Файл: Руководство по разработке технологической карты по магнитопорошковому контролю, приведены тесты для подготовки к сдаче экзаменов по магнитному контролю.pdf

Что происходит в монокристалле ферромагнетика при температуре,
равной абсолютному нулю?
При температуре, равной абсолютному нулю,
все спины в домене будут ориентированы одинаково, параллельно одному из направлений легкого намагничивания (рис. 1.18).
Рис. 1.18. Ориентация спинов в домене ферромагнетика при температуре, равной абсолютному нулю
Что произойдет в монокристалле ферромагнетика, если его
температура возрастет от абсолютного нуля до точки Кюри?
С возрастанием температуры величина спонтанной намагниченности будет убывать. Физически это означает, что некоторые спины
внутри домена будут переходить в положение, антипараллельное спонтанной намагниченности.
В точке Кюри число параллельно и антипараллельно намагниченных спинов становится одинаковым (рис. 1.19).
Рис. 1.19. Ориентация спинов в монокристалле ферромагнетика при температуре, равной точке Кюри
Спонтанная намагниченность становится равной нулю. При этом магнитная проницаемость материала резко падает до значения, близкого к единице.
Такая переориентация спинов при повышении температуры обусловлена дезориентирующим действием теплового движения. Ее можно гасить
25

ориентирующим действием приложенного сильного магнитного поля. Это явление называется
парапроцессом
Что происходит в ферромагнетике при намагничивании слабым
магнитным полем?
В слабых магнитных полях (область начального, или обратимого, намагничивания) намагниченность и индукция пропорциональны напряжен- ности поля. Особенностью этой области является обратимость процессов намагничивания при убывании или возрастании намагничивающего поля.
То есть если под действием намагничивающего поля
Н
магнитная индукция в образце достигнет величины
В
, а намагниченность – величины
М
, то после уменьшения напряженности поля до нуля и индукция, и намагниченность станут равными нулю. Обратимость процессов намагничивания при убывании или возрастании намагничивающего поля обусловлена упругим смещением границ доменов.
Какие особенности намагничивания ферромагнетика в области Релея?
В области Рэлея наблюдается нелинейная зависимость магнитной индук- ции
В
и намагниченности
М
от напряженности поля. При намагничивании в этой области частично происходит упругое смещение границ доменов. Однако основную роль играют процессы изменения направления вектора
М
в пре- делах доменов. Протекающие в этой области процессы не являются пол- ностью обратимыми.
Что происходит в ферромагнетике при намагничивании в области
наибольших магнитных проницаемостей?
В этой области наблюдается резкое возрастание намагниченности ферромагнетика. Причем намагниченность изменяется скачками (
скачки
Баркгаузена
). Скачки Баркгаузена связаны с необратимым смещением границ между доменами. В конце этой области, наряду с процессами смещения, заметную роль играют процессы вращения вектора намагниченности в домене.
Что происходит в ферромагнетике в области приближения к
насыщению?
Увеличение намагниченности в этой области происходит в основном из-за уменьшения угла между вектором намагниченности доменов и векто- ром внешнего поля. Происходящие в этой области процессы не явля- ются обратимыми.
26

Что происходит в ферромагнетике при его намагничивании в области
парапроцесса?
Незначительное увеличение намагниченности в этой области происходит вследствие уменьшения дезориентирующего действия теплового движения на магнитные домены за счет сильного приложенного магнитного поля.
1.5. Петля гистерезиса. Коэрцитивная сила. Частные циклы
гистерезиса
Что такое петля гистерезиса?
Если после достижения в процессе намагничивания образца некоторой величины намагниченности
М
(или индукции
В
) уменьшить величину напряженности магнитного поля, то намагниченность (индукция) будет изменяться по кривой, отличной от кривой первоначального намагничивания.
Это объясняется тем, что из-за больших по сравнению с атомами размеров доменов процесс их переориентации в магнитном поле происходит с большими затруднениями, чем процесс ориентации (дезориентации) отдельных молекул или атомов, что имеет место в парамагнитных и диамагнитных объектах.
Поэтому намагничивание и размагничивание ферромагнетика происходит с отставанием от изменения внешнего поля. То есть происходит гистерезис при намагничивании и размагничивании ферромагнитных материалов. Процесс перемагничивания ферромагнетика является обратимым только в областях начального намагничивания и парапроцесса.
Если напряженность поля изменилась от нуля до некоторого значения max
H
, затем до –
max
H
и снова до max
H
, то кривая
В
=
f
(
Н
) называется симметричной петлей гистерезиса (рис. 1.20,
а
). Точки пересечения петли гистерезиса с осью ординат и осью абсцисс определяют значения остаточной индукции
r
B и коэрцитивной силы
c
H соответственно. На рис. 1.20,
а
показана петля для симметричного цикла магнитного гистерезиса, т. е. когда
2 1
H
H


