Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

предшествующего намагничивания до насыщения магнитная индукция стала нулевой.

Остаточная индукция и коэрцитивная сила определяются по предельной петле гистерезиса. Эти показатели свойств указываются как для магнитомягких, так и для магнитотвердых материалов. Кроме них для определенных групп материалов приводят другие показатели свойств, которые характеризуют возможности их использования в определенном рабочем режиме.

Кроме того, разумеется, важны и такие показатели свойств, как плотность, температура плавления и т. п.

У магнитных материалов cпециального назначения к основным показателям свойств относятся и некоторые специаль-

ные показатели, например коэффициент магнито-стрикции у

магнитострикционных материалов или коэффи-циент прямоугольности петли гистерезиса у материалов для магнитных запоминающих устройств. У материалов, предназ-наченных для изготовления постоянных магнитов, главным показателем свойств является произведение (BH)max, т. е. максимальное значение произведения магнитной индукции и напряженности магнитного поля на кривой размагничивания образца материала. Это произведение равно удвоенному значению максимальной удельной магнитной энергии материала. От этого показателя зависит объем магнита, необходимого для создания магнитного поля в заданном воздушном зазоре. Чем больше это произведение (BH)max,, тем меньше объем, а следовательно, и масса магнита. Энергия магнитного поля постоянного магнита, характеризуемая произведением (ВН)тах, называется также

энергетическим произведением.

Ряд специальных параметров применяется для магнитных материалов, работающих в переменных магнитных полях. Так, вследствие нелинейной зависимости магнитной индукции в магнитных материалах от напряженности магнитного поля возникает необходимость введения различных определений

291

относительной магнитной проницаемости для переменного магнитного поля.

Для материалов, которые работают в области самых слабых магнитных полей, важнейшим показателем свойств является

начальная относительная магнитная проницаемость – част-

ный случай проницаемости, которая определяется выражением

Другой частный случай проницаемости - максимальная относительная проницаемость, она определяется как наи-

большее значение относительной магнитной проницаемости на зависимости r - f(H).

Амплитудная относительная магнитная проницаемость

определяется выражением

где Вmax - максимальное значение магнитной индукции в течение периода; Нmax - максимальное значение напряжен-ности магнитного поля в течение периода.

Дифференциальная относительная магнитная проницае-

мость определяется выражением

292

и определяется как отношение комплексной магнитной индукции к комплексной напряженности магнитного поля в материале, деленное на магнитную постоянную 0.

Модуль комплексной относительной магнитной проницаемости определяется как

Отношение значения мнимой части к значению действительной части комплексной относительной магнитной прони-

цаемости дает тангенс угла магнитных потерь

где - угол магнитных потерь.

Комплексная магнитная проницаемость определяется обычно для первых гармонических индукции и напряженности магнитного поля.

Отдельно определяются относительная магнитная проницаемость магнитных материалов, предназначенных для работы при одновременном действии переменного и пос-тоянного магнитных полей (обратимая относительная маг-нитная проницаемость) и в импульсном режиме (импульсная относительная магнитная проницаемость).

Важным показателем свойств магнитных материалов при работе в переменном магнитном поле являются удельные магнитные потери рт, определяемые выражением

где Рт - магнитные потери; т - масса материала. При обозначении удельных магнитных потерь обычно указывается маг-

293

нитная индукция, при которой потери были определены, чаще всего В = 1,0 или В = 1,5 Тл.

Граничная частота определяется как максимальная частота, при которой начальная магнитная проницаемость уменьшается до 0,7 от ее значения в постоянном магнитном поле. Граничная частота тесно связана с удельным элек-трическим сопротивлением, которое также является важным показателем свойств магнитных материалов.

