/
Автор: Чечерников В.И.
Теги: физика магнетизм магнитное поле физика твердого тела твердое тело
Год: 1969
Похожие
Текст
В. И. ЧЕЧЕРНИКОВ
МАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Издание второе,
дополненное и переработанное
Под редакцией профессора Е. И. КОНДОРСКОГО
Допущено Министерством высшего
и среднего специального образования
РСФСР в качестве учебного пособия
для университетов
ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
1969
В учебнике рассматриваются методы исследования
магнитных свойств ферромагнитных веществ в постоян-
постоянных и переменных магнитных полях, а также методы
исследования слабомагнитных веществ. Основное вни-
внимание уделено описанию прецизионных методов изме-
измерения, которые находят широкое применение в научно-
исследовательской практике.
В книге имеется также раздел, где излагаются про-
промышленные методы испытания магнитных материалов.
Описываются магнитные методы исследования, разра-
разработанные в самое последнее время.
Издание рассчитано на студентов, аспирантов, науч-
научных работников и инженеров, занимающихся исследова-
исследованием магнитных свойств вещества.
ПРЕДИСЛОВИЕ К I ИЗДАНИЮ
Настоящая книга предназначена для физиков-экспериментато-
физиков-экспериментаторов, аспирантов и студентов, специализирующихся в области маг-
магнитных явлений и физики твердого тела. Книга будет также
полезна инженерам, работающим в научно-исследовательских
институтах промышленности и в заводских лабораториях.
Несмотря на широкое распространение, которое получили маг-
магнитные измерения в научных исследованиях и при испытаниях
технических материалов, книг, посвященных этому вопросу, очень
мало. Вышедшие ранее издания (Е. Г. Шрам ков. Электрические
и магнитные измерения. ОНТИ, 1937; И. В. Антик, Е. И. Кон-
Кондор с кий, Е. М. Островский, .Б. А. Садиков. Магнитные
измерения. ГОНТИ, 1939; И. И. Кифер, В. С. Пантюшин. Ис-
Испытания ферромагнитных материалов. ГЭИ, 1955) быстро разо-
разошлись. В указанных книгах — две из них появились еще в пред-
предвоенные годы — читатель не найдет описания многих новых мето-
методов магнитных измерений, как, например, измерения магнитных
характеристик ферритов при высоких частотах, тензометрических
методов измерения магнитострикции, дифференциальных методов
магнитных измерений с применением электронных и фотооптиче-
фотооптических устройств, вибрационного магнитометра и т. д. Данная книга
восполнит отмеченный пробел. Весь материал разбит на XV глав,
в каждой из которых излагаются методы исследования, относя-
относящиеся к одной теме. Исключение составляет IX глава, где автором
объединены два вопроса, существенно отличающиеся один от дру-
другого.
При составлении книги автор использовал материалы своих
лекций по магнитным измерениям, читаемых на физическом фа-
факультете Московского университета. Кроме того, при составлении
глав II и III, § 2 главы VI, § 1 главы VII, главы IX, §§ 1, 4, 5 гла-
главы X, § 7, 8 и 9 главы XII, § 5 главы XIV им широко использовал-
использовался опыт, накопленный коллективом кафедры магнетизма физиче-
физического факультета МГУ при проведении различных эксперимен-
экспериментальных исследований.
Все критические замечания и пожелания в отношении этой кни-
книги автором и редактором будут приняты с благодарностью.
Е. И. Кондорский
ПРЕДИСЛОВИЕ КО II ИЗДАНИЮ
За время, прошедшее с момента выхода первого издания кни-
книги, методы магнитных измерений получили'еще более широкое
распространение. Это объясняется прежде всего тем, что успеш-
успешное развитие многих областей техники и промышленности нераз-
неразрывно связано с производством и применением различных ферро-
ферромагнитных металлов и сплавов.
Кроме того, расширение экспериментальных исследований в
области физики магнитных явлений сопровождалось разработкой
новых, значительно более прецизионных методов измерения.
В связи с этим были разработаны новые методы и установки и усо-
усовершенствованы уже известные.
Поэтому в настоящее издание книги были внесены дополнения,
отразившие развитие техники магнитных измерений за последние
годы и создание новых методов.
Настоящая книга, так же как и ее первое издание, предназна-
предназначена для физиков-экспериментаторов, аспирантов и студентов,
специализирующихся в области физики магнитных явлений.
Книга будет также полезна инженерам, работающим в научно-
исследовательских институтах промышленности и в заводских ла-
лабораториях.
Е. И. Кондорский
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
ФЕРРОМАГНЕТИЗМА
§ 1. ОСНОВНЫЕ МАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ВЕЩЕСТВА В ПОСТОЯННОМ МАГНИТНОМ
ПОЛЕ
В настоящее время известно, что магнитные свойства вещества
обусловлены спиновым и орбитальным магнитными моментами
электронов, а также магнитными моментами ядер атомов. Опыты
по изучению гиромагнитного эффекта показали, что у некоторых
металлов спиновый магнитный момент играет основную роль в
создании магнитного момента атома. Чтобы атом в целом имел
магнитный момент, должны быть нескомпенсмрованы магнитные
моменты спинов. Это возможно в атомах с незаполненными обо-
оболочками. К ним относятся элементы переходной группы, редкозе-
редкоземельные элементы и др. Однако наличие незаполненных оболочек
в атоме еще не является достаточным условием для существова-
существования ферромагнетизма. Между спинами соседних атомов должно
существовать еще сильное электрическое взаимодействие кванто-
вомеханической природы (обменные силы). Это приводит к воз-
возникновению самопроизвольной намагниченности, когда магнитные
моменты атомов ориентируются в очень малых объемах (доменах)
в одном направлении, например у ферромагнетиков, или в про-
противоположных направлениях — у антиферромагнетиков [3—7, 10—
12, 13—30].
Если внешнее магнитное поле отсутствует, то результирующий
магнитный момент вещества будет равен нулю. При наложении
магнитного поля каждый атом дает слагающую магнитного момен-
момента по направлению поля, и появляется результирующий магнитный
момент М. Магнитное состояние вещества характеризуется вели-
величиной результирующего магнитного момента, отнесенного к еди-
единице объема, к единице массы или к грамм-атому вещества. Ре-
Результирующий магнитный момент единицы объема называется
намагниченностью вещества и обозначается буквой /. Если
величина М относится к единице массы тела, то имеем массо-
вую или удельную намагниченность о. Молярная
намагниченность обозначается от-
Между намагниченностью и внешним магнитным полем имеет-
имеется простая связь вида
l = yjf, (l.i)
где коэффициент пропорциональности х называется магнитной
восприимчивостью. Величина восприимчивости диа- и па-
парамагнитных веществ очень мала A0~3—10~6), причем у диамаг-
диамагнитных веществ она отрицательна (х<0)- Для ферромагнетиков
соотношение A.1) является нелинейным, так как существует силь-
сильная зависимость магнитной восприимчивости от напряженности
магнитного поля, при этом восприимчивость этих веществ дости-
достигает очень больших значений (до 106). Если какое-либо вещество
поместить во внешнее магнитное поле, то внутри этого вещества
магнитные моменты атомов создадут магнитные поля, которые
будут складываться, в результате чего возникнет внутреннее до-
дополнительное поле. Это поле добавляется к внешнему магнитному
полю. Среднее магнитное поле в веществе называется магнит-
магнитной индукцией и обозначается буквой В. Магнитная индукция
характеризует магнитное состояние вещества в некотором беско-
бесконечно малом объеме. Она является функцией внешнего магнитного
поля и определяется соотношением
B = wH = paH, A.2)
где Aз — магнитная проницаемость вакуума, а практически и воз-
воздуха (|1о = 4я-10~7 гн/м), величина ц,= 1+х называется магнитной
проницаемостью вещества, a (ia — абсолютная магнитная про-
проницаемость.
Прежде чем приступить к рассмотрению различных видов про-
ницаемостей, остановимся на кривой намагничивания ферромаг-
ферромагнетика, которая показана на рис. 1. Для построения этой кривой
необходимо, чтобы образец находился в начальном состоя-
н и и. Это состояние получается после циклического размагничива-
размагничивания и характеризуется равенством нулю напряженности магнит-
магнитного поля и намагниченности (/ = 0, Я = 0); при этом магнитные
моменты областей самопроизвольной намагниченности распреде-
распределены совершенно хаотично.
Кривую намагниченности ферромагнетиков можно разделить
на несколько участков, которые характеризуются определенными
процессами намагничивания [5—7, 10—12]. В области начального
или обратимого намагничивания (участок I) магнитная восприим-
восприимчивость Ха и проницаемость ца являются постоянными величина-
величинами. Изменение намагниченности в этой области происходит в основ-
основном за счет обратимых процессов, которые обусловлены упругим
смещением границ между областями самопроизвольной намагни-
намагниченности.
Вторая область кривой намагничивания (область Релея) ха-
рактеризуется тем, что в этой области намагничивания основную
роль играют процессы инверсии. Здесь происходит ступенчато^
изменение направления вектора самопроизвольного намагничива-
намагничивания внутри домена, причем процесс изменения намагниченности не
является полностью обратимым. В этой области намагниченность
подчиняется закону Релея [31].
Теоретическая разработка процессов намагничивания в обла-
области Релея принадлежит главным образом Кондарскому [16] иПрей-
заху [32].
Третья область кривой соответствует быстрому возрастанию на-
намагниченности, изменение которой имеет здесь ступенчатый вид
S
>
\
/
><
р,
. 2
\/
¦ .
— ' '¦¦
Рис. 1. Кривая намагничивания
ферромагнетика
Рис. 2. Зависимость магнитной ин-
индукции, дифференциальной (/),
полной B) и обратимой C) про-
проницаемости от напряженности маг-
магнитного поля
(скачки Баркгаузена), что связано с необратимым смещением гра-
границ между областями самопроизвольной намагниченности (уча-
(участок III).
В магнитотвердых материалах могут заметную роль играть
также процессы инверсии. Процессы, обусловливающие изменение
намагниченности на этом участке, необратимы. В области прибли-
приближения к насыщению (IV) изменение намагниченности объясняет-
объясняется главным образом процессом вращения, когда направление век-
вектора намагниченности самопроизвольных областей приближается
к направлению внешнего поля.
На последнем участке (V) кривой намагниченности в области
парапроцесса наблюдается слабый рост намагниченности с увели-
увеличением поля. Увеличение / здесь происходит в результате ориен-
ориентации спиновых моментов отдельных электронов, находящихся
внутри областей самопроизвольной намагниченности.
Если после получения основной кривой намагничивания умень-
уменьшать постепенно значение магнитного поля, то кривая намагничен-
намагниченности не будет совпадать с основной кривой. Поэтому для одних
и тех же значений напряженности магнитного поля получаются
различные значения намагниченности. Это явление называется
магнитным гистерезисом. Значение намагниченности, по-
получаемое при напряженности поля, равной нулю, называется
остаточной намагниченностью /&. Она обычно меньше
значения насыщения /s. Если с этого момента опять увеличивать
поле, но уже в другом направлении, то величина намагниченности
будет уменьшаться и при некотором значении обратного поля #<¦
она будет равна нулю. Значение напряженности магнитного поля
Яс называется коэрцитивной силой. Дальнейшее увеличение
напряженности обратного поля изменит значение намагниченности
до величины /s. Таким образом, пройдя полный цикл изменения
намагниченности от +/g до —Is и обратно, мы получим замкнутую
кривую, которая называется петлей гистерезиса. Как видно,
техническое намагничивание связано с необратимыми процессами,
происходящими в ферромагнитном веществе.
Следует помнить, что для получения установившейся петли ги-
гистерезиса, когда намагниченность при изменении поля будет изме-
изменяться по одной и той же замкнутой кривой, нужно несколько раз
пройти весь гистерезисный цикл. Для определения кривой магнит-
магнитной индукции вещества нужно знать зависимость магнитной ин-
индукции от величины напряженности внешнего магнитного поля:
B—f(H). Из основной кривой индукции, которая определяется как
геометрическое место вершин установившихся симметричных пе-
петель гистерезиса, легко найти магнитную проницаемость для каж-
каждого значения магнитного поля и построить зависимость про-
проницаемости ц от поля Я. На рис. 2 дана зависимость полной,
дифференциальной и обратимой проницаемости от напряженности
магнитного поля. Полная проницаемость (кривая 2) определяется
отношением величины индукции В к соответствующему значению
магнитного поля в данной точке кривой индукции:
A.3)
Н'полн —
В
Но"
го"
Кривая 2 показывает, что полная проницаемость при опреде-
определенном значении поля Я достигает максимального значения. Мак-
Максимальную проницаемость нетрудно найти по основной кривой
B=f(H). Для этого из начала координат проводится касательная
к основной кривой индукции. Угол наклона этой касательной опре-
определяет значение максимальной проницаемости. Начальная прони-
проницаемость определяется как
A-4)
в
Н-а = lim
Н-»0 , „
Если магнитное состояние вещества фиксируется какой-либо
точкой на основной кривой индукции, то при увеличении магнит-
магнитного поля на величину АЯ возрастает и индукция на величину АБ,
соответственно смещается точка на кривой индукции. Предел от-
отношения при ДЯ->-0 называется дифференциальной
ЛЯ
проницаемостью (кривая /):
При уменьшении напряженности магнитного поля уменьшается
величина индукции, но не по основной кривой, а несколько мед-
медленнее. Если затем опять начать увеличивать поле, то магнитная
индукция возвратится к исходному состоянию, но уже по новому
пути. Другими словами, индукция опишет узкую петлю. Наклон
Л R
полученной петли, или предел отношения —— при АЯх-vO, назы-
вается обратимой проницаемостью (кривая 3) и описывается выра-
выражением
A.6)
Все сказанное выше о магнитной проницаемости в такой же
мере относится и к магнитной восприимчивости.
§ 2. РАЗМАГНИЧИВАЮЩЕЕ ПОЛЕ ОБРАЗЦА
И РАЗМАГНИЧИВАЮЩИЙ ФАКТОР
В случае образцов незамкнутой формы необходимо учитывать
влияние магнитных зарядов. Дело в том, что намагниченность за-
зависит от напряженности магнитного поля и формы образца. По-
Поэтому удобно описать эту зависимость, вводя понятие о магнитных
зарядах. Если ферромагнитное тело, например эллипсоид, поме-
помещено в однородное магнитное поле, то при намагничивании на его
поверхности в направлении внешнего поля возникнут магнитные
заряды, которые создадут дополнительное магнитное поле Яо, на-
направленное внутри образца противоположно внешнему полю и
намагниченности. Следовательно, на внешнее поле будет наклады-
накладываться собственное поле, или, как его называют, размагничи-
размагничивающее поле. Тогда суммарное истинное поле внутри тела будет
равно
Н = Н, + Н0. A.7)
Нетрудно показать, что поле Яо пропорционально намагниченно-
намагниченности
Яо = —
A.8)
со знаком минус.
Величина N называется коэффициентом размагничи-
размагничивания, или размагничивающим фактором [1—3, 13,
15]. Согласно формулам A.7) и A.8), можно записать, что
= Я, —4лЛ7.
A.9)
Таким образом, истинная напряженность магнитного поля, ко-
которая действует на образец, меньше напряженности внешнего по-
поля. Размагничивающий фактор N в сильной степени зависит от
относительной длины Л образца, которая представляет собой отно-
шение длины к поперечным размерам. Значение N уменьшается
с увеличением длины образца. Из соотношений A.1) и A.9) мож-
можно получить следующую зависимость между полями Н и Не:
U = H,_\ .,, A.10)
где х — магнитная восприимчивость вещества, которая опреде-
определяется только физической природой материала. Величина % свя-
связана с магнитной восприимчивостью тела хо соотношением
Хо =
A.11)
выражение
Используя A.2), нетрудно получить аналогичное
для магнитной проницаемости.
Итак, магнитная проницаемость ц,0 и восприимчивость %0 зави-
зависят не только от физической при-
/ роды материала, но и от формы
тела.
Обычно требуется знать магнит-
магнитные свойства ферромагнетиков в
функции истинного, внутреннего,
магнитного поля. Поэтому рассмот-
рассмотрим, как производится пересчет
кривой I = f(HE) на I = f(H), так
как практически, как правило, всег-
всегда определяется зависимость на-
_, „ г , „ , магниченности от внешнего магнит-
Рис. 3. Графический способ пере- ^ ,
счета кривой /=f(HE) на /=f(Я) ного поля. Графический метод пе-
пересчета был предложен Релеем и
называется методом сдви г а C1]. На рис. 3 кривая 1(НЕ) соот-
соответствует кривой намагничивания тела. Для того чтобы построить
кривую намагничивания вещества 1{Н), необходимо знать размаг-
размагничивающий фактор N. Зная N, можно построить зависимость
намагниченности от размагничивающего поля Нй, используя соот-
соотношение A.9). Из данного соотношения видно, что это прямая
линия, наклон которой к оси / определяется равенством
tg а = -^- =
A.12)
Если провести прямую параллельно оси Я, то она пересечется
с кривой I = f(HE) в точке Е, соответствующей намагниченности 1Е
и внешнему полю НЕ, а с прямой ОС в точке D. Величина отрезка
BD соответствует величине размагничивающего поля при намаг-
намагниченности 1Е. Чтобы получить значение истинного поля при 1Е,
отложим на прямой, параллельной Н, отрезок EA = BD. Тогда ве-
величина отрезка ВА = ОНА дает значение внутреннего поля, соот-
соответствующее внешнему полю НЕ.
.?¦
Таким способом можно определить для каждой трдки кривой
I=f(HE) значение внутреннего поля и построить кривую намагни-
намагниченности вещества (кривая /(#), рис. 3).
Рассмотренный нами метод пересчета справедлив для случая,
когда размагничивающий фактор N является постоянной величи-
величиной и не зависит от /.
Для проведения указанного выше пересчета необходимо знать
N, который можно аналитически рассчитать только для однородно
намагниченного тела, например для эллипсоида вращения. Приве-
Приведем некоторые формулы расчета N для тел в форме эллипсоида
вращения при намагничивании вдоль оси вращения. В случае
сфероида, когда Л<1, имеем
1—Л2
N
1 —
Л
,'1-Л*
arccos Л
Для овоида, когда Л>1, имеем
Л" — 1,
N
A.13)
A.14)
Если Л>50, то последняя формула упрощается и принимает вид
_L = Л2
N ~1п2Л —Г
A.15)
В приведенных формулах величина Л есть относительная длина
эллипсоида, равная отношению его осей.
