Статья: Способ исследования динамической несимметрии магнитокалорического эффекта

Способ исследования динамической несимметрии магнитокалорического эффекта

Способ исследования динамической несимметрии магнитокалорического эффекта

О.Ф. Меньших

Настоящая работа относится к физике магнетизма ферромагнетиков в процессах их динамического взаимодействия с насыщающими магнитными полями, сопровождающегося фазовыми переходами первого рода и температурными вариациями в дифференциальном объёме тела ферромагнетика, циклически подвергаемого действию насыщающего магнитного поля, и может быть использовано при построении ферромагнитовязких двигателей, преобразующих теплоту внешней среды в механическую работу.

Известен магнитокалорический эффект - изменение температуры магнитного вещества (магнетика) при его адиабатическом намагничивании (размагничивании). В условиях адиабатичности магнетик не поглощает и не отдаёт теплоту, поэтому энтропия магнетика не меняется [1 - 8]. Адиабатический процесс - термодинамический процесс, происходящий в системе без теплообмена с окружающей средой, то есть в адиабатически изолированной системе, состояние которой можно изменить только путём изменения внешних параметров, например, действием внешнего магнитного поля.

В физике вводится понятие фазового перехода между различными макроскопическими состояниями (фазами) многочастичной системы, происходящего при определённых значениях внешних параметров (температуры, давления, магнитного поля и т.п.) в так называемой точке перехода. Фазовый переход следует отличать от постепенных превращений одного состояния в другое, происходящих в целом интервале параметров. Обычно различают фазовые переходы 1-го рода, происходящие с выделением или поглощением теплоты и сопровождающиеся скачками физических свойств вещества, и фазовые переходы 2-го рода, происходящие непрерывным образом, но сопровождающиеся аномальным возрастанием флуктуационных явлений [9 - 11].

В ферромагнетиках магнитокалорический эффект связан с фазовым переходом 1-го рода в насыщающих магнитных полях, при котором скачком изменяется удельная теплоёмкость ферроматериала. Для разных типов ферромагнетиков точка перехода достигается при разных значениях напряжённости внешнего магнитного поля.

С учётом фазового перехода 1-го рода в ферромагнетиках, сопровождающегося скачкообразным изменением удельной теплоёмкости ферроматериала в точке перехода от намагниченного состояния в размагниченное совсем не обязательно соблюдение требования адиабатичности, то есть изоляции системы от внешней среды, при рассмотрении магнитокалорического эффекта, при котором наблюдается охлаждение ферромагнетика при его размагничивании, которое во времени происходит скачкообразно, за интервал времени, соизмеримый с постоянной релаксации магнитной вязкости ферромагнетика, например, порядка долей миллисекунды, в течение которого процесс можно рассматривать как квазиадиабатический, при котором процесс быстрого охлаждения ферромагнетика при скачкообразном снятии внешнего насыщающего магнитного поля превалирует над процессом относительно медленного нагревания охлаждённого ферромагнетика от воздействия внешней среды через механизм теплопроводности.

Как известно, магнитокалорический эффект обладает свойством симметрии, что означает, что тепловая энергия, расходуемая на нагревание ферромагнетика в насыщающем магнитном поле, равна такой же энергии при охлаждении ферромагнетика при снятии внешнего магнитного поля, так что температура ферромагнетика остаётся такой же, какой она была до действия на него насыщающего магнитного поля. При этом считается, что такой ферромагнетик находится в статическом состоянии (в состоянии относительного покоя) по отношению к воздействующему на него насыщающему магнитному полю.

Однако возникает вопрос, остаётся ли симметричным магнитокалорический эффект в случае частичного использования внутренней энергии ферромагнетика на возникновение силовой реакции при взаимодействии насыщающего магнитного поля, вызывающего фазовый переход первого рода, с движущимся в таком поле ферромагнетике, при котором возникает неодинаковая намагниченность ферромагнетика вдоль траектории его движения в пространственно локализованном насыщающем магнитном поле, в каждый данный момент времени, обусловленная магнитной вязкостью ферромагнетика, которую согласуют со скоростью движения последнего,

