Коэффициенты размагничивания ферромагнитных цилиндрических стержней при намагничивании тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Зембеков, Николай Серафимович

• Зембеков, Николай Серафимович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зембеков, Николай Серафимович

Введение.

Глава 1. Коэффициенты намагничивания и размагничивания магнитных тел. Центральные коэффициенты размагничивания цилиндрических стержней.

1.1. Определения понятий коэффициентов намагничивания и размагничивания в рамках физической и феноменологической (магнитозарядовой) трактовок магнитных явлений. Виды коэффициентов размагничивания магнитных тел.

1.2. Практика применения коэффициентов размагничивания магнитных тел в магнитных измерениях и неразрушающем контроле ферромагнитных изделий.

1.3. Центральные коэффициенты размагничивания цилиндрических

I/ ферромагнитных стержней, их зависимость от магнитных свойств материала и магнитной индукции в процессе намагничивания.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Коэффициенты размагничивания ферромагнитных цилиндрических стержней при намагничивании»

Коэффициенты размагничивания (КР) N являются важной характеристикой «разомкнутых» в магнитном отношении тел из ферромагнитных материалов. Они находят широкое применение при расчете геометрических параметров магнитных элементов различных устройств (сердечники феррозондов, антенн, реле и т.п.), а также при определении магнитных свойств ферромагнитных материалов на образцах специальной формы, например, в виде эллипсоидов вращения.

В зависимости от формы магнитных тел КР могут быть константой, не зависящей от магнитных свойств материала (например, КР эллипсоидов вращения Ыэл), но во многих других случаях они зависят не только от формы, относительных размеров тел и магнитных свойств материала (например, от магнитной восприимчивости %), но и от магнитного состояния вещества в процессе намагничивания тела. В практике магнитных измерений и контроля ферромагнитных изделий наиболее широкое распространение получили изделия и образцы в виде цилиндрического стержня. В связи с этим исследованию КР цилиндрических образцов посвящено достаточно большое количество работ.

Наряду с общим понятием коэффициента размагничивания N как точечного параметра, различают несколько видов КР, отнесенных к тому или иному сечению или объему исследуемого образца: центральный коэффициент размагничивания (ЦКР) NIt, называемый также баллистическим КР; дроссельный коэффициент размагничивания No; магнитометрический коэффициент размагничивания Nm. Поскольку наибольшее практическое применение имеет ЦКР N,l5 то в дальнейшем исследуется (наряду с точечным КР N) только центральный коэффициент размагничивания.

В большинстве работ, посвященных исследованию ЦКР цилиндрических стержней, речь идет, как правило, об относительно длинных образцах (отношение длины стержня к его диаметру X » 10), причем расчет Nu производится в предположении постоянства магнитной восприимчивости материала по всему объему тела. Аналогичные условия имеют место и при экспериментальном определении ЦКР ферромагнитных стержней, когда измерения магнитных параметров и последующий расчет ЦКР ведутся в области максимальной магнитной восприимчивости %и (проницаемости цм), т.е. при небольших изменениях % и д по объему стержня.

Между тем, практически отсутствуют сведения о ЦКР цилиндрических стержней небольшой относительной длины (при X < 10), каковыми являются многие образцы и изделия в практике магнитных измерений и контроля. Имеются лишь опубликованные данные для стержней с X = 10, которые показывают разброс расчетных значений ЦКР в пределах 15%, что не позволяет использовать их для практических целей.

Кроме того, остается не исследованным изменение ЦКР цилиндрических образцов в широком интервале магнитных полей при намагничивании, когда магнитная восприимчивость материала изменяется от сотен и тысяч (в слабых и средних магнитных поля) до нуля (в сильных полях, когда ферромагнитный цилиндрический стержень становится однородно намагниченным и характеризуется ЦКР N()). Применение известных эмпирических формул для режима намагничивания во всех областях намагничивающих полей дает значения ЦКР, отличающиеся от истинных на десятки и сотни процентов, особенно в области, близкой к насыщению материала. Очевидно, что такой разброс ЦКР делает невозможным применение этих данных на практике, например, для целей определения кривой намагничивания «вещества» по измеренной кривой намагничивания «тела».

Все это определяет актуальность и необходимость дальнейших теоретических и экспериментальных исследований ЦКР цилиндрических стержней в процессе их намагничивания, преимущественно на коротких образцах с малой относительной длиной < 10), а также разработки способа определения кривой намагничивания различных ферромагнитных материалов на образцах в виде коротких цилиндрических стержней.

Цель и задачи работы.

