Об идеальных кривых намагничивания ферромагнетиков

ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИИ
ФИЗИКА
1961
ОБ ИДЕАЛЬНЫХ КРИВЫХ НАМАГНИЧИВАНИЯ
ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
Л. В. Киренский, А. И. Дрокин, В. С. Черкашин, Р. П. Смолин
!.
Еще Виллари
ВВЕДЕНИЕ
[ 1] было известно, что намагниченность образца
изменяется под действием механических напряжений и электр-ическо­
го
тока.
Юинг
[2] утверждал, что если при снятии кривой
ния после каждого изменения поля
получится безгистерезисная кривая.
образец
намагничива­
подвергать
ударам,
Гераза и Финци [3] получали безгистерезисную кривую
то
наложе­
нием на образец постоянного и nеремениого магнитного поля при
снятии кривой намагничивания. Намагниченность измерялась в право­
лаке, по которой протекал переменный ток, создающий поле, перпен­
дикулярное
постоянному .намагничивающему
Терм ин
"идеальная "-безгистерезисная
11олю .
кривая
намагничивания
ферромагнетиков был введен Штейнrаузом и Гумлихом
[4]. Они по­
лучали идеальную кривую, накладывая на образец после каждого из­
менения
постоянного
поля
прод ольное
nеременное
поле,
пара Jле ль­
ное . постоянному. При этом амплитуда перемениого поля плавно воз­
растала от нуля до некоторой наибольшей величины, а затем плавно
убывала до нуля.
Еще в 30 -х годах Аркадьев
кривая намагничивания"
[5]
не совсем
указывал, что термин "идеальная
удачен, тем
не менее он вошел в
обиход.
.
Позднее в литературе
[6-12]
было указано множ е ство способов
получе ни я идеальных кривых. Чаще всего их получают
наложением
на образец постоянного и перемениого поля с убывающей до нуля
амплитудой. Указывалось также, что ее можно полу~тть "темпера­
турной тряской", т. е. последовательным нагревом и охлаждением,
"механической тряской"-знакопеременными механическими напряже­
ниями и даже простым постукиванием по образцу в магнитном поле.
Считалось, что такие воздействия на образец достаточны для уста­
новления состояния , параллельной намагниченности · в соседних фер­
ромагнитных областях
[12].
Теория магнитного гистерезиса и идеальных кривых намагничи­
вания в слабых магнитных полях для кристаллических ферромагнети­
ков была разрабо1ана Кондореким [13,14]. Эта теорця получила ка­
чественное подтверждение в рабqт_ах Попцова и Черниковой [15,16].
ИдеаJ1ьные кривые в этих работах nолучались методом наложения на
образец постоянного и nере мениого поля с убывающей до нуля амп-
97
Об идеальных кривых намаrщtч~вания ферромагнетиков
литудой .. Экспериментальные идеальные кривые
с
теоретическими,
рассчитанными
не точно
для трехосного
ли б.шже к теоретическим кривым
для
совпадали
материала,
а
одноосного материала,
материал был трехосным. Это объяснялось различием в
осей легчайшего намагничивания в зернах
и
·
хотя
ориентациях
неиз.бежной
и кристаллографической текстурой и. т. п. в реальном
прош-
магнитной
материале.
Вопрос о том, совпадают ли между собою идеальнь1е кривые, по ­
лученные разными способами, до сих Пор не решен, и решению ' это­
го вопроса
посвящено насто·ящее исследование.
В работе идеальныР. кривЫе получалясь
наложением
nостоЯнного и перемениого поля с убывающей до нуля
на
образец
амплитудой,
с nомощью механической тряски ультразвуком и постукиванием, тем­
лературной тряской с нагревом образца до температур, лежащих как
ниже, так и выше точки Кюри, с последующим охлаждением до йс­
ходной температуры. При нагреве образцов до температур, лежащих
ниже точки Кюри, и охлаждении до исходной температуры nроцесс
нагрева и охлаждения повторялся 4 раза.
2. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИИ
Объектами для исследований служили образцы никеля и сплавов
никель-хром и никель-медь. Такие образцы были выбраны nотому, что
они
имеют достаточно
широкую
петлю
гистерезиса
и
сравнительно
низкую темnературу Кюри. Химический состав образцов,
рические
в табл.
размеры и
некоторые
магнитные
их
характеристики
геомет­
приведены
1.
