Измерительный комплекс для исследования
эффектов наведенной магнитной анизотропии ферро - и ферри – соединений.
Гусев
Олег Валерьевич,
аспирант Рыбинской
Авиационной Технологической Академии
имени П. А. Соловьева.
Научный руководитель: профессор, доктор
физико-математических наук
Вечфинский Владимир
Сигизмундович.
В последние
годы отмечается заметный интерес производителей микроэлектронной техники,
техники связи, аудио- и видеотехники к новым разработкам в области магнитных
материалов (в данном случае материалов, обладающих свойствами ферро- и ферримагнетиков). Особое
место среди таких материалов занимают сплавы с одноосной анизотропией,
достигаемой комплексной обработкой исходного сырья. Анизотропные материалы
широко используются в мировой практике проектирования электротехнических
изделий, что связано с возросшим интересом экономии энергии при эксплуатации таких
устройств. Располагая данными о
процессах протекающих в подобных магнитных материалах, а так же данными
о причинах и механизмах возникновения магнитного гистерезиса, можно
целенаправленно изменять магнитные свойства, и создавать требуемые
соединения с заранее заданными производителем
параметрами.
Изучение
магнитных свойств позволит создавать технические магнитные материалы, играющие
важнейшую роль в улучшении современных высокочувствительных сенсоров и
сенсорных элементов, работа которых
базируется на использовании новых эффектов магнетизма. «Информационное»
использование магнитных измерений широко применяется в технике методов
магнитно-структурного анализа, магнитной дефектоскопии, важнейших неразрушающих
методов контроля качества промышленной продукции.
Новые устройства, работающие под час на новом физическом эффекте, требуют
создания не только новаторских технологий получения исходного сырья, но так же
и эффективного изучения свойств созданного
материала.
Энергия,
концентрируемая в единице объема образца,
связана с внутренней структурой материала, изменение последней по
средствам действия внешних факторов может повлиять на магнитные (и как следствие
механические) качества материала. Создание особого
структурированного состояния даст возможность оптимизировать доменную структуру
материала и как следствие позволит улучшить магнитные свойства последнего. Это возможно благодаря созданию в магнитном
материале так называемой наведенной или ориентированной магнитной анизотропии
(НМА). Особое состояние и стабилизированную доменную структуру, характерную для НМА, можно создать по
средствам термомагнитной обработки, заключающейся в
одновременном воздействии на
материал магнитного поля (могут применяться как переменные, так и постоянные) и
температуры.
Наиболее
ярким проявлением в материале НМА является возникновение перетяжки на петлях магнитного
гистерезиса (перминвар эффект). Перетянутые или перминварные петли впервые были
получены Эльмином (1928 г.) на сплавах кобальта, никеля и железа; на оксидах
ферримагнетиков (состава CoxFe3-xO4) их
наблюдали двое японских ученых Като и Такеи (1933 г.). Практическое применение
данной технологии, для получения стабилизированной доменной структуры (по
средствам НМА), первоначально основывалась на опыте, теоретическое описания
эффекта появилось позднее в работах Нееля, Слончевского, Танигучи. C тех пор
перминварные свойства фиксировались у целого ряда металлических и неметаллических
ферро- и ферри- магнетиков самого различного состава. Тем
не менее, практическое применение эффекта и его исследование затруднено тем,
что измерение ее параметров требует специальной (подчас дорогостоящей) аппаратуры.
Ниже представлена блок-схема комплекса исследования эффектов НМА.
Рис.1.
Блок-схема
измерительного комплекса исследования эффектов НМА
Блок обработки.
Входят следующие компоненты системы – это сенсорные
элементы (датчики), схема возбуждения, интерфейсы, аналоговый мультиплексор,
преобразователь сигнал-код (АЦП).
