МАГНЕТИЗМ. Указатель физических эффектов и явлений Ю.В.Горина.

V. МАГНЕТИЗМ.

V-1. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ.

Магнитное поле - особая материальная среда, возникающая при изменении электрического поля или при движении электрических зарядов; в свою очередь, магнитное поде воздействует на движущиеся заряды /ток/ или при своем изменении порождает электрическое поле. Магнитные силовые линии замкнуты - в отличие от линий электрического поля, они не имеют начала и конца.
Магнитные поля постоянных магнитов создаются упорядоченным движением зарядов /электронов/ внутри атомов и молекул вещества, из которого сделаны постоянные магниты. Для их производства употребляются, как правило, так называемые магнитожесткие материалы. Постоянный магнит теряет необратимо свои свойства в случае, если будет нарушено упорядоченное расположение атомов в нем /например, при резком ударе или при нагревании выше определенной температуры/. Постоянные магниты могут потерять свои свойства также со временем. Случайные возмущения /флуктуации /приводят со временем к нарушению упорядоченной магнитной структуры, что и приводит к старению магнитов. Полное время старения намеряется десятками и сотнями лет.
Настоящей энциклопедией современных знаний о магнетизме является книга «Магнетизм», написанная крупнейшим ученым-магнитчиком академиком С.В. Вонсовским и вышедшая в 1971г.
Примеры. А.с. 311058: Способ воспламенения горючей смеси преимущественно в двигателе внутреннего сгорания путём воздействия на искровой разряд между электродами, отличающийся тем, что, с целью расширения пределов воспламенения и повышения динамики развитии очага пламеня путем смещения искрового разряда в пространстве между электродами, на искровой разряд воздействуют магнитным полем, силовые лини которого направляют под углом к каналу искрового разряда.
Недавно в ФРГ появились замки, принцип работы которых основан на взаимодействии магнитных полей: защелки замочного цилиндра открываются только от соприкосновения со специально закодированной магнитной пластичной, которая в выполняет роль ключа. Магнитная система имеет малый износ; в силу многочисленности вариантов она значительно надежнее замков старой системы. Ранее эти замки были изобретены в Японии.
Авторское свидетельство № 254481:
А.с. 254481: Оптический квантовый генератор, содержащий газоразрядную трубку с усиливающей средой и резонансную поглощающую ячейку, отличающийся тем, что, с целью получения одночастотного режима генерации, резонансная поглощающая ячейка помещена в продольное магнитное поле.
А.с. 2519б8: Способ измерения локальных скоростей в потоке, основанный на использовании электродов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в зоне измерений создают магнитное поле с двумя составляющими, частоты которых изменяются во времени, и из суммарного снимаемого сигнала выделяют частоту каждой составляющей, по соотношению которых судят о скорости.
A.с. 322706: Cпoco6 диагностики плазменных струй, заключающийся в пропускании зондирующего излучения через плазму, отличающейся тем ,что, с целью определения параметров плазмы по сечению струй, плазменную струю смещают в поперечном направлении с помощью магнитного поля.
Несколько лет назад появились первые промышленные установки, штампующие детали «ударом» магнитного поля /см. а.с. № 204296/. Принцип действия - в наведении сильного магнитного поля кратковременным электрическим током /разряд конденсатора на катушку соленоида/. Магнитные силы, возникающие при взаимодействии импульсного магнитного поля в вызываемых им вихревых токов в заготовке, принимают заготовку к матрице, вызывая появление пластических деформаций. Материал течет и легко заполняет любые формы. Уже работают установки по магнитной опрессовке муфт и наконечников, развальцеванию жести, вырубанию отверстий, выпучиванию жести.
Метод магнитной штамповки применим к материалам с плохой электропроводностью, и даже к диэлектрикам - для этого достаточно покрыть их внешнюю поверхность хорошо проводящим слоем.
А.с.213630: Способ объемной виброобработки мелких в особенности часовых, деталей в контейнере, содержащем рабочую среду, включающую абразивный материала, магнитные свойства которой противоположны магнитным свойствам обрабатываемых деталей, и совершающим пространственные колебания под действием, например, шарнирно подвешанного дебалансного вибратора, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и улучшения качества обработки, в рабочем объеме контейнера создают импульсное или вращаемое магнитное поле, которое, взаимодействуя с обрабатываемыми деталями или рабочей средой, вызывает относительное перемещение частицы среды и деталей, причем вращаемое магнитное поле направляют против движения, вызываемого колебаниями контейнера.
