Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям

полярность, определяющую требуемое направление намагничива­ ния сердечника, и амплитуду, достаточную для получения состоя­ ния насыщения сердечника. Вторая проволока предназначена для передачи запроса о состоянии, в котором находится сердеч­ ник, а третья проволока — для передачи сигнала, несущего ответ на этот запрос.

Если тороидальный сердечник доведен до состояния насыще­ ния, после чего намагничивающая сила устранена, то магнитный поток в сердечнике принимает такое значение на основной петле гистерезиса, для которого намагничивающая сила равна нулю. На рис. 4.2 эта точка соответствует остаточной намагни­ ченности вещества, из которого изготовлен сердечник. Со­ стояние вещества, определяемое остаточной намагниченностью, можно использовать в качестве рабочей точки для тороидального магнита, поскольку он не подвержен действию собственных размагничивающих сил (не имеет воздушного зазора). В при­ менении к образцу вещества такое состояние называется основ­ ным состоянием остаточной намагниченности. Когда образец смещен с основной петли гистерезиса и работает на вспомогатель­ ной петле, точка пересечения этой петли с осью намагничивающей силы называется вспомогательным состоянием остаточной на­

магниченности.

В случае тороидального сердечника с прямоугольной петлей

и вспомогательное состояния остаточной намагниченности очень близки. При этом запоминаемая цифра будет представлена любым состоянием остаточной намагниченности, находящимся в окрестности основного состояния. На рис. 19.5 соответствую­ щие точки обозначены словами «Запись 1» и «Запись О».

Импульс электрического тока, посылаемый по «шине запроса» (импульс запроса на рис. 19.5), воспринимается сердечником как намагничивающая или как размагничивающая сила. В пер­ вом случае сердечник доводится до состояния насыщения и после прохождения намагничивающего импульса возвращается к ос­ новному состоянию остаточной намагниченности по основной петле гистерезиса. Во втором случае сердечник перемещается вниз по основной петле гистерезиса и затем возвращается на вспомогательную петлю, достигая вспомогательного состояния остаточной намагниченности, которое характеризуется несколько меньшей плотностью магнитного потока, чем основное состояние остаточной намагниченности. В каждом из этих случаев магнит­ ный поток в сердечнике претерпевает изменение в форме импуль­ са, аналогичного импульсу тока запроса. В результате этого в «шине ответа» генерируется импульс напряжения с амплиту­ дой, пропорциональной амплитуде импульса магнитного потока.

Если материал, из которого изготовлен тороидальный сер­

дечник, имеет прямоугольную петлю гистерезиса, то импульс намагничивания вызывает намного меньшее изменение плотности магнитного потока, чем импульс размагничивания. Импульс напряжения, обусловленный меньшим из этих двух импульсов потока, можно выделить и исключить из дальнейшего рассмотре­ ния. Тогда направление намагниченности будет определяться наличием или отсутствием импульса ответа после передачи импульса запроса. Побудительным мотивом применения в за­ поминающих устройствах сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса является то, что такая петля обеспечивает макси­ мальную разность амплитуд двух возможных импульсов ответа при передаче импульса запроса, а также близость основного

ивспомогательного состояний остаточной намагниченности.

Взапоминающих устройствах на магнитных сердечниках импульс запроса имеет такую же общую форму, как и импульс переключения, или записи. Однако поскольку импульс запроса не должен переключать устройство, его амплитуда должна быть ниже уровня, достаточного для переключения. В то же время чем больше изменение потока, вызванное импульсом запроса, тем сильнее генерируемый ответный сигнал. Таким образом, импульс запроса должен вызывать максимально возможное изменение магнитного потока без переключения устройства.

Переключающий поток — это максимальное изменение потока

вустройстве, не приводящее к его переключению, т. е. переходу

вдругое состояние.

Запоминающий магнитный сердечник является элементом импульсной цепи. Поэтому его реакция на сигналы импульсного типа имеет существенное значение для общих характеристик такой цепи. Быстрота, с которой сердечник может отреагировать на импульсный сигнал, определяется несколькими факторами. Один из них — это вихревые токи, вызывающие задержку реакции, хотя их можно исключить, используя ферритовые ма­ териалы. Однако имеются два других фактора, порождающих задержку, причем они тесно связаны с собственными магнитными свойствами, присущими ферромагнитным веществам.

При малых и средних плотностях магнитного потока измене­ ния намагниченности осуществляются главным образом за счет перемещения стенок доменов. При больших плотностях магнит­ ного потока замедляющим фактором является необходимость полной переориентации векторов магнетонов. Передний фронт импульса переключения сначала вызывает перемещение стенок доменов, а затем стремится полностью перевернуть оси магнето­ нов. После того как магнетоны доменов опрокинутся, стенки доменов переместятся обратно к исходному положению, но уже с опрокинутыми магнетонами. В этом двухэтапном процессе на движение стенок доменов затрачивается намного меньше време­ ни, чем на опрокидывание магнетонов.

Перемещение стенок доменов связано лишь с незначительным изменением направления магнетонов, тогда как опрокидывание последних изменяет угол их ориентации на 180° Импульс напряжения в «шине ответа», вызванный прямоугольным им­ пульсом, поданным на «шину записи», начинается остроконечным выбросом, характеризующим быстрое смещение стенок доменов. Затем следует более пологое возрастание сигнала, отражающее процесс опрокидывания магнетонов. Устройство такого типа не может переключаться быстрее, чем допускает задержка, обуслов­ ленная опрокидыванием магнетонов. Динамическим перемагничиванием называют явление перемагничивания, в котором время переключения состояний магнитной цепи ограничено задержкой, связанной с поворотом магнетонов.

