книги / Справочное пособие по магнитным явлениям
..pdfнеобходимо обеспечить максимальную коэрцитивную силу веще ства, то магнит нужно помещать в магнитное поле, совпадающее по направлению с полем, которое будет в нем при нормальных условиях эксплуатации устройства. Применение магнитомягкого вещества в сочетании с магнитожестким позволяет изготовлять магниты довольно сложной формы, в которых, однако, тонкая шлифовальная обработка требуется только для плоских поверх ностей магнитожесткого материала. Во-вторых, магнитожесткие вещества обычно бывают недостаточно однородны. Если такой материал непосредственно примыкает к воздушному зазору, то плотность магнитного потока в зазоре не будет распределена равномерно. В то же время магнитомягкие материалы характе ризуются большей однородностью. Их можно использовать для «сглаживания» магнитного потока в воздушном зазоре, чтобы обеспечивалась максимально возможная равномерность плот ности потока.
Постоянный магнит имеет определенную рабочую точку. Эта точка, обозначенная на рис. 19.1 буквой Р, характеризует вы нуждающую силу Я, требуемую для создания магнитного потока с определенной плотностью В при наличии заданной размагничи вающей силы. Если постоянный магнит используется для созда ния магнитного поля в воздушном зазоре, то основная размагни чивающая сила в этой цепи определяется длиной воздушного зазора. Поскольку величина Я отнесена к единице длины магни та, действительная длина магнита, требуемая для данной магнит ной цепи, будет пропорциональна длине воздушного зазора. Кроме того, весь магнитный поток, проходящий через зазор, и магнитный поток «утечки» вокруг зазора должны обеспечи ваться магнитной индукцией В, соответствующей данной рабочей точке Р. Величина В также имеет характер удельной величины — она отнесена к единице площади поперечного сечения магнита. Действительная требуемая площадь поперечного сечения магни та определяется площадью воздушного зазора и дополнительной площадью, учитывающей магнитный поток утечки.
При конструировании постоянной магнитной цепи с оптималь ной рабочей точкой принимают во внимание два требования. Во-первых, точка Р выбирается так, чтобы сводился к минимуму объем используемого магнитожесткого материала. Для любой другой рабочей точки элемент из магнитожесткого материала будет иметь либо большую длину, либо большую площадь поперечного сечения, чем для оптимальной точки. Длина и пло щадь поперечного сечения определяют энергетическое произ ведение ВХ Я. В данном случае чем больше это произведение, тем меньше требуемое количество магнитожесткого материала. Петли гистерезиса у разных материалов характеризуются разными значениями максимального энергетического произведения В х Я . Для сплава алнико V оно равно 5 М ГсЭ=39,8 кТл-А/м, для
зю
самария 15 МГсЭ = 119,4 кТл*А/м, и для некоторых эксперимен тальных материалов оно достигает 30 МГсЭ=238,8 кТл-А/м.
Во-вторых, выбор точки Р должен обеспечивать максималь ную стабильность характеристик устройства. Как указано выше, эта точка находится на одной из вспомогательных петель гисте резиса. Если выбранная точка Р будет расположена вблизи основной петли, то внешние размагничивающие силы могут сместить ее вниз по основной петле, где она перейдет на другую вспомогательную петлю, не способную обеспечить требуемую плотность магнитного потока в воздушном зазоре. Поэтому точку Р нужно выбирать в таком месте, чтобы ее расстояние от основной петли было больше, чем ее возможное смещение под влиянием любой внешней размагничивающей силы, которая может воздействовать на магнит после его первоначальной настройки.
Элементам магнита из магнитожесткого материала нередко придают коническую форму, с тем чтобы площадь их поперечного сечения уменьшалась по мере приближения к воздушному зазо ру. Как показано на рис. 19.2, с удалением от воздушного зазора увеличивается магнитный поток утечки. Поскольку под держание этого потока (наряду с потоком в воздушном зазоре) обеспечивается магнитным материалом, количество последнего должно увеличиваться по мере удаления от зазора.