Полезно также знать размагничивающие факторы тех образ-
образцов, которые по своей форме являются частным случаем эллип-
эллипсоида вращения. Размагничивающий фактор бесконечно тонкой
пластинки или диска, когда Л=0, равен
ЛГ=1 A.16)
при намагничивании перпендикулярно плоскости. Если намагни-
намагничивается бесконечно длинный цилиндр перпендикулярно своей оси,
то для него размагничивающий фактор равен
N = 0,5.
Размагничивающий фактор шара
1
A.17)
A.18)
Мы рассмотрели размагничивающие факторы образцов такой
формы, которые в однородном магнитном поле намагничиваются
равномерно. Образцы конечной длины и неэллипсоидальной фор-
формы в однородном внешнем поле намагничиваются неравномерно.
Ю
11
В этом случае размагничивающий фактор переменная величина.
Тогда для описания магнитного состояния вещества рассматрива-
рассматриваются два вида / и В, а следовательно, и два вида размагничиваю-
размагничивающих факторов: баллистический NB и магнитометрический NM. Бал-
Баллистический размагничивающий фактор используется в тех слу-
случаях, когда / измеряется в средней части образца. Магнитометри-
Магнитометрический размагничивающий фактор применяется при усреднении
значений / и В по всему объему образца, что имеет место при маг-
магнитометрических измерениях.
Значение величины NB всегда меньше, чем NM, так как при
намагничивании, например, в однородном поле цилиндрического
образца, намагниченность в средней части 1В всегда больше 1м-
Если х~^°° ПРИ 9<:Л^;28, то для расчета значений NB и Л'м
можно использовать следующие формулы:
72 lg Л—0,69) A.19)
Л2
где Л есть отношение длины цилиндра к его диаметру.
При х-^0
1
2Л2
A.20)
A.21)
В табл. 1 приведены некоторые значения N для эллипсоидов и
цилиндров.
Таблица 1
Л
10
20
30
50
100
200
500
1000
10000
4л N эллипсоида
2,549 ¦ 10-1
8,48- 10-2
4,32 • 10-2
1,81 • Ю-»
5,42 • Ю-3
1,60 • Ю-3
1,48 • 10-*
8,19 • 10-5
1,12 • 10-'
in Nв цилиндра
для х-00
1,948- 10-1
6,771 ¦ Ю-2
3,506 • Ю-2
1,485 ¦ Ю-2
4,470 • Ю-3
1,295 • Ю-3
1,76- 10-*
6,99 • 10-в
9,53 • Ю-8
4nN]tf цилиндра
для х^°°
2.55С
8,98
4,60
1 83
5,2 •
1,5-
• 10-1
• 10-2
. 10-2
• 10-2
10-з
Ю-3
§ 3. ОБРАЗЦЫ И РАЗМАГНИЧИВАНИЕ
ОБРАЗЦОВ
Форму образцов при прецизионных измерениях нужно выби-
выбирать такой, чтобы намагниченность была однородной или близка
к ней. Это может иметь место только для образцов эллипсоидаль-
12
ной и тороидальной форм с небольшим отношением ширины сече-
сечения к радиусу тороида. Для образцов, имеющих форму тороидов,
размагничивающий фактор N=0, и поэтому значение внешнего
магнитного поля равно истинному намагничивающему полю И.
В других случаях, если размагничивающий фактор N известен,
значение поля Я требуется рассчитать по формуле A.10) или не-
непосредственно измерить [3, 6, 13].
В настоящее время приготовление образцов в виде эллипсои-
эллипсоидов и тороидов не представляет технических трудностей, однако
подобные образцы можно приготовить не из каждого материала.
Иногда требуется исследовать такое вещество, которое по своим
физическим свойствам является очень хрупким и трудно поддается
обработке. Тогда из него приготовляется порошок, которым
наполняется определенной формы сосуд. Часто пользуются
также образцами прямоугольной или цилиндрической формы. При
изготовлении слитка плавка исходных материалов выполняется
при помощи индукционной или дуговой печи, или методом зон-
зонной плавки. Из полученных сплавов методом механической обра-
обработки получают образцы нужной формы, например стержни, ци-
цилиндры и др. После того как образцы изготовлены, проводится
их температурная обработка с целью снятия упругих напряжений
и для гомогенизации. Плавку и температурный отжиг рекомендует-
рекомендуется проводить в вакууме или в инертных средах. Образцы в виде
цилиндриков (диаметром 4—8 мм и длиной до 100 мм) получают-
получаются также методом всасывания из расплава с помощью керамиче-
керамических трубок. Если требуются образцы в виде тонких проволок или
пластинок, проводится прокатка или волочение материала. Тонкие
пленки получаются методом напыления в вакууме или электро-
электролитическим способом.
При исследовании магнитных свойств вещества большое значе-
значение имеет изучение монокристаллов, которые можно получать либо
методом медленного охлаждения расплавленного металла, либо
путем выращивания в процессе рекристаллизации. При последнем
методе поликристаллический материал растягивается на несколько
процентов B—5%) и отжигается при температуре 1100—1200°К.
Для роста зерен при рекристаллизации должно существовать оп-
определенное критическое соотношение между степенью обжатия и
температурой отжига. После того как монокристаллы получены,
им придается нужная форма: эллипсоида, диска или рамки.
Магнитные свойства ферромагнетика зависят от его магнитной
предыстории. Поэтому ферромагнитный образец перед началом
измерения должен быть приведен в размагниченное состояние.
Только в этом случае можно рассчитывать на получение однознач-
однозначных результатов. Для размагничивания образца проводят его цик-
циклическое перемагничивание, начиная процесс с некоторого макси-
максимального значения знакопеременного намагничивающего поля,
амплитуду которого постепенно уменьшают до нуля. Следует иметь
в виду., что максимальное значение этого поля должно быть обя-
13
зательно больше поля, действовавшего перед этим на образец.
Если требуется размагнитить образец в форме тороида, то через
намагничивающую обмотку пропускается переменный ток промыш-
промышленной частоты или постоянный ток, который коммутируется. При
этом сила тока должна медленно уменьшаться до нуля.
В случае образцов эллипсоидальной формы или близких к ним,
а также для образцов прямоугольной и цилиндрической форм
размагничивание можно проводить в намагничивающем соленоиде
(катушке). На таком соленоиде обычно укладывается дополни-
дополнительная обмотка, которая дает возможность компенсировать со-
составляющую земного поля. Размагничивание осуществляется с по-
помощью переменного или коммутируемого постоянного поля. Пере-
Переменное поле промышленной частоты, как правило, применяется
для размагничивания образцов небольшой толщины, так как оно
проникает на небольшую глубину A—2 мм). Наиболее надежное
размагничивание образцов можно произвести путем нагревания
их выше ферромагнитной точки Кюри [8, 9]. В этом случае об-
образец помещается в печь с однородным температурным полем и
нагревается на 150—200° выше температуры Кюри. После этого
образец вместе с печью медленно охлаждается до комнатной тем-
температуры, при этом охлаждение необходимо производить в маг-
магнитной защите [20, 25—27].
Последний метод размагничивания нашел меньшее применение,
чем предыдущие, так как часто условия проведения эксперимента
не позволяют нагревать образец до требуемой температуры. Кроме
того, при таком нагревании может изменяться структура исследуе-
исследуемого образца.
§ 4. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВА
Прежде чем выбрать метод, необходимо точно определить за-
задачу и условия эксперимента. Следует также знать, какая точ-
точность требуется при измерении. При выборе метода следует
исходить из характера материала, а также из формы образца.
Кроме того, большое значение для выбора метода имеют область
температур, в которой предполагается исследовать то или иное
магнитное вещество, и интервал полей, где будут измеряться маг-
магнитные свойства.
Перечислим основные методы исследования магнитных харак-
характеристик веществ.
1. Баллистический метод дает возможность определить
основную кривую индукции и намагниченности, петлю гистерезиса
и различные виды проницаемостей. Этот метод основан на изме-
измерении количества электричества, протекающего через витки об-
обмотки, охватывающей образец. Количество электричества возни-
возникает в тот момент, когда магнитный поток резко меняется.
2. Магнитометрический метод также позволяет опре-
и
делить кривую намагничивания, петлю гистерезиса. В основе этого
метода — эффект воздействия исследуемого образца на магнитную
стрелку, расположенную на некотором расстоянии от него.
3. Электродинамическим методом можно опреде-
определить основную кривую индукции и петлю гистерезиса. Данный
метод основан на измерении угла поворота рамки с током, нахо-
находящейся в магнитном поле намагниченного образца.
4. П он дер ом оторн ый метод дает возможность измерять
намагниченность, восприимчивость и другие магнитные характе-
характеристики при помощи измерения силы, действующей на образец.
5. Индукционный метод позволяет определять кривую
индукции, намагниченности, проницаемости. Этот метод основан
на измерении электродвижущей силы индукции, которая возбуж-
возбуждается во вторичной обмотке, или на измерении реактивного со-
сопротивления катушки, если в нее помещен образец.
6. Мостовые методы используются для определения
основной кривой индукции, средней проницаемости, комплексной
магнитной проницаемости, начальной проницаемости, комплекс-
комплексного магнитного сопротивления, коэффициента потерь и полных
потерь.
7. Ваттметрические методы применяются, как прави-
правило, для измерения полных потерь на гистерезис и вихревые токи.
В этом случае с помощью ваттметра определяется мощность, ко-
которая поглощается в цепи катушки, содержащей образец.
8. При помощи калориметрических методов опре-
определяются полные потери на гистерезис и вихревые токи. В каче-
качестве индикатора используется тепло, выделяемое образцом при
перемагничивании в переменном магнитном поле.
9. Радиотехнические методы исследования магнитных
свойств вещества дают возможность определять кривую индукции,
семейство симметричных петель гистерезиса, полные потери, ком-
комплексную проницаемость при различных частотах, а также изучать
ферро-, пара- и ядерный магнитные резонансы.
10. Нейтронографический метод исследования осно-
основан на явлении магнитного рассеивания нейтронов, возникающего
в результате взаимодействия магнитного момента нейтрона с маг-
магнитным моментом вещества. Этот метод позволяет исследовать
магнитную структуру ферромагнитных, парамагнитных и антифер-
антиферромагнитных веществ.
В настоящее время разработано большое количество разно-
разнообразной специальной аппаратуры, позволяющей исследовать маг-
магнитные свойства ферромагнитных, парамагнитных и диамагнитных
веществ в различных внешних условиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аркадьев В. К. Электромагнитные процессы в металлах ч I M — Л
1934; ч. II, 1936.
2. А р к а д ь е в В. К. ЖРФХО, 46, 22, 1914.
15
3. Антик И. В., Кондорский Е. И., Островский Е. П. и Сади-
Садиков Б. А. Магнитные измерения. М.—Л., ГОНТИ, 1939.
4. Акулов Н. С. Ферромагнетизм. М.—Л., ГИТТЛ, 1939.
5. Белов К. П. Упругие, тепловые и электрические явления в ферромаг-
ферромагнитных металлах. М.—Л., ГИТТЛ, 1951.
6. Б о з о р т P.M. Ферромагнетизм. М., ИЛ, 1956.
7. Б л о х Ф. Молекулярная теория ферромагнетизма. М.—Л., ОНТИ, 1936.
8. В л а с о в А. Я. Исследование температурной зависимости магнитострик-
ции никеля. Дисс. Красноярск, пед. ин-т, 1951.
9. Волков Д. И., Чечерников В. И. ЖЭТФ, 27, вып. 2, 208, 1954.
10. Вонсо вский СВ., Шур Я. С. Ферромагнетизм. М— Л., ГИТТЛ,
1948.
11. Вонсовский СВ. Современное учение о магнетизме. М.—Л.,
ГИТТЛ, 1955.
12. Дорфман Я. Г., Френкель Я. И. Nature, 126, 274, 1930.
13. Кифер И. И., Пантюшин В. С. Испытание ферромагнитных мате-
материалов. М.—Л., ГЭИ, 1956.
14. Кондорский Е. И. Проблемы ферромагнетизма и магнетодинамикн.
Изд-во АН СССР, 1946, стр. 97.
15. Кондорский Е. И. ЖЭТФ, 7, вып. 9, 1117, 1937.
16. Кондорский Е. И. ДАН СССР, 63, 507, 1948.
17. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Sow. Phys., 8, 153, 1935.
18. Поливанов К. М. Ферромагнетики. М.—Л., ГЭИ, 1957.
19. П о п ц о в Н. П. ДАН СССР, 50, 151, 1945.
20. Преображенский А. А. Тр. Пензенск. индустр. ин-та, № 2, 37,
1954,
21. Роз инг Б. Л. ЖРФХО, ч. физ., 24, 105, 1892; 28, 59, 1896.
22. Т а м м И. Е. Основы теории электричества. М., ГИТТЛ, 1954.
23. Френкель Я. И. Zs. Phys., 49, 31, 1928.
24. Френкель Я. И. Электродинамика, т. I. М— Л., ГТТИ, 1934; т. 2,
1935.
25. А 1 bach W., Voss G. A. Zs. angew. Phys., 9, Nr. 3, 111, 1937.
26. С г a v a t h A. M. Rev. Sci. Instr., 28, No. 8, 659, 1957.
27. D e u t s с h J., Z i n k e O. Frequenz., 7, Nr. 4, 94, 1953.
28. W e i s s P. Phys. et Rad., 6, 661, 1907.
29. H e i s e n b e г g W. Zs. Phys., 49, 619, 1928.
30. Becker K-, D б г i n g W. Ferromagnetism. Berlin, 1939.
31. Rayleigh J. Phil. Mag., 23, No. 5, 225, 1887.
32. P r e i s а с h F. Zs. Phys., 94, 277, 1955.
ГЛАВА ВТОРАЯ
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИТНОГО
ПОЛЯ
При исследовании магнитных свойств вещества часто прихо-
приходится иметь дело с образцами незамкнутой формы различных
размеров. Для намагничивания таких образцов используются
электромагниты разнообразной системы и катушки (соленоиды),
которые дают возможность получать магнитные поля в широком
интервале значений от Ю-1 до 108 а/м. Что касается образцов
замкнутой формы в виде рамок или тороидов, то они намагничи-
намагничиваются с помощью обмотки, которая равномерно распределяется
по периметру образца. В последнем случае напряженность намаг-
намагничивающего поля можно определять по приближенной формуле:
ш
а/м.
B.1)
Здесь w — число витков намагничивающей обмотки, i — ток в на-
намагничивающей обмотке (a), Rcv — средний радиус тороида (м),
который рассчитывается по формуле
ср = —2—'
где R и г — соответственно внешний и внутренний радиусы тороида
(см. также формулу B.3)).
При намагничивании образцов тороидальной формы приме-
применяется одиночный провод, проходящий через центр тороида. Через
этот провод пропускают ток определенного значения. В этом слу-
случае напряженность намагничивающего поля в образце рассчиты-
рассчитывается по формуле
2яД,
а/м.
B.2)
¦ср
Следует иметь в виду, что формулы B.1) и B.2) строго спра-
справедливы только для образцов бесконечно малой толщины. Если
17
3
отношение — = —, то напряженность магнитного поля во вну-
г 2
тренней части кольца больше напряженности вне кольца на 50%.
R R
При — = 5/4 — на 0,4% и при — = 10/9 разность составляет
только 0,15%. Для более точного нахождения Н средняя величина
радиуса рассчитывается по формуле
B.3)
^ср =
R
Для усиления однородности магнитного поля витки намагни-
намагничивающей обмотки равномерно распределяются по всей длине
образца.
Рассмотрим различные системы аппаратов, которые применя-
применяются для намагничивания образцов незамкнутой формы.
§ 1. РАЗЛИЧНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ
Для получения магнитных полей порядка 105—106 а/м приме-
применяются различные системы электромагнитов. На рис. 4 дана схема
такого электромагнита, с помощью которого можно получить маг-
магнитные поля до 2-Ю6 а/м.
Он состоит из двух катушек
/, для обмоток которых ис-
используется медная проволо-
проволока диаметром 2—3 мм.
Магнитопровод 2 выпол-
выполняется из железа «армко»,
которое имеет небольшую
коэрцитивную силу. Конусы
полюсных наконечников из-
изготовляются из железо-ко-
железо-кобальтовых сплавов, облада-
обладающих наибольшей индук-
п . п , цией насыщения. В электро-
Рис. 4. Разрез электромагнита: / — ка- , г
тушки, 2-ярмо магните подобного типа с
квадратными сердечниками
размером 100x100 мм2 и длиной 400 мм в зазоре 11 мм можно по-
получить поля напряженностью в 2-Ю6 а/м, а в зазоре 20 мм—¦
1-Ю6 а/м. Электромагниты этой системы неудобны при эксплуата-
эксплуатации, так как их конструкция не дает возможности быстро менять
сердечники, что очень существенно в лабораторных условиях [2].
Лабораторный электромагнит ФЛ-1 кафедры магнетизма МГУ.
На физическом факультете МГУ кафедрой магнетизма и лабора-
лабораторией опытных конструкций разработан универсальный электро-
электромагнит открытого типа, который может быть использован при
разнообразных лабораторных исследованиях [20]. На рис. 5 пока-
показаны разрез электромагнита и основные его части. Ярмо 5 элек-
18
тромагнита отливается из железа «армко». Керны диаметром
122 мм помещаются во втулки, которые впрессованы в ярмо. На
керн можно насаживать наконечники разных диаметров, причем
керны легко перемещаются вдоль втулки при помощи махови-
маховиков 7, что позволяет устанавливать нужный зазор между полюсами
наконечников в пределах от 0 до 100 мм. На каждый полюс
Рис. 5. Разрез лабораторного электромагнита ФЛ-1:
1 я 2 — катушки, 3 — полюсные наконечники, 4 — колодки с клеммами, 5 — ярмо,
6 — стержень из железа «армко», 7 — маховик и 8 — закрепляющая колодка
электромагнита надевается по две катушки (/ и 2), обмотки ко-
которых наматываются проводом квадратного сечения 2,44X2,44 мм2.
Все четыре катушки имеют 5400 витков с общим сопротивлением
16 ом. Концы катушек электромагнита соединяются с клеммами,
которые расположены на колодке 4. Эти клеммы позволяют вклю-
включать катушки в цепь питания последовательно или параллельно.
Максимальная потребляемая мощность при напряжении в 220 в
составляет 3 кет. Измерение напряженности магнитного поля по-
показало, что если через обмотку катушек пропускать ток в 15 а, то
при диаметре полюсных наконечников 25 мм и в зазоре 12 мм
можно получить поле напряженностью около 2'Ю6 а/м. Из оценки
величины поля методом протонного резонанса следует, что с точ-
точностью 0,07% поле является однородным в диаметре 50 мм, если
диаметр полюсных наконечников равен 100 мм, а расстояние
между ними 30 мм. Вес лабораторного электромагнита ФЛ-1 со-
составляет около 9000 н, габаритные размеры 420x625x1160 ммъ.