Таблица
1
• 2
1 Геометрические размеры (мм)
Химический
N9
образца
состав
· · длина
99,91 %Ni
96,92 % Ni, 3 % Cr
90 % Ni, 10 % Cu
99,22% Nl
3
4
100
100
100
140
1
ширина
1
2,5
1
е
толщина
(о С)
0,5
13,4
21,5
5,4
13,5
1 ,О
диаметр
3,0
2,0
Не
GfOe
1
мм
0,2
0,5
1
1
1
360
320
170
360
Образ~::ц .N2 4 был сильно наклеnан:
Специальной термообработки образцы не проходили,. так как в
случае высокотемпературного отжига петля гистерезиса ~тала бы _ уз­
кой, и различия в ходе кривых были бы очень малыми.
Измерения проводиJJись на вертикалJ:>ном астатическом
метр е , подробно оnисанном в литературе (17].
Кондореким
(18]
магнито­
указывалось, что способ размагничивания образ-
ца может влиять на ход кривЫх намагничивания.
Это подтверждает­
ся на опыте. С образцов были сняты девств енные кривые намагни­
чивания, снятые с образцов 1, 2 и 3 (рис. 1), после размагничивания
их переменным током, с убывающей до нуля амплитудой (пунктирные
линии) и наГревом до температуrы Кюри, с последующим
охлажде­
ю: ем до исходного состояния (20 ° С) в отсутствие магнитного поля
(сплошные кривые). ·
·
Способ размагничивания влияет на температурную зависимость
намагниченности образца
других эффектов
(20].
(17],
на величину
магнитострикции
Поэтому перед каждым
измерением
(19]
и
образцы
размагничивались нагревом до темпер.атуры Кюри с последующим ох­
лаждением
в
отсутствие
магнитного
поля.
"
:: -л : · к Юlрёliский, А. и: Дрокин и
'.
.
·н
JJ.p : . · ·.·
· ' Gзвучива·н.ие · образцов проводилось ' на · частоте 20,5 ягЦ .. ' Ампли~
ту да переменН'ого : звукового давления . составлял11 .0;3'" кг f.м.м 2 • При
больших . инт~нсивностях озвучивания образцы · разрушались. Мет.од11 "-
1<а . озвучивания образцов · ,подроб.но описана в литературе · [21].
· ·
;,;.sJ,
·
·
: ··. ·.· С каждого образца снимали:оь·
' девственные крИвые намагнич·и-·
г-----г--.:.,---'-т-~-,--:__:_,~:__~·
вания:
;,
кривые
нам•агнич·ивания
озву·Чиваемiоrо образца ripи уве­
l.
личении и ·· уменьшении магнИтно­
го Поля;; кривые При температур­
ной тряске при четырехкратном
нагреве · до температур; леЖащих
ниже ·точки Кюри, И охлаж:де -
• '21/fl
нии до
кривые
ицодной температуры;
при · наложении на об -
разец постоянного и переменно ~
· го по .~я: · с ·, убывающей · до нуля:
амплитудой,
.,
J'#
fi/
а также постоянно­
й и: коммутИруемого поля субы­
,вающ~й да, t~Ул.я амплитудqй и
11(/k-J · '. кри'вые, точкн ' которых
ны
после
нагрева
получ~­
до
. образца ·
Рис. 1.
те~пературы,
лежащей
выше
-т очки Кюри, с после дую щим охлаждением до ис;х9дной температуры,
т. е . кривые, полуЧенны е после прохождения полного цикла · А (на­
rрев-охла ждение}- температурного магнитного гистерезиса · (т. м. г.).
~ " Ршибка при изм е рени~х составляла не более 5%·. Повторяемос:rь
резупьт~тов измерени й б~Iла хорошей.
·
.
- .... Кроме этого, пров~дились на~людени~ изменения- намагн~ченно·с~.
ти , при !по'с;rукщзании образцqi! в ~агнитнфм пол е и при меха~::~иче ~кой
тряске ! на ниЗких частотах . . 1
i
·
(50 щ) .: Эти кривы е· н е ' н а н о~.
11 cs);...:---;..·.,---..,..--..,..-_:__-'г-'---т-"1
с иЛис;.:ь на Гр~ф и'ки · из-з а боJiь.!
ш6го разб ро:са ! точ ек , однако
: Z.f/Jf.-:-__.;+--1::7?~~~F--::~'былo обнаружено,
что
такой
способ не приводит к безгисте•
)}е3и6нiiМ , КрИВЬI·М на.'маГЙИЧИ~
ваНИя. ~
·~
",i
·
·
•
•
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИй .
И ИХ АНАЛИЗ · ·
' '
:··;
-
На рис. 2 привещ~ны .г-рафи~_- ·.
