5.4 Физические основы магнитомодуляционных измерительных преобразователей
Вещество,
помещенное в магнитное поле, напряженностью
,
приобретает магнитный момент
,
т.е. намагничивается (
).
Вектор намагниченности (J) равен магнитному
моменту единицы объема (J
).
Вектор намагниченности может быть
направлен параллельно или антипараллельно
напряженности
.
Поэтому напряженность магнитного поля
внутри магнетика складывается из
напряженности внешнего магнитного поля
(
)
и из напряженности внутреннего магнитного
поля (J =א
).
В системе СИ магнитная индукция (В) и
напряженность магнитного поля (
)
измеряются в разных единицах, поэтому:
J)
א
)
א)
,
א,
(5.16)
где: א – магнитная восприимчивость вещества.
Относительная
магнитная проницаемость вещества (
)
может принимать значения в большом
диапазоне. По магнитным свойствам все
вещества подразделяются на три основные
группы: диа-, пара- и ферромагнетики.
У
диамагнетиков א
< 0;
<
1, причем магнитная восприимчивость не
зависит от температуры и напряженности
магнитного поля.
Объяснение диамагнетизма основано на применении теоремы Лармора, согласно которой движение электрона вокруг ядра в магнитном поле происходит с прецессией. В результате этого появляются круговые токи, ослабляющие внешнее магнитное поле. Ядра атомов также обладают магнитным моментом, но он в тысячи раз выражен слабее, чем для электронов (гиромагнитное соотношение зависит от массы частиц).
Диамагнетизм присущ всем телам, но в большинстве случаев перекрывается другими, более сильными факторами. Диамагнетизм сильнее проявляется для тех материалов, у которых собственный магнитный момент слабо выражен, например, для инертных газов, органических соединений, некоторых металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть).
Для парамагнитных
материалов (א
> 0;
>
1)
под действием внешнего магнитного поля
оси магнитных моментов молекулярных
круговых токов, образованных вращением
электронов вокруг ядра атома, наклоняются
в сторону внешнего магнитного поля,
усиливая его. Вследствие незначительности
энергии молекулярного кругового тока
в магнитном поле по сравнению с энергией
теплового движения отдельных молекул
и атомов внутри неферромагнитных
материалов явление парамагнетизма
проявляется слабо, но значительно больше
диамагнетизма.
К парамагнетикам относятся вещества с положительной магнитной восприимчивостью, величина которой не зависит от напряженности магнитного поля. В парамагнетиках атомы обладают элементарным магнитным моментом, но благодаря тепловому движению атомов направления магнитных моментов в пространстве распределены произвольно, поэтому намагниченность вещества в целом равна нулю. Во внешнем магнитном поле происходит преимущественная ориентация магнитных моментов. Так как тепловая энергия противодействует упорядоченной ориентации магнитных моментов, то магнитная восприимчивость парамагнетиков сильно зависит от температуры:
.
(5.17)
К парамагнетикам относятся щелочные и щелочноземельные материалы, а также кислород, соли железа, никеля и др.
Степень
намагниченности вещества зависит от
концентрации намагниченных атомов.
Поэтому для газов используют понятие
удельной магнитной восприимчивости
(
),
не зависящей от плотности вещества.
Магнитная проницаемость газов зависит
также от температуры и давления:
.
(5.18)
С увеличением
температуры или с понижением давления
магнитная восприимчивость газов
уменьшается. Для реальных газов также
и сама удельная магнитная восприимчивость
(
)
зависит от температуры:
,
(5.19)
где: С – постоянная Кюри.
Для смеси газов справедлива формула:
,
(5.20)
где:
- объемная концентрация компонентов в
смеси газов.
Ферромагнетики
это вещества с
>>
1. Их магнитные свойства сильно зависят
от различных факторов, в том числе и от
температуры (критическое значение
температуры –точка
Кюри), а также
напряженности магнитного поля. Это
позволяет создавать на их основе
высокочувствительные устройства для
получения первичной измерительной
информации.
Ферромагнетизм обусловлен особенностями построения кристаллической структуры вещества, наиболее сильно выражен для соединений железа, никеля, кобальта и др.
В основу теории, объясняющей механизм ферромагнетизма, положена доменная структура вещества, суть которой заключается в том, что в ферромагнетиках существуют отдельные макроскопические области, домены, с одинаковыми направлениями магнитных моментов атомов, спонтанно намагниченные до насыщения. Намагничивание реализуется поворотом отдельных магнитных моментов атомов, магнитных моментов доменов.
