Магнитные характеристики ферромагнетиков

Ферромагнитные материалы относятся к веществам, которые под воздействием внешнего (намагничивающего) магнитного поля спо­собны намагничиваться. При этом они сами в окружающем про­странстве создают магнитное поле. Степень намагниченности опре­деляется вектором намагниченности М, который пропорционален вектору напряженности H поля, создаваемого ферромагнетиком. Ко­личественно намагниченность, А/м, определяется из выражения

 

 

 

где V — объем вещества; т — элементарный магнитный момент.

 

Степень намагниченности М различных материалов под воздей­ствием одного и того же намагничивающего поля напряженностью Я неодинакова. Она зависит от вида материала и его состояния (тем­пература, наличие структурных повреждений и т.д.). Для количест­венной оценки способности вещества намагничиваться в магнитном поле вводят безразмерную характеристику — магнитную восприим­чивость . Для изотропного вещества, свойства которого одинаковы во всех направлениях, связь между намагниченностью М и напря­женностью магнитного поля Н устанавливается соотношением

 

 

 

Напряженностью магнитного поля Н (векторная величина) назы­вается сила, с которой единичный полюс в данной точке простран­ства отталкивается или притягивается. Напряженность магнитного Поля равна силе, отнесенной к единичному полюсу, Н = F/т; в сис­теме СИ она измеряется в А/м. Поле, созданное в веществе, ориен­тирует его элементарные магниты, и в окружающем пространстве возникает магнитная индукция (влияние) В.

Магнитной индукцией называется силовая (векторная) характери­стика магнитного поля, складывающаяся из индукции внешнего намагничивающего поля и индукции поля, создаваемого ферро­магнетиком:

 

,

Где Гн/м – магнитная постоянная (магнитная проницаемость пустоты).

Магнитная индукция В является основной характеристикой маг­нитного поля, определяющей его величину и направление. В между­народной системе единиц СИ магнитная индукция измеряется в тес­лах (Тл). Являясь по определению плотностью магнитного потока, она описывается также уравнением

В = Ф/S,

где Ф — магнитный поток, измеряемый в веберах (Вб), проходящий через контур; S – площадь контура, м², в направлении, перпендикулярном Ф.

Приняв получим

 

.

 

Величина называется относительной магнитной проницаемостью, она является безразмерной физической величиной, характеризующей магнитные свойства ферромагнетиков. Чем больше проницаемость, тем меньше магнитное сопротивление R, которое обратно пропорционально магнитной проницаемости, т.е. R=1/ .

Величина , и R не являются константами и определяются по сложной зависимости. Так, магнитную проницаемость определяют по кривой, представленной на рис. 7.1 [2]. Различают начальную , максимальную и дифференциальную магнитную проницаемость:

 

 

 

Рис. 7.1. Зависимость магнитной проницаемости (I) и дифференциальной магнитной проницаемости (2) от напряженности поля Н

 

В зависимости от величины все вещества делят на три класса: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

У диамагнетиков << 0; У парамагнетиков > 0; у ферромагне­тиков >> 0 (10⁴ и более).

Ферромагнетики отличаются от парамагнетиков рядом свойств:

• кривая намагничивания, выражающая зависимость между H и
В, для парамагнетиков будет прямой, для ферромагнетиков из-за не­
постоянства она имеет сложный характер;

• магнитная восприимчивость ферромагнетиков при некоторой
температуре, называемой температурой Кюри (точкой Кюри), исче­
зает: ферромагнетик размагничивается и превращается в парамаг­
нетик;

• кривые намагничивания и перемагничивания ферромагнетика
не совпадают — происходит своеобразное отставание изменения ин­
дукции от изменений напряженности намагничивающего поля. Это
явление называют гистерезисом, а замкнутая кривая, изображающая
зависимость В от H при перемагничивании, называется петлей гис­
терезиса (рис. 7.2).

На зависимости В от H выделяют ряд характерных точек, имею­щих соответствующие названия.

Магнитной индукцией насыщения В_s называют индукцию, соответ­ствующую максимуму М. Дальнейшее увеличение В с ростом Н осу­ществляется только за счет роста R, так как В = (H+ М).

В зависимости от достигнутой величины индукции при перемаг­ничивании различают предельную и частную петли гистерезиса. Предельная петля соответствует намагничиванию материала до насыщения В_s.