Если у поверхности тела из магнитожесткого материала сосредоточено некоторое магнитное поле, то в этом месте магне тоны элементарного объема тела изменяют свою ориентацию, упорядочивая ее в направлении локального поля, и перестают вносить вклад в общее поле, создаваемое магнитом. Но рабочая точка определяется в результате суммарного действия всех
Рис. 19.2. Пути магнитных силовых линий утечки у воздушного зазора. Воздушный зазор магнита всегда окружен нежелательными путями магнитных силовых линий утечки, которые имеют характерную форму. Через эти пути должен проходить соответствующий магнитный поток, если требуется поддерживать за данную плотность потока в зазоре
элементарных объемов, которое изменяется при изменении вкла да любого из них.
Даже простое соприкосновение с поверхностью магнитожест кого материала тела из ферромагнитного вещества любого типа, магнитожесткого или магнитомягкого, может оказаться доста точным для смещения рабочей точки из требуемого положения. Более того, этот вид размагничивания не оказывает влияния на процесс стабилизации магнита. Для того чтобы предотвратить локальную концентрацию размагничивающих полей, магнито жесткие элементы магнитной цепи обычно покрывают достаточно толстой оболочкой из немагнитного вещества, не допускающей приближения вплотную к его поверхности ферромагнитных тел, которые могут вызвать нарушение такого типа.
19.4. ВОЗДУШНЫЕ ЗАЗОРЫ
Воздушные зазоры в.постоянных магнитных цепях порождают размагничивающие силы. Их конфигурация более сложна, чем может показаться на первый взгляд. Дело в том, что параллель ные магнитные силовые линии противодействуют одна другой, и при наличии соответствующих условий они «выпячиваются» за пределы воздушного зазора, принимая пространственную форму, характерную для воздушного зазора каждого конкретного типа.
На рис. 19.2 магнитное поле утечки представлено в виде нескольких путей магнитных силовых линий упрощенной формы. Хотя они не совпадают с действительными путями, при выборе достаточно большого числа таких путей их совокупность дает удовлетворительную оценку магнитного потока утечки по отноше нию к потоку в воздушном зазоре. Очевидно, задача здесь сводится к интегрированию. Чем больше выбранное для расчета число путей магнитных силовых линий (с соответственно мень шей площадью поперечного сечения), тем точнее будет результат расчета. Однако в общем случае предельно высокой точности этих вычислений не требуется, так как небольшие погрешности могут быть легко скомпенсированы за счет надлежащего выбора рабочей точки.
Общий магнитный поток в магнитной цепи (соответствующий величине В для данной рабочей точки Р) равен сумме магнит ного потока в воздушном зазоре и магнитных потоков для каждого составляющего пути магнитных силовых линий утечки. Поток для каждого такого пути пропорционален площади его поперечного сечения и обратно пропорционален его длине. По этому для определения потока утечки нужно измерить длину каждого составляющего пути на графическом изображении поля (аналогичном рис. 19.2) и вычислить его площадь поперечного сечения, исходя из известной ширины и формы воздушного зазо ра в проекции на поперечную плоскость. Если в этой проекции
312
зазор имеет круглую форму, то поперечное сечение каждого составляющего пути магнитных силовых линий представляет собой кольцо.
19.5. МАГНИТНЫЙ ПОТОКОВОД
Конструкция магнитного шунта характеризуется тем, что воздушный зазор окружен экраном из ферромагнитного материа ла и все элементарные объемы магнита имеют одинаковую намагниченность; в результате этого магнитное поле внутри экрана будет равномерным.
Из-за наличия магнитного потока утечки, который обычно концентрируется у краев полюсных наконечников, магнитные потоководы должны иметь переменное поперечное сечение, как показано на рис. 19.3.
Рис. 19.3. Магнитный потоковод. Для того чтобы поддерживалось равномер ное магнитное поле в воздушном зазо ре, длина которого намного больше диаметра, нужно при помощи магнит ного потоковода обеспечить экраниро вание путей магнитных силовых линий утечки
19.6. ПРЯМОУГОЛЬНЫЕ ПЕТЛИ ГИСТЕРЕЗИСА
Прямоугольная петля гистерезиса характеризуется тем, что изменение наклона основной петли гистерезиса и переход от малых к большим плотностям потока происходят при относительно небольшом изменении намагничивающей силы. В результате того что изменения наклона петли (а следовательно, и изменения магнитной проницаемости) сосредоточены в окрестности «колена» прямоугольной петли, очень малые изменения намагничивающей силы проявляются как довольно большие изменения магнитной проницаемости.