Конструкция и габариты электромагнита позволяют применять его
при разнообразных лабораторных исследованиях.
19
Лабораторный электромагнит физической лаборатории АН
СССР [14]. Основной частью электромагнита (рис. 6) является
двойное обратное ярмо, которое делается из стальных плит и
имеет форму куба. Такое устройство позволяет значительно умень-
уменьшить рассеивающий поток и обеспечить хорошую жесткость си-
системы. Сердечники 2 ярма имеют возможность вращаться и пере-
поАШ
13
О 100200 300 400м»
Рис. 6. Разрез электромагнита:
/ — закрепляющие шпильки, 2— сердечники, 3— латунная трубка, 4 — дюрале-
дюралевая перегородка, 5 — упорные винты, 6 — зажимы, 7 — вырез, 8 — полюсные на-
наконечники, 9 — стержень, 10— медные кольца, // — текстолитовая втулка,
12 — прутики, 13 — скрепляющие хомутики
мещаться в латунной трубке 3, которая поддерживается дюралевой
перегородкой 4. Плиты ярма закрепляются шпильками /. Для того
чтобы закреплять сердечники в определенном положении, имеются
упорные винты 5, фиксируемые зажимами 6. Вырез 7, располо-
расположенный над магнитопроводом, позволяет помещать в рабочее про-
пространство различные приборы, например сосуд Дьюара или весы.
Этот вырез закрывается вкладышем, который несколько экрани-
экранирует верхнюю часть электромагнита. Полюсные наконечники S,
которые крепятся стержнем 9, могут легко меняться. Обмотка
электромагнита имеет 8 секций, намотанных попарно на отрезках
медных колец 10. От направляющей трубы 3 они изолируются при
помощи текстолитовой втулки 17. Каждая секция соединяется
с кольцом и наматывается в противоположном направлении по
20
отношению к соседней.
слоя электро-
наматывается
Секция состоит из одного
технической медной ленты @,4x25 мм2), которая
вместе с лентой кабельной бумаги @,12x25 мм2). Для равномер-
равномерного натяжения лент намотка осуществляется под нагрузкой
100—200 н. Между соседними секциями имеется зазор в 5 мм, ко-
который улучшает охлаждение магнитопровода, а во избежание ка-
касаний секций друг с другом в
зазор помещаются прутики 12
размером 4ХЮ мм2, сделан-
сделанные из изоляционного мате-
материала. Снаружи секции скреп-
скрепляются хомутиками 13. В каж-
каждой секции имеется 256 вит-
витков, так что общее число вит-
витков равно 2048 при коэффи-
коэффициенте заполнения 0,7. Охлаж-
Охлаждение магнита осуществляется
при помощи вентилятора и
простой системы водяного ох-
охлаждения. Для этой цели
между секциями бифилярно
наматывается полиэтиленовая
трубка сечением 4X5,2 мм
и длиной 25 мм. которая за-
заполняет весь зазор между
секциями. Через эти трубки
пропускается вода. Такое ох-
охлаждение позволяет пропус-
пропускать непрерывно через обмот-
обмотки ток до 30 а (при этом мед-
медные ленты нагреваются до
60°). Общее сопротивление
обмотки равно 4 ом, а расход
мощности составляет 1,6 кет
при 80 в. Если через обмотку
пропускать ток 30 а при на-
напряжении в 120 б, то электромагнит может находиться в рабочем
состоянии около 30 мин. Магнитопровод, сердечники и полюсные
наконечники изготавливаются из лучших сортов магнитомягкой
электротехнической стали. Вес электромагнита вместе с обмоткой
составляет 6000 н. Зависимость магнитного поля в зазоре от силы
тока определялась для плоских полюсных наконечников диаметром
165 мм, причем расстояние между полюсами изменялось от 10 до
80 мм. Конусные наконечники имели диаметр d=20; 35; 58 мм.
Измерения магнитного поля проводились для разных углов конуса
а=45, 50, 55, 60, 65°. Как показал опыт, для диаметра конусных
наконечников 20 и 35 мм наиболее выгоден угол 60°. Для d=58 мм
этот угол составляет 45—50°. Максимальное значение напряжен-
Рис. 7. Общий вид электромагнита
21
яости магнитного поля при силе тока через обмотку катушки в 30 а
и при зазоре между полюсными наконечниками 10 мм равно при-
приблизительно 3-Ю6 а/м. Лабораторный электромагнит физической
лаборатории АН СССР имеет сравнительно небольшие размеры,
удобен в эксплуатации и может быть использован при исследовании
магнитных свойств вещества в широком температурном интервале.
Электромагнит лаборатории магнетизма НИИЧермета [23].
В лаборатории магнетизма НИИЧермета сконструирован более
мощный электромагнит, чем описанные выше. Этот электромагнит
дает возможность получать при зазоре 6 мм магнитное поле до
4-Ю6 а/м. Основной частью электромагнита (рис. 7) является
ярмо диаметром 830 мм. На сердечники, имеющие в основании
660 мм, наматывается обмотка из прямоугольного провода сече-
сечением 25 мм2. Электромагнит помещается на вращающемся столе,
на котором имеются съемные устройства. К электромагниту при-
прилагается набор различных наконечников, которые навинчиваются
на подвижные керны диаметром 200 мм. Магнитопровод электро-
электромагнита изготовляется из лучших сортов магнитомягкой электро-
электротехнической стали. Используя железные сердечники, можно полу-
получать следующие значения величины напряженности магнитного
поля (см.табл.2).
Таблица 2
Диаметр наконечни-
наконечников, мм
100
100
50
10
Зазор, мм
50
15
10
6
Напряженность поля,
а/м
2 • 106
2,4- 10е
3,0- 106
3,8 • 106
В заключение рассмотрим электромагнит, описанный в ра-
работе [79]. Ярмо этого магнита состоит из восьми литых стальных
балок, которые располагаются в двух горизонтальных плоскостях,
расстояние между ними составляет 1900 мм, а длина каждой балки
4200 мм. Суммарное поперечное сечение ярма равно 1,6 м2, а его
вес ~500 н. Балки опираются на раму, внутри которой размещены
боковые плиты, имеющие полюса. Плиты могут свободно двигаться
по направляющим.
На плитах расположены полюса конусной формы. Длина их
¦650 мм, а наименьший диаметр 750 мм. В каждом полюсе имеется
отверстие диаметром 350 мм, где располагается передвижной керн,
заканчивающийся съемным полюсным наконечником. Головки на-
наконечников изготовляются из пермендюра диаметром 250 мм
с углом раствора 120°. Общий вес ярма с полюсами составляет
96- 104 н. Электромагнит имеет четыре намагничивающие катушки,
22
to
<J1
каждая из которых весит 12-104 «. Для намотки катушек исполь-
используется полый провод квадратного сечения размером 15,5 X
Х15 5 мм2 и диаметром внутреннего отверстия 8,9 мм. Общее
число витков составляет 1250, а максимальный ток равен 400 а.
При 500 000 ампер-витков магнит потребляет мощность 93 кет.
Максимальная длина магнита 6300 мм, а высота равна 2750 мм,
общий вес 120-104 н.
Электромагниты, описанные в работах [4, 19, 32, 33, 44, 4b, I lUJr
позволяют получать напряженность магнитного поля до 6-10 а!м.
Конструкции электромагнитов можно найти также в работах
[34—37^75, 113—115].
§ 2. НАМАГНИЧИВАЮЩИЕ СОЛЕНОИДЫ
Для создания магнитных полей применяются также различные
соленоиды, имеющие в большинстве случаев прямоугольную или
трапециевидную форму осевого сечения и цилиндрический рабочий
объем. Иногда соленоиды имеют эллиптическую, тороидальную или
пирамидальную форму.
Величину напряженности магнитного поля таких соленоидов
определяют' интегралом по объему, занимаемому обмоткой.
[117—119].
Для цилиндрического соленоида с прямоугольным осевым сече-
сечением имеем
Яо -
In
Я?O
а/м.
B.4)
Здесь Ri и /?2 — соответственно внутренний и внешний радиусы
соленоида (м), 2/ —длина соленоида (м), / — плотность тока и
X — коэффициент заполнения, величина которого определяется со-
соотношением
л =
B.5)
где у, — объем проводящей среды, Vo — незаполненный объем в об-
обмотке соленоида.
Если учесть мощность, возникающую в соленоиде, то можно
получить основную формулу для расчета Но, которой обычно поль-
пользуются при конструировании соленоидов
Н -
4л
Wk
а/м,
B.6)
где W — затрачиваемая мощность, вт, р —удельное сопротивле-
сопротивление, ом-м, Gi — коэффициент, зависящий от формы соленоида
и распределения плотности тока. Эта формула справедлива и для
соленоида с трапециевидным осевым сечением.
2»
Напряженность магнитного поля На в некоторой точке на оси
соленоида, расположенной на расстоянии а от его центра, опре-
определяется по формуле
На =0,5Ь/| (l-a) In
+ (/ + О)
а/м.
B.7)
Намагничивающие соленоиды с прямоугольным осевым сече-
сечением, как правило, делаются длинными, чтобы магнитное поле
было однородным по всей длине. Однородность магнитного поля
внутри соленоида зависит от относительной длины егоЛ=-1-, где
d
величина L — длина соленоида, a d — диаметр. Для Л=100 наблю-
наблюдается однородность магнитного поля на значительном участке
длины соленоида. С уменьшением величины Л однородность поля
сильно падает, и при Л=5 поле неоднородно по всей длине соле-
соленоида. Поэтому при расчетах намагничивающих соленоидов необ-
необходимо учитывать их размеры, чтобы магнитное поле было одно-
однородным по всей длине данного образца.
Катушки для создания небольшого по величине однородного
магнитного поля. Для получения на небольшом расстоянии прак-
практически однородного магнитного поля используются так называе-
называемые катушки Гельмгольца. В идеальном случае они представляют
собой два одинаковых кольцевых витка, соединенных между собой
последовательно и расположенных друг от друга на расстоянии
радиуса витка [30, 39—43]. Обычно катушки Гельмгольца состоят
из двух катушек, на которых намотано некоторое число витков,
причем толщина катушки должна быть много меньше их радиуса.
Напряженность магнитного поля в центре катушки может быть
вычислена по формуле
Н = 0,716 — а/м.
B.8)
Напряженность поля катушек Гельмгольца в центре системы
отличается от поля, создаваемого на расстоянии 7г радиуса от
центра по ее оси, примерно на 0,5%. При точном определении на-
напряженности магнитного поля следует принимать во внимание ко-
конечные размеры соленоида, учитывая высоту и ширину обмотки.
Более высокую однородность имеет катушка Максвелла [122],
которая представляет собой систему из трех кольцевых параллель-
параллельных катушек, витки которых расположены на общей сфере ра-
радиуса R, при этом отношение числа витков средней катушки к каж-
каждой из крайних должно быть равно 64/49. Радиус крайних катушек
RKp = Rcp 1/4/7, а расстояние их до средней катушки / = /?ср |//7.
24
Имеется также более простая катушка Максвелла, состоящая
из трех катушек одинакового размера.
В лабораторной практике иногда применяются катушки с квад-
квадратным сечением, состоящие из нескольких секций. Эти секции
располагаются на определенном расстоянии одна от другой [40, 42].
В качестве примера может быть рассмотрена катушка, состоящая
из пяти последовательно соединенных секций. Крайние секции та-
такой катушки располагаются друг от друга на расстоянии стороны
квадрата, причем средняя секция находится в центре между край-
крайними, а остальные две секции помещены посередине между средней
и крайними.
Однородность магнитного поля значительно улучшается, если
две пары катушек Гельмгольца расположить друг над другом.
Улучшения однородности поля иногда добиваются также с по-
помощью конических катушек, если они располагаются друг к другу
узкими концами. При этом катушки конструируются таким обра-
образом, чтобы тангенс угла наклона между образующей конуса и
осью, соединяющей центры катушек, был равен 2. Еще лучшую
однородность можно получить, когда катушки Гельмгольца поме-
помещаются в железный экран толщиной 2—3 мм [39]. Экран может
иметь форму цилиндра. При этом лучшая однородность магнит-
магнитного поля получается, если размеры такой системы, выраженные
через внутренний радиус цилиндра R, принять следующими: ра-
радиус катушек г = 0,59 R, расстояние между катушками а = 0,53 R
и длина цилиндра /=1,06 R. Напряженность магнитного поля
внутри такой катушки определяется по формуле
R
B.9)
В тех случаях, когда требуется иметь однородное по величине
магнитное поле на значительной длине образца, катушки изготав-
изготавливаются в форме эллипсоида вращения. Для изготовления такой
катушки берется латунная трубка, на которую надевается из изо-
изоляционного материала каркас, обточенный в форме эллипсоида
вращения. Намотка провода на этот каркас производится таким
образом, чтобы на единицу длины по оси катушки приходилось
одинаковое число витков. Напряженность магнитного поля по ли-
линии оси катушки однородна на 0,9 ее длины.
Для создания однородного поля можно применять катушки,
состоящие из двух обмоток, имеющих вид софокусных эллипсои-
эллипсоидов вращения. Обмотки наматываются на них так, чтобы плоско-
плоскости витков были перпендикулярны к длинной оси эллипсоида. При
равномерном распределении витков и плотной их упаковке маг-
магнитное поле будет однородным в пространстве, ограниченном вну-
внутренним эллипсоидом [29].
Способы получения однородных магнитных полей различной
величины описываются также в работах [31, 46—50].
25
^гт^^г.-.. ...•¦-да^тм
Катушки с водяным охлаждением, создающие поле напряжен-
напряженностью до 3 105 а/М. Каркас / катушек (рис. 8) этого типа изго-
изготовляется из латуни, причем он делается таким образом, чтооы
можно было осуществить охлаждение обмотки с помощью воды.
Для обмотки 2 используется медная проволока диаметром
1,8—2,5 мм, которая нама-
/3 / тывается несколькими слоя-
_Z дут^.\чч\чч^1 ми. У некоторых катушек
намагничивающаяся обмот-
обмотка состоит из двух секций.
Их можно включать парал-
параллельно и последовательно;
при этом для каждого слу-
случая вычисления магнитного
поля по формуле H = ki
экспериментально опреде-
определяется коэффициент пропор-
пропорциональности k.
Для того чтобы магнит-
магнитное поле было достаточно
Рис. 8. Разрез катушки с водяным
охлаждением:
/ — каркас катушки, 2— основная об-
обмотка, 3 — дополнительные обмотки
однородным на значительной длине катушки, на намагничиваю-
намагничивающую обмотку по краям катушки наматываются дополнительные
обмотки 3. При этом число витков, приходящихся на 1 см длины,
постепенно увеличивается от центра катушки к ее краям. Таким
способом удается создать соленоиды, величина напряженности по-
поля которых изменяется на расстоянии Уз от центра катушки мень-
меньше, чем на 0,7%.
Охлаждение витков обмотки осуществляется с помощью водя-
водяной рубашки, через которую пропускается вода с постоянной ско-
скоростью. Описанная катушка дает возможность получать магнитные
поля до 3-Ю5 а/м, если через намагничивающую обмотку пропу-
пропускается ток в 30 а.
Катушки с масляным охлаждением, создающие поля напря-
напряженностью до 5-Ю5 а/м.Катушки с масляным охлаждением в на-
настоящее время широко используются в лабораторной практике [24]
(рис 9) Каркас катушки подобного типа представляет собой ла-
латунную трубку диаметром 40—50 мм. По краям трубки привари-
привариваются направляющие планки F штук) с желобом для прокладок,
которые отделяют один слой обмотки от другого. При намотке
катушки в каждую направляющую планку вставляется по одной
прокладке толщиной 2—3 мм из гетинакса или текстолита. После
этого наматывают первый слой обмотки, причем между витками
оставляют небольшой зазор. Поверх первого слоя обмотки в на-
' правляющие планки вставляются опять прокладки, которые обычно
прижимаются к проволоке, затем делается второй ряд_ обмотки,
вставляются прокладки и т. д. Таким образом, каждый виток и
слой проволоки отделены от близлежащего витка воздушным за-
зазором. В таком виде катушка помещается в латунный каркас
26
тушке имеется водяное
охлаждение ее корпуса.
Такая система охлажде-
охлаждения витков обмотки поз-
позволяет пропускать через
провод диаметром 2 мм
ток силой до 130 а в тече-
течение 30 мин. В зазоре диа-
диаметром 40 мм можно по-
получить магнитное поле до
5- 105 а/м с областью од-
однородности на длине
100 мм до 0,5%. Если
уменьшить внутренний
диаметр до 20 мм, то
можно получить поле
~106 aJM. Для удобства
все соединения катушки
такой системы можно вы-
выполнить на винтах.
Галетная катушка,
создающая поля напря-
напряженностью до Ю6 а/м.
Галетные катушки с во-
водяным охлаждением раз-
разработаны в лабораториях
магнетизма НИИЧермета
и физического факультета
МГУ [28]. Обмотка кату-
катушек состоит из 24 галет,
выполненных из латун-
латунных трубок прямоуголь-
__ ТТ rw ш*г »* гъг*у-\m уч
Вода
Рис. 9. Разрез катушки с масляным
охлаждением:
I — корпус соленоида, 2 — водяная ру-
рубашка, 3 —обмотка, 4 — труба, 5 —
верхний фланец, 6 — гайка с уплотне-
уплотнением, 7— место крепления термопары
Zfo сеР4нОия.Тля°иУз?оЛтЬовления трубок латунь прокатывается до
определенной толщины и покрывается специальным изолирующим
веществом.
Внутри этих трубок для охлаждения течет вода. Галеты для
прохождения воды соединяются параллельно что позволяет охлаж-
охлаждать каждый виток в отдельности. Через трубки пропускается ток
до 150 а, что позволяет получать магнитные поля свыше Ь- ш а/м
с однородностью поля до 1 °/о на длине 6 см.
Получение стационарных магнитных полей напряженностью до
2.5 107 а/м. Магнитные поля высокой напряженности были получены
Биттером [38] с помощью соленоида специальной конструкции. Об-
Обмотки изготовляются из медных дисков и имеют радиальный раз-
разрез, а изолирующие прокладки изготовляют из слюды. Все диски
собираются в пакет таким
образом, что они образуют
две непрерывные спирали.
