16.1. ПЕТЛЯ МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИСТЕРЕЗИСА
Механические явления, обусловленные магнитострикцией, можно проиллюстрировать, рассмотрев наряду с петлей магнит ного гистерезиса, приведенной на рис. 4.2, также петлю магнито механического гистерезиса. Такая петля, изображенная на рис. 16.1, показывает зависимость между механической дефор мацией и напряженностью магнитного поля для различных цик лов намагничивания ферромагнитного вещества.
В основе явления магнитострикции лежит энергетический обмен между упругой деформацией и намагниченностью. Коэф фициенты в выражениях, связывающих эти две формы энергии, называют коэффициентами магнитоупругого взаимодействия.
Хотя изменения размеров в результате магнитострикции пре вышают аналогичные изменения, характерные для парамагнит ных материалов (см. рис. 6.1), они все же очень малы. Напри мер, в состоянии магнитного насыщения тело из никеля изменяет свою длину всего лишь приблизительно на тридцать миллионных частей.
Как и явление гистерезиса, магнитострикция связана с фор мированием доменов. Домены соответствуют магнитному насы щению вдоль осей кристалла с наиболее легким намагничива нием. Ориентации и объемы отдельных доменов определяются как характеристиками магнитного поля, так и электростатиче скими силами кристалла. Поскольку механические деформации несколько изменяют параметры кристаллической решетки, меж молекулярные силы, обеспечивающие самопроизвольное упоря дочение ориентаций магнетонов и образование доменов, также изменяются, причем изменяется и намагниченность, зависящая от формы доменов.
Материалы изменяются по размерам при возникновении яв ления магнитострикции главным образом во время такого про цесса, когда много отдельных доменов смещаются со своих пред почтительных кристаллографических осей в верхней части цикла
Рис. 16.1. Петля магнитомеханического гистерезиса. Размеры тела из ферро магнитного вещества зависят от намаг ниченности, так что данную петлю ги стерезиса можно получить из обычной петли гистерезиса при намагничивании
намагничивания. Домены отталкиваются один от другого, если они упорядочены по ориентациям и сориентированы в одном общем направлении. Содержащий их материал несколько рас ширяется в направлении этого отталкивания.
В магнитострикционных преобразователях используют маг нитное поле смещения, для того чтобы поместить центральную точку их вспомогательной (рабочей) петли гистерезиса в той области основной петли гистерезиса, где достигается максималь ная магнитострикционная реакция в сочетании с наибольшей линейностью преобразования. Нужное смещение можно обеспе чить либо при помощи приложенной извне намагничивающей силы, либо за счет способности самого материала сохранять остаточную намагниченность.
Вследствие того что явление магнитострикции обусловлено непосредственно ферромагнетизмом, все особенности, присущие ферромагнитным веществам, сказываются и на магнитострик ции. Как и следует ожидать, магнитострикция совершенно не проявляется при температурах выше точки Кюри. Однако для конкретного ферромагнитного вещества не удается предсказать какое-либо определенное соотношение между намагничивающей силой и степенью выраженности магнитострикции, его можно найти только опытным путем. Проявления магнитострикции у разных ферромагнитных веществ могут очень сильно различать ся как по интенсивности, так и по направлению. Возможно, объяснение этого лучше всего проиллюстрировано при помощи схемы на рис. 3.5. Если здесь «столбцы» магнетонов располо жены ближе один к другому, чем «строки», то направление маг нитострикции будет противоположным направлению для случая, когда расстояние между «строками» меньше, чем расстояние между «столбцами».
Все магнитострикционные эффекты обладают свойством вза имности, т. е. изменение размеров приводит к изменению на магниченности, и, наоборот, при изменении намагниченности происходит изменение размеров.
16.2. ЭФФЕКТ ВИЛЛАРИ
Эффект Виллари заключается в изменении намагниченности в направлении механической деформации. У магнитострикцион ных веществ может наблюдаться положительный или отрица тельный эффект Виллари, т. е. при увеличении деформации на магниченность либо увеличивается, либо уменьшается. Поло жительным считается здесь эффект Виллари, вызывающий уменьшение магнитной проницаемости, когда материал подверг нут сжатию. Соответственно магнитная проницаемость таких материалов возрастает при их растяжении. Преобразователи, в которых используется это явление, иногда называются «пре-
Намагничивающая |
Рис. 16.2. Эффект Виллари и попереч |
сила |
ный эффект Виллари. Индуктивность |
Механическая |
катушки, намотанной вокруг ферромаг |
нитного элемента, зависит как от осевой |
|
|
силы, приложенной к этому элементу, |
|
так и от напряженности внешнего маг |
|
нитного поля |
образователями с изменением магнитной проницаемости» или «преобразователями с изменением р».