Степень прямоугольности петли гистерезиса определяется как отношение разности плотностей потока для двух значений оста точной намагниченности к разности плотностей потока для двух соответствующих точек насыщения. На рис. 4.2, 19.1 и 19.5
показаны петли гистерезиса, имеющие разные степени прямоугольности.
19.7. МАГНИТНЫЕ СЕРДЕЧНИКИ КАК ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
Благодаря симметрии петли гистерезиса магнитная цепь может функционировать с одинаковыми результатами, описывая петлю в любом из двух противоположных направлений. Принцип работы такой цепи используют при создании устройств для хранения чисел в памяти цифровых вычислительных машин.
Работа всех цифровых вычислительных машин базируется на двоичной системе исчисления, в которой используются лишь две цифры — единица и нуль. Эти два символа могут быть представлены двумя различающимися физическими состояниями любого типа — механическими, электрическими или магнитными. В частности, для хранения единиц и нулей в памяти вычисли тельной машины можно использовать малые тороидальные (в форме бублика) магнитные сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса и достаточно большой коэрцитивной силой, противодействующей внешним размагничивающим силам.
На рис. 19.4 иллюстрируется простая конструкция, в которой через такой сердечник проходят три проволоки. Одна из них предназначена для того, чтобы задавать сердечнику состояния «нуль» или «единица» путем намагничивания его в одном или другом направлении (по часовой стрелке или против часовой стрелки). Это осуществляется при помощи импульса тока воз буждения, подаваемого на эту «шину записи». Импульс имеет
Рис. 19.4. Запоминающий магнитный сердечник. В сердечнике можно уста навливать магнитный поток в одном из двух противоположных направлений, которым приписываются значения 0 и 1 в соответствии с двоичной логикой
Рис. 19.5. Прямоугольная петля гисте резиса запоминающего магнитного сердечника. Направление намагничен ности сердечника можно определить при помощи импульса с постоянной амплитудой, который слегка намагни чивает или размагничивает сердечник, находящийся в заданном состоянии намагниченности
полярность, определяющую требуемое направление намагничива ния сердечника, и амплитуду, достаточную для получения состоя ния насыщения сердечника. Вторая проволока предназначена для передачи запроса о состоянии, в котором находится сердеч ник, а третья проволока — для передачи сигнала, несущего ответ на этот запрос.
Если тороидальный сердечник доведен до состояния насыще ния, после чего намагничивающая сила устранена, то магнитный поток в сердечнике принимает такое значение на основной петле гистерезиса, для которого намагничивающая сила равна нулю. На рис. 4.2 эта точка соответствует остаточной намагни ченности вещества, из которого изготовлен сердечник. Со стояние вещества, определяемое остаточной намагниченностью, можно использовать в качестве рабочей точки для тороидального магнита, поскольку он не подвержен действию собственных размагничивающих сил (не имеет воздушного зазора). В при менении к образцу вещества такое состояние называется основ ным состоянием остаточной намагниченности. Когда образец смещен с основной петли гистерезиса и работает на вспомогатель ной петле, точка пересечения этой петли с осью намагничивающей силы называется вспомогательным состоянием остаточной на
магниченности.
В случае тороидального сердечника с прямоугольной петлей
гистерезиса (такой, |
как на |
рис. 19.5) рабочая точка попадает |
на вспомогательную |
петлю |
гистерезиса, для которой основное |
и вспомогательное состояния остаточной намагниченности очень близки. При этом запоминаемая цифра будет представлена любым состоянием остаточной намагниченности, находящимся в окрестности основного состояния. На рис. 19.5 соответствую щие точки обозначены словами «Запись 1» и «Запись О».
Импульс электрического тока, посылаемый по «шине запроса» (импульс запроса на рис. 19.5), воспринимается сердечником как намагничивающая или как размагничивающая сила. В пер вом случае сердечник доводится до состояния насыщения и после прохождения намагничивающего импульса возвращается к ос новному состоянию остаточной намагниченности по основной петле гистерезиса. Во втором случае сердечник перемещается вниз по основной петле гистерезиса и затем возвращается на вспомогательную петлю, достигая вспомогательного состояния остаточной намагниченности, которое характеризуется несколько меньшей плотностью магнитного потока, чем основное состояние остаточной намагниченности. В каждом из этих случаев магнит ный поток в сердечнике претерпевает изменение в форме импуль са, аналогичного импульсу тока запроса. В результате этого в «шине ответа» генерируется импульс напряжения с амплиту дой, пропорциональной амплитуде импульса магнитного потока.