Рис. 7.2. Петля магнитного гистерезиса:

0—1 — первоначальная кривая намагничивания из размагниченного состояния;

1—2 — нисходящая ветвь; 4—1 — восходящая ветвь;

1—2—3—4—1 — предельная петля гистерезиса

 

Все остальные петли называются частными гистерезисными циклами, получаемыми при меньших, чем H_мах, напряженностях поля.

Остаточной магнитной индукцией В_s называют индукцию, кото­рая остается в предварительно намагниченном до насыщения мате­риале после снятия магнитного поля.

Коэрцитивная сила Н_с (от латинского соеrcitio — удерживание) — напряженность магнитного поля, необходимая для полного размаг­ничивания предварительно намагниченного до насыщения ферро­магнетика (получения В= 0 по предельной петле гистерезиса). Маг­нитные свойства ферромагнетиков (в первую очередь сталей) опре­деляются их химическим составом. Так, введение никеля, марганца, углерода, азота и меди уменьшает начальную магнитную проницае­мость и повышает коэрцитивную силу Н_с. Одновременное введе­ние кремния, хрома, молибдена, ниобия, вольфрама и ванадия уве­личивает ц и уменьшает Н_с. Между начальной магнитной прони­цаемостью и коэрцитивной силой Н_с для сталей существует обратно пропорциональная зависимость. Так, для диапазона значе­ний Н_с = О, 2...5 кА/м и = 10...270 установлена зависимость ⁼ (0,17H_c.) ^-1 (см.: Богачева Н. Д. Расширение возможностей при­менения метода коэрцитивной силы // В мире неразрушающего кон­троля. - М., 2005 г. — № 2. - С. 8-10).

Свойства ферромагнетиков объясняются наличием в них рав­номерно расположенных самопроизвольно намагниченных до точки насыщения доменов (объемов), разделенных граничным переходным слоем (домен — от французского domiane — владе­ние, область, сфера). Размеры доменов колеблются в пределах (0,005...0,5)10^-3 м, толщина граничного слоя (0,25...0,35)10^-7 м. Векторы намагниченности каждого из доменов направлены вдоль так называемых направлений легкого намагничивания. Намагни­ченность соседних доменов направлена либо встречно, либо под углом 90°. Это связано с тем, что направлением легкого намагни­чивания ферромагнетика является ребро куба кристаллической ре­шетки {для железа) или пространственная диагональ куба (для ни­келя). Ввиду хаотичности направлений этих векторов при отсутст­вии внешнего магнитного поля общая намагниченность всего объема материала равна нулю.

При помещении ферромагнетика в магнитное поле границы ме­жду доменами начинают смещаться и векторы их намагниченности разворачиваются по направлению намагничивающего поля, в ре­зультате чего ферромагнетик намагничивается.

При изменении намагничивающего поля доменные границы смещаются скачками, так как для их смещения необходимо преодо­леть некоторый энергетический уровень. При этом, в соответствии с законом сохранения энергии, увеличивается энергия граничного слоя между доменами. Такие скачки можно увидеть при большом (10⁹) увеличении кривой намагниченности (см. рис. 7.2). Этот эффект открыт в 1919 г. немецким ученым Генрихом Баркгаузеном и носит его имя. Параметры скачков Баркгаузена (их число, форма и длительность, спектральное распределение) используют для контро­ля качества и свойств материалов. Этот метод применяют к тонким лентам и листам, так как при большой массе намагничиваемого ма­териала скачки сливаются в сплошной шум. Вместе с тем установле­но, что ЭДС магнитных шумов перемагничивания связана не только с массой намагничиваемого материала, но и с уровнем действующих в нем напряжений. Эта зависимость используется для контроля уровня остаточных и приложенных напряжений в деталях из ферро­магнитных материалов. Например, в магнитно-шумовом приборе ПИОН-01 регистрация ЭДС магнитных шумов перемагничивания осуществляется с помощью накладного преобразователя, последо­вательно размещаемого вдоль направлений действия главных на­пряжений. Прибор успешно применяется не только при контро­ле напряженно-деформированного состояния, но и ударной вязко­сти КСU металла стальных подземных газопроводов (см., например, РД 12-411-01).

В области, приближающейся к В₅, процессы смещения границ между доменами и вращения векторов их намагниченности заканчи­ваются, и дальнейшее незначительное увеличение В₅ происходит за счет поворота магнитных моментов атомов под действием магнитно­го поля.

В качестве первичных информативных параметров при магнит­ном неразрушающем контроле чаще всего используют В_s, В_r и Н_с.