6.2. Основные методы исследования магнитных свойств вещества

В настоящее время разработано большое количество экспериментальных методов исследований и разнообразной специальной аппаратуры, позволяющей исследовать магнитные свойства ферромагнитных, парамагнитных и диамагнитных веществ в различных внешних условиях. Для исследования слабомагнитных веществ используются методы, основанные на измерении сил, действующих на тела, помещенные в неоднородное магнитное поле. Фарадей М. первым предложил этот метод. Позже этот метод неоднократно усовершен-ствовался, он с успехом применяется и в настоящее время. Укажем также на высокочувствительный магнитометрический метод, состоящий в измерении вращательных моментов, возникающих при взаимодействии магнитных моментов измеряемого образца и магнитной стрелки, закрепленной на упругом подвесе магнитометра.

Наиболее известный метод исследования магнетиков с большой восприимчивостью, явившийся прародителем многих последующих, - баллистический метод, в котором используется явление электромагнитной индукции. Столетов А.Г. был одним из первых теоретически обосновавшим и применившим этот метод для измерений магнитных свойств железа (кривая намагничивания и петля гистерезиса).

Известны и другие методы магнитных исследований и измерений. Они классифицируются по различным принципам.

294

Например, возможна классификационная схема, в которой магнитоизмерительные приборы делятся по виду измеряемых параметров и величин с добавлением названия первичного преобразователя: фотогальванический веберметр, магнитоэлектрический коэрцитиметр, магнитометр и т.д. Однако такая схема не вполне последовательна, так как коэрцитиметр может быть магнитоэлектрическим или магнитооптическим, магнитометр – магнитомеханическим, магнитооптическим, вибрационным и т.д. В то же время коэрцитиметр может быть, например, гальваномагнитным, т.е. по существу, магнитоэлектрическим, магнитометр – ферроиндукционным (феррозондовым), т.е. тоже магнитоэлектрическим.

Поэтому с учетом сложившейся терминологии методы измерения магнитных характеристик классифицируются по физическому явлению и роду входной и выходной величины. При этом основными методами измерений магнитных параметров целесообразно считать такие, которые находят использование в серийно изготавливаемых измерительных установках, либо в установках, для которых может быть установлен порядок метрологического обслуживания. К ним относятся магнитоэлектрический, магнитооптический, магнитомеханический, магниторезонансный, получившие наибольшее распространение в производственных условиях. В научных исследованиях они дополняются гальваномагнитным, магнитопорошковым и другими методами. Метрологическое обеспечение данной области измерений базируется на применении магнитооптического (нормальный эффект Фарадея, меридиональный и полярный эффекты Керра) метода.

В последние годы большинство методов измерений автоматизировано. Высокая степень автоматизации измерительных установок существенно повышает их эффективность, повышает точность измерений и упрощает эксплуатацию. При этом усложнение конструкции установки касается главным образом каналов обработки сигнала первичного преобразователя.

295

6.3. Методы измерения напряженности магнитного поля

При различных исследованиях физических свойств необходимо точно знать напряженность магнитного поля, которая создается при помощи различных катушек и электромагнитов. В большинстве случаев напряженность магнитного поля определяют экспериментальным путем. Для этих целей используют различные методы измерения, к наиболее важным из которых относят: баллистический, магнитных зондов, электродинамический, магнитных потенциалметров, метод, основанный на эффекте Холла и др. Рассмотрим некоторые из них.

6.3.1.Использование датчика Холла

Впоследнее время основным методом измерения напряженности магнитного поля стал метод, основанный на применении датчиков э. д. с. Холла. Датчиками э.д.с. Холла можно измерять как постоянные, так и переменные магнитные поля.

Эффект Холла состоит в том, что на боковых гранях образца, через который пропускают постоянный ток, при наличии внешнего магнитного поля возникает поперечная разность потенциалов. Для образца, сделанного из полупроводника в форме параллелепипеда, эта разность потенциалов определяется уравнением

где R – коэффициент Холла, ix - сила тока в образце, HZ – напряженность магнитного поля, d – толщина образца.

Таким образом, при пропускании постоянного тока через образец в нем возникает разность потенциалов, которая будет пропорциональна напряженности магнитного поля. У датчиков э.д.с. Холла пропорциональность между U и Н соблюдается с точностью до нескольких процентов для напряженности

296

магнитного поля 16 105 А/м. В настоящее время для изготовления датчиков применяют элементарные полупроводники Si, Ge, а также некоторые бинарные соединения со структурой цинковой обманки: HgSe, HgTe, InAs, InSb, PbSe, PbTe, т.е.

