книги / Справочное пособие по магнитным явлениям
..pdfРис. 15.1. Струнный гальванометр. Си лы Лоренца, приложенные к элект ронам-носителям в проводящей про волоке при наличии внешнего магнит ного поля, заставляют проволоку откло няться
Рис. 15.2. Вибратрон. Силу натяжения проводящей проволоки можно опре делить по частоте напряжения возбуж дения, вызывающего ее механический резонанс
торый обладает чрезвычайно высокой чувствительностью за счет применения сильного магнитного поля и очень тонкой позолоченной кварцевой струны.
15.2. ВИБРАТРОН
Если однородную гибкую проволоку с двумя закрепленными концами натянуть и вызвать ее поперечные колебания, то она будет стремиться вибрировать с определенными дискретными частотами, которые называются частотами струнного резонан са. Они определяются выражением
|
Р = к Ы 1 -1{Т/т У'\ |
|
(15.1) |
где Р — резонансная |
частота для Ы-н моды |
колебаний; |
N — |
целое число; I — длина проволоки; Т — сила |
натяжения |
про |
|
волоки; пг — масса |
проволоки на единицу длины и к — кон |
||
станта. |
|
|
|
Такая проволока, помещенная в магнитное поле, совершает колебания, когда по нейтечет переменный ток. Импеданс по отношению к этому току минимизируется, если частота тока совпадает с резонансной частотой. Кроме того, поскольку про волока вибрирует, вследствие движения проволоки в магнитном поле между ее концами генерируется переменное напряжение. При помощи обычных методов сервоуправления можно исполь
зовать напряжение, генерируемое при минимальном импедансе, для подстройки частоты переменного тока, чтобы она совпала
срезонансной частотой проволоки.
Втаком приборе, получившем название вибратрона, часто та генерируемого напряжения служит мерой силы натяжения проволоки (рис. 15.2).
15.3. БИФИЛЯРНЫЙ ГАЛЬВАНОМЕТР
Если на нитях двух струнных гальванометров подвешено зеркало, как показано на рис. 15.3, а ток в нитях течет в проти воположных направлениях, то зеркало будет поворачиваться на угол, который можно прокалибровать в значениях тока. В слу чае, когда на такой прибор, называемый бифилярным гальва нометром, подается переменный ток, не оказывающий значи тельного влияния на натяжение нити, поворот зеркала воспро изводит изменения электрического тока во времени.
Основные элементы бифилярного гальванометра представ лены на рис. 15.3.
Рис. 15.3. Бифилярный гальванометр. Угол поворота зеркала, установленного на двух проводящих проволоках, по ко торым текут одинаковые по абсолютной величине, но противоположно направ ленные токи, зависит от значения тока, если все другие условия остаются не изменными
15.4. ГАЛЬВАНОМЕТР Д'АРСОНВАЛЯ
Гальванометр Д’Арсонваля представляет собой проволочную катушку, подвешенную в магнитном поле таким образом, чтобы она могла вращаться вокруг оси, направление которой перпен дикулярно плоскости, определяемой осью витков катушки и век тором магнитного поля. Как показано на рис. 15.4, пружинное устройство стремится повернуть ось витков катушки в такое положение, чтобы она была перпендикулярна вектору магнит ного поля, тогда как текущий в катушке электрический ток стремится совместить эту ось с направлением магнитного поля.
Если на катушке установлено зеркало, то угол его поворота соответствует изменениям электрического тока, текущего в ка тушке. Когда поддерживается постоянное значение тока, пово рот зеркала будет зависеть от напряженности магнитного поля.
232
Рис. 15.4. Гальванометр Д'Арсонваля. Если сила, стремящаяся сориентиро вать в направлении внешнего магнит ного поля катушку с током, уравнове шена при помощи пружины, то угол поворота катушки будет зависеть от на пряжения возбуждения
Если же поддерживается магнитное поле с постоянной напря женностью, то угол поворота зеркала служит мерой тока.
15.5.ГАЛЬВАНОМЕТР ГАУССА
Вконструкции гальванометра Гаусса используется принцип, обратный по отношению к гальванометру Д ’Арсонваля,— в маг нитном поле, создаваемом током проволочной катушки, подве шен постоянный магнит. Он имеет возможность поворачиваться вокруг оси, направленной перпендикулярно плоскости, которая определяется осью витков катушки и вектором магнитного поля постоянного магнита.
Как показано на рис. 15.5, пружинное устройство стремится повернуть постоянный магнит в такое положение, чтобы вектор магнитного поля был перпендикулярен оси витков катушки, тогда как текущий в катушке электрический ток стремится совместить этот вектор с направлением оси витков катушки.
Если с постоянным магнитом связано зеркало, то угол его поворота воспроизводит изменения электрического тока, теку щего в катушке.