Амплитуда импульса магнитного потока — это ключевой фактор, в конечном итоге определяющий амплитуду импульса напряжения запоминающего устройства на магнитном сердечни­ ке. Изменение плотности магнитного потока, вызванное уменьше­ нием до нуля намагничивающей силы, называется обратным

потоком.

19.8. МАГНИТОМЕТР С ПЕРЕМЕННОЙ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ

В случае, когда ферромагнитное вещество имеет прямоуголь­ ную петлю гистерезиса, при помощи даже очень небольшого изменения намагничивающей силы в области «колена» петли гистерезиса можно получить относительно большое изменение магнитной проницаемости. С помощью магнитодвижущей силы смещения можно расположить рабочую точку в таком месте, где малые приращения намагничивающей силы дают максимальное изменение магнитной проницаемости. В магнитометрах с пере­ менной магнитной проницаемостью приращение намагничиваю­ щей силы создается внешним магнитным полем, в которое помещен этот прибор.

Рассмотрим стержень из материала с прямоугольной петлей гистерезиса, на который воздействует внешнее переменное маг­ нитное поле. На рис. 19.6 показан такой стержень (светлая деталь), на который подается магнитный поток через ярмо, изготовленное из другого магнитного материала (затемненная деталь). Здесь характеристики магнитной цепи определяются почти исключительно свойствами стержня. На рис. 19.7 приведе­ на диаграмма гистерезиса для такой системы в виде вспомога­ тельной петли гистерезиса (на рисунке она затемнена), которая реализуется под влиянием переменного магнитного поля в опре­ деленных пределах вокруг рабочей точки Р, задаваемой полем

Рис. 19.6. Магнитометр с переменной магнитной проницаемостью. Малые изме­ нения напряженности внешнего поля могут привести к значительным изменениям магнитной проницаемости вещества с прямоугольной петлей гистерезиса, если в результате заданного смещения рабочая точка находится у изгиба петли. Индуктивность катушки, связанной с чувствительным элементом общей магнитной цепью, изменяется аналогично магнитной проницаемости

Рис. 19.7. В рабочей области прямоугольной петли гистерезиса малые изменения намагничивающей силы приводят к значительным изменениям магнитной про­ ницаемости:

/ — магнитная проницаемость при большой плотности потока; 2 — магнитная проницае­ мость при малой плотности потока

Индуктивность катушки возбуждения схемы на рис. 19.6 определяется магнитной проницаемостью возврата, соответст­ вующей рабочей точке Р. Если к полю смещения добавляется малое приращение намагничивающей силы, то рабочая точка несколько смещается, вследствие чего изменяется магнитная проницаемость возврата и аналогичным образом изменяется индуктивность катушки возбуждения. В окрестности «колена» прямоугольной петли гистерезиса приращение, добавляемое к полю смещения, определяется максимальным изменением ин­ дуктивности катушки.

Как сказано в гл. 12, изменение индуктивности катушки можно определить по сдвигу частоты настроенного осциллятора типа Ь/С. Индуктивность катушки схемы на рис. 19.6 можно использовать в качестве параметра Ь такого настроенного осцил­ лятора. Магнитометр с переменной магнитной проницаемостью пригоден для измерения как абсолютной величины, так и направ­ ления напряженности любого магнитного поля, в которое он помещен, при этом значение и направление сдвига частоты указывают абсолютную напряженность и направление магнит­ ного поля соответственно.

Внешнее магнитное поле, в которое помещают прибор, харак­ теризуется вектором, имеющим как абсолютную величину, так и направление. Поскольку поле смещения направлено вдоль оси ферромагнитного стержня, оно также описывается вектором, причем этот вектор направлен по оси стержня. Если магнитометр вращается во внешнем поле, сдвиг частоты осциллятора дважды достигает максимального значения — когда векторы внешнего поля и поля смещения суммируются и когда вектор внешнего поля вычитается из вектора поля смещения. Один из этих экстремумов соответствует максимальной частоте осциллятора, другой — минимальной частоте.

Магнитное поле смещения, имеющее заданное направление и обеспечивающее выбор нужного расположения вспомогатель­ ной петли гистерезиса внутри основной петли, можно получить при помощи дополнительного постоянного магнита, катушки индуктивности с постоянным током или же за счет остаточного магнетизма самого ферромагнитного стержня.

19.9. СХЕМА БУКЕ

Магнитная проницаемость тела зависит от напряженности внешнего магнитного поля, в которое это тело помещено. По­ этому измеренная магнитная проницаемость может служить показателем напряженности поля.

Индуктивность катушки, в свою очередь, зависит от магнит­ ной проницаемости материала сердечника катушки. Поскольку индуктивность катушки изменяется в зависимости от мг гнитной проницаемости, а магнитная проницаемость изменяется в зави­ симости от напряженности поля, в качестве показателя напря­ женности поля можно использовать индуктивность катушки. Хотя зависимость между напряженностью поля и индуктив­ ностью является нелинейной, она вполне воспроизводима и под­ дается калибровке.

В схеме Буке используется тороидальная катушка с сер­ дечником в виде плоского кольца, изготовленного из спрессован-

Магншпное

Рис. 19.8. Схема Буке. После соответствующей калибровки намагниченность любого вещест­ ва в любом направлении можно определять по импедансу катуш­ ки, намотанной вокруг части тела из этого вещества