книги / Справочное пособие по магнитным явлениям

ного тонкого ферромагнитного порошка (рис. 19.8). На основе этой схемы можно сконструировать устройство с электростати­ ческим экранированием, имеющее диаметр 6, толщину 1 мм и индуктивность несколько микрогенри. При помощи такого устройства наблюдались колебания магнитного поля с относи­ тельным значением 0,01% в области напряженностей от 300 до 2000 Э (от 2,4-104 до 1,6-105 А/м).

19.10. ПРОВОЛОЧНЫЙ ДАТЧИК

Если основная петля гистерезиса ферромагнитного вещества реализуется под действием источника синусоидально изменяю­ щейся энергии, то время перемагничивания отражается на фазе колебаний. При одновременном воздействии на тело из ферро­ магнитного вещества переменного магнитного поля и постоянного внешнего магнитного поля время перемагничивания изменяется, что приводит к сдвигу по фазе. Для того чтобы этот фазовый сдвиг сводился к нулю за счет влияния некоторого третьего постоянного приложенного поля, последнее должно быть равно по абсолютной величине и противоположно по направлению внешнему полю, в которое помещено тело.

На рис. 19.9 представлена схема проволочного датчика,

возбуждения, вторая катушка служит для определения момента перемагничивания проволоки, и третья, питаемая постоянном током, обеспечивает сведение к нулю сдвига по фазе. Ток

Рис. 19.9. Проволочный датчик. Ток, обеспечивающий компенсацию фазового сдвига, можно прокалибровать в значениях напряженности внешнего магнитного поля

Вторая катушка называется управляющей. Текущий в ней постоянный ток можно использовать для выбора положения вспомогательной петли гистерезиса, реализуемой переменным током катушки нагрузки. Изменение управляющего тока приво­ дит к изменению индуктивности катушки нагрузки. Последнее изменение, в свою очередь, вызывает изменение тока нагрузки, текущего через резистивное сопротивление. Так осуществляется процесс усиления, в результате которого относительно малые изменения управляющей энергии вызывают значительно большие изменения энергии нагрузки.

Те же самые принципы положены в основу конструкции магнитного модулятора. Если на магнитный сердечник подано соответствующее поле смещения, причем к току смещения добав­ ляется переменный управляющий ток с низкой частотой, то этот управляющий ток будет модулировать высокочастотный переменный ток нагрузки. Магнитный модулятор иногда назы­ вают магнетором.

Оптимальные характеристики магнитного усилителя дости­ гаются при условии, что его ферромагнитный сердечник удовлет­ воряет следующим требованиям.

1. Петля гистерезиса должна иметь прямоугольную форму.

2. Разностная магнитная проницаемость должна иметь мак­ симально возможное значение, которое остается более или менее постоянным при возрастании напряженности поля до области насыщения. Вблизи состояния насыщения разностная магнитная проницаемость при дальнейшем возрастании напря­ женности поля должна круто спадать до нуля.

3. Для того чтобы сводились к минимуму вихревые токи и гистерезисные потери, удельное сопротивление должно быть велико, а коэрцитивная сила мала.

4.Для минимизации размеров прибора плотность потока насыщения должна быть максимально возможной.

5.Магнитные х арактеристики должны быть устойчивыми при изменяющихся температурных условиях и условиях механической деформации.

Иллюстрация на рис. 19.10 свидетельствует о сходстве между конструкциями магнитного усилителя и магнитометров (как магнитометра с переменной магнитной проницаемостью, так и магнитометра типа феррозонда). Однако магнитометры воспри­ нимают однонаправленное внешнее поле, тогда как усилитель создает свое собственное внутреннее поле. Поэтому реакция магнитометра определяется лишь одним его линейным элементом, который питается от ярма, не восприимчивого к внешним воздей­ ствиям, а в магнитном усилителе в одинаковой мере используют­ ся все элементы, включая и ярмо. Конструкция, показанная на рис. 19.11, фактически нежелательна для магнитного усилите­ ля, так как она слишком чувствительна к внешним полям.

щения нулевого уровня выходного сигнала и может привести к нарушению линейности реакции прибора.

19.13.МАГНИТНЫЕ ПУЗЫРЬКИ

Вочень тонком слое некоторых кристаллических веществ при воздействии на них внешнего магнитного поля с напряжен­ ностью, лежащей в определенной ограниченной области, обра­ зуются цилиндрические домены. Составляющие магнетоны этих цилиндрических доменов ориентированы вдоль нормали к по­ верхности слоя и противоположно направлению поля в окружа­ ющей среде. При наблюдении слоя извне цилиндрические домены выглядят как маленькие кружки, поэтому их называют магнит­ ными пузырьками (рис. 19.13).