Рис. 15.5. Гальванометр Гаусса. Если сила, стремящаяся сориентировать под вешенный постоянный магнит в на правлении внешнего магнитного поля, уравновешена при помощи пружины, то угол повотора магнита будет зависеть от тока возбуждения
ДВИЖЕНИЕ МАГНЕТОНОВ ПРИ СИЛЬНЫХ СВЯЗЯХ (В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ ИЛИ ЖИДКОСТИ)
Когда электрически заряженная частица окружена другими заряженными частицами, довольно плотно заполняющими про странство, положение и движение частицы подвержены сильно му влиянию положений и движений соседних частиц. Это влия ние может привести к изменению ориентации частицы, с тем чтобы ее магнитное поле совпадало по направлению с магнитными по лями соседних частиц или же было противоположно им. Начи ная двигаться, частица может столкнуться с одной из соседних частиц; если же она не движется, то вполне возможно, что на нее натолкнется одна из частиц, движущихся по соседству. При этих условиях среда представляет собой хаотическую массу час тиц, движущихся с различными скоростями в различных на правлениях и имеющих различные ориентации осей, причем все эти факторы характеризуются некоторым постоянным состо янием изменчивости.
На первый взгляд такая ситуация может показаться состоя нием полного хаоса. Но на самом деле здесь все виды активно сти строго подчинены фундаментальным законам, которые тре буют минимизации как электрического заряда на единицу объе ма, так и напряженности магнитного поля в каждом элементар ном объеме. И, конечно, именно силы, стремящиеся минимизи ровать эти величины, создают тот «клей», который соединяет все частицы в единую массу.
В этой части справочника обсуждаются некоторые магнитные явления, которые могут возникнуть вследствие движения маг нетонов в твердых телах и жидкостях, обладающих различными свойствами.
16. МАГНИТОСТРИКЦИЯ
Термин магнитострикция используется для обозначения из менений в размерах, испытываемых ферромагнитными матери алами в присутствии внешнего магнитного поля, как и для обо значения изменений намагниченности, испытываемых ферромаг нитными материалами под влиянием механического напряжения.
16.1. ПЕТЛЯ МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИСТЕРЕЗИСА
Механические явления, обусловленные магнитострикцией, можно проиллюстрировать, рассмотрев наряду с петлей магнит ного гистерезиса, приведенной на рис. 4.2, также петлю магнито механического гистерезиса. Такая петля, изображенная на рис. 16.1, показывает зависимость между механической дефор мацией и напряженностью магнитного поля для различных цик лов намагничивания ферромагнитного вещества.
В основе явления магнитострикции лежит энергетический обмен между упругой деформацией и намагниченностью. Коэф фициенты в выражениях, связывающих эти две формы энергии, называют коэффициентами магнитоупругого взаимодействия.
Хотя изменения размеров в результате магнитострикции пре вышают аналогичные изменения, характерные для парамагнит ных материалов (см. рис. 6.1), они все же очень малы. Напри мер, в состоянии магнитного насыщения тело из никеля изменяет свою длину всего лишь приблизительно на тридцать миллионных частей.
Как и явление гистерезиса, магнитострикция связана с фор мированием доменов. Домены соответствуют магнитному насы щению вдоль осей кристалла с наиболее легким намагничива нием. Ориентации и объемы отдельных доменов определяются как характеристиками магнитного поля, так и электростатиче скими силами кристалла. Поскольку механические деформации несколько изменяют параметры кристаллической решетки, меж молекулярные силы, обеспечивающие самопроизвольное упоря дочение ориентаций магнетонов и образование доменов, также изменяются, причем изменяется и намагниченность, зависящая от формы доменов.
Материалы изменяются по размерам при возникновении яв ления магнитострикции главным образом во время такого про цесса, когда много отдельных доменов смещаются со своих пред почтительных кристаллографических осей в верхней части цикла
Рис. 16.1. Петля магнитомеханического гистерезиса. Размеры тела из ферро магнитного вещества зависят от намаг ниченности, так что данную петлю ги стерезиса можно получить из обычной петли гистерезиса при намагничивании
намагничивания. Домены отталкиваются один от другого, если они упорядочены по ориентациям и сориентированы в одном общем направлении. Содержащий их материал несколько рас ширяется в направлении этого отталкивания.
В магнитострикционных преобразователях используют маг нитное поле смещения, для того чтобы поместить центральную точку их вспомогательной (рабочей) петли гистерезиса в той области основной петли гистерезиса, где достигается максималь ная магнитострикционная реакция в сочетании с наибольшей линейностью преобразования. Нужное смещение можно обеспе чить либо при помощи приложенной извне намагничивающей силы, либо за счет способности самого материала сохранять остаточную намагниченность.
Вследствие того что явление магнитострикции обусловлено непосредственно ферромагнетизмом, все особенности, присущие ферромагнитным веществам, сказываются и на магнитострик ции. Как и следует ожидать, магнитострикция совершенно не проявляется при температурах выше точки Кюри. Однако для конкретного ферромагнитного вещества не удается предсказать какое-либо определенное соотношение между намагничивающей силой и степенью выраженности магнитострикции, его можно найти только опытным путем. Проявления магнитострикции у разных ферромагнитных веществ могут очень сильно различать ся как по интенсивности, так и по направлению. Возможно, объяснение этого лучше всего проиллюстрировано при помощи схемы на рис. 3.5. Если здесь «столбцы» магнетонов располо жены ближе один к другому, чем «строки», то направление маг нитострикции будет противоположным направлению для случая, когда расстояние между «строками» меньше, чем расстояние между «столбцами».