А.с. 273461: Устройство для автоматического управления рычажными весовыми дозаторами порционного действия, содержащее чувствительный элемент, срабатывающий при сближении с управляющим им приспособлением, отличающееся тем, что, с целью упрощения электрической схемы, в устройстве чувствительный элемент выполнен в виде безртутного герметизированного магнитоуправляемого контакта, а в качестве управляющего им приспособления устройство содержит источник магнитного поля.
Патент США 3560846: Прибор для обнаружения объектов из материалов, обладающих магнитной проницаемостью, или наличия внешнего магнитного потока содержит один или несколько источников магнитного потока, противоположные полюса которых закорочены ярмом, обладающим высокой магнитной проницаемостью и не насыщающимся под воздействием только магнитного потока от этих источников. Внешний объект или источник магнитного потока может насытить ярмо, результирующее воздействие на прибор или поле, окружающее ярмо, может быть зафиксировано чувствительным элементом. Когда два источника магнитного потока закорочены ярмом, а между другой группой полюсов имеется воздушный зазор, элемент, чувствительный к магнитному потоку, реагирует только на поток, который закорачивает воздушный зазор и увеличивает поток, насыщающий ярмо, что имеет место в случае обнаружения из ферритовых материалов объектов. Резко насыщаемое ярмо позволяет получить прибор с определенными восходящей и нисходящей характеристиками. Определенная конфигурация воздушного зазора обеспечивает направленную чувствительность прибора.
А.с. 208740: Способ нагрева и плавки металлов во взвешенном состоянии в электромагнитном поле в вакууме или инертной атмосфере, отличающийся тем, что, с целью плавного регулирования в широком диапазоне температуры взвешенного металла, нагрев осуществляют с помощью двух электромагнитных нолей различных частот, одно из которых удерживает металл во взвешенном состоянии с минимальным нагревом, а второе поле нагревает металл до заданной температуры.
A.с. 166277:Способ регистрации и определения температурного поля источнике излучения до записи его изображения в виде распределения намагниченности на магнитной пленке о половой доменной структурой, отличающийся тем, что, с целью повышения точности я расширения диапазона определяемых температур, магнитную пленку покрывают магнитным коллоидом, прикладывают к ней вертикальное магнитное поле и регистрируют под равными углами изображения, проявляемые в дифрагировавшем свете, которые являются изотермическими изображениями, характеризующими температурное поле источника.
А.с. 260083: Способ определения места попадания на фотокатод коротких световых импульсов, состоящий в определении времени дрейфа фотоэлектронов, направляемых вдоль фотокатода к диодной системе фотоумножителя, отличающийся, тем, что с целью увеличения точности определения места попадания на фотокатод световых импульсов, фотокатод и прикатодную область фотоумножителя помещают в скрещенные электрическое и магнитное поле, у которых вектор напряженности магнитного поля лежит в плоскости фотокатода нормально к направлению его протяженности.
А.с. 266338:Способ определения концентрации раствора электролита, состоящий в измерении разности потенциалов с помощью датчика, содержащего два питающих и два потенциальных электрода, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, анализируемого среду помещают в однородное магнитное поле, при этом измерительные электроды ячейки располагают на эквипотенциальной линии магнитного поля.
Патент США 3568048: Способ и устройство для его реализации, обеспечивающие обнаружение геофизических аномалий путем измерения в двух плоскостях реальных низкочастотных переходных магнитных полей, используют три ортогональные катушки и обработку их выходных напряжений в соответствующих пропорциях для получения эффекта эквивалентной системы катушек. Эта система катушек содержит две пары катушек, причем ось каждой катушки в паре наклонена под углом 45° к горизонтали и под углом 90 к оси другой катушки этой пары. Одна пара этих эквивалентных катушек находится ж одной вертикальной плоскости, а другая пара эквивалентных катушек находится в другой вертикальной плоскости.
Большие возможности заложены в применении магнитных полей для управления электронным лучом /электронная лампа как магнитометр/. Теория и многие практические вопросы этого явления доступно изложены в книге Ефимова Б.В, и Сахова В.Б. «Электронные преобразователи с магнитным управлением», Л. Энергия 1972год. См. также a.c. № 123261, № 220575.