Действительно, известны различного рода ферромагнитовязкие двигатели [12-20], неравномерность намагничивания ферромагнетика в которых вдоль координаты, сопряжённой с магнитным зазором с насыщающим магнитным полем вдоль направления движения ферромагнетика, имеет место в случае, когда магнитная восприимчивость ферромагнетика ДО его входа в магнитный зазор с насыщающим магнитным полем явно больше той его магнитной восприимчивости, которая устанавливается в экспоненциальном процессе согласно кривой Столетова. При этом величина степени при экспоненте определена отношением текущего времени нахождения дифференциального объёма движущегося ферромагнетика в локализованном насыщающим магнитном поле (в длине магнитного зазора) к постоянной магнитной вязкости ферромагнетика. Намагниченность J определяется произведением

J(t) = χ(t) H,

где χ(t) - магнитная восприимчивость ферромагнетика с постоянной τ магнитной вязкости, а H - - напряжённость магнитного поля, действующего на ферромагнетик.

Это возможно в двух случаях: если начальная магнитная восприимчивость χНАЧ при Н = 0 оказывается заметно большей по величине восприимчивости этого же ферромагнетика в установившемся режиме при его магнитном насыщении (в так называемом парапроцессе) или когда ферромагнетик искусственно доводят действием внешнего магнитного поля определённой величины (существенно меньшей напряжённости насыщающего магнитного поля) до максимальной восприимчивости χМАХ >> χНАС, где χНАС - магнитная восприимчивость ферромагнетика при его магнитном насыщении. Иначе говоря, работа ферромагнитовязкого двигателя предполагает выполнение исходного условия: χМАХ >> χНАЧ > χНАС. При соблюдении этого условия центр намагниченности той части ферромагнетика, которая в каждый данный момент времени расположена в магнитном зазоре с насыщающим магнитным полем, находится ближе к началу магнитного зазора по ходу движения ферромагнетика и поэтому втягивается в магнитный зазор, центр магнитного притяжения в котором расположен дальше центра намагниченности ферромагнетика, и это втягивание осуществляется под действием возникающей силы, постоянно действующей в направлении движения ферромагнетика. Это способно поддерживать неограниченно долго такое движение, если указанная сила втягивания не меньше силы, обусловленной трением и присоединённой нагрузкой.

В соответствии с законом сохранения и превращения энергии всякое механическое движение материального объекта (в данном рассмотрении ферромагнетика) связано с затратой энергии, поступающей из соответствующего источника энергии. В случае использования для образовании насыщающего магнитного поля сильного постоянного магнита, например, на основе структуры SmCo3 или Sm2Co17 магнитная энергия которого практически не изменяется (за исключением медленных эффектов «старения»), следует понять, откуда может черпаться энергия для поддержания, например, вращательного движения ферромагнитного кольца с осью вращения, частично помещаемого в магнитный зазор с насыщающим магнитным полем постоянного магнита, если не от него самого.

Современная физическая наука пока не открыла возможностей использования энергии так называемого «вакуумного поля», хотя в этом направлении идёт научный поиск, связанный с недавним открытием в ЦЕРН,е безмассовых бозонов Хиггса. Поэтому следует считать, что единственно возможным источником энергии, поддерживающей вращательное движение ферромагнитного кольца, является внутренняя энергия ферромагнетика, определяемая, в частности, его температурой. Уменьшение этой внутренней энергии, превращаемой в механическую, должно приводить к охлаждению вращающегося ферромагнитного кольца, к которому из внешней среды в механизме теплопередачи поступает соответствующая тепловая энергия по законам термодинамики. При этом происходит превращение тепловой энергии внешней среды в механическую работу. Следовательно, магнитокалорический эффект в динамике взаимодействия движущегося в насыщающем магнитном поле ферромагнетика не сохраняет своих свойств симметрии, то есть является несимметричным.

Исследование несимметрии магнитокалорического эффекта в динамике является задачей заявляемого технического решения. Аналоги соответствующих решений заявителю не известны (отсутствует прототип).

Целью данной работы является обеспечение возможности исследования свойства динамической несимметрии магнитокалорического эффекта при работе ферромагнитовязких двигателей в различных режимах присоединённой нагрузки по возникающему различию температуры ферромагнетика в таком работающем двигателе с температурой внешней среды.