Магнитные преобразователи

В подавляющем большинстве случаев при магнитном контроле приходится иметь дело с измерением или индикацией магнитных полей вблизи поверхности изделий. Для этого применяют различные магнитные преобразователи [2], из которых наиболее широкое рас­пространение получили индукционные, феррозондовые, холловские и магниторезисторные. В магнитолорошковых и магнитографиче­ских установках применяют различные порошки и ленты.

Индукционные преобразователи. Принцип действия индукцион­ного преобразователя основан на возникновении ЭДС, наведенной в замкнутом контуре, пропорциональной изменению во времени сцеп­ления этого контура с магнитным потоком (магнитный поток равен произведению напряженности поля Н на площадь поверхности, перпендикулярной вектору Н. Величина Н в пределах площади S мо­жет быть как постоянной (однородной), так и переменной). Про­стейший пассивный индукционный преобразователь представляет собой катушку (контур) с числом витков № w. При помещении катушки в переменное магнитное поле на ее концах возникает мгновенная электродвижущая сила, определяемая по формуле

 

Где - изменение сцепления магнитного потока за малый промежуток времени dt.

Полный магнитный поток, проходящий через катушку:

Где S – площадь катушки; - угол между осью катушки и вектором магнитной индукции B.

Отсюда

Из последней формулы следует, что для повышения чувствитель­ности измерения можно увеличить число витков или площадь ка­тушки. Однако размеры катушки должны быть достаточно малы чтобы магнитное поле в ней можно было считать однородным и не утратить точность измерений. Поэтому такие катушки наматывают тонким проводом в один слой, чтобы можно было пренебречь тол­щиной намотки по сравнению с диаметром катушки. В слабых полях для увеличения ЭДС внутри катушки помещают ферромагнитный сердечник для увеличения магнитной индукции В.

Вместе с тем при отсутствии градиента напряженности магнит­ного поля (при dН/dt = 0), т. е. для постоянных и однородных полей, пассивные индукционные преобразователи не могут быть использо­ваны.

Феррозонды. В отличие от пассивных индукционных преобразова­телей феррозондовые преобразователи (феррозонды) являются уст­ройствами активного типа. Происходящие в них процессы всегда свя­заны с воздействием двух полей - внешнего измеряемого поля и до­полнительного вспомогательного поля возбуждения, образуемого за счет тока, протекающего в одной из обмоток. Простейший феррозонд состоит из сердечника с двумя обмотками - возбуждения и индика­торной. Схема такого феррозонда аналогична схеме накладного транс­форматорного вихретокового преобразователя (см. рис. 8.1). С помо­щью первой обмотки создается поле возбуждения H_и(t), в сердечнике возникает индукция В(t), которая индуцирует магнитную ЭДС:

 

Где w_и – число витков измерительной обмотки; S – площадь сердечника.

 

Выбором размеров сердечника и максимальной напряженности поля возбуждения добиваются необходимой чувствительности либо необходимого диапазона измеряемых полей. При импульсном воз­буждении возбуждение и индикацию можно осуществить одной об­моткой.

Существуют феррозонды различных типов и модификаций, от­личающиеся количеством и расположением обмоток и конструкцией сердечника.

Магнитодоменные преобразователи. Действие магнитодоменных преобразователей основано на магнитооптическом эффекте Фарадея. Преобразователь представляет собой однородную магнитную среду определенной толщины, в которой существуют доменно-одно-родные области, обладающие одинаковой намагниченностью. В ка­честве такой среды применяют феррит-гранатовую пленку с зеркаль­ной подложкой. Информативным параметром магнитоломенного преобразователя является видимое изображение доменной структуры на пленке.

В исходном размагниченном состоянии домены на пленке рас­полагаются хаотично. При размещении пленки на поверхности кон­тролируемого изделия из ферромагнитного материала домены пере­мещаются в плоскости пленки в зависимости от магнитного поля рассеяния, создаваемого дефектами. Топография доменной структу­ры пленки визуализируется с помощью оптической установки под увеличением при подсветке пленки плоскополяризованным светом.

В настоящее время магнитодоменные преобразователи находят пока ограниченное применение.

Датчики Холла. Датчики Холла, которые иногда называют преоб­разователями или генераторами Холла, работают по принципу воз­никновения ЭДС в результате искривления пути носителей тока в металлах и полупроводниках. В 1879 г. американский физик Эдвин Г. Холл обнаружил, что в плоском проводнике, по которому в про­дольном направлении идет электрический ток, помещенном в маг­нитное поле, направление индукции которого перпендикулярно плоскости проводника, возникает разность потенциалов на его узких сторонах в точках Л и В (рис. 7.3). Эффект Холла объясняется дейст­вием силы Лоренца, возникающей при движении заряда в магнит­ном поле и направленной перпендикулярно векторам движения за­ряда и индукции магнитного поля.