В некоторых случаях при увеличении деформации магнитная проницаемость увеличивается в слабом магнитном поле, но уменьшается в сильном магнитном поле. Точкой обращения Вил лари на кривой намагничивания называется точка, где намаг ниченность не зависит от деформации.
Поперечный эффект Виллари заключается в изменении на магниченности по направлению, перпендикулярному направле нию механической деформации.
Как и в любых магнитострикционных эффектах, если здесь изменение размеров вызывает изменение намагниченности, то и, наоборот, изменение намагниченности должно привести к изменению размеров. Явления, взаимные по отношению к раз личным эффектам Виллари, называются эффектами Джоуля.
На рис. 16.2 изображена система, в которой можно наблю дать эффект Виллари и поперечный эффект Виллари.
16.3. ЭФФЕКТ ГИЛЛМЕНА
Если магнитное вещество помещено в магнитное поле, то магнетоны, являющиеся составной частью этого вещества, стре мятся упорядочить свои ориентации, с тем чтобы их оси совпа дали по направлению с внешним полем или же были направ лены противоположно. Как показано на рис. 3.5, возможны не сколько различных структур с упорядоченными ориентациями магнетонов. Если магнетоны упорядочены по ориентациям, они оказывают друг на друга взаимное воздействие, которое влияет на размеры материала, содержащего магнетоны. Если упорядо ченная структура такова, что смещенные магнетоны отталки ваются один от другого, то материал несколько расширяется в направлении их отталкивания. Если же смежные магнетоны притягиваются один к другому, то материал несколько сжима ется в направлении притяжения. Результаты этого проявляются либо в виде магнитострикции, обсуждаемой в этой главе, либо в виде парамагнитной деформации, рассмотренной в § 6.4.
Магнитострикция характерна для материала, в котором об-
238
ленный из магнитострикционного вещества, имеет две симметрич ные полости, то разность давлений между этими полостями соз дает смещение намагниченности, нарушающее равновесие транс форматора.
16.5. КРУТИЛЬНЫЙ ДИНАМОМЕТР НА ОСНОВЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ТРАНСФОРМАТОРА ВИЛЛАРИ
Если приложить к валу крутящую нагрузку, то в нем возник нут напряжения сдвига, направленные под углом 45° к оси вала, при этом главные растягивающие и сжимающие напряжения вза имно перпендикулярны и направлены, как показано на рис. 16.4. Изменение направления приложенного крутящего момента на противоположное приводит к изменению знака напряжений сдвига, причем растягивающие силы заменяются на сжимаю щие, и наоборот, однако их направления остаются неизменными.
Эффект Виллари определяется влиянием деформации на на магниченность. Следовательно, это явление можно использовать в дифференциальном трансформаторе для измерения крутящего момента. В нем деформация сжатия должна воздействовать на один путь магнитных силовых линий, а деформация растя жения — на другой. В системе, изображенной на рис. 16.4, при отсутствии нагрузки выходной сигнал равен нулю. При увеличе нии крутящего момента сигнальное напряжение увеличивается независимо от того, вращается вал Или остается неподвижным.
Рис. 16.4. Крутильный динамо метр на основе дифференциаль ного трансформатора Виллари. Измерение степени нарушения равновесия между двумя пле чами трансформатора можно использовать для определения крутящего момента вала без механического контакта между валом и прибором
Обычно по окружности, охватывающей вращающийся вал, устанавливают несколько таких трансформаторов, выходные сигналы которых суммируются. Такое устройство обеспечивает компенсацию небольшого эксцентриситета вала и неоднородности магнитных свойств материала, из которого он изготовлен.
16.6. МОСТ ВИЛЛАРИ
Приборы, в основу которых положена четырехплечевая маг нитная мостовая схема, использующая эффект Виллари, полу чили название прессдукторов. Прибор такого типа можно рас-
240