Указанная цель реализуется в заявляемом способе исследования динамической несимметрии магнитокалорического эффекта при фазовом переходе первого рода в ферромагнетике под действием насыщающего магнитного поля, отличающимся тем, что используют вращающееся ферромагнитное кольцо с осью вращения, частично помещённое в пространственно локализованное насыщающее магнитное поле, причём магнитную восприимчивость ферромагнетика, входящего в магнитный зазор с насыщающим магнитным полем, выбирают существенно большей величины, чем магнитная восприимчивость этого ферромагнетика в состоянии его магнитного насыщения, угловую скорость вращения ферромагнитного кольца согласуют с постоянной магнитной вязкости ферромагнетика, геометрией ферромагнитного кольца и длиной магнитного зазора с насыщающим магнитным полем, измеряют температуру вращающегося ферромагнитного кольца и сравнивают её с температурой внешней среды, восполняющей возникающие в ферромагнитном кольце тепловые потери, расходуемые на совершение механической работы вращающегося ферромагнитного кольца в режиме его работы как ферромагнитовязкого двигателя, частоту вращения которого задают синхронным двигателем переменного тока и измеряют частоту этого переменного тока.

Способ исследования динамической несимметрии магнитокалорического эффекта, отличающийся тем, что для увеличения магнитной восприимчивости движущегося ферромагнетика непосредственно перед его вхождением в магнитный зазор с насыщающим магнитным полем ферромагнетик подвергают предварительному намагничиванию во внешнем магнитном поле определённой величины, с помощью которой доводят его магнитную восприимчивость до максимальной величины согласно кривой Столетова, определяющей зависимость магнитной восприимчивости ферромагнетика от напряжённости действующего на него внешнего магнитного поля, для чего в зависимости от заданной скорости вращения ферромагнитного кольца регулируют ток подмагничивания электромагнита, создающего указанное магнитное поле.

Достижение поставленной цели объясняется магнитной вязкостью используемого ферромагнетика, то есть временным запаздыванием его магнитной восприимчивости, а, следовательно, и его намагниченности, от изменения напряжённости действующего на ферромагнетик внешнего магнитного поля, что обусловливает в динамике движения ферромагнетика в пространственно локализованном насыщающем магнитном поле неравномерное распределение магнитной восприимчивости, а, следовательно, и намагниченности различных сечений ферромагнетика, вдоль траектории его движения в магнитном зазоре с насыщающим магнитным полем. При этом различие в положениях центра намагниченности ферромагнетика, охваченного действием насыщающего магнитного поля, и центра магнитного притяжения в магнитном зазоре приводит к появлению постоянно действующей втягивающей силы, приложенной к ферромагнетику со стороны насыщающего магнитного поля и направленной коллинеарно в направлении движением ферромагнетика, которая способна поддерживать такое движение за счёт тепловой энергии внешней среды в механизме охлаждения ферромагнетика в динамике его движения в насыщающем магнитном поле в соответствии с законом сохранения и превращения энергии.

Повышение энергетической эффективности при работе ферромагнитовязкого двигателя достигается, при прочих равных условиях, путём увеличения разности значений магнитной восприимчивости ферромагнетика до его непосредственного введения в магнитный зазор с насыщающим магнитным полем и тем значением его магнитной восприимчивости, которое оказывается в конце магнитного зазора при заданном темпе движения ферромагнетика в магнитном зазоре, длина которого согласована с постоянной магнитной вязкости ферромагнетика и скоростью его движения. Максимизация указанной разности магнитных восприимчивостей ферромагнетика в начале и конце магнитного зазора с насыщающим магнитным полем обеспечивается предварительным воздействием на ферромагнетик магнитным полем, напряжённость которого выбрана так, что магнитная восприимчивость входящих в магнитный зазор частей ферромагнетика оказывается максимально возможной, отвечающей максимуму на кривой Столетова для функции χ (Н), для чего соответствующим образом регулируют ток подмагничивания такого электромагнита в процессе проведения исследований при различных скоростях движения ферромагнетика в магнитном зазоре, либо используют специально подобранный постоянный магнит при реализации ферромагнитовязкого двигателя на основе проведённых исследований. Однако ферромагнитовязкий двигатель работоспособен и без указанной настройки, если соблюдается условие χНАЧ > χНАС, хотя и со значительно меньшей энергетической эффективностью.

