ФОПИ _Чередов_1

Физические основы полученияинформации

приимчивость: χ = (10-1 … 10-5). К ним относятся Al, Pt, Cr, Mn, ферромагнетики при температурах, превышающих температуру Кюри.

Втехнике в качестве магнитных материалов диа - и парамагнетики практически не используются.

Вкачестве магнитных материалов техническое значение имеют ферромагнитные и ферримагнитные (ферриты) материалы, у которых при температуре, меньшей точки Кюри, устанавливается состояние самопроизвольной намагни-

ченности и которые характеризуются высоким значением магнитной восприимчивости (χ = 1… 105), большой ее зависимостью от значения напряженности

внешнего магнитного поля. К ним относятся: Fе, Ni, Со и их сплавы, сплавы хрома и марганца, ферриты различного состава и др. материалы.

Первопричиной магнитных свойств материала являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов, представляющие собой элементарные круговые токи, обладающие магнитными моментами. Такими круговыми токами являются орбитальное вращение электронов и "собственное вращение" электронов (электронные спины). Явление ферромагнетизма связано с образованием внутри некоторых материалов при температурах ниже точки Кюри таких кристаллических структур, при которых в пределах макроскопических

областей, называемых магнитными доменами (размер доменов (объем) составляет 10-8–10-12 м3 при толщине пограничных слоев между ними в 10-8–10-9 м), электронные спины оказываются ориентированными взаимно параллельно. Эта область намагничена до насыщения и представляет собой относительно сильный постоянный магнит. Она характеризуется магнитным моментом PmД

домена.

Если нет внешнего магнитного поля, то магнитные моменты доменов направлены беспорядочно и взаимно компенсируют друг друга, т. е. намагниченность материала равна нулю. При наложении внешнего магнитного поля вещество увеличивает свой магнитный момент за счет возникновения элементарных магнитных моментов. Это свойство вещества получило название намагничивание вещества (материала). В качестве его меры принят вектор намагниченности М , количественно равный магнитному моменту некоторого объема V вещества в точке внутри него:

Ферромагнетики – магнитные материалы, в которых наблюдается явление самопроизвольного образования магнитных доменов со взаимно параллельными спинами (рис. 2.5а).

~41 ~

Физические основы полученияинформации

Ферримагнетики – магнитные материалы, у которых минимуму потенциальной энергии системы отвечает антипараллельное расположение спинов с некоторым преобладанием одного направления над другим (рис. 2.5б).

Ферримагнетики имеют меньшую величину индукции насыщения, чем ферромагнетики, и обладают высоким удельным сопротивлением (относятся к неметал-

2.3.2. Основные характеристики магнитных материалов

Основной характеристикой магнитного поля в намагниченной среде является магнитная индукция, которая может быть найдена как

B 0(M H) 0(4 H H) 0(1 4 )H 0 rH aH , (2.25)

где М – поле от доменов; Н – намагничивающее поле; μа = μ0μr – абсолютная магнитная проницаемость; μ0 = 4π10-7 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума; μr = 1 + 4πχ – относительная магнитная проницаемость вещества, которая показывает, во сколько раз магнитные характеристики (индукция) данного вещества больше магнитных характеристик вакуума, т. е. μr = μa /μ0.

Индукция в ферромагнитных материалах может достигать 2–2,5 Тл. Линии магнитного поля, пронизывающие вещество или деталь, называют-

ся линиями магнитной индукции, причем они, как и линии напряженности магнитного поля, нигде не пересекаются.

Если поместить в равномерно распределенное магнитное поле Н0 ферромагнитный образец с однородными магнитными свойствами, то линии магнитной индукции В0 в образце распределятся равномерно внутри образца, не выходя за его поверхность (рис. 2.6а) [17]. Если в такое же магнитное поле поместить такой же образец, но имеющий дефект, например поверхностную трещину, то в образе произойдет перераспределение магнитного потока как внутри образца, так и в окружающей дефект зоне (рис. 2.6б). Локальное магнитное поле в зоне дефекта называется магнитным полем рассеяния дефекта. При наличии внутреннего дефекта также возникает поле рассеяния, но степень неоднородности магнитного поля уменьшается за счет экранирующего эффекта приповерхностного слоя ферромагнетика над дефектом. Чем толще экранирующий слой, тем меньшее количество магнитных линий этого поля выходит за поверхность ферромагнетика.