В дисках имеются отвер-
отверстия, которые в сборном
виде образуют вертикаль-
вертикальные каналы, служащие для
прохождения охлаждающей
жидкости. Эти отверстия в
дисках образуют концентри-
концентрические окружности. Диа-
Диаметр внутреннего отверстия
соленоида 30 мм. Макси-
Максимальная напряженность
магнитного поля, полученно-
полученного в этом соленоиде, со-
составляет 8-Ю6 а/м, при этом
поле было однородно с точ-
точностью до 1 % в объеме
25-103 мм.
Соленоид с осевым сече-
сечением в форме трапеции [79]
дает возможность получать
напряженность магнитного
поля в центре его в 107 а/м.
Обмотку соленоида изготов-
изготовляют из медной ленты тол-
толщиной 0,25 мм с фигурным
сечением. Ленты навивают
вокруг продольной оси соле-
соленоида, при этом соседние
витки отделяют друг от
друга прямоугольными реб-
ребристыми выступами, нахо-
находящимися на ленте и по-
покрытыми изоляцией. Между
выступами по каналам течет
вода.
Рассмотрим соленоид, охлаждаемый керосином (рис. 10) [89].
Кожух соленоида толщиной 6 мм и внутренняя трубка / диамет-
диаметром 100 мм выполнены из кремниевой бронзы, обладающей боль-
большим удельным сопротивлением. Кожух изолирован изнутри листо-
листовой фиброй. Для герметизации рабочего объема соленоида вну-
Рис. 10. Разрез соленоида, охлаждае-
охлаждаемого керосином:
1 — внутренняя трубка, 2 — электрод,
3 — полотно, пропитанное фенольной
смолой, 4 — токоподвод, 5 — отверстие,
6 — обмотка, 7 — бронзовые консоли,
8 — блоки, 9 — стержни
тренняя трубка имеет на торцах фланцы. Нижний электрод 2
соединен с первым витком обмотки 6 через токоподвод 4. Холод-
Холодный керосин поступает в соленоид через отверстие 5, а затем че-
через двенадцать отверстий и
кольцевой зазор следует в
канал между первым слоем
и внутренней трубкой. С тор-
торцов обмотка укреплена бло-
блоками 8, которые крепятся в
желобе на бронзовых консо-
консолях 7, приваренных к кожу-
кожуху. Блоки прижимают к тор-
торцам обмотки четырьмя
стержнями 9.
Испытания соленоида
показали, что максимальная
напряженность магнитного
поля равна 8-Ю6 а/м.
Все более широко в из-
измерительной . технике ис-
используют соленоиды, рабо-
работающие при низких темпе-
температурах, когда электриче-
электрическое сопротивление обмотки
резко падает. На рис. 11
показан соленоид с при-
принудительным охлажде-
охлаждением жидким азотом
[85].
Соленоид состоит из ше-
шести катушек /, параллельно
навитых из медной ленты с общим числом витков 870. Катушки по-
попарно наматывают в противоположных направлениях. Катушки сое-
соединены для прохождения тока последовательно. Соленоид помещен
в алюминиевый кожух 2, со дна которого поступает жидкий азот,
а затем проходит через отверстие в обмотке снизу вверх. Вну-
Внутренняя трубка 4 и кожух изолированы от обмотки специальной
эмалью. Жидкий азот, протекая сквозь обмотку, переливается в
сосуд Дьюара 3. Расход азота при непрерывной работе соленоида
составляет 1500 л/час.
В настоящее время есть также соленоиды, охлаждаемые жид-
жидким водородом [86, 87], неоном [83] и гелием [84, 88].
Особый интерес представляет двухсекционный соленоид пре-
прерывного действия, создающий магнитное поле напряженностью в
2,5-107 а/м [84] в зазоре 60'мм. В качестве материала для изго-
изготовления соленоида был выбран алюминий: соленоид работает при
15°К и охлаждается сжатым гелием. В центре соленоида получена
высокая однородность магнитного поля. Так, в объеме 104 мм3
29
Рис. 11. Разрез соленоида с принуди-
принудительным охлаждением жидким азотом:
/ ¦— катушки, 2 — алюминиевый кожух.
3 — сосуд Дьюара, 4 — внутренняя
трубка
в центре соленоида наибольшое отклонение от максимальной на-
напряженности составляет 2-10. Непрерывно соленоид работает
в течение 15 сек. Для того чтобы он вновь развил максимальную
мощность, необходимо иметь 128 л гелия. При ожижителе, даю-
дающем 60 л/час, можно сделать в течение 24 час одиннадцать вклю-
включений соленоида. Таким образом, в течение недели соленоид спо-
способен дать максимальное поле в течение 40 мин.
Описание других типов соленоидов имеется в работах [80—82,
89, 90].
§ 3. ПОЛУЧЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ МАГНИТНЫХ
ПОЛЕЙ
Впервые импульсные магнитные поля величиной 2,5-107 а/м
получил П. Л. Капица [15]. Им были сконструированы кислотные
свинцовые аккумуляторы и мотор-генератор, которые использова-
использовались для получения мощного им-
импульса тока. Материалом для об-
обмотки соленоида служила кадмие-
кадмиевая медь. В настоящее время им-
импульсные магнитные поля находят
все более широкое применение и
уже имеются установки, которые
позволяют создавать магнитные по-
поля напряженностью 8-Ю7 а/м.
На рис. 12 схематически показан
соленоид, рассчитанный на 4-Ю7а/м
[107]. Для обмотки используются
металлические диски, между кото-
которыми находятся изолирующие про-
прокладки из слюды. Все это поме-
помещается в пластмассовый цилиндр,
укрепленный в дюралевом кожухе
с радиальными разрезами. Солено-
Соленоид можно охлаждать жидким азо-
азотом. Обмотка соленоида имеет в
Рнс. 12. Импульсный соленоид длину 10 мм, а диаметр внутреннего
8
1
у
- обмотка,*" 'S-канал
для
отверстия 4,5 мм. Внутри цилиндри-
проведения опытов, 3-изолн- ческого объема диаметром 2,5 мм
рующее кольцо, 4 — токопод- И высотой 3 ММ магнитное поле
воды, 5 — трубопроводы для было однородным с точностью до
жидкого гелия, 6 — азотная со/
ванна, 7 —отверстия, 8— 1О'Т1
стальной болт, S-изолирую- Другая конструкция импульсно-
щне втулки го соленоида биттеровского типа
описана в работе [108]. В этом соле-
соленоиде вместо дисков используется спираль из бериллиевой брон-
бронзы, заделанная в прочную керамику. Спирали изолировали друг от
друга слюдяными кольцами с радиальными разрезами и припаи-
припаивали к торцевым латунным пластинкам, а затем стягивали при
30
помощи шести шпилек из фосфористой бронзы. Для питания соле-
соленоида использовали батарею емкостью 2000 мкф с рабочим напря-
напряжением 3 кв. Максимальная напряженность магнитного поля.
8 9
/S
Рис. 13. Разрез импульсного соленоида на 7-Ю7 а/м:
1 — текстолитовый цилиндр, 2 — щечка из стали, 3 — стальной ци-
цилиндр, 4 — лакоткань, 5 — болт, 6—пробка из стали, 7 и 16— гай-
гайки, 8 — разжимной конус из латуни, 9 — контактное кольцо, 10 — спи-
спираль из бронзы, // — рубашка из фторопласта, 12 — втулка из стек-
стеклотекстолита, 13—бандаж из стальной ленты, 14 — гетинаксовая
прокладка, 15 — втулка
которая была получена без разрушения соленоида, составляла
6-Ю7 а/м.
В заключение рассмотрим установку Кондорского и Сусова [77],
.создающую импульсное магнитное поле напряженностью 1- Ю7 а/м.
В качестве источника используется конденсаторная батарея, со-
состоящая из 30 элементов ИМ-3-100, соединенных параллельно.
Общая емкость батареи составляет 3000 мкф, а номинальное на-
напряжение 3 кв. Конденсаторы заряжали от выпрямителя при токе
1 а и напряжении 5 кв.
На рис. 13 показан разрез соленоида в собранном виде.
31
I
Катушку в виде спирали изготовляли из бериллиевой бронзы,
витки которой изолированы слюдяными шайбами и пленкой крем-
неорганического лака. Ее помещали в стеклотекстолитовую гильзу
со стенками толщиной 3 мм, на поверхность которой наматывали
рулончики из стальной ленты. Стягивалась катушка стальными
щечками, которые одновременно выполняли роль токоподводов.
Токосъемниками служили кольца с разрезом, укрепленные с по-
помощью винтов на крайних витках катушки. Стягивался соленоид
стальными винтами, которые изолировали от щечек текстолито-
текстолитовыми втулками. Для охлаждения катушки использовали жидкий
азот. Напряженность магнитного поля измеряли магнитным зон-
зондом: однослойная катушка, намотанная проводом диаметром
0,03 мм на плексигласовый каркас диаметром и длиной 1 мм. Ве-
Величина максимума магнитного поля #Макс определялась методом
измерения производной магнитного потока по осциллограмме на-
напряжения, возбуждаемого в измерительной катушке.
Кроме того, Ямакс определяли путем интегрирования напряже-
напряжения /?С-цепочкой.
Длительность импульса для катушек в виде спиралей была
0,03—0,5 мсек. Для получения импульсов длительностью 1—ЪОмсек
использовали соленоид, намотанный обыкновенным медным про-
проводом. В этом случае максимальное поле может быть достигнуто
только 2,4-104 а/м.
Описание соленоидов для получения импульсных полей имеется
в работах [52—62, 68, 69, 76—78, 109—111].
§ 4. СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ СОЛЕНОИДЫ
И МАГНИТЫ
Открытие сверхпроводимости у некоторых металлов в области
низких температур дало возможность получать весьма сильные
магнитные поля. При этом явлении отсутствует потеря мощности,
идущей на нагревание проводов. Однако долгое время на пути
получения сильных магнитных полей возникали весьма существен-
существенные трудности, обусловленные тем, что сверхпроводимость разру-
разрушается магнитным полем. При некотором критическом значении
магнитного поля в сверхпроводнике вновь восстанавливается' элек-
электрическое сопротивление. У сверхпроводников 1-го рода, к которым
относятся чистые металлы, критические поля составляют сотни и
тысячи ампер на метр. Критические поля у сверхпроводников
2-го рода (сплавы и интерметаллические соединения) значительно
выше и лежат в пределах (8—40)- 106 а/м. Получение Nb—Zr,
Nb3Sn, VeGa и других позволило создать сильные магнитные поля.
Первые сверхпроводящие соленоиды были изготовлены из нио-
биевой проволоки. Максимальные поля при этом не превышали
4-Ю5 а/м (91, 93]. Затем для этих целей был использован сплав
JVk>3Re [92]. Соленоид, изготовленный из этой проволоки диаметром
70 мм, имел в длину 30 мм и внутренний диаметр 3 мм. Макси-
32
мальное магнитное поле в таком соленоиде получалось равным
1,2-106 а/м при Г=1,5°К.
Наиболее перспективными материалами для создания сверх-
сверхпроводящих соленоидов оказались
сплавы Nb—Zr, которые дают воз-
возможность получать магнитные поля
до 5-Ю5 а/м [94—99] и соединение
Nb3Sn.
На рис. 14 показаны соленоид и
криостат, разработанные в Физиче-
Физическом институте АН СССР [96]. Об-
Обмотка соленоида, выполненная из
сплава Nb—Zr, рассчитана на полу-
получение магнитного поля до 2,4-106 а/м.
Она состоит из трех секций, причем
крайняя имеет большее число вит-
витков, что увеличивает область одно-
i '.-того поля. Внутренний диаметр
• .» 1'<и 50 мм, длина 90 мм, диа-
i 'бочего объема 32 мм.. Для
с . ения прибора при заливке
1] \ .лея 4 л гелия, а расход гелия
Пр.1 «замороженном» магнитном по-
поле 0,3 л/час.
Более высокие магнитные поля
можно получать при помощи сверх-
сверхпроводящего соленоида, изготовлен-
изготовленного из интерметаллического соеди-
соединения ниобия — олова. На рис. 15
показан общий вид одного из таких
соленоидов, который создает маг-
магнитное поле напряженностью
8-Ю6 а/м [100]. Каркас соленоида
изготовляют из титана, он имеет
аксиальную полость диаметром
6,3 мм. Проволока диаметром 0,69 мм
наматывается двумя концентриче-
концентрическими секциями равной толщины и
соединяется последовательно. Об-
Обмотка соленоида имеет диаметр
56 мм и высоту 45 мм. Измерения
магнитного поля проводят с по-
помощью катушки и флюксметра, ко-
которые предварительно проградуи-
рованы по датчику протонного
Рис. 14. Сверхпроводящий со-
соленоид с криостатом:
/ — соленоид, 2 — жидкий ге-
гелий, 3 — жидкий азот, 4 — азот-
азотный экран, 5 — кожух, 6 — за-
заливная горловина
резонанса. Испытания показали, что при 1,8°К при силе тока 26 а
напряженность магнитного поля составляет —8 • 106 а/м.
Для создания сильных магнитных полей используют также
2 Зак. 262
33
сверхпроводящие магниты с железным сердечником. На рис. 16
изображен электромагнит с индуктивным возбуждением: длина
ярма магнита 60 мм, высота 45 им, сечечие 10 мм2. Полюса —
круглые, диаметром 10 мм, а полюсные наконечники — конические,
диаметром 5 мм.
Намагничивающие обмотки размещаются в двух латунных кар-
каркасах, в каждый из которых вмонтировано кольцо из киобия.
Рис 15 Общий вид соленоида Рис. 16. Сверхпроводящий маг-
магнит с индуктивным возбужде-
возбуждением:
I — кольцо из ниобия, 2 — об-
обмотка возбуждения, 3 —ярмо,
4 — пробная катушка
Сверху ниобиевого кольца расположена обмотка возбуждения из
медного провода. Сверхпроводящий ток возбуждается следующим
образом Магнит подвешивается внутри сосуда Дьюара и погру-
погружается в жидкий гелий. С помощью нагревателя сверхпроводящие
кольца переводят в нормальное состояние. Затем в обмотке воз-
возбуждается установившийся нужный ток, и нагреватели выключа-
выключаются. После охлаждения колец ток возбуждения выключается и
в кольцах индуктируется незатухающий ток.
Максимальная напряженность магнитного поля в зазоре дли-
длиной Змм составляет 1,6 -106 а/м при 2400 ампер-витках в обмотке
возбуждения. Если кольца изготовить из ниобий-циркониевых спла-
сплавов, то можно получить поля до 2,4-106 а/м.
Сверхпроводящий магнит на 8-Ю6 а/м описан в работе [102].
34
1
Этот магнит состоит из пяти секций. Внутреннюю секцию диамет-
диаметром 250 мм, а также две следующие наматывают из Nb—Ti-npo-
волоки.
Две внешние секции выполнены из сплава Nb—Zr. Конструк-
Конструкции других сверхпроводящих магнитов излагаются в работах
[103—105].
§5. ПОЛУЧЕНИЕ НЕОДНОРОДНЫХ МАГНИТНЫХ
ПОЛЕЙ
Рассмотренные выше различные электромагниты могут быть
использованы для получения неоднородных магнитных полей
с большим градиентом. Такие поля необходимы, когда исследова-
исследование магнитных свойств вещества проводится пондермоторкым ме-
методом. Произведение HgradH должно быть постоянным по всей
длине образца. Это можно обеспечить при помощи специальных
профильных наконечников, причем постоянство выдерживается как
вдоль, так и перпендикулярно оси симметрии полюсов. Прибли-
Приближенную форму полюсов можно рассчитать, если воспользоваться
методом скалярного потенциала [96].
На рис. 17 показаны различные типы профильных полюсных
наконечников. Полюсные наконечники вида а были применены
Дорфманом и Сидоровым [7] при работе с крутильными и маят-
маятниковыми весами. При такой форме наконечников постоянное
чение произведения Н grad# сохраняется на протяжении 5—10
С помощью профильных наконечников, изображенных наг
рис. 17,6, предложенных Сексмитом [63], можно получить постоян-
постоянство градиента поля только на расстоянии 1—2 мм. Максимальное
значение градиента порядка 8-Ю3 а/м/мм находится в 13 мм от
нижнего края наконечников (диаметр 30 мм). Видоизмененная
форма полюсных наконечников Сексмита описана в работе [36]
(рис. 17,в). Оптимальный угол среза нижней половины наконечни-
наконечников оказался равным 6°. Эти наконечники, так же как и предыду-
предыдущие, удобно использовать в том случае, если измерения проводятся
нулевым методом.
Иногда применяют обычные полюсные наконечники в виде
усеченных конусов, при этом образец О помещают между верх-
верхними скосами или так, как показано на рис. 17, г. Такой метод
измерения (метод Гуи) обычно используют при относительных из-
измерениях, так как в этом случае постоянное значение произведе-
произведения Н grad# практически не наблюдается.
Наконечники в виде конусов (рис. 17, д) применены в ра-
работе [37]. При зазоре между полюсами 45 мм максимальное зна-
значение величины HgradH наблюдается на расстоянии 20 мм от
центра зазора и остается постоянным на 10 мм. При изучении
магнитных свойств пондермоторным методом можно также при-
применять наконечники, показанные на рис. 17, е. Сильное неоднород-
неоднородное магнитное поле можно получить, если наклонить полюсные
2* • 35
I О
м
Рис. 17. Профили (а—м) полюсных наконечников для созда-
создания неоднородных магнитных полей
наконечники один относительно другого, как изображено на
рис. 17, ж.
Оригинальную конструкцию полюсных наконечников предло-
предложили Дорфман и Кикоин [6]. Градиент поля у этих полюсных на-
наконечников рис. 17,з в верхней части направлен по оси —х,
а в нижней по оси +х, причем на некотором расстоянии вдоль
оси z HgradH остается постоянным. Эти наконечники позволяют
исключить действие материала ампулы, в которую помещается
исследуемое вещество, так как на обе половины пустой ампулы
действуют равные и противоположные силы. Если в одной из по-
половин ампулы находится вещество, то возникает сила, зависящая
только от магнитных свойств этого вещества.
Неоднородное магнитное поле с небольшим градиентом вели-
величиной B—4) -102 а/м/мм можно получить при помощи двух изоли-
изолированных медных лент, которые располагаются вдоль полюсных
наконечников (рис. 17, и [66]). Через ленты пропускается постоян-
постоянный ток в 30 а, причем направления токов в лентах противополож-
противоположные. Градиент магнитного поля сохраняется постоянным на не-
нескольких миллиметрах по всей оси и изменяется в пределах одного
миллиметра меньше, чем на 4-10~2 а/м. Такой способ получения
неоднородного магнитного поля обычно используют при изучении
сильномагнитных материалов.