Рассмотрим операционную сущность рассматриваемого способа, поясняемого реализующим его устройством, упрощенная схема которого представлена на рис.1 и включает следующие элементы и узлы:

- ферромагнитное кольцо из исследуемого ферромагнетика,

- медные держатели ферромагнитного кольца,

- диэлектрические траверсы крепления с малой теплопроводностью,

- ось вращения ферромагнитного кольца,

- трёхфазный синхронный двигатель,

- трёхфазный генератор с регулируемой частотой,

- электромагнит, в зазоре которого размещена часть ферромагнитного кольца 1,

- обмотку электромагнита,

- регулируемый источник постоянного тока,

- первый датчик температуры ТВН, укреплённый на корпусе электромагнита,

- первый измеритель температуры ТВН внешней среды,

- второй датчик температуры ТСРЕД, укреплённый на медном держателе 2 ферромагнитного кольца 1,

- кольцевые электроды на оси вращения, электрически связанные со вторым измерительным датчиком температуры 12,

- скользящие контакты,

- второй измеритель температуры ТСРЕД вращающегося ферромагнитного кольца 1,

- блок обработки информации и индикации. Блок управляет источником 9 и измеряет ток подмагничивания электромагнита 7, регистрирует значения температур ТВН и ТСРЕД соответственно с датчиков 10 и 12, управляет генератором 6 и измеряет частоту его колебаний, а так- же измеряет расходуемую синхронным двигателем 5 мощность как функции от угловой скорости ω вращения ферромагнитного кольца 1, регистрируя при этом мощность вращательного движения ферромагнитного кольца в режиме его как ферромагнитовязкого двигателя.

На рис.2 изображена конструкция (вид сбоку) составного электромагнита 7 из двух половин, первая из которых по ходу движения ферромагнитного кольца 1 представляет собой магнит с одинаковой напряжённостью Н* на всём его протяжении L в зазоре, которая доводит магнитную восприимчивость ферромагнетика при его скорости движения

V = ω* R

до максимального значения χМАХ (здесь ω* - оптимальная угловая скорость вращения ферромагнитного кольца 1 в магнитном зазоре длиной L, R - средний радиус ферромагнитного кольца), а вторая - собственно рабочий магнитный зазор с неоднородным насыщающим магнитным полем, напряжённость которого ННАС линейно возрастает от начала к концу этого магнитного зазора длиной L, находясь в пределах НО < ННАС < НМАХ.

На рис.3 показаны три состояния стационарной намагниченности ферромагнетика при трёх различных напряжённостях внешнего магнитного поля, воздействующего на ферромагнетик, имеющий доменную структуру с трансформацией плотности магнитных силовых линий при изменении напряжённости магнитного поля, исходящих из каждого домена (17), связанного по последовательным цепям с другими доменами (18), а также замыкающихся внутри ферромагнетика для каждого из отдельно взятых доменов. В частности, показана трансформация плотности магнитных силовых линий для напряжённостей магнитного поля Н = 0 (рис.3а), при которой магнитная восприимчивость является начальной χНАЧ, Н = Н* (рис.3б), при которой магнитная восприимчивость максимальная χМАХ согласно кривой Столетова, и Н = НМАХ (рис.3в), при которой магнитная восприимчивость χНАС соответствует насыщенному состоянию ферромагнетика в конце магнитного зазора с насыщающим магнитным полем, и при этом соблюдается условие χМАХ >> χНАЧ > χНАС. На рис.3 обозначен полный магнитный поток домена как σО, часть его, связывающаяся во внешнюю магнитную цепь, обозначим как σ1, а другая его часть, образующая внутренний контур, обозначим как σ2.. Тогда σО = σ1 + σ2. Отношение ε = σ1 / σО определяет степень указанной перегруппировки магнитного потока домена. В магнитном поле с напряжённостью Н* все магнитные силовые линии домена образуют внешние магнитные цепи и значение ε = 1, а при иных напряжённостях магнитных полей значение ε < 1.