Целью работы является исследование ЦКР ферромагнитных цилиндрических стержней при их намагничивании и использование ЦКР для определения магнитных свойств веществ на коротких образцах простой (не эллипсоидальной) формы.

При этом решались следующие задачи:

- изучение процесса намагничивания разомкнутых в магнитном отношении тел, преимущественно коротких цилиндрических стержней, из ферромагнитного материала в широком диапазоне намагничивающих полей;

- разработка методики расчета магнитного поля в центральном сечении цилиндрического стержня с учетом насыщения магнетика;

- моделирование и расчет ЦКР цилиндрических стержней из изотропного и анизотропного ферромагнетика при насыщении материала;

- экспериментальное определение ЦКР коротких цилиндрических стержней на коммутационной кривой намагничивания;

- разработка способа определения кривой намагничивания «вещества» по кривой намагничивания «тела» на образцах в виде коротких цилиндрических стержней с использованием экспериментальных значений ЦКР.

Научная новизна.

Дано теоретическое обоснование наблюдаемого экспериментально аномального поведения ЦКР ферромагнитных цилиндрических стержней при намагничивании, заключающегося в том, что модуль ЦКР при приближении материала образца к магнитному насыщению становится меньше модуля ЦКР однородно намагниченного стержня N() и не превышает этого значения при дальнейшем намагничивании образца.

Произведено моделирование и сделан расчет магнитного поля и ЦКР в центральном сечении цилиндрических стержней, определены пределы изменения ЦКР образцов для случаев, когда материал представлен изотропным и анизотропным ферромагнетиками. Показано, что ЦКР стержня из материала с поперечной к его оси магнитной анизотропией при насыщении магнетика становится не только меньше (по модулю) величины No, но и может сменить знак на противоположный.

Экспериментально установлены зависимости ЦКР коротких цилиндрических стержней от намагничивающего поля, существенно отличающиеся от известных закономерностей, как в области слабых магнитных полей, так и в области магнитного насыщения материала.

Предложен алгоритм построения кривой намагничивания «вещества» по кривой намагничивания «тела» на образцах ферромагнитных материалов в виде цилиндрических стержней.

Научная и практическая ценность работы.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований ЦКР ферромагнитных цилиндрических стержней существенно расширяют представления о величине и пределах изменения ЦКР в процессе намагничивания образца.

Обнаруженные закономерности изменения ЦКР ферромагнитных цилиндрических стержней при намагничивании позволяют использовать их для определения характеристик различных ферромагнитных материалов на образцах простой формы и для многопараметрового магнитного контроля изделий в виде коротких цилиндрических стержней.

Положения, выносимые на защиту.

Результаты теоретических исследований ЦКР разомкнутых ферромагнитных тел при намагничивании с учетом насыщения магнетика.

Результаты моделирования и расчета ЦКР цилиндрических стержней из изотропного и анизотропного ферромагнитного материала при насыщении магнетика в процессе намагничивания.

Результаты экспериментальных исследований ЦКР коротких ферромагнитных цилиндрических стержней.

Алгоритм построения кривых намагничивания «вещества» по кривым намагничивания «тела» на ферромагнитных образцах в виде цилиндрических стержней.

Возможность использования метода определения кривой намагничивания «вещества» на цилиндрических стержнях в практике магнитных измерений и неразрушающего магнитного контроля ферромагнитных изделий.

Личный вклад автора заключается в проведении расчетов параметров магнитного поля при намагничивании разомкнутых ферромагнитных тел, в измерении магнитных характеристик (параметров кривых намагничивания «тела» и «вещества») и подготовке образцов, в обработке результатов измерений, в обсуждении полученных результатов и планировании эксперимента, в написании тезисов докладов, статей и заявок на изобретение. Общая цель и конкретные задачи теоретических и экспериментальных исследований по диссертационной работе сформулированы научным руководителем Захаровым В.А. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводились совместно с научным руководителем. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы автором.

Достоверность результатов исследований подтверждается: измерениями на аттестованных стандартных приборах с известной погрешностью; статистической обработкой результатов измерений; большим объемом экспериментальных материалов, многократно повторяемых на значительном количестве образцов; сопоставлением результатов расчетов и экспериментов с опубликованными данными других исследователей.

Апробация работы.

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих Российских и международных конференциях:

Конференция молодых ученых КоМУ-2003 (г.Ижевск, 2003), Конференция молодых ученых КоМУ-2004 (г.Ижевск, 2004), V Международная научно-техническая школа-семинар «Эффект Баркгаузена и аналогичные физические явления» (г.Ижевск, 2004), III Международная научно-техническая конференция «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие.технологии в машиностроении» (г.Тюмень, 2005).