1<И з ависимости намагниченно<;­
ти ·ОТ ПОЛЯ ДЛЯ НИК~ЛеJЗОГО 9б- ·.
разца J\I'Q _1. · Девсще,нная · кри- .
·
вая ~1 идет ниж~ всех ' остаЛьных~ кривых
и JIJ:IШЬ в высщшх
полях она пересекает кривую 2,
fl .
,
tfJ ·
ZfJ
JfJ
· ~ис. 2.
Ф/1
§fl Н(РА
.
.J.Iолученную в · резулы:ате рзвучивания _ о6разщJ.,. и сливается с остал~а­
ными
кривыми при насыще1:1ии
. .
КриваЯ ·~ 2 ПО-!!учена с озвучиваемого образца, при · нарастании - маr.­
ниtноrо поля, кривая 2' получе н·<гсозвучиваемого образца При умень·
шении магнитного поля. БезгИстерезисную кривую при озвучивании
.
'81
Об идеальных ·кривых намагюiчивания феррома Г-нетиков
образца получить не удалось, так как при
ти ультразвука образец разрушается.
увеличении
интенсивнос­
Кривая В получена температурной тряской (нагрев от 20 до 250° С
и охлаждение до 20 ° С). Кривая 4 получена при наложении на образец
переменнаго поля с убывающей до нуля амплитудой. Эта безгисте­
резисная кривая вначале идет ниже кривой В, затем пересекает ее и
сливается со всеми кривыми в полях насыщения. Безгистерезисная
кривая
5
получена из
хождения
конечных значений намагниченности после про­
полного цикла т. м. г. Эта
экспериментальных
кривая
идет
выше
остальных
кривых.
Для образца N2 1 были измерены намагниченность насыщения и
обратимая восприимчивость и рассчитаны точки идеальной кривой в
слабых полях для трехосных ферромагнетиков (при параметре а=3)
по теории Кондорекого
[14].
Эти точки ложатся выше кривой
5 (на
рис.
2
не нанесены).
Рис.
На рис.
3
Рис.
3.
4.
представлены соответствующие экспериментальные кри­
вые для образца N!! 2 (при температурной тряске - кривая В-образец
нагревалея до 250° С). На рис. 4 изображены соответствующие кривые
для образца N2 3 (при температурной тряске-кривая В-образец на­
гревался до 150° С).
Как видно из рис. 3 и 4, ход различным образом полученных
кривых аналогичен соответствующим кривым рис. 2.
Исходя из современной теории технической кривой намагничива­
ния, можно думать, что безгистерезисные кривые, полученные раз­
ными способами, будут приближаться друг к - другу и совпадут в том
случае, если на образец во время измерений накладывать однородные
механические напряжения в пределах упругой деформации, так как
потенциальные барьеры при этом будут сглаживаться. Это было про·
верено на образце
N2 4.
Безгистерезисные
лись двумя способами-прохождением
вые
1
рис.
5)
и наложением на постоянное
вающей До нуля
амплитудой (кривые
кривые при этом
полного цикла
получа­
т. м. г.
(кри .:
поле переменнаго с убы.
2 рис. 5). Экспериментальные
данные приведены на графиках рис. 5. Из этих графиков видно, что
по мере возрастания нагрузки (а-0; б-2,37; в--6,23; z-12,12; д-20;
е - 30 кzj.м.м 2 ) безгистерезисные кривые ·действительно приближаются
д(>УГ к другу и в пределе · совпадают. Но при таких нагрузках и пет6.
Известия вузов .
Фи зика , вып.
5, 1961
г.
Л. В. Киренский ; А. И. Дрокин и др :
ля гистерезиса вырождается в прямую. При дальнейшем
увеличении
нагрузки ожидаемого расхождения безгистерезисных кривых полу­
чить н е удалось, потому что образец н ачинает течь При прохожде нии
цикла
т.
м.
г.
и
разрушается.
Сжатию образ е ц не подвергал­
ся, так как из исследований Лап­
тея
[22]
ругих
и так ясно, что при уп­
деформациях
терезиса
сужается,
безгистерезисные
петля
а
гис­
з начит
кривые
и
будут
прИближаться друг к другу, ибо
они
лежат
в
пределах
петли.
В области пластических дефор­
маций при сжатии образJ{а
ля
претерпевает
сильное
пет­
расши­
рение. Безгистерезисные кривые
при этом могут разойтись, но ис­
2/1
.J{I
следовать
это трудно:
будет изгибаться.
!fl 11( fle)
образен.
Исследования показали, что ме-
Рис. 5.
