книги / Справочное пособие по магнитным явлениям
..pdfРис. 16.5. Мост Виллари. Количество |
Механическая |
энергии, перенесенной между первичной |
|
и вторичной катушками, зависит от де |
|
формации, испытываемой двумя из че |
|
тырех плеч моста |
|
сматривать как трансформатор необычной конструкции, имею щий такую ориентацию первичной и вторичной катушек, что при отсутствии деформации датчика их взаимная индуктивность равна нулю.
Магнитный поток, создаваемый электрическим током в пер вичной катушке этого прибора, распределен симметрично в че тырех плечах (А, В, С и й) моста; он показан на рис. 16.5 в виде «круговых» контуров потока. Эти контуры захватывают вторич ную катушку при условии взаимной компенсации, вследствие чего от первичной катушки энергия не передается на вторичную.
Когда датчик испытывает деформацию сжатия, в направле нии деформации уменьшается намагниченность, и по крайней мере два плеча мостовой схемы изменяют свои магнитные харак теристики. При этом магнитный поток изменяется в поперечном направлении на величину, пропорциональную приложенной силе. Вторичная катушка захватывается изменившимся потоком, как показано на рис. 16.5 «овальными» контурами. Если первичная катушка возбуждается переменным током, то показания вольт метра переменного тока, подключенного к вторичной катушке, будут пропорциональны приложенной силе.
16.7. ИНДИКАТОР ВИЛЛАРИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЛИСТОПРОКАТКИ
Эффект Виллари используют в приборах для контроля формы плоского стального проката. «Плоскостность» можно описать при помощи дифференциального удлинения вдоль полосы ма териала, измеряя это удлинение в точках, распределенных по ширине полосы. Если края полосы сжаты сильнее, чем централь ная часть, то они имеют большую длину, и края становятся вол нистыми. Наоборот, если центральная часть полосы сжата силь нее, чем края, то возникает волнистость в ее середине.
Мост Виллари можно применять для определения различия
Рис: 16.6. Индикатор Виллари для контроля листопрокатки. Здесь мост Виллари сконструирован таким обра зом, что каждое из четырех его плеч [А , В , С и й ) содержит участок листа из ферромагнитного материала. Два плеча моста (А и В ) сориентированы в направлении прокатки листа, два других ( С и О ) — поперек направления прокатки. Разность деформаций в этих двух направлениях, возникающую в ре зультате изменения толщины листа, можно контролировать по выходному напряжению моста
магнитных проницаемостей в направлении движения ферромаг нитного листа и под прямым углом к этому направлению. По скольку магнитная проницаемость зависит от деформации, раз ность магнитных проницаемостей, определяемая при помощи моста Виллари характеризует распределение деформации по ширине прокатываемого листа. Такое измерение можно осуще ствлять на выходе рольганга без соприкосновения с прокаты ваемым металлом, а получаемые сигналы использовать для управления положением вальцов.
На рис. 16.6 показан мост, четыре плеча которого включают полосу проката. Два плеча ориентированы в направлении про катки, других два — поперек направления прокатки. В схеме обеспечивается компенсация выходного сигнала при малых ко лебаниях ширины четырех воздушных зазоров.
Обычно после прокатки стальная полоса имеет большую маг нитную проницаемость поперек направления прокатки, чем вдоль этого направления. Поэтому выходной сигнал преобразователя, сконструированного по схеме симметричного дифференциаль ного трансформатора, будет отличаться от нуля даже при от сутствии приложенных к листу напряжений. Для компенсации влияния этой анизотропии в трансформаторе предусматривают дополнительную катушку смещения. Пропускаемый через нее ток сводит выходной сигнал преобразователя к нулю, когда равна нулю деформация листа.