V-2. ПИНЧ-ЭФФЕКТ

При прохождении достаточно сильного тока по ионизованному газу взаимодействие этого тока с его собственным магнитным полем создает силу, сжимающую столб плазмы с током /почти ИКР - разряд сам себя сжимает/. Столб разряда стягивает в шнур; такое отшнуровывание плазмы, в реальных условиях весьма кратковременное, позволяет получать в шнуре плазмы температуры до нескольких миллионов градусов. Подобное явление называется линейным пинч-эффектом; линейный пинч неустойчив /существует несколько микросекунд/ и сопровождается жестким рентгеновским излучением; при разряде в дейтерии наблюдается нейтронное излучение. Устойчивость шнура можно повысить, и, следовательно, получить более высокие температуры, если применить дополнительное сжатие внешним магнитным полем /Тэта-пинч/. Разновидность пинч-эффекта имеет место и в низкотемпературной плазме, если ее плотность достаточно велика /например, в ртутных выпрямителях/.
Физика пинч-эффекта просто и понятно изложена в уже цитированной книге Л.А. Арцимовича «Элементарная физика плазмы».

V-З. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ

По своим магнитным свойствам вещества делиться на диамагнетики и парамагнетики. Явление аномально сильного парамагнетизма обычно называют ферромагнетизмом.
Диа-, пара- и ферромагнетизм достаточно строго могут быть объяснены только на основе квантовой теории; поэтому в этом разделе многие факты будут приведены без объяснений.
Молекулы диамагнетика собственного магнитного момента не имеют; он возникает у них только под действием магнитного поля и направлен против основного поля; таким образом, результирующее магнитное поле диамагнетике меньше, чем внешнее поле, хотя и на очень малую величину /магнитная восприимчивость диамагнетиков мала/.
Молекулы /или атомы/ парамагнетиков имеют собственные магнитные моменты, которые под действием внешних полей ориентируются по полю и тем самым создают результирующее поле, превышающее внешнее: В обычных парамагнетиках это превышение мало; однако существует ряд веществ /железо, никель, кобальт, гадолиний/, в которых квантовые эффекты межатомного взаимодействия приводят к образованию доменов - областей самопроизвольной намагниченности с весьма сильными магнитными полями. Таким образом, домены - это макроскопические /порядка микрон/ участки объема ферромагнитных кристаллов с однородной намагниченностью. Существование доменов возможно только ниже определенной температуры /точки Кюри /; выше точки Кюри тепловое движение нарушает упорядоченную структуру доменов, и ферромагнетик переходит в обычный парамагнетик /фазовый переход второго рода/.
Точка Кюри для железа-1043К, для кобальта-1394К, для никеля-631К. Температуры плавления для этих веществ соответственно: 1812К, 1766К, 1726К. Таким образом, в расплавленном состоянии эти вещества не обладают ферромагнитными свойствами.
При наложении магнитного поля домены ориентируются по полю, и их поля создают суммарное поле, в сотни и тысячи раз превышающее внешнее поле /электромагниты/.
Примеры А.с. 266029: Магнитная муфта скольжения, содержащая корпус и многополюсный ротор с постоянными магнитами, отличающаяся тем, что, с целью автоматического включения ж выключения муфта при заданной температуре, она снабжена шунтами, установленными между полюсами ротора и выполненными из термореактивного материала, имеющего характеристику магнитной проницаемости с точкой Кюри, соответствующей заданной температуре, а корпус изготовлены из материала с точкой Кюри, соответствующей температуре выше заданной.
А.е.262463:Способ количественного определения содержания вольфрама в связующей фазе металлокерамических твердых сплавов, отличающийся тем, что, с целью ускорения и упрощения методики анализа, испытуемой образец нагревают, измеряют с помощью магнетометрической установки изменение магнитной проницаемости сплава и по мере ферромагнитных свойств фиксируют температуру Кюри, по величине которой судят о количественном содержании вольфрама.
