Б. Магнитные методы исследования

Магнитных методов исследования ничуть не меньше, чем тепловых, может быть даже больше. Многие магнитные методы исследования оказываются гораздо более чувствительны к превращениям в материалах, чем любые другие методы. Например, при превращении аморфной металлической ленточки в поликристаллическую процесс протекает довольно медленно. Сначала образуется несколько крошечных кристалликов, эти кристаллики начинают расти, чуть позже образуется еще несколько кристалликов и те также начинают расти, таким образом параллельно идет два процесса – зарождения и роста кристалликов (см. рис. А.7).

время=1	время=2
время=3	время=4
Рис. Б.1 Схема кристаллизации по И.Л. Миркину. Цифрами отмечены временя зарождения кристаллов

В результате процесса кристаллизации аморфной ленты получается поликристаллический материал с наноразмерными кристалликами. Структурными методами трудно засечь время и температуру появления первых кристалликов, а некоторые магнитные методы позволяют это сделать с высокой степенью достоверности. Дело в том, что такое магнитное свойство материала, как коэрцитивная сила Н_с, является сильно структурночувствительным свойством, это означает, что малейшее изменение в структуре приводит к существенному изменению коэрцитивной силы. Для аморфных сплавов это свойство при появлении первых кристалликов изменяется более, чем в 10 раз. Конечно, использование метода измерения коэрцитивной силы возможно только для ферромагнитных материалов. Но абсолютно все современные электронные устройства включают в себя именно ферромагнитные материалы, поэтому возможность их исследования очень важна.

Каким образом реализуются магнитные методы измерения можно понять, рассмотрев типичную схему установки для магнитных измерений (на примере определения магнитной индукции В во внешнем магнитном поле Н), на которой показаны основные элементы, подлежащие описанию (рис. Б.2)

Рис. Б.2 Обобщённая схема установки для магнитных измерений:

БП – блок питания, НУ – намагничивающее устройство, ИП Н – измерительный преобразователь (ИП) напряжённости магнитного поля Н, ИП В – измерительный преобразователь магнитной индукции В, СИ – средство измерений.

Рассмотрим в качестве примера установки для магнитных измерений, так называемую баллистическую установку. Сразу отмечу, что эта установка не имеет отношения к системам запуска баллистических ракет. Она предназначена для построения основной кривой намагничивания (рис. Б.3, а) и с ее помощью можно определить некоторые параметры петли магнитного гистерезиса (рис. Б.3, б).

а	б
Рис. Б.3 Схема кривой намагничивания (а) и петли магнитного гистерезиса (б), отмеченные параметры: Bs – индукция насыщения, Br – остаточная индукция, Hc – коэрцитивная сила, Hs – поле насыщения

Баллистический (индукционно-импульсный) метод измерений основан на явлении электромагнитной индукции – возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в измерительной обмотке образца при скачкообразном (импульсном) изменении магнитного потока в образце.

В качестве измерителя магнитного потока часто используют баллистический гальванометр. На образец в виде тороида наносятся первичная (намагничивающая) и вторичная (измерительная) обмотки (рис. Б.4). Первичная обмотка I присоединяется к источнику постоянного тока J, концы вторичной обмотки II присоединены к баллистическому гальванометру G.

Рис. Б.4 Схема баллистического метода измерения магнитных свойств.

В первичной обмотке с помощью электрического переключателя (перекидного ключа) создается импульс тока DJ = 2 J за счет «перекидывания» ключа из основного положения на противоположного так, чтобы изменилось направление тока. При этом во вторичной обмотке индуцируется ЭДС и возникает ток i, который протекает по виткам, нанесенных на рамку гальванометра. Рамка находится в магнитном поле постоянного магнита. Из-за взаимодействия магнитного поля, созданного током в рамке, и магнитного поля постоянного магнита рамка поворачивается. В баллистическом гальванометре используется рамка с большим моментом инерции. Благодаря этому максимальное отклонение рамки гальванометра (угол a) прямо пропорционально электрическому заряду Q, прошедшему через рамку гальванометра за время τ, в течение которого происходило изменение силы тока.

Несложно показать, что количество электричества Q:

,

где R – электрическое сопротивление измерительной (вторичной) цепи, включающей в себя вторичную обмотку образца и витки рамки гальванометра;

e – электродвижущая сила, индуцируемая во вторичной цепи.

Величина e определяется известным из курса школьной физики выражением:

,

где n₂ – количество витков во вторичной измерительной обмотке,

DФ/Dt – изменение во времени магнитного потока в образце, вследствие импульсного изменения силы тока J в первичной обмотке (цепи).

