42164

НЕОБРАТИМЫЙ МАГНИТОУПРУГИЙ ЭФФЕКТ ФЕРРОМАГНЕТИКА ПРИ УДАРЕ. ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ УДАРА

Лабораторная работа

Физика

У магнитотвердых материалов таких как кобальтовые стали альнико бариевые ферриты SmCo5 NdFeB и другие из которых делаются постоянные магниты требующие огромные поля чтобы междоменные границы начали двигаться. Под действием магнитного поля весь каркас границ приходит в движение и в результате домены с намагниченностью ориентированной вдоль поля увеличиваются в размерах за счет антипараллельных или поперечных доменов. В больших полях МДГ исчезают и материал намагничивается до насыщения. Зависимость намагниченности I от поля для...

Русский

2013-10-27

81 KB

4 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «НЕОБРАТИМЫЙ  МАГНИТОУПРУГИЙ  ЭФФЕКТ  ФЕРРОМАГНЕТИКА  ПРИ УДАРЕ.ИЗМЕРЕНИЕ  СИЛЫ  УДАРА»

В.Ф. Новиков, Б.В. Федоров

Тюменский государственный нефтегазовый университет, кафедра физики № 1.

         62500,  г.  Тюмень,  ул. Володарского, 38     

             E-mail: scnc@tgngu.tyumen.ru

Известно, что кристаллиты ферромагнетика состоят из микроскопических областей,  (0,01 – 1) мм, намагниченных до насыщения – доменов. В каждом домене вектор намагниченности ориентирован вдоль (против) характерных для каждого кристалла направлений. Между доменами существует переходной слой, )0,01 – 0,1) мм, в котором вектора намагниченности атомов плавно изменяют свой направление от  -1800  до  +1800  (180 – градусные границы) или от  900  до 0 (90 – градусные  границы). Для создания границы требуется избыточная энергия. Поэтому они чаще всего располагаются в местах искажения кристаллической решетки, пустот металла, немагнитных включений и, чтобы вывести границы из равновесных положений, необходимо внешнее воздействие: магнитное поле, механическое растяжение или сжатие, удар. Междоменные границы образуют в ферромагнетике подвижный пространственный каркас. У магнитомягких материалов, таких как железо, никель, их сплавы, ферриты, трансформаторная сталь, достаточно небольших полей или механических напряжений, чтобы заставить перемещаться междоменные границы (МДГ) и перестраивать доменную структуру. У магнитотвердых материалов, таких как кобальтовые стали, альнико, бариевые ферриты, SmCo5 , NdFeB и другие, из которых делаются постоянные магниты, требующие огромные поля, чтобы междоменные границы начали двигаться.

Под действием магнитного поля весь каркас границ приходит в движение и в результате домены с намагниченностью, ориентированной вдоль поля, увеличиваются в размерах за счет антипараллельных или поперечных доменов. В больших полях МДГ исчезают и материал намагничивается до насыщения. Зависимость намагниченности I от поля для предварительно размагниченного магнетика представлена на рис. 1 в виде участка «аб». Если поле уменьшать, МГД начнут рождать вновь и постепенно сформируют новую доменную структуру остаточно намагниченного состояния (точка «в»), отличную от исходной структуры размагниченного магнетика, в которой границы не могут вернуться в исходное состояние, так как они застревают на дефектах решетки.

При уменьшении поля начинают зарождаться домены обратной (по отношению к направлению внешнего магнитного поля) намагниченности, строится и развивается каркас МДГ.  Но, так как МДГ при своем движении застревает на дефектах, магнетик, несмотря на действие внутреннего размагничивающего поля  HP = - N Ir (где  N – размагничивающий фактор), сохраняет остаточную намагниченность  Ir, отличную от нуля (точка «в» на рис. 1). Это означает, что объемы доменов, ориентированных вдоль прикладываемого поля, окажутся больше объемов доменов, ориентированных встречно. Прикладывая обратное размагничивающее поле, можно заставить МГД перестроиться так, чтобы намагниченность стала равной нулю. (кривая «вг»). Такое поле называется коэрцитивной силой  НС.

Действие механических напряжений   деформирует кристаллическую решетку, изменяя энергию доменов, которая называется магнитоупругой энергией  WМУ

                                             WМУ = - S  Sin  ,                                                                          (1)

где  S – константа магнитострикции материала,   - угол между направлением намагниченности и прикладываемыми напряжениями. Так, если    0 (растяжение), то намагниченность стремится выстроиться вдоль напряжений, если    0 (сжатие), то  WМУ положительна, растет с ростом   и намагниченность стремится выстроиться в поперечном направлении.

Поэтому, если к остаточно намагниченному магнетику приложить напряжения, то они за счет изменения магнитоупругой энергии будут «отрывать»  МДГ от дефектов решетки, выводить их из положения равновесия и приводить в движение. Но действие размагничивающего поля HP = - N Ir  направит так перестройку доменов, что остаточная намагниченность как во время приложения нагрузки, так и ее снятии, необратимо  уменьшится. Закон такого изменения остаточной намагниченности после приложения и снятия нагрузки имеет вид:

                                                                              (2)

где  Ir , Ir0 – остаточная намагниченность магнетика до и после нагружения соответственно,  F – прикладываемая сила,  , - коэффициенты, зависящие от свойств материала образца и его размеров.

Как следует из выражения (1), чем больше прикладываемая сила, тем меньше оставшаяся остаточная намагниченность Ir. Таким образом, если материал намагнитить, а затем нагрузить, то изменением своей намагниченности он «запомнит»  величину силы. При этом запоминание силы удара и снятие информации может быть разнесено во времени на длительный срок.        

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

На рис. 2 представлен общий вид установки. На станине (1) закреплен массивный куб (2), в который ввинчиваются образцы (3) из различных испытываемых материалов, имеющие вид болта с широкой головкой. Поворотом куба устанавливается выбранный образец. Ударник (4) подвешен к стойке (5).

 


Рис. 1

в

1

2

3

5

6

1 – станина, 2 – массивный куб, 3 – образец,

4 – ударник, 5 – стойка, 6 – боек

                            Рис. 2.                        

1

3

2

4

5

6

8

7