Все описанные выше полюсные наконечники обеспечивают по-
постоянство HgradH перпендикулярно оси симметрии полюсов. При
таком методе измерения исследуемый образец находится в не-
неустойчивом положении, так как вдоль оси симметрии также суще-
существует градиент поля. Поэтому в этом случае приходится приме-
применять специальные меры, чтобы уменьшить влияние действия силы
вдоль оси симметрии.
На рис. 17, к и 17, л показаны полюсные наконечники, которые
создают постоянное значение Н grad H вдоль оси симметрии [65].
При диаметре полюсов 50 мм и зазоре 30 мм величина градиента
постоянна вдоль оси на расстоянии 10 мм и сохраняется в на-
направлении, перпендикулярном к оси симметрии также в пределах
10 мм.
При исследовании магнитных свойств атома часто применяют
электромагниты с полюсными наконечниками, имеющими вид, по-
показанный на рис. 17,ж (размеры в миллиметрах). Эти полюсные
наконечники дают возможность получать магнитные поля с гра-
градиентом порядка 8 • 104 а/м [64].
Поля с большим градиентом получал также Капица [16] при
помощи катушки, выполненной из металлической ленты, через ко-
которую пропускался ток порядка 104а.
§ 6. СТАБИЛИЗАЦИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Прежде всего стабильность магнитного поля зависит от силы
тока, проходящего через катушки намагничивающих аппаратов.
Регулировать силу тока можно самым простым способом. Так, на-
37
пример, Селвуд [26] пропускал намагничивающий ток, величина
которого измерялась потенциометрическим методом, через эталон-
эталонное сопротивление @,01 ом). При отклонении силы тока от задан-
заданного значения включалось фотореле, которое изменяло сопротив-
сопротивление в обмотке генераторов постоянного тока, питавшего
электромагнит.
Поттер [26] регулировал ток в намагничивающей катушке при
помощи дополнительного слабого тока. Для этого можно также
использовать висмутовую спираль, у которой, как известно, в маг-
магнитном поле сильно меняется электрическое сопротивление.
На рис. 18 показана блок-схема для стабилизации тока силой
от 5 до 4000 а [8]. В цепь элект-
электромагнита включено сопротив-
сопротивление Яш, которое изготов-
изготовляется из манганина. Напря-
Напряжение Vm с сопротивлением
Яш подается на входной дели-
делитель компенсационной схемы,
изготовленной в виде декадно-
декадного потенциометра, имеющего
Рис. 18. Блок-схема стабилизатора
тока:
/ — компенсационная схема, 2 — уси-
усилитель постоянного тока, 3— схема
управления током возбуждения, 4—
обмотка возбуждения, 5 — генератор
постоянного тока, 6 — электромагнит
входное сопротивление 20 ком.
Напряжение разбаланса с ком-
компенсатора следует на вход
усилителя постоянного тока,
собранного по схеме преобра-
преобразования— усиления и обратного преобразования. С выхода усили-
усилителя напряжение разбаланса подается на схему управления током
возбуждения генератора постоянного тока. Если ток возбуждения
не превышает 3 а, то схема управляемого выпрямителя собирается
на лампах 6Н5С. Для более сильных токов используются трехфаз-
трехфазные тиратронные схемы. Рассмотренная нами схема позволяет
стабилизировать ток электромагнита в широком диапазоне значе-
значений с точностью 0,01—0,05%.
Для стабилизации постоянного тока силой до 300 а можно
использовать схему, предложенную в работе [21]. С шунта, кото-
который включен последовательно с нагрузкой, подается напряжение
на потенциометр. При определенном токе, проходящем через об-
обмотку электромагнита, добиваются компенсации схемы. При из-
изменении тока компенсация нарушается и возникает разность по-
потенциалов, которая преобразуется в переменное напряжение; затем,
это напряжение усиливается и подается на управляющую сетку
последней лампы каскада. В анодную цепь этой лампы включают
обмотку возбуждения электролампового усилителя, от которого
питается катушка возбуждения генератора постоянного тока. При
колебании тока электромагнита изменяется сила тока возбуждения
генератора и в цепи нагрузки восстанавливается первоначальное
значение тока. Данная схема обеспечивает постоянство тока элек-
электромагнита силой 200 а с точностью до 0,2 а.
38
Стабилизацию тока электромагнита силой 3—5 а можно осу-
осуществить по схеме, предложенной Константиновым [18]. Интерес-
Интересную установку для стабилизации тока с помощью поля постоян-
постоянного магнита создал Перегуд [25]. Между полюсами постоянного
магнита помещается тороидальная катушка, в зазоре которой на-
находится магнитонасыщенный зонд. Обмотку этой катушки вклю-
включают последовательно в цепь электромагнита и регулятора тока,
который собирают на пяти двойных триодах. При равенстве полей
тороидальной катушки
и постоянного магнита
(их поля направлены
навстречу друг другу)
в зонде сигнала не бу-
будет. В случае отклоне-
отклонения тока электромагни-
электромагнита от заданного значе-
значения равновесие нару-
нарушается и появляется
переменный сигнал
звуковой частоты, ко-
который затем усиливает-
усиливается и преобразуется в
постоянное напряже-
напряжение, которое подается
на вход регулятора то-
тока электромагнита.
С большим успехом в последние годы стали применять регу-
регулирующие устройства, основанные на ядерном магнитном резо-
резонансе [9—13, 70—74].
Указанные выше методы стабилизации магнитного поля при-
применяют в том случае, когда температура сердечника намагничи-
намагничивающих аппаратов практически не изменяется. При изменении
температуры этих сердечников изменяется проницаемость мате-
материала, что влияет на величину индукции насыщения и величину
магнитного поля. При применении ядерного магнитного резонанса
для стабилизации магнитного поля стабилизирующее устройство
реагирует не на изменение тока, а на изменение магнитного поля.
Это позволяет получать большое постоянство поля порядка
8.A0-5_10-7) а/м
В стабилизаторах, основанных на ядерном магнитном резо-
резонансе, при отклонении значения поля от значения, соответствую-
соответствующего резонансу, появляется сигнал, который предварительно уси-
усиливается, а затем подается на обмотку генератора.
На рис. 19 показана блок-схема стабилизатора магнитного
поля, основанного на явлении ядерного резонанса [5]. Установка
состоит из двух основных узлов: 1) собственно стабилизатора и
2) источника питания и схемы регулировки тока.
В первую часть входят генератор высокой частоты /, исполь-
39
Рис. 19. Блок-схема стабилизатора магнитного
поля, основанного на явлении ядерного резо-
иаиса:
Г—генератор высокой частоты, 2 — генератор
низкой частоты, 3— фазовый детектор, 4 —
усилитель, 5 — осциллограф, 6 — блок питания
стабилизатора, 7 — блок питания корректирую-
корректирующей обмотки электромагнита, 8 — электромаг-
электромагнит, 9 — схема регулировки тока корректирую-
корректирующей обмотки электромагнита
зуемый для питания возбуждающей катушки датчика, генератор
низкой частоты 2, фазовый детектор 3, усилитель резонансного
сигнала 4 и осциллограф 5. Ко второй части относятся блоки 6 и 7
питания генератора и корректирующей обмотки и схема регули-
регулировки тока 9. Генератор высокой частоты работаете двух режимах,
что позволяет в диапазоне частот 0,85—1,2 мгц стабилизировать
напряженность магнитного поля величиной 1,2 -105—1,6 • 106 а/м.
Генератор низкой частоты D50 гц) собран на одном триоде лампы
6Н2П, при этом вторая половина ее используется для усиления
мощности питания и модулирующей катушки датчика. В датчике
прибора в одном блоке находятся приемная, возбуждающая и мо-
модулирующая катушки, каскады усиления высокой и низкой частот
и детектор. Приемную катушку наматывают на стеклянную ампулу,
содержащую водный раствор. Для контроля формы резонансной
кривой используют осциллограф с чувствительностью 10~3 в/мм.
Схему регулятора тока собирают на лампах 6Н5С. В каждом
плече по 10 ламп. К одной диагонали моста подключают источник
питания, а к другой — компенсирующую катушку электромагнита.
Балансировка моста производится при помощи изменения напря-
напряжения сеточного смещения ламп одного из плеч моста. Данная
схема дает возможность стабилизировать напряженность магнит-
магнитного поля с точностью 2 • 10~3 %.
Егоров и Латышев [9] создали прибор для стабилизации на-
напряженности магнитного поля в зазоре электромагнита с интер-
интервалом полей от 4,4-104 до 105 а/м. Степень стабилизации поля со-
составляет 0,01%. В дальнейшем этот прибор был ими значительно
усовершенствован [10], что позволило стабилизировать более сла-
слабые поля, начиная от 104 а/м. Прибор отличается надежностью в
работе и простотой в обращении.
Михайловым и Морозовым [22] была разработана схема для
стабилизации магнитного поля анализатора пучка ускоренных
ионов. В качестве образца использовали дистиллированную воду
с небольшим количеством сернокислого марганца. Стабилизацию
магнитных полей можно выполнить с помощью электроннолучевой
трубки [13], помещенной в поле рассеяния электромагнита. Это поле
компенсируется постоянным полем противоположного направления.
В случае изменения поля в рабочем зазоре электромагнита элек-
электронный пучок отклоняется, что вызывает возникновение синфазных
сигналов, величина которых будет зависеть от координат пучка.
При несимметричном расположении пучка возникает разность
амплитуд. На выходе усилителя после детектирования возникает
напряжение, которое поступает на сетки регулирующей лампы
тиратронного выпрямителя, где регулируются момент зажигания
и ток в обмотке подмагничивания дросселя насыщения. Так как
первичная обмотка силового трансформатора селенового выпрями-
выпрямителя соединена последовательно с силовой обмоткой дросселя на-
насыщения, то это приводит к изменению тока в цепи электромаг-
электромагнита [1, 4].
40
Для стабилизации магнитных полей можно использовать
устройства, основанные на электронном парамагнитном резонансе.
Эти устройства удобно применять в тех установках, в которых
после монтажа доступ к электромагниту практически невозможен
или связан с большими трудностями. Один из таких стабилизато-
стабилизаторов (рис. 20) описан в работе [121].
В магнитное поле стабилизируемого электромагнита помещают
поглощающую камеру с образцом и катушкой, которые создают
Рис. 20. Блок-схема системы стабилизации магнитного поля:
/ — обмотка электромагнита, 2 — модуляционные катушки, 3 — образец, 4 — ка-
катушки коррекции, 5 и 7 — направленные ответвители, 6 — детекторная камера,
8— эталонный резонатор, 9 — детекторная камера АПЧ, 10— трансформатор
полных сопротивлений, 11 — блок АПЧ, 12 — клистронный генератор, 13 — блок
питания генератора, 14 — Н. Ч. генератор опорного напряжения, 15 — блок ре-
регулирования тока корректирующих катушек, 16 — корректирующие звенья, 17 —
фазовый детектор, 18 — узкополосный усилитель, 19 — усилитель низкой ча-
частоты, 20 — осциллограф
модулирующее магнитное поле. Остальные узлы установки распо-
располагают в некотором удалении от электромагнита и связывают
с поглощающей камерой волноводной линией.
Поглощающую камеру изготовляют из отрезка прямоугольного
волновода, закороченного поршнем, к поверхности которого поли-
полистироловым клеем приклеивают образец из дифенилпикрилгидро-
зила. Камера между полюсами электромагнита расположена так,
что магнитные силовые линии поля и модулирующего поля либо
перпендикулярны широкой стенке волновода, либо направлены
вдоль его оси. Из камеры часть отраженной энергии через на-
направленный ответвитель 5 поступает к детектору, а затем через
узкополосный усилитель на фазовый детектор 17. С детектора
управляющее напряжение через корректирующие звенья идет на
блок регулирования тока корректирующих катушек, которые рас-
рассчитаны на выходной ток в 1 а. Сигнал ЭПР наблюдается на
экране контрольного осциллографа. Данные стабилизатора, по
41
мнению автора, дают возможность удерживать заданную величину
магнитного поля с точностью A—3)-10~3 %.
Прецизионный стабилизатор тока электромагнита, собранный
на полупроводниковых триодах, предложили Ревокатов и Ахме-
Ахмедов [115].
В качестве опорных элементов использованы стабилитроны,
имеющие небольшие шумы. Первый каскад усилителя собран на
кремниевых триодах. Конструктивно стабилизатор представляет
собой три отрезка волновода, торцы которых запаяны. В одном
отрезке волновода, который заполнен керосином, помещено опор-
опорное сопротивление, а во втором —усилитель. Между этими волно-
волноводами расположен третий, через который протекает вода. При
напряжении питания 60 в и сопротивлении магнита 2 ом данный
стабилизатор дает ток силой 12 а.
Для стабилизации постоянных магнитных полей находят также
применение соленоиды из сверхпроводящего материала [116].
ЛИТЕРАТУРА
1. Афанасьев В. П. ПТЭ, № 1, 59, 1958.
2. Б о з о р т Р. М. Ферромагнетизм. М., ИЛ, 1956.
3. Боровик Е. С, Л и м а р ь А. Г. ЖТФ, 32, 4, 441, 1962.
4. Брюнелли Б. Е., Низяев Д. А., Ка но ни ди X. Д. Изв. АН
СССР, сер. геогр., № 7, 917, 1958.
5. Д е и и с о в Ю. Н. ПТЭ, № 1, 96, 1959.
6. Д о р ф м а н Я- Г., Кикоин И. К- Phys. Zs. Sowjet., 3, No. 4, 421,
1933.
7. Д о р ф м а н Я. Г., С и д о р о в С. К. ЖЭТФ, 9, вып. 1, 25, 1939.
8. Денисов Ю. Н., Осетинский Г. М. ПТЭ, № 2, 148, 1959.
9. Егоров Ю. С, Л а т ы ш е в Г. Д. ПТЭ, № 2, 81, 1956.
10 Егоров Ю. С, Латышев Г. Д., Трулев Ю. И. ПТЭ, №5, 41,
1957.
11. Жерновой А. И., Егоров Ю. С, Латышев Г. Д. ПТЭ, № 5,
73, 1958.
12. Жерновой А. И., Латышев Г. Д., Сергеев А. Г. ПТЭ, № 2,
60, 1957.
13. Жуков В. В., Семашко Н. Н. ПТЭ, № 2, 41, 1958.
14. Капица СП. ПТЭ, № 2, 97, 1958.
15. К а п и ц а П. Л. Proc. Roy. Soc, M5A, 658, 1927.
16. К а п и ц а П. Л. Proc. Roy. Soc, 131A, 224, 1931.
17. К а р а с и к В. Р. ПТЭ, № 1, 142, 1959; ПТЭ, № 6, 5, 1962.
18. Константинов Ю. С. ПТЭ, № 3, 61, 1957.
19. К о л о б к о в В. П., Б а р ш а у с к а с К. М. Вестн. высш. школы, № 4,
80, 1959.
20. М и р я с о в Н. 3., Р у б ц о в В. К- ПТЭ, № 5, 142, 1959.
21. Манджавидзе 3. Ш., Ч и к о в а н и Г. Е. ПТЭ, № 3, 69, 1957.
22. М и х а й л о в В. И., М о р о з о в В. М. ЖТФ, 25, 1649, 1955.
23. П у з е й И. М., С а б и н и н П. Г. ПТЭ, № 1, 104, 1960. ,-
24. П у з е й И. М. «Завод, лаб.», № 2, 1949.
25. П е р е г у д Б. П. ПТЭ, № 5, 59, 1956.
26. Селвуд П. Магнетохнмня. М., ИЛ, 1958.
27. Ф а к и д о в И. Г., 3 а в а д с к и й Э. А. ФММ, в, № 3, 569, 1958.
28. Федотов Л. Н. Исследование магнитного насыщения железо-никеле- '
вых сплавов в области низких G7—20°К) температур. Дисс. МГУ, 1956.
42
f
29. Ц е й т л и н Л. А. ЖТФ, 27, № 12, 2792, 1957.
30. Я н о в с к и й Б. М. Земной магнетизм. М., ГИТТЛ, 1958
31. Явор С. Я., Силадьи М. ПТЭ, № 1, 147, 1961.
* 32. С о 11 о n A. Compt. Rend., 177, 77, 1928.
33. Blake L. R. Electronic Eng., 25, 307, 380; 25, 308, 432, 1953
34. Bowen L. O. J. Sci. Instr., 34, No. 7, 265, 1957.
35. Laquer H. L, Hammel E. F. Rev. Sci. Instr., 28, Nr. 11, 875, 1957.
36. Lange H., Kohlhaas R. Zs. angew. Phys., JO, Nr. 10, 461, 1958.
37. N о w i с k i L. Acta phys. polon., 18, No. 5, 531, 1959.
38. Bitter F. Rev. Sci. Instr., 10, 373, 1939.
39. С h a r r u A. J. Phys. et rad., 17, n°. 12, 56, 1956.
40. S с h 1 о s s e r E. G. Zs, angew Phys., 7, Nr. 2, 59, 1955.
41. R u b b e n s S. M. Rev. Sci. Instr., 18, Nr. 9, 243, 1945.
42. Scott G. G. Rev. Sci. Instr., 4, 270, 1957.
43. Heller С Hydrograph. Zeitschr., 8, 4, 1955.
44. W e i 1 L. Physica, 24, Suppl., 118, 1958.
45. M a g u i r e T. Electronics, 34, No. 30, 24, 1961.
46. G о 1 а у М. Rev. Sci, Instr., 29, No. 4, 313, 1958.
47. P r i m a s H., G u n t h a r d H. H. Helv. Phys. acta, 30, No. 4, 331, 1957.
48. P u г с e 11 E. M. Nuovo cimento, 6, n° 3, 1234, 1957.
49. G a r d n e r M. E., Jungerman J. A., L i с h t e n s t e i n P. G., P a t-
t e n С G. Rev. Sci. Instr., 31, No. 9, 929, 1960.
50. In garden R. S., M i ch a I cz у k J. Bull. Acad. polon. sci. math., ast-
ron. et phys., 8, No. 5, 319, I960.
51. F о n e r S., К о 1 m H. Rev. Sci. Instr., 27, No. 7, 547, 1956.
52. Foner S., Kolm H. Rev. Sci. Instr.,, 28, No. 10, 799, 1957.
53. Kolm H. J. Appl. Phys., 29, No. 3, 489, 1958.
54. Piekara A., Malecki J. Acta phys. polon., 15, No. 6, 381, 1956.
55. Piekara A., Malecki J., Surma M., Gibalewicz J Proc.
phys. Soc, В 70, No. 4, 432, 1957.
56. F u r t h H. P., L e v i n e M. A., W a n i e k R. M. Rev. Sci. Instr., 28,
11,949, 1957.