Использование вместо баллистического гальванометра веберметра, который представляет собой обычный гальванометр в сочетании со специальным интегрирующим устройством, позволяет проводить непосредственное измерение величины ΔФ.

Изменение магнитного потока Ф можно создаватьили путем изменения силы тока в первичной обмотке от нуля до некоторого значения, а затем от этого значения до более высокого, или путем изменения силы тока от заданного значения до противоположного. В последнем случае изменение потока Ф будет, естественно, равно 2Ф. Последний вариант создания импульса тока путем его коммутирования, определяют как коммутационный режим измерений (метод коммутирования).

Определив с помощью веберметра величину Ф и рассчитав сечение тороидального образца S, получаем значение индукции B в соответствии с соотношением:

Ф = В^.S.

Магнитное поле Н (А/м), в котором намагничивается тороидальный образец, вычисляется по формуле:

где J – сила тока в первичной обмотке, А,

n₁ – число витков в первичной обмотке,

l – длина средней окружности тороида, м.

Таким образом, измеряя зависимость величины изменения магнитного потока 2Ф от силы тока в первичной обмотке J, мы можем, рассчитав с помощью приведенных выше формул, соответствующие этим параметрам магнитную индукцию В и величину внешнего магнитного поля Н, построить основную кривую намагничивания и определить некоторые параметры гистерезиса, например – коэрцитивную силу Н_с. Величина коэрцитивной силы – очень важный для электронной техники параметр. Она определяет – к какому типу магнитных материалов относится исследуемое вещество. Если величина Н_с порядка нескольких А/м, то это магнитно-мягкий материал, он намагничивается в малых полях, его можно использовать для сердечников трансформаторов, если Н_с более десятков кА/м, то это магнитотвердый материал и его можно использовать в качестве постоянного магнита.

Разумеется, приведенные примеры методов исследования некоторых свойств материалов – это лишь крошечная часть всех известных методов. Целесообразность того или иного метода исследования определяет экспериментатор, который должен не только знать какие существуют методы исследования, но и, прежде всего, знать основные принципы формирования физических свойств материала. Нужно понимать – чем может определяться зависимость этих свойств от структуры материала, нужно разобраться какой уровень структуры наиболее существенно влияет на формирование того или иного свойства. Например, железо с разными кристаллическими решетками может вести себя по-разному! С одной кристаллической решеткой (т.н. гранецентрированной кубической) железо не притягивается магнитами, а с другой (т.н. объемно-центрированной кубической) железо само ведет себя как магнит.

Темы рефератов и рекомендации по их составлению

1. Возникновение понятия температуры и создание температурной шкалы

Опишите основные методы измерения температуры, которые используются в современном мире и какие физические принципы заложены в эти методы, рассмотрите крайние точки измерения температур – измерение сверхнизких температур (близких к абсолютному нулю) и высоких температур, например температуры звезд.

2. Разновидности и реализация термического анализа.

Рассмотрите возможные методы термического анализа, опишите условия реализации достоверного анализа, например принципы выбора эталона, роль массы и размеров образца и т.д.

3. Методы калориметрии.

Опишите принципы компенсационных методов и методов, основанных на измерении разности температур. Проведите сравнительный анализ возможностей этих методов.

4. Магнитные свойства и возможности их измерения.

Постарайтесь описать наиболее важные, с точки зрения использования человеком, магнитные свойства материалов, используя для этого параметры кривой намагничивания (зависимости намагниченности или магнитной индукции от внешнего магнитного поля) и петли магнитного гистерезиса. Опишите физические представления, которые позволяют предложить наиболее простые способы или методы измерения этих свойств.

5. Методы исследования ферромагнитных материалов.

Приведите примеры методов исследования ферромагнитных материалов, опишите принципы на которых основаны эти методы.

Список рекомендуемой литературы

1. В.Ю. Введенский, А.С. Лилеев, Б.А. Самарин, Физические методы исследования. Раздел: Тепловые и электрические свойства. – М.: «Учеба» МИСиС, 2001. (Номер в НИТУ «МИСиС» 1675)

2. В.Ю. Введенский, А.С. Лилеев, Физические методы исследования. Раздел: Магнитные свойства. – М.: Издательский Дом «МИСиС», 2010. (Номер в НИТУ «МИСиС» 1268)

3. И.Б. Кекало, Е.А. Шуваева, Аморфные, нано- и микрокристаллические материалы \лабораторный практикум\ – М.: Издательский Дом «МИСиС», 2008. (Номер в НИТУ «МИСиС» 516)

4. Я.А. Смородинский, Температура, Библиотечка «Квант», 012 выпуск, 1981, Издательство: Наука, Главная редакция физико-математической литературы.