Блок включает в себя следующие датчики:
1-
устройство, регистрирующее намагниченность образца
(датчик намагниченности)
2-
датчик нагрева
3-
датчик давления
C помощью чувствительных
элементов, осуществляется функция восприятия параметров магнитного соединения
или контроль внешних воздействий и преобразования этих значений в значения
адекватных электрических параметров. Датчики температуры (2) и давления
(3) являются пассивными устройствами, поэтому для них не требуется дополнительная
схема возбуждения. В отличии от двух вышеперечисленных
детекторов, для устройства регистрирующего намагниченность (является основным
элементом системы) образца (1) требуется дополнительная внешняя энергия,
поэтому для его функционирования необходим дополнительный источник энергии,
который будет генерировать сигнал возбуждения. В данном случае внешняя энергия
(сигнал возбуждения) будет подаваться в виде
синусоидального тока с определенной частотой и амплитудой, который
необходим для создания переменного
магнитного поля.
Блок внешних
воздействий.
Под внешними воздействиями понимается действие на
образец температуры или давления. Данный блок может быть использован в
зависимости от целей эксперименты. При проведении исследований образцов вне
лаборатории данный блок может быть отключен и тем самым уменьшены габариты
системы.
Блок
управления и вывода данных.
Состоит из устройства сопряжения, непосредственно
персонального компьютера и периферийного устройства. Необходимость устройства
сопряжения вызвана ограничением на скорость обмена данных между ПК и
непосредственно самой установкой. Персональный компьютер координирует работу
всей системы.
Блок
формирования поля.
Блок
формирования магнитного поля состоит из
схемы возбуждения синусоидальных колебаний и усилителя мощности (на блок-схеме
не показан). Генератор вырабатывает ток частотой до 1кГц, затем посредством
усилителя мощности обеспечивается необходимое усиление сигнала и оптимальное
согласование блока с внешней нагрузкой. Нагрузкой для генератора служит
устройство, конструктивно представляющее собой систему состоящею из трех
катушек. Одна из
которых является нагрузочной катушкой, которая генерирует переменное магнитное
поле возбуждения, образуемого за счет тока, протекающего по ее обмотке. Две
другие катушки (сигнальные), располагаются соосно на одном основании внутри
катушки возбуждения и являются непосредственно магнито-чувствительным элементом
системы. Если магнитные оси обоих чувствительных элементов будут располагаться не соосно (не
параллельно) то в выходной цепи будет появляться ложный сигнал, который будет
имитировать неоднородность поля (т.е. имитация наличия образца). Расстояние
между обмотками отвечает за чувствительность к измеряемому магнитному
полю образца. Наиболее ярко выраженные
перетяжки на частных петлях гистерезиса наблюдаются в полях до 100 Э [1,2].
Встречное
включение сигнальных обмоток приводит к
тому, что в отсутствии внутри системы образца феррита ЭДС
отклика датчика близка к нулю. Измерительная катушка может свободно перемещаться внутри соленоида
и в отсутствии образца ЭДС в последней не возбуждается, так как она передвигается
в зоне однородного поля. При внесении образца магнитное поле внутри
соленоида перестает быть однородным и в сигнальной цепи появляется ЭДС разбаланса и появляется
вторичная ЭДС, пропорциональная производной по времени намагниченности образца
(dI/dt). Выходная
информация датчика является сигнал сложной формы, который отличен от формы
гармонического сигнала подаваемого на обмотку
возбуждения. ЭДС будет содержать
гармонические составляющие величина и форма которых зависит от вида искажения. Спектральный
состав вторичной ЭДС изменяется под
действием внешнего поля, что приводит к появлению по мимо основной гармоники, высших гармонических
составляющих.
Регистрируемый
сигнал поступает на вход интерфейсной схемы, которая обеспечивает оптимальное
согласование датчика поля с последующими электронными схемами и предварительной
усилении и фильтрации полезного сигнала. Фильтрация
сигнала необходима для компенсации первой и второй гармонических составляющих
спектра, это объясняется следующим образом:
Поведение магнитного
материала в области слабых полей (не превышающих коэрцетивности материала), хорошо описывается первой и
второй формулами Релея. Первая из них используется для кривой намагничивания, вторая, после соответствующих алгебраических
преобразований, применяется для петли гистерезиса.