Основные результаты диссертации изложены в 5-ти статьях, 4 из которых опубликованы в рецензируемых изданиях, 1 - в сборнике трудов, в одном изобретении и одной заявке на изобретение.

Структура диссертации.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, использованной при работе над диссертацией.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Зембеков, Николай Серафимович

Основные результаты диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Впервые дано теоретическое обоснование наблюдаемого экспериментально аномального поведения ЦКР ферромагнитных стержней при намагничивании. На примере модельного образца из изотропного ферромагнетика в виде бесконечно длинного стержня с прямоугольным сечением, намагничиваемого однородным поперечным магнитным полем, показано, что благодаря «вращательному» намагничиванию магнетика модуль ЦКР при приближении материала образца к магнитному насыщению становится меньше модуля ЦКР однородно намагниченного стержня N0 и не превышает этого, значения при дальнейшем намагничивании образца.

2. Проведены моделирование и расчет параметров магнитного поля и ЦКР ферромагнитных цилиндрических стержней при насыщении магнетика с учетом анизотропных свойств материала. Показано, что если материал стержня изотропен, то его ЦКР всегда меньше нуля. Наличие поперечной к оси стержня магнитной анизотропии материала приводит к увеличению неоднородности поля магнетика в центральном сечении стержня. При этом среднее по сечению значение Нм становится больше по сравнению со случаем изотропного материала.

3. Впервые получены экспериментальные значения ЦКР коротких (с относительной длиной 3 < 1 < 10) ферромагнитных цилиндрических стержней в широком диапазоне намагничивающих полей. ЦКР стержней существенно' отличаются от рассчитанных по' известным эмпирическим формулам, не учитывающим магнитное состояние материала образца при намагничивании (различие ЦКР на начальном участке кривой намагничивания достигает 7%, при насыщении материала - десятков процентов). Предложено использование полученных данных для определения свойств ферромагнитных материалов на образцах в виде цилиндрических стержней, а также при многопараметровом магнитном контроле ферромагнитных изделий.

4. Разработан алгоритм и предложен способ определения кривой намагничивания «вещества» по измеренной кривой намагничивания «тела» с использованием полученных экспериментальных значений ЦКР ферромагнитных цилиндрических стержней. На базе новых технических решений создана экспериментальная установка для исследования магнитных свойств ферромагнитных материалов на образцах простой (не эллипсоидальной) формы. На способ и устройство поданы заявки на выдачу патента РФ на изобретение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований ЦКР ферромагнитных цилиндрических стержней в широком диапазоне намагничивающих полей и возможности определения кривой намагничивания материала на образцах в виде коротких стержней с использованием экспериментальных значений ЦКР.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зембеков, Николай Серафимович, 2006 год

1. Алиевский Б.Л., Октябрьский A.M., Орлов В.Л. Расчет параметров магнитных полей осесимметричных катушек: Справочник. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Изд-во МАИ, 1999. - 320 с.

2. Антонов В.Г. Коэффициенты размагничивания стержней на основной кривой намагничивания // Труды метрологических институтов СССР. Л.: Энергия, 1978. - вып. 215 (275).

3. Антонов В.Г., Маляревская Т.Н., Студенцов Н.В. Расчет коэффициентов размагничивания цилиндрических стержней для основной кривой намагничивания. Сб.: Методы и средства точных магнитных измерений, 1980. - Л.: НПО ВНИИМ им.Д.И.Менделеева, с.65-70.

4. Антонов В.Г., Петров Л.М., Щелкин А.П. Средства измерений магнитных параметров материалов. Л: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1986. - 216 с.

5. Антонов В.Г., Чечурина Е.Н. Способы экспериментального определения коэффициентов размагничивания стержней // Труды метрологических институтов СССР. Л.: ВНИИМ им.Д.И.Менделеева, 1974. Вып.152(212). - С.120-129.

6. Аркадьев В.К. Магнитные коэффициенты формы, вещества и тела // Журнал русского химико-физического общества 1914. - № 46.

7. Аркадьев В.К. Электромагнитные процессы в металлах. 4.1-2. М.-Л.: ОНТИ, 1934. 4.1. Постоянное электрическое и магнитное поле. - 230 с.

8. Будрин. С.П. «Определение баллистическим методом коэффициентов размагничивания цилиндрических стержней с плоскими и закругленными концами» // Временник Главной Палаты мер и весов. 1930. - Вып. 4(16).-С.61-99.