Это свидетельство требует некоторых пояснений. Дело в том, что вольфрам-парамагнетик, он не обладает ферромагнетизмом. Металлокерамика обычно изготавливается из карбида вольфрама методом порошковой металлургии: в качестве цементирующего элемента применяют кобальт или никель, обладающие ферромагнитными свойствами, т.к. фактически по а.с.262483 определяют содержание кобальта; так как оно известно заранее, то возможно получение информации о содержании вольфрама - кобальт /или никель/при этом распределены по сплаву в виде экстремально малых ферромагнитных частиц. Уменьшение размеров этих частиц приводит к потере ферромагнитных свойств. Этот переход зависит также от температуры, что и используется в а.с. № 262483 /см.явление суперпарамагнетизма/.
А.с. 241567: Способ регулирования процесса контактной стыковой сварки непрерывным сплавлением, при котором командный импульс на включение механизма осадки подают в зависимости от нагрева ввариваемых деталей до заданной температуры, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварки и увеличения стабильности разогрева свариваемых торцов, в качестве заданной температуры разогрева принимают точку Кюри, а командный импульс подают с помощью электромагнитного устройства, измеряющего величину зоны разогрева ввариваемых торцов.
А.с. 257118: Способ бесконтактного ввода и приема ультразвуковых колебаний в ферромагнитные металлы, заключающийся в том, что в поле магнита П - образной формы помещают катушку индуктивности, питаемую от генератора высокой частоты, отличающийся тем, что, с целью контроля ферромагнитных металлов, нагретых выше точки Кюри, поверхностный слой металла в месте ввода ультразвуковых колебаний охлаждают воздухом или водой до температуры ниже точки Кюри в течение времени, достаточного для проявлений ферромагнитных свойств у поверхностного слоя металла.
A.c. 261580: Способ определения зависимости точки Кюри ферромагнитных материалов от давления путем помещении /испытуемого образца в камеру высокого давления, отличающийся тем, что, с целью непосредственного получения искомой зависимости и расширения пределов измерения, в испытуемом образце протяженной формы воздают неравномерное распределение температуры с постоянном градиентом по его длине, содержащее температуру, соответствующую точке Кюри, и измеряют наводимую в измерительной обмотке э.д.с, пропорциональную ферромагнитной части образца.
Патент № 35б8050: Способ и устройство для его реализация обеспечивают автоматическое измерение и запись температуры материала с парамагнитной восприимчивостью, например, стали во время горячей прокатки. Материал проходит через магнитное поле, причем напряженность магнитного поля изменяется пропорционально парамагнитной восприимчивости материала. Полупроводниковый датчик измеряет изменение напряженности поля, которое с помощью соответствующего устройства поля регистрируется как температура материала в градусах.
Патент США 3586963: Движущийся лист стального полотна проходит через магнитное поле, которое намагничивает лист до насыщения сначала в одном направлении, затем в другом направлении. Когда лист выходит из магнитного поля, остаточное значение намагничивания изменяет свой знак. Считывающие катушки измеряют изменение потока, вызванное переходом остаточной намагниченности из одного состояния в другое, и это изменение потока делится пополам для того, чтобы получить значение, требуемое для достижения расчетной нулевой величины намагниченности. Приложенное поле, необходимое для поддержания намагниченности на этой величине, представляет собой коэрцитивную силу листа, которая пропорциональна различным механическим свойствам стали, например сопротивлению разрыву. Вместо того, чтобы использовать остаточную намагниченность для расчета нулевого значения, считывающие катушки могут располагаться в пределах прикладываемого магнитного поля и изменение магнитного поля может использоваться при переходе намагниченности в насыщение.

