CC BY
20
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
Влияние размагничивающего эффекта на устойчивость магнитной
индукции системы при климатических испытаниях
1 2 Черкасова О. А. , Черкасова С. А.
1Черкасова Ольга Алексеевна / Cherkasova Olga Alekseevna - кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра компьютерной физики и метаматериалов, физический факультет, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского;
2Черкасова Светлана Алексеевна / Cherkasova Svetlana Alekseevna - кандидат технических
наук, доцент, кафедра технической механики и деталей машин, Институт электронной техники и машиностроения Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., г. Саратов
Аннотация: рассмотрены обратимые и необратимые изменения магнитных свойств магнитов, собранных в периодическую систему, при температурных испытаниях на тепло и холод. Получено, что при обратимых изменениях температурный коэффициент индукции понижается, а при необратимых повышается. Установлен возможный предел положительного использования размагничивающего эффекта в системе при воздействии обратным полем, напряженность которого соответствует значению коэрцитивной силы по индукции BHC =640 кА/м (12 кЭ). Для повышения однородности топологии поля предложена степень размагничивания магнитов в системе не более 10%.
Ключевые слова: магнитная система, температурные испытания, индукция магнитного поля, температурный коэффициент индукции, коэрцитивная сила.
В работе [1] рассмотрено изменение величины магнитного поля системы в условиях температурных испытаний без учёта размагничивающих эффектов. Однако на практике в большинстве случае постоянные магниты не находятся в насыщении [2], следовательно, вопрос влияния размагничивающего эффекта (собственного или внешнего) остается актуальным. Влияние фактора размагничивания на поведение магнитной индукции системы приводит к формированию, в исследуемом объекте, доменных структур с различной ориентацией вектора намагничивания. В итоге наличие таких структур приведет к неоднородности поля и к её не однозначному поведению в условиях изменения диапазона температур. Данная работа посвящена изучению внешнего размагничивающего эффекта в условиях температурных испытаний, а также выяснению возможного предела использования размагничивающего эффекта.
Материалы и методы исследования. В качестве постоянных магнитов использовали кольцевой магнит 0 12*6*3 мм, изготовленный из материала КСГЭ, по технологии, предложенной в работах [3, 4] в количестве 15 шт. Макет магнитной системы (МС) создавался аналогично тому, что был предложен в работе [1], с той лишь разницей, что использовали стяжку и втулки меньших диаметров 0 6*5 и 0 8*6*20 мм соответственно. С помощью зонта с датчиком Холла измерялась индукция на оси системы. Для температурных испытаний были выбраны следующие диапазоны: +20°С^(-60)°С и +20°С^(+100)°С. Предел допустимых значений погрешности измерений и поддерживаемой температуры в термокамере и МС не более ±3°С. В качестве контроля используется t0=+20°C. Метод температурных испытаний описан в работе [1]. Размагничивающие эффекты создавали в результате размагничивания магнитов в обратном поле напряженностью вНс = 0^960 кА/м (12 кЭ) с шагом 2 кЭ. После каждого размагничивания магниты вновь собирались в систему в той
же последовательности и проходили термоиспытания с измерением величины магнитной индукции на оси системы в выбранных диапазонах температур. По окончании каждого цикла термоиспытаний, магниты вновь намагничивались до насыщения - состояния материала, при котором дальнейшее увеличение напряжённости намагничивающего поля не приводит к изменению его намагниченности, а затем размагничивались обратным полем, напряженность которого соответствовала значению коэрцитивной силы по индукции (вЯс) 160 кА/м (2 кЭ), 320 кА/м (4 кЭ) и т. д.
Результаты и обсуждение. Для анализа поведения МС были выбраны следующие характеристики: среднее значение магнитной индукции на оси МС (Вер), относительное температурное изменение магнитной индукции (5в) и ее температурный коэффициент (ТКВ) на исследуемом интервале. Среднее значение магнитной индукции на оси МС отображает топологию магнитного поля системы и может служить характеристикой однородности, если разброс не превышает ±5%. Температурный коэффициент магнитной индукции позволяет определить, насколько сильно изменится индукция в зависимости от температуры. Согласно проведенным исследованиям, результаты которых сведены в таблицу, можно говорить о термостабильности МС.