Если

+
max
H



–
max
H

, то петля гистерезиса будет построена для несимметричного цикла (рис. 1.20,
б
). Заштрихован установившийся частный цикл гистерезиса.
За один полный цикл изменения напряженности поля расходуется энергия, пропорциональная площади петли гистерезиса.
Какая петля гистерезиса называется предельной?
Петля гистерезиса, имеющая максимальную площадь, называется пре- дельной. В вершинах
А
и
А
предельной петли гистерезиса все домены ориентированы вдоль вектора напряженности магнитного поля (см. рис. 1.5).
27

Дальнейшее увеличение напряженности поля приводит лишь к увеличению ее безгистерезисных участков.
а)
б)
Рис. 1.20. Петля магнитного гистерезиса ферромагнетика для симметричного (
а) и несимметричного (
б) цикла
Что такое коэрцитивная сила по намагниченности?
Это величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения намагниченности от остаточной намагниченности до нуля.
Обозначается
cM
H .
Коэрцитивная сила ферромагнитного объекта сильно зависит от его структуры. Так, если монокристалл чистого железа имеет
c
H
 1 А/м, то частицы магнитного порошка из того же материала с размером частиц 20
10
-9
м имеют
c
H  810 4
А/м.
Коэрцитивная сила является одной из наиболее структурно-чувствительных характеристик магнитных свойств ферромагнитных материалов. Поэтому ее используют для контроля качества термической и химико-термической обработки, по ней может быть определено соответствие твердости, глубины цементированного и поверхностно-закаленного слоя токами высокой частоты.
По коэрцитивной силе может также проводиться сортировка углеродистых сталей по маркам. В некоторых случаях могут быть определены и отдельные механические характеристики ферромагнитных материалов. Все это возможно только в тех случаях, когда между определяемым параметром и коэрцитивной силой существует однозначная корреляционная зависимость.
Дайте определение коэрцитивной силы по индукции.
Величина, равная напряженности магнитного поля, необходимой для изменения индукции от остаточной индукции до нуля, называется коэрцитивной
28

силой по индукции. Обозначается
cB
H . Численно коэрцитивная сила равна напряженности магнитного поля, при которой дифференциальная магнитная проницаемость достигает максимума. Значения коэрцитивной силы по индукции и по намагниченности близки только для магнитно-мягких материалов.
При магнитном контроле в основном используют коэрцитив-
ную силу по индукции
Какими свойствами обладают магнитно-мягкие и магнитно-жесткие
материалы?
Магнитно-мягкие
материалы намагничиваются до насыщения в очень слабых полях, имеют высокую магнитную проницаемость, узкую петлю гистерезиса, а значит, малые потери на перемагничивание. Поэтому из магнит- но-мягких материалов изготовляют, например, сердечники электрических машин, трансформаторов, дросселей, работающих в переменных маг- нитных полях.
Магнитно-жесткие
(или
магнитотвердые
) материалы характеризуются широкой петлей гистерезиса. Они имеют большие значения коэрцитивной силы и остаточной намагниченности. Эти материалы применяют для изготовления постоянных магнитов.
Сравнивая характеристики магнитно-мягких и магнитно-жестких материалов, можно прийти к выводу, что индукция насыщения и остаточная индукция для них примерно одинаковы, а отличие коэрцитивной силы достигает очень большой величины. Границы значений коэрцитивной силы, по которым материал можно отнести к магнитно-мягким или магнитно-жестким, являются условными. Можно считать, что если 0,4 А/м