ЭФФЕКТ ГОПКИНСА

При температурах вблизи точки Кюри резко возрастает «подвижность» ферромагнитных доменов, ослабляется трение между ними и, тем самым, облегчается их поворот во внешнем магнитном поле. В результате этого при нагревании ферромагнетика при подходе в точки Кюри резке возрастает магнитная восприимчивость и, следовательно, магнитное поле внутри ферромагнетика /магнитная индукция/. Это явление было обнаружено Дж. Гопкинсом в 1889г. и носит название эффекта Гопкинса. При переходе через точку Кюри поле резко спадает из-за потери ферромагнитных свойств; таким образом, на кривой зависимости намагниченности от температуры вблизи точки Кюри возникает гопкинсовский максимум.


V-5. ЭФФЕКТ БАРКХАУЗЕНА.

При повышении внешнего магнитного поля в ферромагнитном материале происходит поворот доменов. Эти повороты происходят скачком - в результате кривая намагниченная, особенно на крутых участках, будет иметь ступенчатый вид.
Каждая ступенька соответствует изменению намагниченности в очень малом объеме материала /10-6 – 10-9 см3 /. Этот эффект /Баркхаузена/ чётко наблюдается на магнито-мягких материалах.
Если предварительно ориентировать все домены в одном направлении и поместить образец в возрастающее магнитное поле другого направления, то перемагничение всего образца можно осуществить одним большим скачком. Скачки Баркхаузена могут быть вызваны не только изменением внешнего магнитного поля, но и плавным изменением температуры или упругих напряжений, под действием которых может происходить перераспределение устойчивых границ между доменами. Следовательно, при наличии калиброванных образцов можно измерять температуру или упругие напряжения.
Примеры: А.с. 290178: Дискретный уровнемер, содержащий магнит, соединенный с датчиком положения, например, поплавком, чувствительный элемент, усилитель и счетчик импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, упрощения конструкции и повышения надежности в нем чувствительный элемент выполнен в виде протяженного проводника, например струны или ленты, изготовленного из материал а, испытывающего скачки Баркхаузена при перемагничивании, например, из технически чистого железа, концы которого электрически соединены через усилитель со входом счетчика импульсов, регистрирующего число скачков Баркхаузена.
Патент США № 3588683: Способы и системы, реализующие эти способы, осуществляют электромагнитный анализ ферромагнитных изделий, при котором в анализируемом изделии наводится магнитное поле с напряженностью, достаточной для проявления эффекта

Баркхаузена, а к следуемому участку намагниченного изделия прикладывается низкочастотное переменное магнитное поле, вызывающее движение магнитных доменов. Блок считывающих катушек, располагаемых в непосредственной близости с областью низкочастотного переменного магнитного поля, определяет напряженность магнитного поля, наведенного в ответ на воздействие магнитного поля и пе¬ременного магнитного поля. Было обнаружено, что напряженность магнитного поля в непосредственной близости к дефектному участку имеет другую величину, и эта информация может использоваться для определения различных параметров изделия. В одной из систем используется быстрое сканирование и контроль труб с целью обнаружение и определения и определения местоположения дефектов.

V-6. МАГНИТОКАЛОРИЧНСКИЙ ЭФФЕКТ.

Адиабатический процесс - процесс, происходящий без обмена теплом с окружающей средой. Обычно все быстропротекающие процессы очень близки с адиабатическим. При адиабатическом размагничивании /намагничивании/ наблюдается понижение /повышение/ температуры. Это изменение температуры вызвано тем, что совершается работа не перемагничиванию образца, которая при отсутствии теплообмена может совершаться только за счет внутренней энергии, вещества, непосредственно определяющей температуру.
Процесс адиабатического размагничивании/в настоящее время является основным при получении сверхнизких температур/меньше О,1°К/: очевидно, что охлаждение с помощь» адиабатического размагничивания возможно только для парамагнитных веществ; при этом несущественно, обусловлен ли парамагнетизм свойствами ядер или электронных оболочек атомов вещества.
Поскольку магнитная энергия мала но сравнению о тепловой /даже при сверхнизких температурах/, то глубокое охлаждение достигается применением нескольких циклов адиабатического размагничивания, между которыми и «включаются» участки изотермического/медленно/ намагничивания.