Если материал, из которого изготовлен тороидальный сер
дечник, имеет прямоугольную петлю гистерезиса, то импульс намагничивания вызывает намного меньшее изменение плотности магнитного потока, чем импульс размагничивания. Импульс напряжения, обусловленный меньшим из этих двух импульсов потока, можно выделить и исключить из дальнейшего рассмотре ния. Тогда направление намагниченности будет определяться наличием или отсутствием импульса ответа после передачи импульса запроса. Побудительным мотивом применения в за поминающих устройствах сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса является то, что такая петля обеспечивает макси мальную разность амплитуд двух возможных импульсов ответа при передаче импульса запроса, а также близость основного
ивспомогательного состояний остаточной намагниченности.
Взапоминающих устройствах на магнитных сердечниках импульс запроса имеет такую же общую форму, как и импульс переключения, или записи. Однако поскольку импульс запроса не должен переключать устройство, его амплитуда должна быть ниже уровня, достаточного для переключения. В то же время чем больше изменение потока, вызванное импульсом запроса, тем сильнее генерируемый ответный сигнал. Таким образом, импульс запроса должен вызывать максимально возможное изменение магнитного потока без переключения устройства.
Переключающий поток — это максимальное изменение потока
вустройстве, не приводящее к его переключению, т. е. переходу
вдругое состояние.
Запоминающий магнитный сердечник является элементом импульсной цепи. Поэтому его реакция на сигналы импульсного типа имеет существенное значение для общих характеристик такой цепи. Быстрота, с которой сердечник может отреагировать на импульсный сигнал, определяется несколькими факторами. Один из них — это вихревые токи, вызывающие задержку реакции, хотя их можно исключить, используя ферритовые ма териалы. Однако имеются два других фактора, порождающих задержку, причем они тесно связаны с собственными магнитными свойствами, присущими ферромагнитным веществам.
При малых и средних плотностях магнитного потока измене ния намагниченности осуществляются главным образом за счет перемещения стенок доменов. При больших плотностях магнит ного потока замедляющим фактором является необходимость полной переориентации векторов магнетонов. Передний фронт импульса переключения сначала вызывает перемещение стенок доменов, а затем стремится полностью перевернуть оси магнето нов. После того как магнетоны доменов опрокинутся, стенки доменов переместятся обратно к исходному положению, но уже с опрокинутыми магнетонами. В этом двухэтапном процессе на движение стенок доменов затрачивается намного меньше време ни, чем на опрокидывание магнетонов.
Перемещение стенок доменов связано лишь с незначительным изменением направления магнетонов, тогда как опрокидывание последних изменяет угол их ориентации на 180° Импульс напряжения в «шине ответа», вызванный прямоугольным им пульсом, поданным на «шину записи», начинается остроконечным выбросом, характеризующим быстрое смещение стенок доменов. Затем следует более пологое возрастание сигнала, отражающее процесс опрокидывания магнетонов. Устройство такого типа не может переключаться быстрее, чем допускает задержка, обуслов ленная опрокидыванием магнетонов. Динамическим перемагничиванием называют явление перемагничивания, в котором время переключения состояний магнитной цепи ограничено задержкой, связанной с поворотом магнетонов.
Амплитуда импульса магнитного потока — это ключевой фактор, в конечном итоге определяющий амплитуду импульса напряжения запоминающего устройства на магнитном сердечни ке. Изменение плотности магнитного потока, вызванное уменьше нием до нуля намагничивающей силы, называется обратным
потоком.
19.8. МАГНИТОМЕТР С ПЕРЕМЕННОЙ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ
В случае, когда ферромагнитное вещество имеет прямоуголь ную петлю гистерезиса, при помощи даже очень небольшого изменения намагничивающей силы в области «колена» петли гистерезиса можно получить относительно большое изменение магнитной проницаемости. С помощью магнитодвижущей силы смещения можно расположить рабочую точку в таком месте, где малые приращения намагничивающей силы дают максимальное изменение магнитной проницаемости. В магнитометрах с пере менной магнитной проницаемостью приращение намагничиваю щей силы создается внешним магнитным полем, в которое помещен этот прибор.