9. Бурцев Г. А. Исследование зависимости центрального коэффициента размагничивания ферромагнитных пластин от их намагниченности. // Дефектоскопия. 1970. -№ 1. - С.49-53.

10. Бурцев Г.А. ' Расчет коэффициентов размагничивания цилиндрических стержней // Дефектоскопия. 1971. -№ 5. - С.20-29.

11. Веденев М.А. Измеритель тангенциальной составляющей постоянного магнитного поля на поверхности образца // Дефектоскопия. -1982. № 2. - С.89-92.

12. Веденев М.А., Дролокина В.И. Об измерении коэрцитивной силы накладным датчиком // Дефектоскопия. 1977. - № 5. - С.65-73.

13. Горкунов Э.С., Захаров В.А., Зембеков Н.С., Ульянов А.И., Чулкина А.А. Коэффициенты размагничивания ферромагнитных стержней при насыщении магнетика // Дефектоскопия. 2005. - №2. - С.23-32.

14. Захаров В.А. Магнитостатика систем с ферромагнетиками. -Свердловск: УНЦ АН СССР, 1986. 95 с.

15. Захаров В.А., Зембеков Н.С., Захаров А.В. Русских И.Т. Расчет центральных коэффициентов намагничивания цилиндрических ферромагнитных стержней при насыщении магнетика. // Изв. вузов. Физика.- 2005. №4. - С.53-61.

16. Захаров В.А., Зембеков Н.С., Захаров А.В. Русских И.Т. Учет неколлинеарности векторов намагниченности при расчете магнитных полей в ферромагнитных цилиндрических стержнях // Изв. вузов. Физика. 2005. -№2. - С.63-69.

17. Захаров В.А., Ульянов А.И., Чулкина А.А. Коэффициент размагничивания ферромагнитных стержней при намагничивании // Электричество. 2001. -№10. - С.61-67.

18. Зверев B.C., Катык B.C. К определению центрального коэффициента размагничивания цилиндрических стержней // Дефектоскопия. 1991. -№1.- С.40-44.

19. Кифер И.И. Испытание ферромагнитных материалов. M.-J1.: Госэнергоиздат, 1962. - 544 с.

20. Лившиц Б.Г. и др. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, .1980. - С.90-91.

21. Матюк В.Ф., Осипов А.А. Некоторые замечания о центральном размагничивающем факторе тел разной формы. I. Коэффициент размагничивания эллипсоидов и цилиндров // Дефектоскопия. 1999. -№7. -С.41-49.

22. Мизюк Л.Я. О расчете коэффициентов размагничивания стержневых сердечников. Геофизическое приборостроение. Сб. статей, вып. 17. - Л.: Гостоптехиздат, Лен. отд., 1963. - С. 106-121.

23. Нестеренко А.Д. Введение в теоретическую электротехнику. Киев: Наукова думка, 1969. - 352 с.

24. Пермеаметр. Решение от 21.02.06 о выдаче патента на изобретение «Пермеаметр» № 2005101538 (авторы Захаров В.А., Зембеков Н.С.).

25. Поливанов К. М. Ферромагнетики. -М.: ГЭИ, 1957.

26. Поливанов К.М. Теоретические основы электротехники. Т.З. Теория электромагнитного поля. М.: Энергия, 1975. -208 с.

27. Преображенский А.А. Магнитные материалы и элементы. М.: Высшая школа, 1976. - С.241-248.

28. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под редакцией Клюева В.В. Ч. 2. М.: Машиностроение, 1976. -326 с.

29. Реутов Ю.Я., Гобов ЮЛ., Лоскутов В.Е. О возможностях использования программы ELCUT в расчетах по дефектоскопии // Дефектоскопия. 2002. - №6. - С.34-40.

30. Розенблат М.А. Коэффициенты размагничивания стержней высокой проницаемости // ЖТФ. 1954. - №24. - Вып.4. - С.637-661.

31. Способ определения кривой намагничивания ферромагнитного материала. Заявка на изобретение № 2005135275 (039430) от 14.11.05 г. (авторы Захаров В.А., Зембеков И.С.).

32. Трусов Н.К. Использование граничных условий магнитостатики при магнитных испытаниях материалов в разомкнутой магнитной цепи // Изв. АН БССР, сер. физ.-техн. наук. 1984. -№ 2. - С.91-96.

33. Трусов Н.К., Мельгуй М.А., Кулагин В.Н., Шидловская Э.А. Экспериментальный способ определения кривых сдвига в нейтральном сечении ферромагнитных цилиндров из конструкционных сталей // Дефектоскопия. 1987. - № 7. - С.32-38.