Таблица 1. Основные характеристики МС при термоиспытаниях
вНс, кА/м (кЭ) ВСР, мТл, при температуре ТКВ, %/°С, на интервале
20°С 60°С 100°С (20-(-60))°С (20-100)°С
0 125,33 114,73 121,02 -0,106 -0,043
-160 (-2) 125,11 122,46 121,29 -0,026 -0,038
-320 (-4) 123,6 122,19 119,83 -0,026 -0,038
-480 (-6) 116,27 114,48 114,51 -0,014 -0,019
-640 (-8) 113,38 113,28 112,61 -0,001 -0,008
-800 (-10) 110,42 109,02 109,35 -0,016 -0,012
-960 (-12) 109,54 108,64 108,52 -0,010 -0,012
Однако как видно из таблицы, с увеличением внешнего размагничивающего поля уменьшаются потери при повышенной и пониженной температурах в величине магнитной индукции, что с одной стороны говорит о снятии обратимых изменениях, а с другой - уменьшение коэффициента прямоугольности размагничивающей ветви петли гистерезиса. Влияние коэрцитивной силы по индукции до 6 кЭ не выявило неоднородности в топологии магнитного поля, при этом разброс значений составил не более ±3,5%. В результате исследования было установлено, что при внешнем размагничивающем эффекте при испытаниях на холод значение магнитной индукции уменьшилось, а не увеличилось, как было показано в работе [1]. Обратный эффект наблюдается и с величиной Ткв: при воздействии коэрцитивной силы он падает, а не растет. Такое различие в экспериментах, на наш взгляд, связано именно с влиянием на магниты коэрцитивной силы. В связи с тем, что размагничивание в поле напряженностью до 6 кЭ снимает обратимые изменения, которые также можно снять, используя в технологическом процессе термостабилизацию магнитов при повышенной температуре (150-250)°С, вполне вероятно, что в реальных системах ТКВ будет именно падать на интервале от минусовой до плюсовой температуры испытаний, за счёт внутренних размагничивающих эффектов.
При увеличении внешнего размагничивающего поля было выявлено ряд изменений. При напряженности поля (коэрцитивной силы) в -8 кЭ ВСР=113,38±11,59 мТл разброс по индукции увеличился до ±10%, что привело к неоднородности топологии магнитного поля системы. Кроме того считается оптимальным, когда коэффициент прямоугольности падает не более чем на 10% от величины остаточной индукции при размагничивающем поле в 8 кЭ, т. е. равен 0,9 [3]. В нашем случае при рассмотрении индивидуальных значений магнитной индукции, т.к. разброс превышает значение для однородности
топологии поля, данный коэффициент варьируется в интервале (0,92^0,88). Следовательно, необходим дополнительный контроль магнитов для забракования тех, у которых коэффициент прямоугольности превышает 0,9. Помимо этого, при коэрцитивной силе в 8 кЭ Ткв продолжает уменьшаться.
В случае размагничивающих полей в 10 кЭ и 12 кЭ (так называемое магнитное старение) неоднородность увеличилась, коэффициент прямоугольности понизился до
0.86.и 0,8, соответственно, а вот ТКВ вырос по сравнению со значениями при вЯс=8 кЭ, однако общая тенденция осталась прежней.
Известно [5], что при размагничивании магнитов в полях 8-10 кЭ происходит частичная разориентация доменов во всем объеме магнита, приводящая к снижению индукции и увеличению неоднородности поля. При увеличении размагничивающего поля в доменных структурах возможно размагничивание или перемагничивание, что приводит к увеличению неоднородности, необратимому уменьшению магнитной индукции с существенным изменением её относительной поперечной составляющей. Все это оказывает отрицательный эффект на топологию поля.
Заключение. Анализируя поведение Ткв при различных значениях коэрцитивной силы, было обнаружено, что минимальное значение наблюдается при вНс=8 кЭ. Отсюда можно сделать вывод, что использование внешнего размагничивающего поля с положительной тенденцией возможно только по достижению напряженности поля, соответствующей значению коэрцитивной силы по индукции вНс=8 кЭ. Кроме того было установлено, что обратимые изменения магнитных свойств МС и магнитов при климатических испытаниях происходят вплоть до воздействия размагничивающего поля в 6 кЭ, а вот необратимые изменения наблюдаются уже при вЯс>8 кЭ. В связи с чем, на наш взгляд, использование магнитов, размагниченных в полях более 8 кЭ, нежелательно, т.к. положение рабочей точки магнита и соответственно системы в целом на кривой размагничивания будет располагаться на криволинейном участке, что приведет к неоднозначным результатам при эксплуатации изделия с такой МС. Также не целесообразно использовать магниты в насыщение, по причине присутствия обратимых изменений, которые завышают значения ТКВ и искажают истинную природу топологии магнитного поля системы. Кроме того необходимо, чтобы при подборе магнитов в систему степень размагничивания не превышала 10%, что позволит выровнять неоднородность поля в системе и повысить ее термостабильность.
Литература
1. Черкасова О. А., Черкасова С. А. Исследование поведения магнитного поля системы в условиях климатических испытаний // Вестник науки и образования, 2016. № 9 (21). С. 12-14.
2. Черкасова О. А. Экспериментальное и аналитическое исследование магнитной индукции на поверхности дисковых магнитов из 8ш-Со сплава // Информационные технологии и математическое моделирование в образовании и научных исследованиях. Сб. научных ст. Саратов: СРОО «Центр «Просвещение», 2016. С. 150-153.
3. Черкасова О. А. Влияние режимов спекания на магнитные характеристики магнитов из сплава КС37 // Гетеромагнитная микроэлектроника, 2013. Вып. 15. С. 106-112.
4. Черкасова О. А. Влияние режимов спекания на процесс формирования магнитных характеристик у магнитов из сплава КС37 // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. Москва, 2013. № 12 (59). Ч. 1. С. 35-38.
5. Семенов Г. А., Рабодзей А. Г., Крапивина Л. А. Влияние технологических операций при изготовлении МПФС разъемного типа на свойства кольцевых магнитов из 8ш-Со сплава // Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. М.: ЦНИИ «Электроника», 1974. Вып. 9. С. 63-69.