~42 ~

Физические основы полученияинформации

Рис. 2.6

Таким образом, имеет деталь дефект или нет, можно судить по возникновению поля дефекта над поверхностью намагниченной детали или его отсутствию.

Совокупность (количество) магнитных линий, проходящих сквозь рассматриваемую поверхность, называют магнитным потоком Ф индукции:

где S – площадь пронизываемой плоскости, расположенной под углом α к линиям магнитной индукции.

Магнитный поток в магнитной цепи прямо пропорционален МДС и обратно пропорционален магнитному сопротивлению. Для замкнутой магнитной цепи, состоящей из n элементов, магнитное сопротивление находится как

где lсрi – длина средней линии магнитного поля i элемента; Si – плошадь сечения i элемента; μai – абсолютная магнитная проницаемость i элемента.

Для участка магнитной цепи

где Uм – разность магнитных потенциалов на концах цепи.

Важнейшей характеристикой ферромагнитных веществ являются основная кривая намагничивания (рис. 2.7), представляющая собой графическое изображение зависимости В = μаН, и петля гистерезиса (рис. 2.9), характеризующая цикл перемагничивания. Кривая намагничивания нелинейна и характеризует процесс намагничивания материала. Из-за нелинейного характера кривой намагничивания (μа(Н) ≠ const) кроме относительной магнитной проницаемости выделяют начальную μнач и максимальную μmax, дифференциальную, динамическую и импульсную магнитные проницаемости, которые находят как тангенсы углов наклона касательных к кривой намагничивания в точках Н = 0 и Н = Нm:

~43 ~

Физические основы полученияинформации

Начальная магнитная проницаемость а – это магнитная проницаемость в очень слабых магнитных полях (Н < 0,1 А/м).

Максимальная магнитная проницаемость mаx – наибольшее значение магнитной проницаемости. Для ферромагнетиков mаx 104–105, а для ферримагнетиков mаx (2 – 4)∙104.

Относительная магнитная проницаемость может быть определена по кривой намагничивания: r B 0 H . Значение r ферромагнитных материалов зависит от напряженности магнитного поля (рис. 2.8а) и температуры (рис. 2.8б) и имеет ярко выраженный "резонансный" характер вблизи температуры Кюри – Тк (рис. 2.8б). Для разных ферромагнитных материалов значение температуры ТК различно. Например, для чистого железа ТК =368 0С, никеля – 358 0С, кобальта – 1131 0С. Для большинства ферритов температура Кюри лежит в пределах 100–500 0С. Изменение магнитной проницаемости характеризуется температурным коэффициентом магнитной проницаемости ТК :

Дифференциальную магнитную проницаемость определяют как производ-

ную от магнитной индукции по напряженности магнитного поля для любой точки кривой намагничивания:

Импульсная магнитная проницаемость характеризует материал в им-

пульсном магнитном поле и определяется как

где В – максимальное изменение магнитной индукции при намагничивании импульсным магнитным полем Н.

~44 ~

Физические основы полученияинформации

Динамическая магнитная проницаемость характеризует ферромагнетик в переменных магнитных полях и представляет собой отношение амплитудного значения индукции Вm к амплитудному значению напряженности Нm магнитного поля:

С увеличением частоты переменного поля динамическая магнитная проницаемость уменьшается из-за инерционности магнитных процессов.

При перемагничивании ферромагнитного материала значения индукции В в ферромагнитном образце, полученные при возрастании напряженности Н, не совпадают со значениями В, полученными при убывании напряженности Н (уменьшение В «запаздывает»). Это явление называется магнитным гистерезисом. Когда воздействующее поле совершает полный цикл перемагничивания (от +Нm до 0 и от 0 до –Нm, а затем в обратную сторону до 0 и далее до +Нm), магнитная индукция В изменяется по симметричной замкнутой кривой, назы-

ваемой петлей гистерезиса (рис. 2.9). Различают предельную петлю гистерези-

са (петля, полученная при Н = Нm) и частные петли гистерезиса, получаемые при меньших, чем Нm, значениях предельной напряженности поля.