Происхождение магнитного момента в единице объема вещества обусловлено наличием спина у электронов, а также наличием орбитального момента у электрона, связанного с движением электрона вокруг ядра атома.
Отношение магнитного момента атома ферромагнетика к его количеству движения называется гиромагнитным отношением:
,
~ ∙Н.
(5.21)
- частота прецессии, Н – напряженность магнитного поля.
Ферромагнетизмом обладают атомы с недостроенными внутренними подоболочками. Как показывают теоретические и экспериментальные исследования, магнитное взаимодействие между спиновыми магнитными моментами слишком слабое для создания спонтанной намагниченности даже при низких температурах.
Ферромагнетизм возникает благодаря электростатическому взаимодействию электронов внутренних недостроенных подоболочек атомов (обменное взаимодействие) и носит квантовый характер. При перекрытии электронных оболочек атомов растет частота обмена электронами, электроны становятся общими, увеличивается объемная плотность заряда между атомами, что приводит к их взаимному притяжению.
Наиболее устойчивым является состояние, когда соседние области намагничены противоположно друг другу, при этом магнитный поток замыкается внутри образца. На начальном этапе формирования домена преобладают силы обменного взаимодействия, и спины электронов недостроенных оболочек атомов выстраиваются параллельно.
Но с увеличением размера домена возрастают силы магнитного взаимодействия, противодействующие ориентирующим обменным силам. Размер домена достигает критической величины, когда магнитное взаимодействие становится определяющим и спины соседней прилегающей области ферромагнетика выстраиваются антипараллельно (размер домена составляет микрометры).
Процесс намагничивания ферромагнетика происходит в несколько этапов:
вначале увеличивается в размерах домен за счет смещения «стенок Блоха» до полного заполнения кристалла одним доменом;
затем происходит поворот вектора намагниченности домена в направлении магнитного поля до их совпадения;
сильное поле вызывает параллельную ориентацию спинов электронов (из-за теплового движения они были антипараллельны) до насыщения образца.
Рис 5.8 Петля гистерезиса ферромагнетика.
При нагревании обменное взаимодействие ослабляется и при температуре превышающей точку Кюри происходит распад доменной структуры и вещество переходит в парамагнитное состояние.
При перемагничивании возникают потери на гистерезис и вихревые токи. С увеличением температуры возрастает и постоянная релаксации.
В антиферромагнетиках спонтанно устанавливается антипараллельная ориентация магнитных моментов атомов. Эффект присущ соединениям хрома, марганца и др. При нагревании свыше температуры Нееля вещество переходит в парамагнитное состояние.
К ферримагнетикам
относятся
вещества, в которых наблюдается
нескомпенсированный антиферромагнетизм.
В них устанавливается устойчивая
антипараллельная ориентация магнитных
моментов атомов при отсутствии их
магнитной компенсации, что приводит к
возникновению самопроизвольной
намагниченности. Магнитная восприимчивость
таких материалов достаточно высокая,
зависит от напряженности магнитного
поля и температуры. Тепловое движение
атомов разрушает антипараллельную
ориентацию магнитных моментов. При
температуре Неля происходит фазовый
переход второго рода, и ферромагнетизм
переходит в парамагнетизм. Ферримагнетики
характеризуются высоким значением
удельного электрического сопротивления,
поэтому широко используются в
высокочастотных цепях (ферриты). Общая
формула для ферримагнитных материалов:
,
где Ме
– железо, магний, кальций, марганец,
медь и др.
Рис. 5.9 Способы образования намагниченности материалов.
В датчиках, предназначенных для измерения усилий, используют магнитоупругие изотропные и анизотропные преобразователи.
В первом случае механизм чувствительности датчика основан на реализации функциональной зависимости магнитной проницаемости материала магнитопровода от величины механических напряжений, создаваемых в нем.
Во втором случае реализуется эффект перераспределения (вытеснения) под действием измеряемых усилий магнитного поля между отдельными областями магнитопровода. При этом деформация магнитного поля вызывает незначительные изменение индуктивности, но может привести к значительному изменению потокосцепления между обмотками, что позволяет создавать на их основе высокочувствительные измерительные устройства.
Устройство такого типа используют в основном для изменения больших усилий (например, в горнодобывающей промышленности). К достоинствам преобразователей данного типа можно отнести простоту конструкции, надежность, низкую стоимость. Для снижения влияния температуры используют различные варианты построения магнитоупругих датчиков дифференциального типа.