Первая формула Релея для
кривой намагничивания имеет вид
, (1)
Вторая формула Релея для
петли гистерезиса:
, (2)
где 
,
- структурно
зависимые параметры, зависящие только от свойств данного материала, HМ - максимальное значение
поля гистерезисного цикла. Смена знака происходит при переходе от нисходящей
петли ‘-’ к восходящей ‘+’ .
Если ввести в
выражение (1) еще один член,
пропорциональный H3, аналогичный тому который рассматривается в
теории феррозондов [3], то получим выражение для намагничивания по петле
гистерезиса в виде многочлена третьей степени:
, (3)
где С
- постоянная, зависящая от материала и
структуры образца (размерность в гауссовой системе - 1/Э2).
При внесении в одну из обмоток датчика, находящегося в переменном
синусоидальном поле соленоида, образец с
ферримагнетиком, то намагниченность его
в произвольный момент времени равна:
, (4)
где H2 - амплитуда переменного
магнитного поля в обмотке, в которой находится образец, w - частота переменного
поля, t - время.
ЭДС, возникающие
в измерительных обмотках, равны:
;
; (5)
где B1
и B2 – значение индукция
в обмотках, n
- число витков обмотки, S - площадь
витка, с - скорость света.
Вследствие конечной длинны соленоида амплитуды переменны
полей, действующих на обмотки, различны,
можно записать:
B1= H1∙sin(wt) + 4pI; B2= H2∙sin(wt), (6)
где H2 - амплитуда переменного
поля во второй обмотке.
Подставляя (5) в (6) после
дифференцирования получим:
e1 = - 
nSwH1(Acos(wt) 
Bsin(2wt) – Dcos(3wt)),
e2 = - nSwH2cos(wt),
где A = (1 + 4p + 4pH1 + C); B = 2pH1; D = 3pH1C
.
Компенсации
паразитных гармонических составляющих (первой и второй составляющей спектра),
которые отвечают за линейные (обратимые) процессы
происходящие в материала и поэтому не представляют интереса, можно либо по
средствам перемещения датчик вдоль оси соленоида, тем самым добиться такого соотношения
между H1 и H2, что
обе гармоники (обычно только nSwHcos(wt),
вторая компенсируется частично) будут подавлены, либо используя подавляющие
фильтры настроенных на первую и вторую гармонику полезного сигнала. Второй
способ более приемлемый так как позволяет автоматизировать процесс измерения и
лучше выделить наблюдаемый эффект за счет повышения чувствительности к
изменениям характеристик образца. Схематически результат измерения петли
магнитного гистерезиса после компенсации паразитных составляющих спектра
представлен на рис.2.
Рис.2.
а
– скомпенсированная петля магнитного гистерезиса, стрелка указывает положение
перетяжки на фоне петли; б - ΔS,
Δh,
Δε
– параметры перетяжки
В общем случае параметры
перетянутой области (ширина, высота, площадь) отвечают за количество и величину
скачков Баркгаузена, по которым можно судить о “дефектности”
соединения и как следствие рассматривать их как предпосылки к
отказом оборудования, в котором непосредственно используется данный материал.
Литература.
1.
Вечфинский В.С. Магнитотекстурная
память горных пород. Дисс. на соискание уч.
ст. доктора физ.- мат. наук.
Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский
государственный университет, 1992. 213 с.
2. Vechfinsky
V.S., Ershov A.N., Larionov D.A. The method of high harmonics for determining
reheating palaeotemperature
// Studia geophysica et geodaetica. 1996. Vol. 40. P. 413-420.
3. Афанасьев Ю.В. Феррозонды.
Л.: Энергия. 1969. с. 165.
4. Вонсовский
С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1971. 1032 с.
5. Крупичка С. Физика ферритов и родственных им магнитных
окислов. -
М.: Мир. 1976. Т.2. 504 с.
6. Дж. Фрайден Современные датчики, Справочник Москва: Техносфера, 2005. – 592c.
Поступила в редакцию 19 июня 2007 г.