд. Наука, М., 1970, с.183-184.
2. Рудяк В.М. Эффект Баркгаузена, "УФН", 1970, т.101, с.429.
3. Kronmiiller Н. Nachwirkung in Kerromagnetika, В. - [u.a.], 1968.
4. Вонсовский С.В. Магнетизм, М., 1971.
5. Мишин Д.Д. Магнитные материалы, М., 1981.
6. Никитин С.А. и др. Магнитные фазовые превращения и магнитокалорический эффект в монокристаллах сплавов Tb-Y, "ЖЭТФ", 1977, т.73, с.228.
7. Белов К.П. Упругие, тепловые и электрические явления в ферромагнетиках, 2 изд., М., 1957.