Основными параметрами петли гистерезиса являются остаточная индукция Вr, коэрцитивная сила Нс и площадь петли гистерезиса.

Остаточная индукция Вr – индукция, которая остается в предварительно намагниченном до насыщения ферромагнетике после снятия внешнего

намагничивающего поля.

Рис. 2.9 Коэрцитивная сила Нс – напряженность размагничивающего поля, которая должна быть приложена к намагниченному образцу, для того чтобы индукция в нем стала рав-

ной нулю.

Магнитные материалы, имеющие узкую петлю гистерезиса (Нс → 0) и большие значения μнач, относят к магнитомягким. Примерами магнитомягких материалов являются: электротехнические стали, пермаллои – предельно магнитомягкие (Нс ≤ 1 А/м), преимущественно железоникелевые сплавы. К магнитотвердым относятся материалы, характеризующиеся широкой петлей гистерезиса (Нс ≥103 А/м). К ним относят закаленные высокоуглеродистые легированные конструкционные стали, ферриты, сплавы для постоянных магнитов.

~45 ~

Физические основы полученияинформации

При перемагничивании ферромагнетиков в переменных магнитных полях всегда наблюдаются потери энергии в форме тепла. Они обусловлены потеря-

ми на гистерезис и динамическими потерями.

Потери на гистерезис возникают при работе магнитных материалов в переменном магнитном поле, определяются площадью петли гистерезиса. Энергия потерь зa один цикл перемагничивания может быть найдена по формуле

где – коэффициент, зависящий от материала; Вmax – максимальная индукция в течение цикла; n = 1,6–2.

Мощность, расходуемая на гистерезис:

где f – частота тока; V – объём ферромагнетика.

Динамические потери обусловлены вихревыми токами и так называемым магнитным последействием (магнитной вязкостью). Чем выше удельное сопротивление ферромагнетика, тем меньше потери на вихревые токи. Мощность этих потерь определяется как

где – коэффициент, зависящий от типа ферромагнетика.

Одним из параметров, характеризующих потери в ферромагнитном материале, является тангенс угла магнитных потерь, который может быть определен из векторной диаграммы катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником. Эквивалентная схема катушки индуктивности с сердечником из магнитного материала показана на рис. 2.10а.

Рис. 2.10

Угол магнитных потерь М – это угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением в индуктивной цепи (рис. 2.10б).

Физические основы полученияинформации

2.4.1. Общие сведения об акустических волнах

Акустическим полем называют область пространства, упругие колебания в точках которого определяются их положением относительно объекта, порождающего это поле: излучателя отражателя, границы раздела сред и т. д. [18].

Упругие колебания – это колебания механических систем, упругой среды или ее части, возникающие под действием механического возмущения.

Если в каком-либо месте упругой (твердой, жидкой или газообразной) среды возбудить колебания ее частиц, то вследствие взаимодействия между частицами это колебание будет распространяться в среде от частицы к частице с некоторой скоростью υ. Процесс распространения колебаний в пространстве называется волной. Частным случаем упругих или акустических волн является человеческий звук.

Колебательный процесс частиц может быть описан уравнением

где – отклонение колеблющейся частицы от положения своего равновесия;

0 – максимальная амплитуда смещения частицы; 0– начальная фаза колеба-

ний.

Взависимости от частоты упругие колебания и волны разделяют на ин-

фразвуковые (до 16 Гц), звуковые, слышимые ухом человека (от 16 Гц до

20 кГц), ультразвуковые (более 20 кГц), гиперзвуковые (более 109 Гц).

Упругие колебания и акустические волны, особенно ультразвукового диапазона, широко используются в технике. Частицы среды, в которой распространяется волна, не вовлекаются волной в поступательное движение, они лишь совершают колебания около своих положений равновесия. В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению, в котором распространяется волна, различают продольные и поперечные волны. В продольной волне частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. В поперечной волне частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных к направлению распространения волны. Упругие поперечные волны могут возникнуть лишь в среде, обладающей сопротивлением сдвигу. Поэтому в жидкой и газообразной средах возможно возникновение только продольных волн. В твердой среде возможно возникновение как продольных, так и поперечных волн. Продольные волны иначе называются волнами сжатия-растяжения (l–волны). Поперечные волны иначе называются волнами сдвига (t–волны).