полупроводниковые материалы, обладающие высокой подвижностью носителей заряда и наивысшим значением коэффициента Холла.

Интервал рабочих температур для элементов Холла, изготовленных из германия, составляет от – 60 до + 70 оС, из кремния – от – 60 до + 120 оС. Предельная рабочая температура для элементов Холла из арсенида галлия составляет 250-300 оС . Датчики Холла из InSb и InAs могут применяться при температурах 4.2-300 К.

При использовании датчиков Холла возникает необходимость компенсации остаточного напряжения, для чего применяют специальные схемы питания. В простейшем случае для этих целей используют дополнительный переменный резистор, который включают в различных вариантах исполнения (рис. 6.1).

Чувствительность отожженных датчиков в течение одного года изменяется только на 2 – 3 %. Для предохранения датчиков

Рис. 6.1. Схемы компенсации остаточного напряжения датчиков Холла

297

от различных механических повреждений пленки полупроводника покрываются тонким слоем клея БФ2. При изготовлении датчиков э. д. с. Холла большое внимание уделяют получению хорошего электрического контакта с полупроводником.

6.3.2. Другие методы измерения напряженности магнитного поля

В последние годы разработаны различные варианты магнитных датчиков, позволяющих с высокой точностью измерять напряженность магнитного поля. Примерами таких датчиков могут служить магниторезисторы, феррозондовые датчики, датчики Виганда и др.

Наиболее простым датчиком магнитного поля может быть магниторезистор – электронный компонент, действие которого основано на изменении электрического сопротивления при воздействии на него магнитного поля. Выделяют две большие группы магниторезисторов, которые условно можно разделить на «монолитные» и «пленочные».

Действие «монолитных» магниторезисторов основано на эффекте Гаусса, который характеризуется возрастанием электрического сопротивления проводника (или полупроводника) при помещении его в магнитное поле. Такой магниторезистор представляет собой магниточувствилельный элемент, размещенный на подложке (рис. 6.2). В качестве магниточувствительного элемента обычно используют сплав InSb-NiSb, легированный теллуром. Зависимость электрического сопротивления от напряженности магнитного поля такого датчика в области слабых полей близка к квадратичной, а в области сильных полей – практически линейна. Наиболее известным отечественным магниторезистором является

СМ4-1, устойчиво работающий в интервале температур – 60 - + 85 оС.

Действие «пленочных» магниторезисторов, получивших распространение в последние годы, основано на анизотропном магниторезистивном эффекте. Такие датчики изго-

298

тавливают из тонких одно- и многослойных ферромагнитных пленок никель-кобальтовых, никель-железных и других сплавов. В качестве подложек применяют стекло, ситалл или кремний. Для тонкопленочных магниторезисторов на основе ферромаг-нитных пленок (см. рис. 6.3) электрическое сопротивление r магниточувствительного элемента в зависимости от угла между направлением электрического тока и направлением напряженности магнитного поля выражается следующей формулой Фойгта-Томпсона

Рис. 6.2. Конструкция монолитного магниторезистора

Рис. 6.3. Схема работы тонкопленочного магниторезистора

299

где rо – электрическое сопротивление магниточувствительного элемента при = 0о; r90 – электрическое сопротивление магниточувствительного элемента при = 90о .

Наибольшую известность получили тонкопленочные магниторезисторы серии КМZ10, выпуск которых освоен зарубежными фирмами.

В последние годы разработана новая серия тонкопленочных магниторезисторов, принцип работы которых основан на спин-вентильном эффекте, и получивших название «гигантских» магниторезисторов. Магниточувствительный слой таких резисторов представляет собой многослойную тонкопленочную структуру с нанометровой толщиной (рис. 6.4). Величина электрического сопротивления таких датчиков зависит от напряженности магнитного поля и ориентации поля в плоскости датчика (рис. 6.5).

«Монолитные» магниторезисторы целесообразно использовать при измерении напряженности «сильных» магнитных

300