Рассмотрим стержень из материала с прямоугольной петлей гистерезиса, на который воздействует внешнее переменное маг нитное поле. На рис. 19.6 показан такой стержень (светлая деталь), на который подается магнитный поток через ярмо, изготовленное из другого магнитного материала (затемненная деталь). Здесь характеристики магнитной цепи определяются почти исключительно свойствами стержня. На рис. 19.7 приведе на диаграмма гистерезиса для такой системы в виде вспомога тельной петли гистерезиса (на рисунке она затемнена), которая реализуется под влиянием переменного магнитного поля в опре деленных пределах вокруг рабочей точки Р, задаваемой полем
смещения. Выбор |
вспомогательной петли гистерезиса зависит |
от предыстории |
насыщения — размагничивания материала |
стержня. |
|
Рис. 19.6. Магнитометр с переменной магнитной проницаемостью. Малые изме нения напряженности внешнего поля могут привести к значительным изменениям магнитной проницаемости вещества с прямоугольной петлей гистерезиса, если в результате заданного смещения рабочая точка находится у изгиба петли. Индуктивность катушки, связанной с чувствительным элементом общей магнитной цепью, изменяется аналогично магнитной проницаемости
Рис. 19.7. В рабочей области прямоугольной петли гистерезиса малые изменения намагничивающей силы приводят к значительным изменениям магнитной про ницаемости:
/ — магнитная проницаемость при большой плотности потока; 2 — магнитная проницае мость при малой плотности потока
Индуктивность катушки возбуждения схемы на рис. 19.6 определяется магнитной проницаемостью возврата, соответст вующей рабочей точке Р. Если к полю смещения добавляется малое приращение намагничивающей силы, то рабочая точка несколько смещается, вследствие чего изменяется магнитная проницаемость возврата и аналогичным образом изменяется индуктивность катушки возбуждения. В окрестности «колена» прямоугольной петли гистерезиса приращение, добавляемое к полю смещения, определяется максимальным изменением ин дуктивности катушки.
Как сказано в гл. 12, изменение индуктивности катушки можно определить по сдвигу частоты настроенного осциллятора типа Ь/С. Индуктивность катушки схемы на рис. 19.6 можно использовать в качестве параметра Ь такого настроенного осцил лятора. Магнитометр с переменной магнитной проницаемостью пригоден для измерения как абсолютной величины, так и направ ления напряженности любого магнитного поля, в которое он помещен, при этом значение и направление сдвига частоты указывают абсолютную напряженность и направление магнит ного поля соответственно.
Внешнее магнитное поле, в которое помещают прибор, харак теризуется вектором, имеющим как абсолютную величину, так и направление. Поскольку поле смещения направлено вдоль оси ферромагнитного стержня, оно также описывается вектором, причем этот вектор направлен по оси стержня. Если магнитометр вращается во внешнем поле, сдвиг частоты осциллятора дважды достигает максимального значения — когда векторы внешнего поля и поля смещения суммируются и когда вектор внешнего поля вычитается из вектора поля смещения. Один из этих экстремумов соответствует максимальной частоте осциллятора, другой — минимальной частоте.
Магнитное поле смещения, имеющее заданное направление и обеспечивающее выбор нужного расположения вспомогатель ной петли гистерезиса внутри основной петли, можно получить при помощи дополнительного постоянного магнита, катушки индуктивности с постоянным током или же за счет остаточного магнетизма самого ферромагнитного стержня.
19.9. СХЕМА БУКЕ
Магнитная проницаемость тела зависит от напряженности внешнего магнитного поля, в которое это тело помещено. По этому измеренная магнитная проницаемость может служить показателем напряженности поля.
Индуктивность катушки, в свою очередь, зависит от магнит ной проницаемости материала сердечника катушки. Поскольку индуктивность катушки изменяется в зависимости от мг гнитной проницаемости, а магнитная проницаемость изменяется в зави симости от напряженности поля, в качестве показателя напря женности поля можно использовать индуктивность катушки. Хотя зависимость между напряженностью поля и индуктив ностью является нелинейной, она вполне воспроизводима и под дается калибровке.
В схеме Буке используется тороидальная катушка с сер дечником в виде плоского кольца, изготовленного из спрессован-
Магншпное
Рис. 19.8. Схема Буке. После соответствующей калибровки намагниченность любого вещест ва в любом направлении можно определять по импедансу катуш ки, намотанной вокруг части тела из этого вещества