Множественные домены формируются в ферромагнитных кристаллах, образуя структуру с минимальной энергией. Общая минимизируемая энергия включает следующие составляющие: кристаллографическую энергию (обусловленную тенденцией маг­ нетонов ориентироваться в направлении осей кристалла), энер­ гию стенок доменов и энергию, требуемую для поддержания внешнего магнитного поля. У некоторых очень малых по разме­ рам кристаллов энергия внешнего поля относительно невелика, тогда как энергия стенок доменов довольно значительна. При та­ ких условиях отдельный кристалл способен существовать как один домен.

Некоторые тонкие пленки при наличии масштабных и размер­ ных ограничений способны поддерживать стенки доменов, пер­ пендикулярные поверхности пленки, тогда как стенки, параллель-

Рис. 19.13. Магнитные пузырьки. В не­ которых ферритовых пленках образу­ ются домены, магнетоны которых на­ правлены по нормали к поверхности пленки, у одних доменов — в одну (по­ ложительную) сторону, у других — в противоположную (отрицательную) сторону. При отсутствии внешнего маг­ нитного поля, или поля смещения, сум­ марная площадь положительных доме­ нов равна суммарной площади отрица­ тельных; однако в случае, когда имеет­ ся поле смещения, соотношение между этими площадями изменяется. В пре­ делах очень малой области напряжен­ ности поля смещения домены, ориенти­ рованные в одном направлении, при­ нимают форму палочек, которые при рассматривании со стороны поверхно­ сти пленки выглядят как пузырьки

ные поверхности, не сохраняются. В результате получается се­ мейство доменов, в котором одна часть доменов ориентирована в одном направлении, а другая часть — в противоположном.

При условии отсутствия приложенного извне магнитного поля в пленке формируется характерная извилистая структура, в ко­ торой площадь поверхности пленки, занятая доменами с одной ориентацией, приблизительно равняется площади поверхности, занятой доменами с противоположной ориентацией. Если же на эту структуру доменов воздействует внешнее магнитное поле, то, как обычно, домены, ориентированные в ту же сторону, что и внешнее поле, будут увеличиваться, а домены, ориентированные в противоположную сторону,— уменьшаться. Извилистая струк­ тура, возникшая в отсутствие внешнего поля, теперь изменяется так, что домены одной ориентации становятся тоньше, а домены противоположной ориентации — толще. При некоторой конкрет­ ной напряженности внешнего поля извилистая структура разру­ шается, а оставшиеся ее элементы образуют магнитные пузырь­ ки. При достаточно сильном внешнем поле пузырьки исчезают, и вся пленка превращается в единый домен. Такое исчезнове­ ние магнитных пузырьков назовем магнитной аннигиляцией.

Магнитные пузырьки имеют разные диаметры при разных напряженностях внешнего поля. При уменьшении напряженности диаметр пузырьков увеличивается. Магнитные пузырьки поддер­ живаются в пленке за счет внешнего поля, напряженность ко­ торого находится в пределах между напряженностью поля маг­ нитной аннигиляции и поля слияния пузырьков. Если напря­ женность становится меньше, чем этот нижний предел, то не­ которые группы пузырьков сливаются и образуется один из ва­ риантов типичной извилистой структуры доменов.

После того как в пленке образуются магнитные пузырьки, их можно легко перемещать, так как такие перемещения свя­ заны только с движением стенок доменов. На самом деле, если на пузырек действует градиент магнитного поля, то пузырек движется к области, где его энергия принимает минимальное зна­ чение. Скорость этого движения пропорциональна отношению разности напряженностей поля на диаметрально противополож­ ных границах пузырька к коэрцитивной силе магнитной среды.

19.14. МАГМЕТР

Магметр — это коммерческое название прибора, предназна­ ченного для измерения частоты. Он вырабатывает постоянное напряжение, пропорциональное частоте. Прибор представляет собой трансформатор, первичная катушка которого питается переменным напряжением с изменяющейся частотой и с амплиту­ дой, обеспечивающей полное насыщение сердечника в самом на­ чале периода колебаний переменного напряжения.