c
H

800 А/м, то материал
магнитно-мягкий
, а если 4 кА/м

c
H

400 кА/м, то
магнитно-жесткий
Термины «магнитно-жесткий» и «магнитно-мягкий» не характеризуют механические свойства материала.
Какие циклы гистерезиса называются частными?
Начиная с некоторого значения max
H
площадь петли гистерезиса достигает наибольших размеров. Такая петля называется предельной. Дальнейшее увеличение максимальной напряженности поля приводит лишь к удлинению ее безгистерезисных участков.
Все циклы гистерезиса, кроме предельного, называют- ся частными (рис. 1.21).
Они могут быть как симметричными (см. рис. 1.21,
а
), так и несимметричными (см. рис. 1.21,
б
). В последнем случае

max
H
 

min
H

Частный цикл гистерезиса может находиться в любом квадранте системы
29

координат
MОH или ВОН, пересекать оси абсцисс и ординат (см. рис. 1.21, б).
На рис 1.21,
б заштрихован установившийся частный цикл гистерезиса.
а) б)
Рис. 1.21. Частные циклы гистерезиса:
а – для симметричного цикла; б – для несимметричного цикла
1.6. Намагничивание ферромагнитного тела и вещества
При каком условии магнитные характеристики можно считать
характеристиками вещества?
Магнитные характеристики можно считать характеристиками вещества
(материала) при условии, что на ферромагнитный образец воздействует только внешнее магнитное поле. Приближенно такие условия выполняются в
однородной магнитной цепи замкнутой формы (без воздушных зазоров), например, в кольцеобразном образце (рис. 1.22).
Рис. 1.22. Расположение намагничивающей обмотки на тороидальном образце
Если же во внешнем поле находится образец разомкнутой формы, например, цилиндр, то на его краях образуются магнитные полюсы, создающие
30

внутри образца магнитное поле
Н

противоположного направления по отношению к внешнему полю
0
H (рис. 1.23).
Рис. 1.23. Намагничивание ферромагнитного тела
Размагничивающее поле пропорционально намагниченности образца и определяется из выражения
Н

=
p
N M, где
p
N – коэффициент размагничивания по намагниченности (иногда его называют размагничивающим фактором).
Истинное значение напряженности магнитного поля в образце будет меньше внешнего поля
i
H
=
Н

–
p
N M. Численное значение коэффициента размагни- чивания зависит главным образом от геометрической формы и относительных размеров образца. Точное значение
p
N имеет только для однородно намагниченных тел, к которым относятся эллипсоиды вращения. Например, для шара
p
N = 1/3, для бесконечно длинного цилиндра, продольная ось которого перпендикулярна внешнему полю,
p
N = 1/2, а если параллельна, то
p
N = 0. Для бесконечно тонкой пластины, плоскость которой перпендикулярна вектору напряженности намагничивающего поля,
p
N = 1, т. е. тонкую пластину сложно намагнитить в направлении, перпендикулярном ее поверхности.

В чем отличие кривых намагничивания вещества и тела?
Кривая намагничивания
тела имеет более пологий вид (рис. 1.24, кривая 2). Причем чем короче и толще образец, тем больше
p
N и тем более пологий вид имеет кривая намагничивания тела.
Рис. 1.24. Кривая намагничивания: 1 – для вещества; 2 – для тела
Если магнитная проницаемость вещества определяется по форму- ле
0
r
i
В
H
 

, где
i
H
– истинная напряженность магнитного поля, то магнитная проницаемость тела – по формуле



0 0
В
H


1
(
1)
r
r
N


 
Ферромагнитный объект находится в вакууме. Вблизи некоторой
точки А, находящейся на границе раздела сред, в вакууме вектор магнитной
индукции равен
0
B и направлен под углом  к поверхности (рис. 1.25). При
этом относительная магнитная проницаемость материала объекта
равна μ
r
. Чему равно значение магнитной индукции в ферромагнетике в
окрестностях той же точки А?
Искомое значение индукции определяется по формуле
2 2
n
B
В
B



, где
n
B и B

– нормальная и тангенциальная составляющие магнитной индукции в ферромагнетике соответственно. Воспользуемся граничными условия- ми
2
n
B =
1
n
B ,
2
H


1
H

. Индексы 1 и 2 относятся к вакууму и ферромагнетику соответственно.
Тогда
n
B =
0
B sin.
B

=
r

0

H

=
r

0
B sin
0
 .
32