57. Lax B. Physica, 24, Suppl., 125, 1958.
58. С о 11 i P. Zs. angew. Math, und Phys., 11, Nr. 1, 17, 1960.
59. 01 s e n J. L. Helv. Phys. acta, 8, 798, 1953.
60. D u r a n d I., К 1 u b e r O., W u 1 f H. Zs. angew. Phys., 12 Nr 9
393, 1960.
61. К u r t i N. Physica, 24, Suppl., 123, 1958.
62. Gaume F. J. rech. Centre nat. rech. sient., No. 45, 284, 1958
63. Sucksmith W. Phil. Mag., 8, 158, 1929.
64. Gerlach W., Stern O. Ann. Phys., 74, Nr. 16, 8, 673, 1924.
65. Fe r e d а у R. A. Proc Phys. Soc, 43, No. 4, 383, 1931.
66. S u с k s m i t h W., С 1 a r k С A., Oliver O. J., Thompson J. E
Rev. Mod. Phys., 25, No. 1, 34, 1953.
67. Rat hen au G. W., Snoek J. L. Philips Research Rept., 1, 239, 1946
68. Myers W. R. J. Sci. Instr., 30, No. 7, 237, 1953.
69. I nee A. N. Proc. Instr. Electr. Engrs., C102 No. 1, 25, 1955.
70. Packard M. E. Rev. Sci. Instr., 19, 435, 1948.
71. L i n d s t г о m G. Ark. Fys., 4, No. 1, il, 1952.
72. A n d e r s e n H. Zs. angew. Phys., 9, Nr. 7, 326, 1957
73. V r s с a j S. Rep. «J. Stefan» Instr., 2, 101, 1955.
74. G r i v e t P., H a h n H. Nucl. Instr. and Methods., 9, No. 2, 233, 1960
J5. Карасик В. Р., Акчурин Р, Ш., Ахмедов С. Ш. ПТЭ, № 2,
.76. Савченко О. Я. ПТЭ, кя з, 194, 1962.
- 77. Кондорский Е. И., Су сов Е. В. ПТЭ, № 1, 125, 1963
Э7№^°1Д6 jBgE-' Ведяев А- В- Крайнов Б. К, Талызин В. М.
79. Ко 1 m H. Electronics, 32, 43, 1959.
80. В i 11 e r F. Rev. Sci. Instr., 33, 342, 1962.
43
No.
1960,
81. G о u m e T. J. Rech. Sci., No. 45, 287, 1958.
82. M a e d a S. HMF *
83 Laurence I.C, Brown I. W. Geist I. Seitz K. HMF.
84. Stevenson R. Canad. J. Phys., 42, No. 7, 1343. 1964.
85. A d a i г Т. W., S g u i г е С R, VtlayH. B. Rev. Sci.
Instr., 31, 416,
E. F. Rev. Sci. Instr., 28, 875, 1957.
1960.
Matthias B. 1.,
Venturino A. I.,
H. HMF.
86. L ague r H. L., Ha mm el
87. P u r a 11 I. HMF.
88. T а у 1 e r C.E,Post R. E. HMF.
89. Gi a gue W. Т., Lyon D. N. Rev. Sci. Instr., 31, 374,
90. S p e n с e p D. I. Rev. Sci. Instr., 35, No. 3, 51, 1964.
91. Yn tern a G. Phys. Rev. 98,1197,1955.
92. Kunzler I.E., Buchler E., Hsu F. S. L..
Wake С I. J. Appl. Phys., 32, 325, 1961.
93. A u 11 e r S. H. Rev. Sci. Instr., 31, 369, 1960.
94. H u 1 m I. K., F г a s e r M. I., R e i m e r s m a H.,
We i n R. E. Bull. Amer. Phys. Soc, 6, 501, 1961.
95. H а к e R. R., В e r 1 i n с о u r t T. G., L e s 1 i e D.
.96. Караснк В. Р. Фнзнка н техника сильных магнитных полей. М., «На-
«Наука», 1964.
97. Woo d M. Gryogenics, 2E), 297, 1962.
98. Riemersma H., Hulml. K-, Venturiono A. I., Chandrasch-
h a r B. S. J. Appl. Phys., 33A2), 3499, 1962.
99. D о n a d i e n L. I., R о s e D. I. HMF, p. 358.
100. Martin D. I., BenzM. G, BruchC. A., R о s ne г С. К. Grioge-
nic, ceptember, 1963.
101. Карасик В. К-, Акчурнн Р. Ш., Ахмедов С. Ш. ПТЭ, № 2,
179, 1962. ,
102. С о 11 е п Н. Т. и др. J. Appl. Phys., 36, No. 1, 128, 1965.
103. Gany R., Wen veer H. E. Industr. Res., 6, No. 3, 76, 1964.
104. В e 11 e r t о n I. O., E u s t о n D. S. HMF.
105. Pippard A. B. Proc. Inst. Electr. Engr., Ill, No. 12, 2105, 1964.
106. Kapitza P. L. Proc. cocmbr. Phil. Soc, 21, 511, 1923; Proc. Roy. Soc,
АЮ5, 191, 1924; A109, 224, 1925.
107. Furth H. P., Naniek R. W. Rev. Sci. Instr., 27, 195, 1956.
108. F о п e r S., К о 1 m H. Rev. Sci. Instr., 28, 799, 1957.
109. Ф а к и д о в И. Г., 3 а в а д с к и й Э. М. ФММ, 8, 562, 1959.
ПО. К rusk о w ski R. L., Novey Т. В., Wai sh aw S. Rev. Sci. Instr.,
32, 674, 1961.
111. Савченко О. Я. ПТЭ, № 3. 194, 1962.
112. А х м а т о в В. В. и др. ПТЭ, № 4, 182, 1965.
113. D a 11 a-R о у S. К. Indian J. Phys., 29, No. 9, 429, 1955.
114. Rich ard son I. Т., В e a n a i s I. O. Rev. Scient. Instr., 34, No. 8, 41,
1963.
115. Ревокатов О. П., Ахмедов С. Ш. ПТЭ, № 1, 212, 1965.
116. F о п е г S. Rev. Sci. Instr., 34, No. 3, 77, 1963.
117. Dreyfus L. Elektrotechnik und Maschinenbau, 53, 217, 1935.
118. S imeda G., Merlin M. Nuovo Cimento, 11, 73, 1954.
119. SucksmithW., A n d e r s о n S. A., J. Sci. Instr., 33, 234, 1956.
120. В i 11 e r F., R e e d E. Rev. Sci. Instr., 22, 178, 1951.
121. Денисов Ю. Н., Ивашкевич С. А., Калнннченко В. В.
ПТЭ, № 1, 158, 1966.
122. Студенцов Н. В. Меры основных магнитных величин н методика
определения нх значений. М., НТО приборостроительной промышленности, 1965.
1962.
High Magnetic Fields. Proc. of the Infern Conf. Cambridge, USA, No. 4,
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО
ПОЛЯ
При прецизионных исследованиях необходимо точно знать на-
напряженность магнитного поля, которая создается при помощи
описанных выше различных, катушек и электромагнитов. В боль-
большинстве случаев напряженность магнитного поля определяют экспе-
экспериментальным путем. В настоящем параграфе рассмотрены основ-
основные методы измерения напряженности магнитного поля: баллисти-
баллистический, магнитных зондов, метод ЯМР, электродинамический,
магнитных потенциалметров, магнитного полемера и метод, осно-
основанный на эффекте Холла.
§ I. БАЛЛИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
При измерении напряженности магнитного поля баллистиче-
баллистическим методом используют небольшую катушку, каркас которой
выполнен из изоляционного материала. На этот каркас наматы-
наматывают несколько витков медной проволоки диаметром 0,05—0,8 мм,
которые соединены с баллистическим гальванометром и вторичной
обмоткой эталонной катушки. Размеры измерительной катушки
зависят от объема пространства, где требуется определить вели-
величину напряженности магнитного поля. Если измерительную ка-
катушку расположить таким образом, чтобы вектор напряженности
магнитного поля был направлен перпендикулярно к плоскости вит-
витков, то при быстром удалении катушки из магнитного поля в ее
витках возникает э. д. с.
= — w -
dt
C.1)
где ay —число витков катушки, dO —изменение потока магнитной
индукции через площадь витков катушки.
45
Так как d<?> = s-dB, где dB есть изменение магнитной индукции
в зазоре, то из C.1) следует, что
dQ = idt = —
dBsw
R
C.2)
где R—общее сопротивление баллистической цепи, a Q — количе-
количество электричества, которое протекает через гальванометр.
Из теории баллистического гальванометра известно, что откло-
отклонение подвижной рамки гальванометра пропорционально количе-
количеству электричества, прошедшего через гальванометр, т. е. Q = CQ- a,
где Ся — баллистическая постоянная гальванометра.
Интегрируя C.2), получим
вб/дел.
C.3)
Так как величина dB измеряется только по модулю, знак ми-
минус можно опустить.
Ввиду того что сопротивление измерительной цепи, состоящее
из сопротивления гальванометра и сопротивления внешней цепи,
остается в процессе измерения постоянным, то произведение
Cq-R в формуле C.3) обозначим через Су, которая назы-
называется постоянной усгановки. Постоянная Су характеризует чув-
чувствительность установки по отношению к магнитному потоку.
При измерении вапряженности магнитного поля баллистиче-
баллистическим методом следует рассматривать два случая: 1) катушка бы-
быстро удаляется из магнитного поля; в этом случае магнитная
индукция изменяется от некоторого значения В до нуля; 2) изме-
измерительная катушка при помощи специального устройства повора-
поворачивается на 180°, при этом магнитная индукция изменяется от +В
до —В. Кроме указанных двух способов измерение поля можно
цроводить при включении и выключении тока в намагничивающей
цепи. В первом случае из C.3) следует:
Н.
а/м.
C.4)
Во втором случае формула для вычисления Я будет отличаться
от C.4) только тем, что в знаменателе будет сто'лгь коэффициент 2.
Таким образом, для определения напряженности магнитного
поля баллистическим методом необходимо знать число витков из-
измерительной катушки, площадь сечения этой катушки, постоянную
установки и отброс рамки гальванометра. Для расчета напряжен-
напряженности магнитного поля по формуле C.4) нужно прежде всего
определить величину Су, что делают с помощью эталонной катуш-
катушки, которая в простейшем виде представляет собой длинный соле-
соленоид, в средней части которого наматывают вторичную обмотку,
46
или катушку индуктивности, соединенную последовательно с бал-
баллистическим гальванометром и измерительной катушкой.
Магнитное поле внутри эталонной катушки рассчитывают по
формуле
C.5)
где W\ — число витков первичной обмотки, / — длина соленоида (м
i — сила тока, пропускаемого через первичную обмотку (а).
Магнитный поток через витки вторичной обмотки будет равен
Ф = n0tfo;2S3 вб,
C.6)
. ле Sa — площадь эталонной катушки, w2 — число витков вторич-
нсй обмотки.
Из C.5) и C.6) согласно формуле C.4) получим
а/м.
C.7)
После определения Су нетрудно по формуле C.4) рассчитать
напряженность магнитного поля. Следует помнить, что в процессе
измерения необходимо сохранять постоянным сопротивление R
измерительной цепи, так как только в этом случае постоянная Су
не будет изменяться. Это условие легко выполнить, если в процессе
измерения баллистический гальванометр будет соединен последо-
последовательно со вторичной обмоткой эталонной и измерительной ка-
катушек.
На рис. 21 дана принципиальная схема баллистической уста-
установки для определения напряженности магнитного поля.
Как уже было сказано, для расчета напряженности магнитного
поля по формулам C.4) и C.7) прежде всего нужно определить
постоянную Су. Для этого ключ К2 ставят в положение /—/ и
устанавливают реостатами R определенную силу тока в цепи, где
включена первичная обмотка эталонной катушки. При этом ключ
Ki должен находиться в положении а—а или b—b. После этого,
коммутируя ток ключом Ки определяют отброс а рамки гальва-
гальванометра и по формуле C.7) вычисляют Су. Во время этих изме-
измерений катушка ИК. должна находиться в том месте, где опреде-
определяют поле. При измерении величины напряженности магнитного
поля ключ Кг ставят в положение 2—2, а ключ Ki находится в лю-
любом из двух возможных положений (а—а или b—b). Для опреде-
определения отброса а измерительную катушку можно или быстро уда-
удалять из пространства, где имеется магнитное поле, или повернуть
на 180°. Следует иметь в виду, что эталонную катушку и источник
магнитного поля необходимо так расположить по отношению друг
к другу, тобы их взаимное влияние было минимальным.
47
§ 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ЗОНДОВ
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ
МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Для измерения небольших по величине постоянных и перемен-
переменных магнитных полей (8-10~5 а[м) применяют феррозонды, пред-
представляющие собой в простейшем виде стержни, выполненные из
магнитомягкого материала и имеющие две обмотки, одна из кото-
которых создает временный магнитный поток, а другая является изме-
измерительной.
При прохождении через обмотку возбуждения переменного тока
синусоидальной формы магнитное состояние сердечника будет из-
изменяться по динамической петле гистерезиса, при этом в измери-
измерительной обмотке появляется э. д. с, которая кроме основной частоты
Рис. 21. Принципиальная схема баллистиче- Рис. 22. Схематическое устройство
ской установки: измерительного зонда
ЭМ — электромагнит, И К — измерительная
катушка, Г — баллистический гальванометр,
Li и L2 — первичная и вторичная обмотки
эталонной катушки, id и Ка — переключа-
переключатели, Кг — ключ, R — система реостатов,
А — амперметр
будет содержать высшие нечетные гармоники. Если такой зонд
поместить в постоянное магнитное поле, направленное так же, как
и переменное поле по оси сердечника, то магнитное состояние сер-
сердечника будет уже изменяться по несимметричному частному
циклу. Это объясняется тем, что в направлении действия постоян-
постоянного поля перемагничивание сердечника будет происходить' при
меньших значениях переменного поля, чем при отсутствии постоян-
постоянного поля, а в противоположном направлении постоянное поле бу-
будет препятствовать перемагничиванию. В этом случае в кривой
э. д. с. наряду с нечетными гармониками появятся четные, главным
образом вторые гармоники. Оказывается, что величина э. д. с. этой
48
гармоники пропорциональна напряженности магнитного поля. По
величине э.д. с, пропорциональной этой гармонике, и измеряют
напряженность поля.
На рис. 22 показано схематическое устройство одного из изме-
измерительных зондов, сердечник которого сделан из магнитомягкого
материала пермаллоя. Сердечник складывается из 20—50 пластин
толщиной 0,2—0,3 мм. Если на обе стороны сердечника намотать
одинаковое число витков одного провода в противоположных на-
Рис. 23. Схематическое устройство
магнитного зонда мостикового
типа
Рис. 24. К устройству зонда мо-
мостикового типа
правлениях, то магнитные потоки, создаваемые каждой обмоткой,
будут равны. Обмотки соединены между собой последовательно.
Измерительную катушку 3 надевают на сердечник /. Если через
витки обмотки 2 пропускать переменный ток, то в измерительной
катушке 3 э. д. с. не возникнет, так как изменения магнитного по-
потока по времени от каждой обмотки 2 будут равны и противопо-
противоположны по направлению. При помещении сердечника в постоянное
однородное поле, которое направлено перпендикулярно плоскости
сечения обмоток и катушки, произойдет перераспределение маг-
магнитных потоков в пространстве между обмотками 2, так как по-
постоянное поле будет складываться с переменными полями, в ре-
результате чего в измерительной катушке 3 возникнет электродви-
электродвижущая сила. Эта э. д. с. будет пропорциональна напряженности
магнитного поля. С помощью такого зонда при частоте перемен-
переменного тока 103 гц можно измерять магнитные поля порядка 10~2а/лг.
Существуют в настоящее время магнитные зонды мостикового
типа [8]. Один из таких мостов изображен на рис. 23. Мост выре-
вырезают из листового магнитомягкого материала (рис. 24). Собирают
его из нескольких листов, одну половину которых вырезают вдоль,
а другую — поперек прокатки. Это обеспечивает оптимальную маг-
магнитную однородность плечей моста и улучшает магнитный контакт
ветвей. Отрезки С—С загибают и соединяют друг с другом так,
что образуется вторая диагональ моста. На диагоналях моста
расположены катушки / и 2, при этом любая из них может быть
или измерительной, или возбуждающей. Обмотка катушки возбу-
возбуждения питается переменным током промышленной или повышен-
49
ной частоты. Магнитный мостик находится в равновесии, при этом
без внешнего постоянного магнитного поля в измерительной ка-
катушке не возникает э. д. с. Если мостик поместить во внешнее по-
постоянное магнитное поле, то равновесие моста нарушается, в диа-
диагонали моста появится переменный магнитный поток и в измери-
измерительной катушке возникнет э. д. с. индукции, величина которой
определяет значение напряженности внешнего поля. Максималь-
Максимальное значение э. д. с. возникает
в измерительной катушке, если
1 I внешнее поле направлено па-
параллельно двум противопо-
противоположным ветвям мостика. Для
увеличения чувствительности
магнитный мостик делают
^___ , , иногда с полюсами (рис. 25).
| I Рассмотрим высокочувстви-
высокочувствительный компенсаии .ный
магнитометр для измерения
напряженности магнитного по-
поля до 104 а/м [3Sj, где всполь-
Рис. 25. Схематическое устройство
магнитного зонда с полюсами
зован магнитонасыщенный зонд. Принципиальная схема магнито-
магнитометра и разрез магнитонасыщенного зонда показаны на рис. 26 и 27.
Схема магнитометра состоит из цепи возбуждения и сигнала,
компенсационной цепи КЦ и цепи для проверки чувствительности
устройства ЦЧ.
В цепь возбуждения и сигнала входят генератор 4, удвоитель
частоты 5, фазовый дискриминатор 6, резонансный усилитель 7 и
индикаторный прибор 8. Для повышения чувствительности в при-
приборе применен компенсационный метод измерения, при котором
измеряемое поле соленоида 2 компенсируется другим полем изве-
известной величины и противоположного направления. Это поле соз-
создается при помощи катушки с током, внутри которой расположен
зонд /. Компенсирующая катушка 3 используется или в форме
обычного соленоида, или в форме замкнутой катушки. Катушку
второго вида применяют в том случае, когда вблизи магнитометра
находятся ферромагнитные материалы.