ханические воздействия (удары и
ультразвуковые колебания) на образцы в общем случае не дают воз ­
можности получить безгистерезисные кривые. Очевидно, эти воздейст­
вия
могут
оказаться
недостаточными
го энергетического барьера
ченности
в
сос едних
и
для
преодоления
установления
потенциально ­
. параллельной
намагни­
доменах.
Температурной тряской переменным полем с убывающей до нулЯ!
амплитудой при одновременном наложении на образец постоянного·
ма'гнитного поля можно. получить бе згистерезисные кривые намагни­
чивания, но они, как правило, не совпадают между собой.
· i При t~аложении однородных механических напряжений
резисные кривьiе, полученные разными способами, в
безгисте­
пределе
совпа­
дают между собой.
4.
выводы
1. 'Говоря о безгистерезисных кривых в реальных ферромагнети­
ках, нужно иметь в виду, что таких кривых может быть несколько,.
в зависимости от способа их получения.
2. Наибольшее приближение к теоретичесf\ОЙ
идеальной
кривой
имеют кривые, полученные в ре зультате прохождения образцом пол-
ного цикла А температурного маtнитного гистерезиса .
3.
Периодичес~ие механические знакопеременные
частотой
50
и
20000
щ и постукивания
·
напряжения
по образцу в магнитном
с·
по­
ле не приводят, как правиЛо, к безгистерезисным кривым.
4. При наложении значительных однородных механических нап­
ряжений на обр_азец, не выходящих за пределы упругой деформации,
безгистерезисные кривые, полученные разными ·способами, прибли­
жаются .- друr
к другу
и
в
пределе
совпадают.
ЛИТЕ РАТУРА
р] Е. У i 11 а r u. Ann. Phys. Chem., 126, 87, 1865. [2] J. Е w i n g. Trans Rov. Soc., 1, 554.
1885.:[3} G'. Ge r о s а et F i n z i. Rend . dellnst. Lomb ., 24, 1891. [4] W. S t е i n h а u s
und f , G u т 1 i с h. Verh. d. Deutsch. Phys.- Ges ., 15, 369, 1915. (5] В. К. Ар к а д ь е в _
Эле.ктромаrнитные проЦ:ессы в . металлах, ч. 1, Объединенное
на у чно-техни ч еское,
83 ,
Об идеальных кривых намагничивания ферромагнетиков
изд-во. М-Л.,
1934.
[б]
S.
Р г о с о р
i u. Journ. Phys.rad., l, 365, 1930. [7]
Н.
L а ng
f. techn. Phys., 7, 117, 1930. (8] Е. Г . Шрам к о в. Сб. тр . ВНИИМ, вып. 4, 16,
вып.
е.
Zr.
1930;
1 (17), 1932; вып. 18 (34), 19.38; вып. 10 (70), 1952. [9] J. R.AsJJwort h. Ferromagnetism, London, 1931!. [10] С. В. В о н с о в с кий и Я. С. Шур . Ферромагнетизм ,
ОГИЗ, Гостехиздат, М.- Л., 1948. [11] Р. Б о з орт . Ферромагнети з м. ИЛ, М., 1956,
[12] К. М. По л и в а н о в . Ферромагнетики, Госэнергоиздат, М. -Л., 1957. [13] Е. И. К о н-д о р с кий. ДАН С ССР, 30, 7, 198, 1941. [14] Е . И. К о ·н д о р с кий. Journ. of Phys.,,
6, 93, 1942. [15] Н. Попцов и Л. А. Ч е рни к о в а. Journ. d. Phys, 11), 1946,
(16] Л. А. Черни к о в а. ЖЭТ<Р, 21, 4, 514, 1951. [17] А. И. др о к и н и В. Л. И ль юш е н к о. ЖЭТФ, 29, 3 (9), 339, 1955. [18] Е. И. К о н д о р с к и Ц. ЖЭТФ, 10, 420, 1940,
(19] А. Я. В л а с о в. Изв. АН СССР, сер . физ. 16, 6, 680, 1952. (20] Н . В. Реш е т н ик о в а. Диссерта ция, МОПИ, 1955. [21] Л. В. Кир е н с кий, А. И. др о к и н ,,
В. С. Ч ер к а шин. С б . • П римепение ультраакустики к исследованию вещества •, вып ,
9, 131, МОПИ, М., 1959. (22] Д. А. Лап т ей. Диссертация. Красноярекий пединститут, 1959.
Институт физики СО АН СССР
Красноярекий пединститут
Поступила в редакцию
l августа 19б0 г.
\,