34. Фельдкеллер Р. О расчете прибора, измеряющего магнитное поле с помощью зондов Ферстера // Труды германского исследовательского института воздухоплавания. 1943.

35. Филиппов Б.Н., Глухов В.М., Горкунов Э.С. Моделирование магнитных состояний в ферромагнитном стержне, намагниченном в проходном преобразователе // Дефектоскопия. 1998. - №7. - С.50-59.

36. Хомич В.И. Приемные ферритовые антенны. М.: ГЭИ, 1960.

37. Чечерников В.И. Магнитные измерения. МГУ, 1963. - С.9-12.

38. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1964.-848 с.

39. Янус Р. И. Магнитная дефектоскопия. М.: ГТИ, 1946. - 170 с.

40. Battocletti J. Н., Knox Т. A. Spherical Finite Element Analysis // IEEE Trans. Magn. 1994. - Vol.30. - № 6/ - P.5008-5014.

41. Benedicks.Ann.d. Phys., VI, 1901.

42. Bozorth R. M. and Chapin D. M. Demagnetization factors of rods // J. Appl. Phys. 1942. - Vol. 13. - P.320-326.

43. Bozorth R. M. Rev. Mod. Phys. 1947. - Vol.19. -№29.

44. Chen Du-Xing, James A. Brug, Member, IEEE, and Ronald B. Goldfarb, Senior Member, IEEE, Demagnetizing Factors for Cylinders // IEEE Transactions on Magnetics. 1991. - Vol. 27 -№ 4. - P.3601-3619.

45. Chen Du-Xing, Prados E., Sanchez A. Demagnetizing factors of rectangular prisms and ellipsoids // J. Appl. Phys. 2002. - Vol. 38. - № 4. -P.1742-1752.

46. Dietz G., Meingast R. Ein ferromagnetischer Stab in homogenen Magnetfeld // Zs. F. Ang. Physik. 1971. - Bd.31. - I I. 1. - S.77-82.

47. Dussler E. Eine experimentelle Metode zur Bestimmung des ballistischen Entmagnetisiemngsfaktors // Ann. d. Physik. 1927. - Bd.44.

48. Dussler E. Experimentelle Metode zur Bestimmung des ballistischen Entmagnetisiemngsfaktors // Z. F. Physik. 1927. - Bd.44.

49. Frankel H. Ferrite und ihre Anwenduung // Radio und Fernsehen. 1962. Br. 19.-H.20.

50. Graets. Handb. der Elektriz. u. des Magnet., В. IV.

51. Joseph R. I. Ballistic Demagnetizing Factor in uniformly magnetized Cylinders // J. Appl. Phys. 1966. - Vol. 37. - P. 18.

52. Lamb. C.G. "On the Distribution of Magnetic Induction in a Long iron1. Bar".

53. Mann C.R. Demagnetization factors for cylinders // Phys. Rev. 1896. -Vol.3.-P.359-369.

54. Neumann H., Warmuth K. Wiss Veroff. D. Siem. Konz. 1932. Vol.11.1. P.25.

55. Osborn J.A. Demagnetization factors of the general ellipsoid // Phys. Rev. 1945. - Vol. 67. - P.351 -357.

56. Stablein F., Schlechtweg H. Uber den Entmagnetisierungfactor zylindrischen Stabe // Zeitschrift fur Physik. 1935. - Bd.95. - H. 9-10. - S.630-646.

57. Stoner E. C. Demagnetization factors for ellipsoids // Phil. Mag. 1945. -ser. 7,-Vol.36.-P.803-821.

58. Tan S., Ma Y. P., Thomas I. M., Wikswo J. P. Reconstruction of Two-Dimensional Magnetisation and Susceptibility Distributions from the Magnetic Field of Soft Magnetic Materials // IEEE Trans. Magn. 1996. - Vol.32. - №1, P.230-234.

59. Thomson and E. Moss. Phil. Mag. 1909. - Vol.17. - P.729.

60. Warmuth K. Die Bestimmung des ballistischen Entmagnetisierungfactors mit den magnetischen Spannungsmesser an Staben von quadratischen Querschnitt // Archiv flir Elektroteclmik. 1936. - Bd.30. - N.12. - S.761-779.

61. Wurschmidt I.: "Theorie des Entmagnetisierungsfaktors und der Scherung von Magnetisierungskurven" // Samlung Vieweg, Braunschweig. 1925.

62. Zakharov V.A., Ul'yanov A.I. and Chulkina A.A. The demagnetisation factors of ferromagnetic cores during magnetization // Electrical Technology Russia. 2001. - No.4. - P.44-56.