Рис. 19.14. Форма сигналов в магметре. Если сердечник трансформа­ тора изготовлен из вещества с пря­ моугольной петлей гистерезиса и доводится до состояния насыще­ ния в самом начале цикла намагни­ чивания, то переменный ток с любой частотой будет преобразован тран­ сформатором в последовательность импульсов с одинаковыми площа­ дями, имеющую такую же частоту.

Как показано на рис. 19.14, на первом полупериоде входного напряжения сердечник насыщается в одном направлении, на втором полупериоде — в противоположном.

Вторичное напряжение генерируется только тогда, когда маг­ нитный поток в сердечнике изменяется. В промежутки времени, когда сердечник насыщен в любом направлении, вторичное на­ пряжение отсутствует. Таким образом, вторичное напряжение представляет собой последовательность импульсов, у которых ширина, высота, и, следовательно, площадь остаются приблизи­ тельно постоянными (в соответствии с циклом насыщения сер­ дечника), а частота повторения определяется частотой напряже­ ния возбуждения первичной катушки.

При повышении частоты напряжения возбуждения происхо­ дит пропорциональное возрастание числа импульсов с постоян­ ной площадью, генерируемых за единицу времени во вторичной катушке. В результате выпрямления этих импульсов при помощи диодов получают на выходе прибора постоянное напряжение, которое пропорционально частоте напряжения возбуждения.

19.15. ЭФФЕКТ БОБЕКА

Эффект Бобека обусловлен тем, что при скручивании ферро­ магнитного стержня его магнетоны ориентируются по спираль­ ным линиям (рис. 19.15). Если воздействовать на такой стержень приращением намагничивающей силы, то между его концами бу­ дет генерироваться электрическое напряжение. Это явление ана­ логично процессу возбуждения петли гистерезиса, который ил­ люстрируется на рис. 19.5. При заданном приращении намагни­ чивающей — размагничивающей силы, создаваемой намотанной на стержень катушкой, амплитуда и полярность импульса на­ пряжения, возникающего между концами стержня, будут зави­ сеть от направления спиральной намагниченности стержня.

В ферромагнитном стержне можно создавать электрический

напряжение. В эффекте Бобека напряжение генерируется между двумя концами механически скрученного и намагниченного стержня, когда на него действует приращение намагничивающей силы.

Эффект Бобека находит применение при конструировании за­ поминающих устройств вычислительных машин. Однако при ис­ пользовании какого-либо одного материала не удается достичь оптимальных магнитных и электрических характеристик эффекта Бобека. Поэтому применяют составные материалы — на поверх­ ность проволоки с малым электрическим сопротивлением наносят вещество с большой коэрцитивной силой.

19.16. ЭФФЕКТ ВИГАНДА

Эффект Виганда заключается в резком изменении магнитного потока, происходящем в так называемой проволоке Виганда при определенных условиях приложения внешней магнитодвижу­ щей силы. Эта проволока характеризуется разрывностью петли гистерезиса, которой не наблюдается у других материалов.

Чтобы получить проволоку Виганда, нужно на коротком участке первоначально однородной проволоки создать наружный слой, имеющий намного большую коэрцитивную силу, чем внут­ ренняя часть, играющая роль сердечника. Для этого проволоку из викалоя подвергают холодной обработке, скручивая ее пооче­ редно в противоположных направлениях при растягивающем напряжении, а затем — соответствующей термообработке. Такая процедура создает у поверхности проволоки устойчивую дефор­ мацию спиральной формы. Типичная проволока Виганда имеет длину 3 м и диаметр 0,25 мм.

Вследствие того что в указанной структуре наружная оболоч­ ка и внутренний сердечник имеют разные коэрцитивные силы, сердечник может удерживать намагниченность с полярностью, не совпадающей с полярностью оболочки. В результате оказы­ ваются возможными следующие четыре варианта магнитной кон­ фигурации: сердечник и оболочка намагничены в одном и том же (скажем, первом) направлении; сердечник намагничен в пер­ вом направлении, а оболочка — в противоположном (втором) направлении; сердечник и оболочка намагничены в одном и том же втором направлении; наконец, сердечник намагничен во втором направлении, а оболочка — в первом.

Как показано на рис. 19.16, можно изменять направление намагниченности сердечника, не влияя при этом на состояние оболочки. Если режим работы устройства соответствует тщатель­ но выбранной вспомогательной петле гистерезиса, то при обра­ щении полярности сердечника по отношению к оболочке происхо­ дит небольшой скачок магнитного потока, а возвращение поляр­ ности сердечника к полярности оболочки сопровождается зна-