Компенсацию можно также осуществить с помощью тока, ко-
который пропускают через измерительную обмотку образца. При
этом значительно уменьшаются размеры измерительной головки,
но зато ухудшается однородность компенсирующего поля. Для пи-
питания компенсационной цепи следует использовать аккумулятор-
аккумуляторные батареи большой емкости. Магнитонасыщенный зонд (рис. 27)
состоит из двух сердечников 6, выполненных из молибденового
пермаллоя. Сердечники собираются из пластин размером 40Х2Х
Х0,8 мм3, которые вырезаются вдоль проката и подвергаются тер-
термической обработке. На сердечниках находится обмотка возбуж-
возбуждения 4, имеющая 1400 витков проволоки ПЭШО диаметром
0,07 мм, и измерительная обмотка 3 в 400 витков проволоки ПЭ
50
<?>0,2 мм. В обмотку возбуждения подают напряжение величиной
25 в частоты 4-Ю3 гц. Ток возбуждения равен 0,3 а. При этих
условиях установка имеет наибольшую чувствительность. Перед
началом измерений зонд настраивают перемещением сердечника
в катушках Гельмгольца. Получаемый на измерительной обмотке
сигнал усиливается наст-
з
ЦЧ
роенным резонансным
усилителем, а затем по-
поступает на фазовый дис-
дискриминатор. Отклонение
стрелки нулевого прибора
на 2—3 деления соответ-
соответствует напряженности
магнитного поля 16-Ю"
а/м. Описанный магнито-
магнитометр стабилен в работе и
его режим практически не
зависит от изменений
внешних условий (темпе-
(температуры, механических ви-
вибраций и т. д.).
В работе [1] приведен
расчет оптимальных усло-
условий работы зонда, состо-
состоящего из двух пермаллое-
вых сердечников размера-
размерами 0,18X1,75X100 мм3,
5 = 0,31 мм2. Обмотку воз-
возбуждения наматывают из
проволоки ПЭ 0,17 длиной /=680 мм с числом витков 350, Изме-
Измерительная обмотка состоит из 1500 витков провода ПЭ 0,07. На
выходе установки включен вольтметр, который фиксирует только
величину выходной э. д. с. второй гармоники. Для расчета эффек-
эффективного значения амплитуды этой гармоники служит следующая
формула:
C.8)
Рис. 26. Принципиальная схема магнито-
магнитометра с магнитным зондом:
/ — зонд, 2 — соленоид, 3 — компенсирую-
компенсирующая катушка, 4 — генератор, 5 — удвоитель
частоты, 6 — фазовый дискриминатор, 7 —
резоиаисиый усилитель, 8 — индикаторный
прибор, КЦ— компенсационная цепь, ЦЧ—
цепь для проверки чувствительности
устройства
где Н — внешнее измеряемое магнитное поле, S2 — чувствитель-
чувствительность зонда к внешнему полю во второй гармонике. Последнюю
величину определяют по формуле
S2 = 0,Q22aBm%,wxSv>, C.9)
где w\ — число витков измерительной обмотки, S — площадь по-
поперечного сечения сердечников, со — частота переменного тока,
питающего обмотки возбуждения, К — коэффициент, учитывающий
рассеивание потока (ft,«0,8—1,0), a — некоторая постоянная, за-
зависящая от магнитных свойств материала и размагничивающего
фактора.
51
Чувствительность определяют при оптимальном значении под-
магничивающего тока, силу которого рассчитывают по формуле
1,231
C.10)
где w2 — число витков в обмотке возбуждения.
Описываемый зонд имеет высокую чувствительность в том слу-
случае, если применяется длинный сердечник.
Грабовский и Скоробогатов [9] применили пермаллоевый фер-
феррозонд для измерения коэрцитивной силы Яс. Их установка со-
состояла из двух совершен-
совершенно одинаковых намагни-
намагничивающих катушек, меж-
между которыми располагал-
располагался феррозонд длиной
250 мм, шириной 4 мм и
толщиной 0,3 мм. Через
катушки пропускали ток
такого направления, что в
пространстве, занимаемом
феррозондом, магнитные
поля катушек взаимно
компенсировались. Для
измерения коэрцитивной
силы намагниченный об-
образец помещали в одну из
Рис. 27. Разрез маг-
магнитного зонда:
/ — токоподводящие
лепестки, 2 — корпус,
3 — измерительная
обмотка, 4 — обмот-
обмоткатушек, при этом маг-
магнитное поле образца вы-
вызывало отклонение стрел-
стрелки прибора, который
включали в индикаторную
ка возбуждения, 5— обмотку, расположенную
—ркас, 6^ ~ОдяРион~ на феррозонде. Пропус-
Пропуская прокладкТ0" кая постоянный ток через
намагничивающие катуш-
катушки, постепенно размагничивали образец. В момент, когда стрелка
индикаторного прибора возвращалась в нулевое положение, изме-
измеряли силу тока в катушках и рассчитывали значение коэрцитивной
силы по формуле НС=Ы, где k — постоянная катушки.
При помощи описанного коэрцитиметра можно быстро прове-
провести измерение Яс с точностью до 2—3%.
В коэрцитиметре Януса [52, 53] феррозонд имеет форму рамки,
на боковых сторонах которой расположены две обмотки: возбуж-
возбуждения и измерительная. Исследуемый образец помещен в соленоид
так, что его концы выступают из соленоида. Они примыкают к
железному ярму, средняя часть которого замыкается сердечником
феррозонда.
Дрожжина и Фридман [15] предложили феррозондный магнито-
52
метр для исследования магнитных свойств мягких магнитных ма-
материалов. В их магнитометре подвижная астатическая система за-
заменена феррозондами, которые позволили устранить колебания
нуля. Феррозонд представляет собой два сердечника (90X3X
ХОД мм3), сделанные из пермаллоя 80НХС. Обмотки возбуждения
включены последовательно так, что магнитные потоки сердечни-
сердечников взаимно замыкаются. Измерительные обмотки феррозонда
включены дифференциально, причем без внешнего постоянного
поля сумма индуцированных э. д. с. в этих обмотках равна нулю.
При наличии постоянного магнитного поля в э. д. с. появляются
четные гармоники, по величине которых определяется это поле.
Феррозондный магнитометр состоит из двух одинаковых соле-
соленоидов, расположенных горизонтально один под другим, в один
из которых помещают исследуемый образец. Дифференциальный
феррозонд расположен между этими соленоидами. Магнитные поля
соленоидов без образца взаимно компенсируются в объеме, где
располагается феррозонд.
Для качественных измерений лучше использовать астатический
феррозондный магнитометр. В этом варианте один феррозонд на-
находится между соленоидами, а другой на расстоянии 130 мм от
первого в параллельной горизонтальной плоскости. Обмотки этих
феррозондов включены последовательно навстречу друг другу.
При помощи феррозондного магнитометра можно определять
кривую намагничивания, петлю гистерезиса и коэрцитивную силу
магнитомягких материалов. Кривую намагничивания и петлю ги-
гистерезиса измеряют методом компенсации. С этой целью через
компенсирующую обмотку пропускают ток, магнитное поле кото-
которого компенсирует поле намагниченного образца в районе распо-
расположения зонда. Чтобы измерить коэрцитивную силу, нужно намаг-
намагнитить образец, а затем, увеличивая размагничивающее поле,
свести к нулю показания индикаторного прибора. Простая схема
и быстрый процесс измерения являются одним из преимуществ
феррозондного магнитометра перед другими магнитометрами, ко-
которые будут описаны в главе V. В последнее время некоторые
типы магнитных зондов начали применять для исследования маг-
магнитного поля в ускорителях и р-спектрометрах [24, 32, 33, 49, 54].
Описание зондов имеется также в работах [3, 20, 56—60, 95, 100].
§ 3. МЕТОД ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО
РЕЗОНАНСА. ЯДЕРНЫЕ МАГНИТОМЕТРЫ
Измерение напряженности магнитного поля методом ядерного
магнитного резонанса получило в настоящее время широкое рас-
распространение. Этот метод является одним из прецизионных мето-
методов измерения магнитного поля [17—19, 51). Кратко остановимся
на физической сущности этого явления. Если атомы какого-либо
вещества поместить в постоянное однородное магнитное поле Но,
то векторы магнитных моментов атомов будут прецессировать
53
«округ направления приложенного поля. Частота прецессии опре-
определяется по формуле
<* = уН0, C.11)
где со— частота прецессии, у — гиромагнитное отношение атома
(отношение магнитного момента атома к его моменту количества
движения).
Если теперь перпендикулярно к полю Яо приложить перемен-
переменное магнитное поле, то на магнитный момент атома будет действо-
действовать пара сил, стремящаяся увеличить угол прецессии магнитного
момента. В момент резонанса, когда частота прецессии станет
равной частоте переменного поля, проекция среднего магнитного
момента на плоскость, перпендикулярную постоянному магнитно-
магнитному полю, достигнет максимального значения.
Характер прецессии атома в постоянном магнитном поле суще-
существенно зависит от энергии электронных оболочек.
В сильных магнитных полях связь ядра с электронами нару-
нарушается, и они прецессируют отдельно друг от друга с характер-
характерными для них частотами. Так как гиромагнитное отношение для
электронов на несколько порядков больше, чем для ядер, то при
одинаковых значениях напряженности постоянного магнитного
поля частота, при которой наблюдается электронный магнитный
резонанс, больше частоты ядерного магнитного резонанса. Если
экспериментально определить частоту магнитного резонанса, то,
зная гиромагнитное отношение ядер, можно вычислить величину
напряженности магнитного поля.
Для протона гиромагнитное отношение равно
Y = 336,166 от1 сект1 м. C.12)
При этом измерения будут тем точнее, чем точнее будет измерена
частота. При современных способах определения частоты точность
может быть достигнута порядка 1 ¦ 10-3%.
На рис. 28 дана принципиальная схема установки для измере-
измерения напряженности магнитного поля методом ядерного резонанса.
Исследуемый образец О, например, вода или глицерин, поме-
помещают в ампулу, находящуюся внутри катушки Lu которая создает
высокочастотное электромагнитное поле. Постоянное магнитное
пола #0 создают электромагнитом ЭМ, между полюсами которого
расположена катушка Li с образцом О, причем ось катушки со-
составляет прямой угол с вектором напряженности поля. Катушка
Li и конденсатор переменной емкости генератора / образуют коле-
колебательный контур. При резонансе, когда частоты прецессии про-
протонов совпадают с частотой генератора, происходит поглощение
энергии высокочастотных колебаний протонами. В результате
этого в контуре появляется дополнительное затухание, что в свою
очередь приводит к уменьшению напряжения на контуре.
Для определения поглощения постоянное магнитное поле Яо
модулируется переменным магнитным полем частоты 25—50 гц
54
с амплитудой в несколько а/м. Моделирующее поле создают
катушками L2, которые питаются от источника 5. При совпадении
среднего значения поля Яо с резонансным значением моделирую-
моделирующее поле дважды за период проходит резонансное поглощение,
осуществляя при этом амплитудную модуляцию высокочастотных
колебаний.
После детектирования и усиления сигнал подают в осцилло-
осциллограф, горизонтальная развертка которого синхронизирована с мо-
модуляцией. Таким образом,
на экране осциллографа
будет наблюдаться сигнал
ядерного магнитного по-
поглощения как функция
постоянного магнитного
поля. Чтобы иметь боль-
большую чувствительность, ус-
установка должна работать
в критическом режиме,
т. е. на пороге «срыва»
колебаний. Поэтому в из-
измерительной схеме нужно
осуществить плавный пе-
переход к режиму, близко-
близкому к срыву колебаний, что
достигается изменением
обратной связи в генера-
генераторе. Следует помнить,
что необходимо прини-
принимать специальные меры
для уменьшения различ-
различных помех, так как величина сигнала очень небольшая. Поэтому в
схемах этого метода желательно использовать лампы, которые
обладают малыми собственными шумами.
Чтобы уменьшить влияние модулирующего магнитного поля на
генератор, его следует вынести возможно дальше за пределы маг-
магнитного поля. Для уменьшения микрофонного эффекта образец
вместе с контурной катушкой жестко крепится к стене. Необходи-
Необходимо также обеспечить однородность магнитного поля, действующе-
действующего на образец, так как ширина резонансной линии очень мала. Для
этой цели полюсные наконечники устанавливаются строго парал-
параллельно друг другу, а их диаметры берутся намного больше шири-
ширины воздушного зазора. Кроме того, у полюсных наконечников уста-
устанавливают специальные кольцевые бортики.
Описанный метод исследования ядерного магнитного резонанса
протонов дает возможность измерять сильные и средние магнитные
поля.
Чувствительный ядерный магнитометр, блок-схема которого
показана на рис. 29, описан в работах [29, 30]. Сигнал ядерного
55-
Рис. 28. Принципиальная схема установки
для измерения напряженности поля мето-
методом ядерного резонанса:
1 — генератор, 2 — усилитель высокой ча-
частоты и детектор, 3 — усилитель низкой ча-
частоты, 4 — осциллограф, 5 — генератор ииз-
кой частоты для питания модуляционных
катушек, R — система реостатов для регу-
регулировки тока в цепи электромагнита, А —
амперметр, Я — переключатель, О — иссле-
исследуемый образец, ЭМ— электромагнит, L\—
катушка контура генератора с образцом,
Z.2 — катушки, создающие поле модуляции
резонансного поглощения поступает на регенеративный детектор
с емкостной обратной связью, который обеспечивает оптимальную
чувствительность и минимальный уровень шумов. После этого
сигнал, получаемый с выхода детектора, усиливается чувствитель-
чувствительным узкополосным усилителем, который позволяет также значи-
значительно снизить уровень шумов и получить большой коэффициент
усиления. Усилитель, собранный на лампе 6Н8, обеспечивает ста-
стабильное усиление 70—75 дб в полосе —0,5 гц на частоте 80—
100 гц. Затем располагаются оконечный усилитель с развязываю-
развязывающим катодным повторителем, ламповый вольтметр со стрелочным
индикатором или осциллограф, на экране которого можно наблю-
наблюдать кривую резонансного поглощения. Датчик состоит из катушки
контура высокочастотного генератора с образцом. В качестве по-
последнего в данном приборе используют почти насыщенный водный
раствор MnSO4 или насыщенный водный раствор LiCl с добавле-
добавлением MnSO4. Для измерения напряженности поля в широком диа-
диапазоне применяют четыре сменные катушки с различным объемом
образца: 0,1; 0,05; 0,03 и 0,02 см3. Катушку контура генератора
вместе с образцом помещают в цилиндрический латунный экран
и модулирующую катушку. Датчик в собранном виде имеет следу-
следующие размеры: длина 120 мм и наружный диаметр 12 мм.
Питание магнитометра осуществляется от сети переменного то-
тока, причем в схеме имеются электронная стабилизация анодного
напряжения и питание накалов ламп. Перед началом измерений
магнитометр прогревают в течение 30 мин. Испытания прибора по-
показали, что его можно применять для измерения напряженности
магнитного поля от 2-104 до 1 • 106 а/м с точностью до 0,05%, при
однородности измеряемого поля до 1%.
Денисов [12, 13] создал универсальный магнитометр для изме-
измерения напряженности постоянного магнитного поля до 16-105 а/м.
Характерной особенностью этого прибора является то, что он мо-
может быть использован для измерения магнитных полей, неодно-
неоднородность которых достигает 4—5%. Практически универсальный
магнитометр дает возможность проводить «точечные» измерения
поля, так как объем образца, в котором наблюдается ядерное ре-
резонансное поглощение, очень мал — порядка 1(H мм3.
В настоящее время есть также установки, которые позволяют
измерять магнитные поля от 3-Ю3 а/м и выше. Жерновой, Латы-
Латышев и Сергеев [17] применили для этих целей датчики магнитного
поля, имеющие тороидальную форму. Объем вещества 0,5%-ного
раствора FeCl2 в воде составляет 104 мм3. Точность относительных
измерений равна 10~4. Описанию приборов и установок, основан-
основанных на явлении ядерного резонансного поглощения, посвящено
большое количество работ. Перечень некоторых из них дан в кон-
конце этой главы [35, 37, 41, 54, 61—67, 103].
Наша промышленность выпускает измеритель напряженности
магнитного поля типа Е-11-2, сконструированный на принципе
ядерного магнитного резонанса (рис. 30).
56
Датчик магнитного поля / кроме ампулы с рабочей жидкостью-
и высокочастотной катушки содержит также двухсекционную ка-
катушку модуляции, по которой протекает ток низкой частоты. Этот
ток создает периодическое изменение поля вблизи резонансного
значения. Катушка модуляции питается частотой 45 и 270 гц от
генератора 6. Высокочастотный генератор представляет собой
двухкаскадный усилитель, охваченный обратной положительной.
2
L
t
3
-
6
5
7
i
Рис. 29. Блок-схема ядерного магни- Рис. 30. Блок-схема измерителя на-
тометра: пряжениости магнитного поля Е-11-2:
/— датчик, 2 — детектор, 3 — узкопо- ^ —Датчик, 2 — генератор в. ч., 3 —
лосный усилитель, 4 — кварцевый ка- детектор, 4 — индикатор генерации,,
либратор, 5—блок питания, 6—осцил- о— выпрямитель и стабилизатор на-
лограф, 7 — напряжение модуляции пряжения, 6—генератор модуляции,
7— усилитель низкой частоты, 8—
синхронный детектор: а — выход для<
волномера, Ь — выход для осцилло-
осциллографа
связью, где в качестве генераторной лампы используется двойной
триод, правая половина которого является усилителем, а левая —
катодным повторителем. С выхода детектора <3 сигнал после уси-
усиления подают на вертикальный вход осциллографа. На вход гори-
горизонтального канала осциллографа поступает напряжение от син-
синхронного детектора 8, которое синхронизировано с модулирующим
напряжением.
Если датчик поместить в измеряемое магнитное поле, то в мо-
момент резонанса, который устанавливают при помощи изменения
частоты высокочастотного генератора, на экране осциллографа
появится изображение резонансной линии. Форма линии зависит
от величины измеряемого поля, уровня генерации и тока модуля-
модуляции. Когда измеряют неоднородные поля, появлению сигнала ре-
резонанса соответствует отклонение стрелки прибора вправо и влево
от нуля на одинаковое число делений.
Прибор Е-11-2 позволяет измерять напряженность магнитного
поля от 2-104 до 2-106 а/м. Для этого используют пять датчиков:
1-й датчик для полей от B—4,6) 104 а/м, 2, 5-й— D,6—11) 104 E-й
для соленоидов), 3-й—A,1—8) 105, 4-й —(8—20) 105 а/м.
В качестве рабочего вещества, ядра которого обнаруживают
магнитные свойства, используются вода (датчик /, 2 и 5), водный
раствор хлористого лития (датчик 3) и тяжелая вода (датчик 4).
57
Погрешность измерения напряженности поля не превышает
0,01% при неоднородности магнитного поля до 0,02% на санти-
сантиметр от значения измеряемого поля. Прибор дает удовлетворитель-
удовлетворительные результаты только при измерении полей, неоднородность ко-
которых не превышает 0,2% на сантиметр.
