§ 10. Эффект Кюри—Нееля, магнитострикция, использование их в системах судовой автоматики
Особые свойства ферромагнетиков, или, точнее говоря, изменение этих свойств под воздействием некоторых факторов, например под воздействием тепла или механических напряжений, находит широкое применение в системах автоматики.
Явлением магнитострикции называется изменение формы и размеров ферромагнитных тел под воздействием магнитного поля или изменение магнитных свойств тел под воздействием механических напряжений. Наиболее ярко магнитострикционный эффект выражен у железа, никеля, кобальта и у некоторых сплавов. Магнитострикционные явления лежат в основе работы ряда элементов автоматики и приборов.Магнитострикционный вибратор — преобразователь электромагнитной энергии в механическую — представляет собой магнитопровод с наложенными на него обмотками. Вибраторы — основные элементы эхолотов.
Магнитострикционный датчик давления — устройство для измерения статического давления, работающее на принципе изменения магнитной проницаемости ферромагнетика в зависимости от величины производимого на него давления.
Магнитоупругие датчики — приборы для измерения механических напряжений в конструкциях, в том числе и во вращающихся стальных гребных валах на судах и других механизмах. В этих датчиках используется зависимость магнитного состояния ферромагнетика от механических напряжений. Магнитоупругие датчики могут использоваться для измерения механических напряжений в корпусе судна, на основе их могут быть созданы автоматические системы для определения оптимальной загрузки трюмов судна, а также для контроля критических напряжений в корпусе ледоколов при работе во льдах.
Магнитострикционные реле — быстродействующие безынерционные контактные устройства, в которых используется эффект изменения линейных размеров ферромагнитного стержня под воздействием магнитного поля.
Эффект Кюри—Нееля заключается в том, что при нагревании
при достижении некоторой (критической) температуры Θкр, получившей название точки Кюри—Нееля, ферромагнетики теряют ферромагнитные свойства и становятся парамагнетиками. Критические температуры Θкр для ферромагнетиков характеризуются следующими величинами, °С: для кобальта +1130, железа +773, никеля + 358, гадолиния +16, диспрозия —168.
Для практического использования интерес представляет не каждый отдельно взятый ферромагнетик, а материалы с заданной критической температурой Θкр (например для автоматической записи температуры морской воды на различных уровнях). Такие материалы могут быть получены в виде смесей отдельных ферромагнетиков с другими веществами. Так, при применении железных, никелевых, хромовых и диспрозиевых компонентов в различных соотношениях может быть получен значительный диапазон критических температур от Θкр2=—50°С до Θкр2= +900°С.
Изменение магнитных свойств ферромагнетика под воздействием температуры обусловлено достаточно сложной трансформацией доменно-кристаллической структуры вещества, что при достижении точки Кюри—Нееля приводит к потере ферромагнитных свойств.
При этом магнитная проницаемость μ резко уменьшается от нескольких тысяч единиц до величины, близкой к единице (рис. 34). В специальной литературе это явление известно как «термомагнитное плавление». При охлаждении ферромагнетика от Θкр до температуры окружающей среды происходит отдача тепла, поглощенного при нагревании.
Следует отметить, что в случае применения обычных сплавов Θкр не остается стабильной при повторных циклах нагревания и охлаждения. Так, по данным опытов для ферроникелевого сплава с начальной критической температурой 10°С при повторных циклах нагревания и охлаждения в количестве n=10X 103 отклонения Θкр могут достигать
ΔΘкр=+20%.
Стабилизация θκρ может быть достигнута применением ферритов — порошкообразных прессованных смесей нескольких ферромагнетиков. При этом наиболее стабильны тороидальные сердечники (рис. 35).
Свойство такой магнитной системы, состоящей из тороидального ферромагнитного сердечника и управляющей обмотки, определяемое зависимостью μ=а(Θ), позволяет получить необходимый управляющий сигнал, подаваемый на вход автоматической измерительной или сигнальной системы.
Расчет величины сигнала (скачка тока в обмотке) ведется с учетом изменения, в зависимости от температуры, реактивного сопротивления магнитной системы:
(66)
где xl — реактивное (индуктивное; сопротивление; ω — круговая частота питающей сети; w — число витков обмотки; s — площадь сечения сердечника; μа — абсолютная магнитная проницаемость материала сердечника.
Выражение (66) определяет изменение реактивного сопротивления магнитной системы, которое изменяется в значительных пределах и является основным фактором, обусловливающим получение сигнала. Но наряду с этим под воздействием температуры будет изменяться и активное сопротивление обмотки, что может быть учтено расчетом по формуле
(67)
где R0 — сопротивление материала обмотки (меди) при 1° — 0°С; а — коэффициент, учитывающий изменение активного сопротивления в зависимости от температуры (для меди а=0,04).
Изменение полного сопротивления магнитной системы Z —
=
будет определяться характером изменения составляющих R0 и хL, что иллюстрируется кривыми на рис. 36.
Таким образом, ток в управляющей обмотке при некоторой величине приложенного напряжения U определяется по выражению
(68)
из которого следует, что при уменьшении величины магнитной проницаемости μ3 на несколько порядков будет иметь место увеличение тока в обмотке, что и используется в качестве управляющего сигнала в автоматических системах измерения температуры.
Изменение тока может быть проиллюстрировано кривой I=f(Θ)
(рис. 37).
Следует отметить, что возможности подобной магнитной системы не ограничиваются фиксированием критических температур.
Определенный интерес представляет также использование ее для обеспечения так называемого дифференциального принципа измерения температур, когда схема реагирует на скорость изменения температуры.