16.8. ЭФФЕКТЫ ВЕРТХАЙМА
Если ферромагнитный стержень поместить в продольное магнитное поле и деформировать его скручиванием, то магне тоны, ориентированные в направлении оси стержня, изменят
Рис. 16.7. Эффект Вертхайма. При скручивании намагниченного стержня из
магнитострикционного вещества между двумя концами стержня генерируется
электрическое напряжение:
| — магнетон
ориентации, располагаясь винтообразно, и между двумя кон цами стержня возникнет переменное напряжение. Это явление, называемое эффектом Вертхайма, иллюстрируется на рис. 16.7.
Когда стержень оказывается в магнитном поле, направлен ном параллельно его оси, большее число магнетонов его доме нов ориентируется в осевом направлении, чем в любых других направлениях. При наличии деформации кручения ориентации некоторых магнетонов изменяются, и распределение их ориента ций вместо преимущественно осевого становится винтообразным.
Если на концы этого же стержня, помещенного в то же са мое магнитное поле, подано электрическое напряжение, то в нем возникает деформация кручения. Это явление называется обратным эффектом Вертхайма.
Оба описанных здесь эффекта являются результатом нало жения круговой намагниченности на линейную намагниченность, обусловленную продольным магнитным полем. При эффекте Вертхайма круговая намагниченность обеспечивается круговой составляющей винтообразной деформации, тогда как при обрат ном эффекте Вертхайма круговая намагниченность создается электрическим током, текущим под действием приложенного
кстержню напряжения.
16.9.ЭФФЕКТЫ ВИДЕМАННА
Эффекты Видеманна связаны с тем, что магнетоны ферро магнитного стержня, имеющие круговое распределение ориен-
Рис. 16.8. Обратный эффект Видеманна. При скручивании стержня из магнитострикционного вещества, по которому течет ток, его намагниченность изменяется:
| — магнетон
таций, меняют его на винтообразное в результате деформации кручения, приложенной к стержню.
При наличии деформации кручения ферромагнитный стер жень, по которому течет ток, приобретает осевую намагничен ность. Это намагничивание в осевом направлении называется обратным эффектом Видеманна. В катушке, окружающей такой стержень, при закручивании стержня будет генерироваться элек трическое напряжение (рис. 16.8).
Если в ферромагнитном стержне течет электрический ток, то большее число магнетонов его доменов ориентируется в на правлениях, касательных к окружностям, окружающим ось стержня, чем в любых других направлениях, что соответствует направлению магнитного поля Био — Савара, создаваемого электрическим током. При наличии деформации кручения оси некоторых из этих магнетонов отклоняются от указанного пре имущественного направления и распределяются вдоль винто образных линий.
Явление, обратное по отношению к вышеописанному, т. е. появление деформации кручения ферромагнитной проволоки с электрическим током при изменении внешнего осевого магнит ного поля, называется эффектом Видеманна.
Оба представленных эффекта связаны с наложением линей ной намагниченности на круговую намагниченность, вызванную продольным электрическим током. При обратном эффекте Ви деманна линейная намагниченность создается осевой составля ющей винтообразной деформации, тогда как при эффекте Ви деманна линейная намагниченность обусловлена изменением осевого магнитного поля.
Эффект Нагаоки — Хонды, иллюстрируемый на рис. 16.9, за ключается в том, что при любом изменении общего объема тела, изготовленного из ферромагнитного вещества, происходит изме нение намагниченности этого тела. Явление, обратное по отно шению к указанному, т. е. изменение объема под влиянием изме нения намагниченности, называется эффектом Барретта.
Индуктивность
Рис. 16.9. Эффект Нагаоки — Хонды. Намагниченность тела из магнито-
стрикционного вещества |
изменяется, |
если на тело действует гидростатиче |
|
ское давление |
Гидростатическое давление |
Некоторые ферриты с малой когезией, особенно сильно под верженные эффекту Барретта, могут быть доведены приложе нием магнитного поля до саморазрушения.
16.11. МАГНИТОСТРИКЦИОННАЯ АКУСТИКА
Магнитострикционные изменения размеров являются резуль татом изменения намагниченности. При быстром изменении на магниченности соответствующая механическая реакция порож дает звуковую волну.