Напряжение между точками А и В (на выходе датчика на рис. 7.1) определяют по формуле

 

 

Где R_н – постоянная материала, известная как постоянная Холла, Ом м/Тл; I_x – управляющий ток, А; B_z – магнитная индукция, Тл; h – толщина пластины датчика, м.

Рис. 7.3. Схема работы датчика Холла

 

Для изготовления датчиков Холла применяют обычно полупро­водники, где величина R_н имеет максимальную величину. Отечест­венная промышленность серийно выпускает кремниевые, германие­вые и арсенид-галлиевые преобразователи Холла. Конструктивно датчики Холла представляют собой пластины прямоугольной или крестообразной формы. Толщина пластин около 0,2 мм, размеры ак­тивной части от 1,8 6 до 6 3 мм. Пластины помещают в защитную оболочку из слюды, при этом их габаритные размеры увеличиваются примерно вдвое.

Магниторезисторы. В магниторезисторах используется эффект изменения сопротивления проводника или полупроводника с элек­трическим током при действии на них магнитного поля соответст­вующей напряженности. Таким эффектом обладает ряд материалов: антимонид и арсенид индия и галлия (InSb, InAs, GаSb, GaAs), гер­маний (Gе), висмут (Вi, теллур (Те), селенид ртути (НgSе) и др. Чув­ствительность по напряжению магниторезисторов к слабым магнит­ным полям меньше, чем у датчиков Холла, поэтому их чаще исполь­зуют при измерении сильных магнитных полей с индукцией свыше 0,2 Тл.

Магнитные порошки. Магнитные порошки используют для визуа­лизации магнитных полей рассеяния на поверхности контролируе­мого объекта в зоне дефектов. На частицу ферромагнитного порош­ка, помещенного в такое поле, будет действовать сила, удерживаю­щая его в зоне дефекта. Эта сила прямо пропорциональна градиенту напряженности dH/dx магнитного поля рассеяния:

 

где - магнитная восприимчивость материала порошка; V — объем частицы порошка.

Во внешнем намагничивающем поле частицы порошка сущест­вуют не изолированно, а коагулируются и образуют цепочки, что со­ответственно увеличивает удерживающую силу F. Длина цепочки определяется рядом факторов: вязкостью порошка и размером его частиц, напряженностью магнитного поля, шероховатостью поверх­ности объекта контроля и др.

Магнитные порошки, используемые в магнитопорошковой де­фектоскопии, могут быть как сухие, так и мокрые, работающие в водной среде, среде керосина или масла с минимальной вязкостью. Для повышения подвижности частиц порошка и чувствительно­сти магнитопорошкового метода применяют магнитные суспен­зии, представляющие собой взвесь тонкоизмельченного порошка (0,1...60 мкм) в жидкой среде.

Магнитные порошки подразделяются на виды в зависимости от их назначения и технологии изготовления. Наибольшее распростра­нение нашли черный порошок измельченной окись-закиси железа (Fе₃О₄) и буровато-красный порошок гамма-окиси железа ( -Fе₂О₃), обладающий большим цветовым контрастом на поверхности объекта контроля.

Для повышения цветового контраста в магнитный порошок до­бавляют или люминофор (контроль в этом случае производится при ультрафиолетовом излучении) или светлую алюминиевую пудру (при контроле объектов с темной поверхностью).

Магнитные ленты. Магнитные ленты применяют в магнитогра­фической дефектоскопии. Ленты бывают одно- и многослойными. Чаще применяют двухслойные ленты, состоящие из несущей немаг­нитной основы (лавсан, ацетилцеллюлоза и др.) и магнитоактивного слоя в виде порошков окиси железа, взвешенного в лаке, обеспечи­вающего хорошую адгезию с основой.

Магнитные ленты выпускают шириной 50 и 75 мм и применяют при контроле стыковых сварных соединений. Воспроизведение за­писанных на ленте магнитных полей рассеяния осуществляют с по­мощью магнитографических дефектоскопов. С помощью блока счи­тывания дефектоскопа, состоящего из двух магнитных головок (типа магнитофонных), записанная на ленте информация преобразуется в электрические сигналы, которые поступают в электронный блок для усиления и селекции. Визуализация записи производится с помо­щью электронно-лучевой трубки, на экране которой получается ви­димое (телевизионное) изображение дефекта.

 

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: