Рис. 9.5. Зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля. Стрелки указывают направление процесса.

Горизонтальная часть этой кривой вблизи точки а соответствует магнитному насыщению.

Достигнув насыщения, начнем ослаблять внешнее магнитное поле. При этом намагниченность железа уменьшается, но убывание это идет медленнее, чем раньше шло ее возрастание. Зависимость между J и Н в этом случае изображается кривой ab. Мы видим, таким образом, что одному и тому же значению Н могут соответствовать различные значения намагниченности (точки ) в зависимости от того, подходим ли мы к этому значению со стороны малых или со стороны больших значений Н. Намагниченность железа зависит не только от того, в каком поле данный кусок находится, но и от предыдущей истории этого куска. Это явление получило название магнитного гистерезиса.

Когда внешнее магнитное поле становится равным нулю, железо продолжает сохранять некоторую остаточную намагниченность, которая характеризуется отрезком Ob графика.

Для дальнейшего размагничивания железа нужно приложить внешнее магнитное поле, направленное в противоположную сторону. Ход изменения намагниченности при возрастании напряженности этого противоположно направленного поля изображается ветвью кривой bcd. Лишь когда напряженность этого поля достигнет определенного значения (в нашем опыте значения, изображаемого отрезком Ос), железо будет полностью размагничено (точка С). Таким образом, напряженность размагничивающего поля (отрезок Ос) является мерой того, насколько прочно удерживается состояние намагничивания железа. Ее называют коэрцитивной силой. При уменьшении напряженности поля обратного направления и затем при возрастании напряженности поля первоначального направления ход измерения намагниченности железа изображается ветвью кривой .

При новом повторении всего цикла размагничивания, перемагничивания и повторного намагничивания железа в первоначальном направлении форма этой кривой повторяется. Кривая, изображающая ход зависимости намагниченности железа от напряженности внешнего поля, имеет вид петли. Ее называют петлей гистерезиса для данного сорта стали.

Форма петли гистерезиса является важнейшей характеристикой магнитных свойств того или иного ферромагнитного материала. В частности, зная ее, мы можем определить такие важные характеристики этого материала, как его магнитное насыщение, остаточную намагниченность и коэрцитивную силу.

Процесс намагничивания вещества можно характеризовать кривой зависимости J и Н, но и кривой зависимости В и Н. На рисунке 9.6 показана зависимость В и Н для различных сортов стали.

Рис. 9.6. Кривые намагничивания для различных сортов железа и стали: 1- мягкое железо, 2 – закаленная сталь, 3 – незакаленная сталь

По форме этой петли можно выбрать материал, который наилучшим образом подходит для той или иной практической задачи. Так, для изготовления постоянных магнитов необходим материал с большой коэрцитивной силой (сталь и особенно специальные сорта кобальтовой стали); для электрических машин и особенно для трансформаторов выгодны материалы с очень малой площадью петли гистерезиса, ибо они, как оказывается меньше всего перегреваются при перемагничивании. Речь идет о том нагревании под действием вихревых токов Фуко, которое испытывают все металлы, а о нагревании ферромагнитных тел, обусловленном их перемагничиванием и связанном со своеобразным внутренним трением в перемагничивающемся веществе.

В отличие от парамагнетиков и диамагнетиков у ферромагнетиков магнитная проницаемость µ не остается постоянной, а зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Эта зависимость для магнитного сплава (пермаллоя) и для мягкого железа показана на рисунке 9.7.

Рис. 9.7. Зависимость µ от Н: 1- у магнитного сплава (пермаллоя), 2- у мягкого железа.

Как мы видим, магнитная проницаемость имеет малые значения в слабых полях, затем нарастает до максимального значения и при дальнейшем увеличении поля снова уменьшается.

Важно отметить, что при достижении определенной температуры магнитная проницаемость ферромагнитных тел резко падает до значения, близкого к единице. Эта температура, характерная для каждого ферромагнитного вещества, носит название точки Кюри по имени французского физика Пьера Кюри. При температурах выше точки Кюри все ферромагнитные тела становятся парамагнитными.

Основы теории ферромагнетизма

В отличие от диамагнетизма и парамагнетизма, которые являются свойствами отдельных атомов или молекул вещества, ферромагнитные свойства вещества объясняются особенностями его кристаллической структуры. Атомы железа, если взять их, например, в парообразном состоянии, сами по себе диамагнитны или лишь слабо парамагнитны. Ферромагнетизм есть свойство железа в твердом состоянии, то есть свойство кристаллов железа.

Ферромагнитные вещества отличаются от парамагнитных не только большим значением магнитной проницаемости и ее зависимостью от напряженности поля, но и весьма своеобразной связью между намагниченностью и напряженностью магнитного поля. Эта особенность находит свое отражение в явлении гистерезиса со всеми его следствиями: наличием остаточной намагниченности и коэрцитивной силы.

В чем причина гистерезиса? Вид кривых на рис 9.5 и рис. 9.6 – различие между ходом нарастания намагничивания ферромагнетика при увеличении Н и ходом ее размагничивания при уменьшении Н – показывает, что при изменении намагниченности ферромагнетика, при увеличении и уменьшении напряженности внешнего поля, ориентация и дезориентация элементарных магнитов не сразу следует за полем, а происходит с некоторым отставанием.

Подробное изучение процессов намагничивания и размагничивания железа показывает, что ферромагнитные свойства вещества определяются не магнитными свойствами отдельных атомов или молекул, которые сами по себе парамагнитны, а намагничиванием целых областей, называемых доменами, - небольших участков вещества, содержащих очень большое число атомов. Взаимодействие магнитных моментов отдельных атомов ферромагнетика приводит к созданию сильных внутренних магнитных полей, действующих в пределах каждой такой области и выстраивающих в пределах этой области все атомные магнетики относительно друг другу, как показано на рисунке 9.8.

Рис. 9.8. Схема ориентации молекулярных магнитов в областях самопроизвольного намагничивания 1 и 2: а) внешнее магнитное поле отсутствует, б) под действие внешнего магнитного поля области 1 и 2 перестраиваются

Таким образом, даже в отсутствии внешнего магнитного поля ферромагнитное вещество состоит из ряда отдельных областей, каждая из которых самопроизвольно намагничена до насыщения. Но направление для различных областей различно, так что вследствие хаотичности распределения этих областей тело в целом оказывается в отсутствии внешнего поля ненамагниченным.

Под влияние внешнего поля происходит перестройка и перегруппировка таких областей самопроизвольного намагничивания, в результате которой получают преимущество те области, намагниченность которых параллельна внешнему полю, и вещество в целом оказывается намагниченным.

Один из примеров такой перестройки областей самопроизвольного намагничивания показан на рисунке 9.8. Здесь условно изображены две смежные области, направления намагниченности которых перпендикулярны друг другу. При наложении внешнего поля часть атомов области 2, в которой намагниченность перпендикулярна к полю, на границе ее с областью 1, в которой намагниченность параллельна полю, поворачивается, так что направления их магнитного момента становится параллельна полю. В результате область 1, расширяется за счет тех областей, в которых направление намагниченности образует большие углы с направлением поля, и возникает преимущественное намагничивание в направление внешнего магнитного поля. В очень сильных внешних полях возможны и повороты в направлении ориентации всех атомов в пределах целой области.

При снятии внешнего поля происходит обратный процесс распада и дезориентации этих областей, то есть размагничивание тела. Ввиду больших по сравнению с атомами размеров областей самопроизвольного намагничивания как процесс ориентации их, так и обратный процесс дезориентации происходит с гораздо большими затруднениями, чем аналогичные процессы для отдельных молекул или атомов, имеющие место в парамагнитных и диамагнитных телах. Этим и объясняется отставание намагничивания и размагничивания от изменения внешнего поля, то есть гистерезис ферромагнитных тел.

Сила Лоренца

Известно, что магнитное поле электрического тока следует рассматривать как поле, создаваемое движущимися зарядами. Эта важная мысль, высказанная голландским физиком Хендриком Антоном Лоренцем, была подтверждена опытами А.А. Эйхенвальда, В.К. Рентгена и других. Лоренцу же принадлежит и обратный вывод: силы, с которыми магнитное поле действует на проводник с током, являются силами, действующими на движущиеся заряды (электроны или ионы), которые и составляют ток. Эти силы называют силами Лоренца. Но так как движущиеся заряды сталкиваются с атомами вещества, то силы, действующие со стороны магнитного поля на движущиеся заряды, увлекают и проводник, в котором эти заряды движутся. Таким образом, силы взаимодействия между током и полем сводятся к силам Лоренца.

Сила Лоренца, действующая на электрон е, движущийся в магнитном поле, перпендикулярна к скорости электрона υ и к магнитной индукции В.

Рис. 9.10. Электрон в магнитном поле

Направление этой силы можно определить по правилу левой руки, только надо учесть, что направление движения электронов противоположно направлению электрического тока, ибо электроны несут отрицательный заряд, поэтому пальцы левой руки, указывающие направление тока, должны располагаться навстречу движению электронов.

Модуль силы Лоренца определяется формулой:

,

где е – заряд электрона, α- угол между направлениями векторов υ и В.

Предыдущая формула определяет только магнитную часть силы Лоренца. «Полная» сила Лоренца включает в себя, кроме этой части, электрическую честь, равную еЕ, где Е – напряженность электрического поля.

Полная сила Лоренца записывается так:

.

Частица под действием силы Лоренца двигается по винтовой траектории, где r – радиус орбиты и h- шаг винта рассчитываются следующим образом:

,

,

ЛЕКЦИЯ № 10. МАГНИТНАЯ И ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ. СХЕМЫ КОНТРОЛЯ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНТРОЛЯ

10.1 Обнаружение дефектов при магнитных методах.

Магнитные методы контроля ферромагнитных металлов основаны на обнаружении локальных возмущений поля, создаваемых дефектами в намагниченном изделии. Магнитный поток, распространяясь по изделию и встречая на своем пути поверхностный дефект, огибает его вследствие того, что магнитная проницаемость дефекта значительно ниже (в 1000 раз) магнитной проницаемости основного металла. Это можно пояснить следующим образом (рис. 10.1, а, б). Часть магнитосиловых линий обрывается на одной грани дефекта и снова начинается на другой. Конец каждой линии можно рассматривать как некоторый положительный магнитный заряд, а на другой отрицательные магнитные заряды. Каждый магнитный заряд создает магнитное поле, направленное из него как из центра. Суммарное поле магнитных зарядов Нd называют полем дефекта. Поле Нd имеет сосредоточенный характер, поэтому результирующее поле, которое складывается из внешнего намагничивающего поля Но и поля дефекта Нd, становится неоднородным и имеет сложную картину.

Амплитудные значения составляющих Нtd и Нnd поля дефектов зависят от их размеров и ориентации по отношению к внешнему полю, от соотношения проницаемостей среды и дефекта, а также от расстояния до точки наблюдения. Чем больше размеры дефекта и ближе к нему точка наблюдения и чем больше различие проницаемостей, тем больше амплитудные значения составляющих полей дефектов. Вектор намагничивающего поля должен быть направлен перпендикулярно плоскости дефекта, тогда поле дефекта по направлению совпадает с внешним полем и будет иметь максимальное значение. В противном случае поле Нd ориентируется в направлении нормали к стенкам трещины, а интенсивность его быстро убывает с увеличением угла между нормалью и направлением намагничивания. Следует подчеркнуть, что магнитное поле рассеяния возникает не только над дефектами, но и над любыми локальными изменениями однородности магнитных свойств. Интенсивность поля рассеяния в этом случае зависит от соотношения проницаемостей.

Для регистрации полей рассеяния или возмущения создаваемых дефектами в намагниченном изделии наибольшее распространение получили индукционные, феррозондовые, холловские и магниторезисторные преобразователи.