Все магнитострикционные эффекты обладают свойством вза имности, т. е. изменение размеров приводит к изменению на магниченности, и, наоборот, при изменении намагниченности происходит изменение размеров.
16.2. ЭФФЕКТ ВИЛЛАРИ
Эффект Виллари заключается в изменении намагниченности в направлении механической деформации. У магнитострикцион ных веществ может наблюдаться положительный или отрица тельный эффект Виллари, т. е. при увеличении деформации на магниченность либо увеличивается, либо уменьшается. Поло жительным считается здесь эффект Виллари, вызывающий уменьшение магнитной проницаемости, когда материал подверг нут сжатию. Соответственно магнитная проницаемость таких материалов возрастает при их растяжении. Преобразователи, в которых используется это явление, иногда называются «пре-
Намагничивающая |
Рис. 16.2. Эффект Виллари и попереч |
сила |
ный эффект Виллари. Индуктивность |
Механическая |
катушки, намотанной вокруг ферромаг |
нитного элемента, зависит как от осевой |
|
|
силы, приложенной к этому элементу, |
|
так и от напряженности внешнего маг |
|
нитного поля |
образователями с изменением магнитной проницаемости» или «преобразователями с изменением р».
В некоторых случаях при увеличении деформации магнитная проницаемость увеличивается в слабом магнитном поле, но уменьшается в сильном магнитном поле. Точкой обращения Вил лари на кривой намагничивания называется точка, где намаг ниченность не зависит от деформации.
Поперечный эффект Виллари заключается в изменении на магниченности по направлению, перпендикулярному направле нию механической деформации.
Как и в любых магнитострикционных эффектах, если здесь изменение размеров вызывает изменение намагниченности, то и, наоборот, изменение намагниченности должно привести к изменению размеров. Явления, взаимные по отношению к раз личным эффектам Виллари, называются эффектами Джоуля.
На рис. 16.2 изображена система, в которой можно наблю дать эффект Виллари и поперечный эффект Виллари.
16.3. ЭФФЕКТ ГИЛЛМЕНА
Если магнитное вещество помещено в магнитное поле, то магнетоны, являющиеся составной частью этого вещества, стре мятся упорядочить свои ориентации, с тем чтобы их оси совпа дали по направлению с внешним полем или же были направ лены противоположно. Как показано на рис. 3.5, возможны не сколько различных структур с упорядоченными ориентациями магнетонов. Если магнетоны упорядочены по ориентациям, они оказывают друг на друга взаимное воздействие, которое влияет на размеры материала, содержащего магнетоны. Если упорядо ченная структура такова, что смещенные магнетоны отталки ваются один от другого, то материал несколько расширяется в направлении их отталкивания. Если же смежные магнетоны притягиваются один к другому, то материал несколько сжима ется в направлении притяжения. Результаты этого проявляются либо в виде магнитострикции, обсуждаемой в этой главе, либо в виде парамагнитной деформации, рассмотренной в § 6.4.
Магнитострикция характерна для материала, в котором об-
238
ленный из магнитострикционного вещества, имеет две симметрич ные полости, то разность давлений между этими полостями соз дает смещение намагниченности, нарушающее равновесие транс форматора.
16.5. КРУТИЛЬНЫЙ ДИНАМОМЕТР НА ОСНОВЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ТРАНСФОРМАТОРА ВИЛЛАРИ
Если приложить к валу крутящую нагрузку, то в нем возник нут напряжения сдвига, направленные под углом 45° к оси вала, при этом главные растягивающие и сжимающие напряжения вза имно перпендикулярны и направлены, как показано на рис. 16.4. Изменение направления приложенного крутящего момента на противоположное приводит к изменению знака напряжений сдвига, причем растягивающие силы заменяются на сжимаю щие, и наоборот, однако их направления остаются неизменными.
Эффект Виллари определяется влиянием деформации на на магниченность. Следовательно, это явление можно использовать в дифференциальном трансформаторе для измерения крутящего момента. В нем деформация сжатия должна воздействовать на один путь магнитных силовых линий, а деформация растя жения — на другой. В системе, изображенной на рис. 16.4, при отсутствии нагрузки выходной сигнал равен нулю. При увеличе нии крутящего момента сигнальное напряжение увеличивается независимо от того, вращается вал Или остается неподвижным.
Рис. 16.4. Крутильный динамо метр на основе дифференциаль ного трансформатора Виллари. Измерение степени нарушения равновесия между двумя пле чами трансформатора можно использовать для определения крутящего момента вала без механического контакта между валом и прибором
Обычно по окружности, охватывающей вращающийся вал, устанавливают несколько таких трансформаторов, выходные сигналы которых суммируются. Такое устройство обеспечивает компенсацию небольшого эксцентриситета вала и неоднородности магнитных свойств материала, из которого он изготовлен.
16.6. МОСТ ВИЛЛАРИ
Приборы, в основу которых положена четырехплечевая маг нитная мостовая схема, использующая эффект Виллари, полу чили название прессдукторов. Прибор такого типа можно рас-
240