Взависимости от вида поляризации сдвиговые волны разделяются на плоскополяризованные и волны с элептической и круговой поляризацией.

Кроме объемных продольных и поперечных волн в упругой среде могут

~48 ~

Физические основы полученияинформации

также распространяться поверхностные волны (s–волны) – упругие волны, распространяющиеся вдоль поверхностной, слабо напряженной границы твердого тела.

Разновидностью поверхностных волн являются волны Рэлея (R–волны), которые распространяются на границе «твердая среда – газ». Поверхностные волны Рэлея являются комбинацией продольных и поперечных волн. При этом частицы их совершают колебания в приповерхностном слое по эллиптическим орбитам. Волны Рэлея чувствительны к состоянию поверхности (шероховатости, покрытиям, загрязнениям поверхности и др.) и затухают на глубине

(1 … 1,5)λ.

2.4.2. Основные параметры акустических волн

Для характеристики акустических волн можно выделить несколько основных параметров, к которым относятся: скорость распространения С, м/c, колебательная скорость частиц среды V, м/c; давление в волне Р, Н/м2; интенсивность волны J, Вт/м2; частота f, Гц; длина волны, м.

Скорость распространения упругой волны в среде характеризует скорость распространения определенного состояния среды (например, зоны сжатия), зависит от характеристик этой среды и для плоских продольной, поперечной и поверхностных волн определяется из соотношений [8]

где Сl, Сt и СR – скорости продольной, поперечной и поверхностной волн; Е – модуль Юнга; γ – коэффициент Пуассона (для металлов γ = 0,3); ρ – плотность материала среды.

Скорость распространения зависит от свойств упругой среды. Например, в

углеродистой стали (ρ = 7,8.103 кг/м3) Сl = 5 850 м/с, Сt = 3 230 м/с, а в меди

(ρ = 8,9.103 кг/м3) Сl = 4 700 м/с, Сt = 2 260 м/с.

Колебательная скорость характеризует скорость распространения механического движения частиц в процессе их смещения относительно положения равновесия:

Давление в волне Р определяется как

где Z – акустический импеданс среды.

~49 ~

Физические основы полученияинформации

Акустический импеданс – это отношение комплексного звукового давления к объемной колебательной скорости [18]. При распространении акустических волн в протяженных средах используется понятие удельного акустического импеданса, равного отношению звукового давления к колебательной скорости. Акустический импеданс характеризует среду, в которой распространяется волна, и называется волновым сопротивлением среды.

Если среда имеет большое значение Z, то она называется «жесткой» (акустически твердой). В таких средах даже при высоких давлениях колебательные скорости малы. Среды, в которых даже при малых давлениях достигаются значительные колебательные скорости и смещения, получили названия «мягких» (податливых).

Интенсивность волны – количество энергии, перенесенное волной за 1 с через поперечное сечение площадью 1 м2, расположенное под углом φ.

Для плоской волны

Очень часто для оценки интенсивности волн используются не абсолютные величины, а относительные, например отношение величин на входе и выходе системы, причем обычно используется логарифм этого отношения.

2.4.3. Распространение акустических волн в среде

При распространении плоской акустической волны в среде в результате взаимодействия со средой происходит ее затухание, т. е. интенсивность, амплитуда колебаний, давление волны уменьшаются. Затухание определяется физи- ко-механическими свойствами среды, типом волны, геометрическим расхождением лучей и происходит по экспоненциальному закону, например, для амплитуды можно записать

где х – расстояние, пройденное волной; 1ln A – коэффициент затухания, м-1, l A0

иногда эту единицу записывают непер/м (Нп/м). Часто коэффициент затухания выражают в дБ/м.

Чем больше расстояние, тем сильнее ослабляется акустическая волна. Ам-

плитуда колебаний и звуковое давление ультразвуковой волны снижаются в e раз на каждую единицу длины пути х, проходимого волной, а интенсивность

как энергетическая единица – в e2 раз.

Величина, обратная коэффициенту затухания, показывает, на каком пути амплитуда волны уменьшается в е раз.

~50 ~