Эффект Пейджа — это возникновение звукового щелчка при намагничивании или размагничивании ферромагнитных мате риалов. Исходящее от трансформаторов переменного тока жуж жание также отчасти объясняется колебаниями размеров их сердечников.
Фактически магнитострикция может привести к механиче скому резонансу, зависящему от соотношения между характе ристиками механической деформации материала и скорости зву ка в этом материале. Существенное влияние на работу практи ческих преобразователей могут оказать характеристики преобра зующего элемента и изменение скорости звука в зависимости от температуры.
16.12.МАГНИТОСТРИКЦИОННО-ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
Утел из магнитострикционных материалов размеры зависят от напряженности магнитного поля. У тел из пьезоэлектрических материалов электрическое напряжение зависит от размеров.
Рис. 16.10. Магнитострикционно-пьезо- электрический эффект. Если изменения размеров элемента из магнитострикционного вещества, обусловленные влия нием магнитнрго поля, воздействуют на
элемент из пьезоэлектрического вещест
ва, то пьезоэлектрическое напряжение
будет зависеть от напряженности маг нитного поля
электрическое ^ |
I |
^ |
вещество |
Проводник |
|
Если пластинки из магнитострикционного и пьезоэлектриче ского материала сложить в форме сандвича и обеспечить мак симально возможную механическую связь между ними, то на пьезоэлектрической пластинке будет генерироваться электриче ское напряжение, пропорциональное напряженности внешнего магнитного поля. Это явление назовем магнитострикционнопьезоэлектрическим эффектом (рис. 16.10). Миниатюрные дат чики, основанные на этом принципе, использовались в считыва ющих головках магнитофонов; они исключают необходимость соприкосновения при относительном движении носителя записи и считывающей головки.
16.13. ЭФФЕКТ МАГНИТОСТРИКЦИОННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ
Размеры ферромагнитного тела, уменьшенные под влиянием постоянного магнитного поля, несколько увеличиваются, если на тело воздействует переменное магнитное поле с частотой,
Рис. 16.11. Эффект магнитострикционного детектирования. Напряжение пьезо электрического элемента, возбужденного в результате изменения длины стержня
под влиянием прецессии магнетонов, зависит от интенсивности настроенного электромагнитного излучения
возбуждающей резонанс Лармора у магнетонов, входящих в состав данного материала. Это явление назовем эффектом магнитострикционного детектирования.
Как указано в § 8.17, намагничивание ферромагнитного ве щества под влиянием приложенного постоянного магнитного поля ослабляется при воздействии на него переменным магнит ным полем с ларморовской частотой. Поскольку магнитострикция является следствием намагничивания, изменения размеров, вызванные приложенным постоянным полем, уменьшаются под действием переменного поля с частотой Лармора. В устройстве, показанном на рис. 16.11, выходное напряжение пьезоэлектри ческого элемента определяется ларморовской активностью в ферритовом стержне. Если электромагнитная волна, распрост раняющаяся по волноводу, возбуждает прецессию Лармора, то присутствие такой волны можно обнаружить по пьезоэлектри ческому напряжению.
16.14. ЭФФЕКТ ГАРШЕЛИСА
Эффект Гаршелиса заключается в том, что намагниченность проволочной пружины, имеющей форму спиральной катушки, зависит от степени ее сжатия. Если намагниченность является результатом того, что в пружине течет постоянный ток, то эф фект Гаршелиса представляет собой разновидность обратного эффекта Видеманна. Если же имеется остаточная намагничен ность вдоль оси проволоки, то эффект Гаршелиса представляет собой разновидность эффекта Вертхайма. Как показано на рис. 46.12, намагниченность может также создаваться магнит ным полем, направленным вдоль оси пружины.
При любых условиях осевое сжатие или растяжение пружи-
Индуктивность
Рис. 16.12. Эффект Гаршелиса. Если пружина из магнитострикционного вещества находится
в магнитном поле с постоянной |
|
напряженностью, то при сжатии |
|
пружины изменяется ее намагни |
Индуктивность |
ченность |