§ 4. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД
ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ
МАГНИТНОГО ПОЛЯ
В основу этого метода положен эффект взаимодействия маг-
магнитного поля и рамки с током [68]. Если катушку с w витками и
площадью сечения S подвесить в однородном магнитном поле Я
на тонкой нити, то при пропускании через витки катушки тока си-
силой i катушка повернется на некоторый угол 0. В момент равно-
равновесия будет справедливо следующее равенство:
А F— q>) =
sin ср,
C.13)
где k — упругая константа нити, ф— угол между нормалью к пло-
плоскости катушки и направлением поля и разность @—ф) —угол
закручивания нити.
При расположении плоскости сечения рамки под прямым углом
к направлению магнитного поля, т. е. когда 0=0 и ф = 0, вращаю-
вращающий момент отсутствует. Максимальный вращающий момент, дей-
действующий на рамку, будет в тот момент, когда угол ф=90°. В этом
случае соотношение (ЗЛЗ) примет вид
А F -90°) = wip0HS.
C.14)
По этой формуле легко определить величину напряженности
магнитного поля, если будет известен угол 0 закручивания нити.
Точность измерения будет тем больше, чем меньше постоянная k.
Другой способ состоит в том, что можно, не закручивая нити,
поставить рамку в такое положение, когда момент сил, действую-
действующих на рамку, будет максимальным (ф = 90°). Верхний конец нити
жестко крепится с вращающей головкой, на которой для отсчета
угла поворота рамки имеется нониус. Свободный конец вращаю-
вращающейся нити соединен с катушкой, через которую пропускают по-
постоянный ток. Чтобы на подвижную систему не действовали воз-
воздушные потоки, ее помещают в стеклянную трубку. При включе-
включении магнитного поля рамка повернется на некоторый угол. С по-
помощью головки рамка возвращается в нулевое положение, и по
нониусу, расположенному у винта, отмечается угол поворота го-
головки. В этом случае напряженность магнитного поля определяет-
определяется по формуле
__ ""ма
\iowiS
C.15)
58
Для большей точности определения магнитного поля рамку
обычно подвешивают на серебряной нити толщиной 0,001 мм и
длиной 400 мм (нить подвергается температурному отжигу с целыа
снятия упругих напряжений). Иногда в качестве подвеса исполь-
используют тонкую нить из фосфористой или бериллиевой бронзы, или.
кварца.
Каркас катушки изготовляют из материала без ферромагнит-
ферромагнитных примесей. Поэтому, прежде чем использовать тот или иной
материал, следует проверить действие на него магнитного поля.
Лучше всего для этих целей брать тонкостенную трубку @,1 мм)
из пирекса диаметром 10—15 мм и такой же длины. Перед намот-
намоткой медной проволоки поверхность каркаса тщательно очищают
и покрывают лаком. Намотку проволоки удобно производить при
помощи небольшого токарного станка. Первый и последний слои
обмотки нужно прочно прикрепить к каркасу катушки. Следует
помнить, что точность этого метода, как и других методов, где-
используют для измерения небольшие катушки, в сильной степени
зависит от погрешности определения диаметра измерительной ка-
катушки. Измерить диаметр катушки можно при помощи микрометра
или обычного микроскопа. Упругую константу нити k определяют
экспериментально. Для этого используют стандартное тело с из-
известным моментом инерции, для которого находят период свобод-
свободных колебаний.
Постоянный ток, пропускаемый через измерительную катушку,
определяют минроамперметром или потенциометрическим спосо-
способом с использованием эталонного сопротивления. Точность элект-
электродинамического метода уменьшается с уменьшением угла закру-
закручивания нити. Данный метод является абсолютным методом изме-
измерения напряженности магнитного поля, точность которого такого*
же порядка, как и у баллистического метода [68, 69].
На электродинамическом методе измерения напряженности
магнитного поля основан прибор ИМИ-1, который позволяет изме-
измерять магнитные поля от 8-Ю4 до 13-105 а/м с точностью 4%.
§ 5. МАГНИТНЫЕ ПОТЕНЦИАЛМЕТРЫ
Магнитные потенциалметры применяются для измерения раз-
разности магнитных потенциалов в двух точках пространства и напря-
напряженности магнитного поля на поверхности образца.
Для измерения намагничивающей силы используют так назы-
называемые мягкие потенциалметры. Жесткие потенциалметры в боль-
большинстве случаев применяются для измерения напряженности маг-
магнитного поля на поверхности образца.
Мягкие потенциалметры представляют собой тонкую гибкую-
пластинку из изоляционного материала. На эту пластинку равно-
равномерно наматывают обмотку из тонкой медной проволоки. Обмот-
Обмотка наматывается таким образом, чтобы начало и конец ее выво-
выводились в средней части пластины. Концы обмотки присоединяют
59;
к баллистическому гальванометру. На концах пластины располо-
расположены планки, предохраняющие обмотку от разматывания. Если
такой потенциалметр поместить в постоянное неоднородное магнит-
магнитное поле, причем его концы будут располагаться в точках с раз-
разными магнитными потенциалами, то магнитный поток, пронизыва-
пронизывающий витки потенциалметра на элементе длины dl, будет равен
dto = yLaff?wdl, C.16)
где S — сечение обмотки, Hi — составляющая напряженности поля
на направление dl, w — число витков на 1 см.
Полный поток сцепления всего потенциалметра определится
как
C.17)
где ?/„ — разность магнитных потенциалов между двумя точками
а и Ь.
Если удалить потенциалметр из магнитного поля, то возникнет
баллистический отброс, который будет пропорционален изменению
магнитного потока через площадь витков:
АФ = Сфа = y,owS№ln,
где Сф — баллистическая постоянная.
При АФ = Ф и А?/=?/ из C.18) имеем
C.18)
V« = -jT*> C.19)
где k = pLOwS — постоянная потенциалметра.
Для определения постоянной k применяется катушка с извест-
известным числом витков, в которую вставлен потенциалметр. Концы
потенциалметра соединены между собой. Включение или выключе-
выключение тока в градуировочной катушке вызывает изменение магнит-
магнитного потока сцепления, который будет равен
C,20)
где o»i — число витков градуировочной катушки, i — сила тока в
этой катушке (а). Из формулы C.20) имеем
Г nl
C.21)
Wit
Рассмотренные потенциалметры могут быть использованы при
изучении магнитных полей рассеивания различных электромагнит-
электромагнитных механизмов, при испытании магнитных материалов и постоян-
постоянных магнитов, при определении напряженности магнитного поля
на поверхности образцов [25, 47, 55].
60
§ 6. МАГНИТНЫЙ ПОЛЕМЕР [23]
В основу магнитного полемера положен вращающийся в маг-
магнитном поле с постоянной угловой скоростью металлический кон-
контур. При вращении в контуре возникает э. д. с, пропорциональная
величине напряженности магнитного поля. Напряженность магнит-
магнитного поля в полемере определяют по величине выпрямленного то-
тока. Вращающийся контур присоединяют к двухступенчатому кол-
коллектору, плоскость щели которого расположена перпендикулярно
плоскости катушки. Для измерения выпрямленного постоянного
тока применяют гальванометр с большим периодом колебаний.
Основной частью магнитного полемера является цилиндриче-
цилиндрическая измерительная катушка, которая вращается в магнитном
поле с постоянной угловой скоростью. Катушку помещают на длин-
длинной оси размером 170 мм. Эта ось соединена с небольшим син-
синхронным мотором, который вращает измерительную катушку и
связанный с ней коллектор. Катушка расположена между двумя
парами колец Гельмгольца, компенсирующих земное магнитное
поле. В рассматриваемом полемере применяется несколько типов
вращающихся катушек с различным внешним диаметром и раз-
различным числом витков. В зависимости от того, какой величины
нужно измерять магнитное поле, диаметр вращающейся катушки
может колебаться от 1 до 9 мм, при этом число витков катушки
изменяется от 300 до 30 000.
Для обмотки этих катушек используют эмалированную прово-
проволоку диаметром 0,025 мм. Катушка вместе с осью находится на
специальной подставке, при помощи которой ее можно перемещать
в двух направлениях. Величину перемещения фиксируют по шка-
шкале с точностью до 0,1 мм. Эти катушки дают возможность измерять
магнитные поля с малым градиентом от 80 а/м. Напряженность
магнитного поля определяют по величине силы тока, текущего в
цепи контура катушки. Среднее значение силы тока связано с из-
изменением поля соотношением
Н = ¦?&-. C.22)
где С — постоянный коэффициент прибора.
Если нужно измерять слабые магнитные поля, то применяют
катушки с сердечником из магнитомягкого материала. Тогда чув-
чувствительность полемера, при тех же размерах катушки, увеличится
в 20—30 раз. Этот прибор позволяет измерять напряженность
магнитного поля в точке с определенными координатами и поэто-
поэтому может быть использован для исследования топографии магнит-
магнитного поля. При работе с полемером следует обратить внимание на
систему коллектора, от состояния которого зависит точность изме-
измерения.
При помощи полемера можно исследовать поля постоянных
магнитов и электромагнитов, изучать поля рассеяния в электри-
61
ческих машинах, исследовать магнитные поля остаточного намаг-
намагничивания в различных конструкциях. Установка и приборы под-
подробно описаны в работах [70, 71].
§ 7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ
ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО
МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
В последнее время стали применяться полупроводниковые из-
измерители магнитных полей, так называемые датчики э. д. с. Холла.
Датчиками э. д. с. Холла можно измерять как постоянные, так и
переменные магнитные поля [16, 39, 40, 45].
Эффект Холла состоит в том, что на боковых гранях образца,
через который пропускают постоянный ток, при наличии внешнего-
магнитного поля возникает поперечная разность потенциалов. Для
образца, сделанного из полупроводника в форме параллелепипе-
параллелепипеда, эта разность потенциалов определяется уравнением
1] n 1х"г „ /о 9Ч\
U„ == 1\ о, \O.?iOf
где ix — сила тока в образце (a), Hz — магнитное поле, d —
[м3 Т
. Таким
а сек J
образом, согласно формуле C.23) при пропускании постоянного
тока через образец в нем возникает разность потенциалов, кото-
которая будет пропорциональна напряженности магнитного поля,
У датчиков э. д. с. Холла пропорциональность между U и Н соблю-
соблюдается с точностью до нескольких процентов для полей 16-105 а/м.
В настоящее время для изготовления датчиков применяют по-
полупроводники, обладающие большими подвижностями носителей
тока. К ним относятся элементы Те, Bi, Ge, а также некоторые
бинарные соединения со структурой цинковой обманки: HgSe,
HgTe, InAs, InSb, PbSe, PbTe и AgTe. Датчики э. д. с. Холла
используют в виде тонких пластинок, которые вырезают с помо-
помощью алмазных дисковых пил из монокристалла или поликристал-
поликристалла. Отрезанные пластинки шлифуют и подвергают специальной
обработке. Пленочные датчики выполняют из HgSe и HgTe в виде
тонких пленок (до 10 мк). Их получают методом напыления полу-
полупроводника на стеклянный или слюдяной базис, через определен-
определенные трафареты. Поверхность базиса предварительно тщательна
очищается, после чего наносят металлические электроды нужной
формы. Электроды изготовляют путем испарения меди в вакууме
или методом вжигания серебряной пасты. Только после этого на
базис, нагретый до 400°К, наносят слой полупроводника. Получен-
Полученные пленочные датчики подвергают отжигу при температуре 400—
450°К, чтобы обеспечить лучшую стабильность их параметров.
62
Чувствительность отожженных датчиков в течение одного года
изменяется только на 2—3%. Для предохранения датчиков от раз-
различных механических повреждений пленки полупроводника покры-
покрываются тонким слоем клея БФ2. При изготовлении датчиков э. д. с.
Холла большое внимание уделяют получению хорошего электри-
электрического контакта с полупроводником.
Контакты выполняются таким образом, чтобы они не вызывали
ни ослабления, ни искажения сигнала, а при работе на перемен-
переменном токе они не должны обла-
обладать выпрямительными свойст-
свойствами. Для этого шлифуется
поверхность полупроводника,
или наносится в некоторой ее
области слой очень высокой
проводимости, сделанный из
того же полупроводника, что и
основной слой датчика, но с
большей концентрацией носи-
носителей тока. На рис. 31 пред-
представлена схема измерителя на-
напряженности постоянного маг-
магнитного поля с помощью пле-
пленочного датчика э. д. с. Холла.
Рис. 31. Принципиальная схема уста-
установки для измерения напряженности
поля с помощью датчика э. д. с.
Холла:
D — датчик, П — потенциометр, Б —
батареи, Ru R2 и R3 — реостаты, Г —
гальванометр, НЭ — нормальный эле-
элемент, Ki, K2 — переключатели
Эта схема позволяет изме-
измерять напряженность магнит-
магнитного поля от нескольких а/м
до 16-Ю5 а/м с точностью
порядка нескольких процен-
процентов. Прежде чем начать из-
измерения, необходимо с по-
помощью нормального элемента
НЭ, батареи Б и гальванометра Г установить в потенциометре П
рабочий ток. После этого измеряется рабочий ток в датчике, для
чего ключ К\ ставится в положение /—/, а с помощью ключа /Сг
подается ток в датчик, и реостатом R3 устанавливается рабочий
ток. Затем ключ /Ci переключается в положение 2—2 и измеряется
холловская э. д. с. в контактах 3—3.
Установка нуля при отсутствии внешнего магнитного поля осу-
осуществляется реостатами R2. Для определения постоянной установ-
установки применяют эталонный соленоид, куда помещается датчик э. д. с.
Холла. Схему, показанную на рис. 31, можно применять и для
измерения переменного магнитного поля промышленной или зву-
звуковой частоты. Для этого датчик питается током такой же часто-
частоты, как и исследуемое поле. Во избежание сдвига фаз между током
и полем в цепь включают реактивное сопротивление.
На рис. 32 представлена схема магнитометра, описанного в ра-
работе [4], который да'ет возможность измерять напряженность маг-
магнитных полей до 1,4 • 106 а/м с точностью до 1 %.
63
Датчик размером 2x1,5x0,7 мм3 делают из германия я-типа:
э.д. с. Холла измеряют в контактах 1—1. Сопротивление датчика
в токовой цепи равно 47 ом, при этом через датчик пропускают
ток в 1 ма, который регулируется сопротивлением R2. В токовой
цепи (абвгде) находится потенциометр Ru с помощью которого
балансируют паразитную э.д.с, существующую без наличия маг-
магнитного поля. Уровень собственных шумов не превышает несколь-
нескольких единиц, что практически не влияет на результаты измерений.
Данный Тгрибор имеет
пять диапазонов измере-
измерений: 0—2,4-105, 0—6-Ю5,
0—МО6, 0—1,2-106, 0—
1,4-106а/.«. Точность из-
измерений не ниже ±1%.
Недостатком этого магни-
магнитометра является то, что
его можно использовать
в ограниченном интервале
температур.
Воейков [5] создал
компенсационный магни-
магнитометр, основанный так-
Рис. 32. Схема магнитометра с датчиком
э. д. с. Холла
же на эффекте Холла, который измеряет напряженности магнит-
магнитных полей в диапазоне от 8-Ю3 до 1,3-106 а/м и в интервале тем-
температур от —30 до +50°. Точность измерения ±1,5%. В приборе
осуществлено термостатирование датчика Холла, который поме-
помещается в небольшой латунный стаканчик. Конструктивно это
оформляют так, что датчик теплоизолирован от стены стакана, а
термосопротивление, наоборот, имеет хороший контакт с подогре-
подогревателем и стаканом.
Постоянство температуры датчика с точностью ±0,25° поддер-
поддерживают следующим образом. Балансировка обычного мостика, в
одном плече которого включено термосопротивление КМТ-11, вы-
выполняется при температуре этого сопротивления C30°К). Если
температура изменяется на ±1,5°, то баланс мостика нарушается,
при этом срабатывает реле, в цепь нагревателя подключается до-
добавочное сопротивление, и температура стакана начинает пони-
понижаться. Реле срабатывает в обратную сторону в том случае, если
температура стакана уменьшится на 3°. За это время колебание
температуры стакана не успеет передаться датчику Холла. Дан-
Данный магнитометр позволяет измерять как напряженность магнит-
магнитных полей электромагнитов, так и соленоидов. Чувствительные
холловские датчики из арсенида индия также используют для из-
измерения магнитных полей, создаваемых сверхпроводящими катуш-
катушками [104]. Описание датчиков э.д.с. Холла в работах [6, 22, 31,
72—78, 94, 96—98, 101].
На применении эффекта Холла основан прибор Е-11-3, выпу-
выпускаемый нашей промышленностью. Этот прибор имеет два дат-
64
чика, один из которых используется для измерения напряженности
магнитного поля в зазоре электромагнитов и постоянных магнитов
(до 1,3-106 а/м), а второй — для измерения поля в соленоидах
(до 2,4-105 а/л*).
На рис. 33 показана блок-схема прибора. Генератор / (частота
1000 гц) собирают по трехточечной схеме на половине триода
6Н5П, вторую половину которого используют в качестве усилителя
мощности. Когда датчик помещен в магнитное поле, э. д. с. Холла
3
и
S
в
Рис. 33. Блок-схема измерителя напряженности магнитного
поля Е-11-3:
/ — генератор, 2 — датчик Холла, 3 — переключатель, 4 — де-
делитель напряжения, 5 — усилитель, 6 — индикатор
сравнивают с падением напряжения на эталонном сопротивлении,
через которое протекает ток, пропорциональный току, идущему
через датчик. Момент компенсации э. д. с. Холла и напряжения,
поступающего с делителя напряжения 4, определяется по индика-
индикатору 6. Перед индикатором в схему включен усилитель 5, состоя-
состоящий из двухкаскадного усилителя на сопротивлениях, резонанс-
резонансного усилителя LC и катодного повторителя с LC-фильтром.
В приборе предусмотрена температурная компенсация, которую
выполняет дополнительная обмотка, подогревающая датчик. Это
позволяет автоматически поддерживать температуру датчика
330°К с точностью 0,2—0,4°. Погрешность прибора составляет
§ 8. ДРУГИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Известно, что электрическое сопротивление многих металлов и
сплавов является функцией напряженности магнитного поля. Наи-
Наиболее сильная зависимость электрического сопротивления от маг-
магнитного поля наблюдается у висмута, из которого и делают спи-
спирали для измерения величины напряженности магнитного поля.
Концы спирали подключаются к мосту постоянного тока, с помо-
3 Зак. 262
65
щью которого и измеряют ее сопротивление. Затем спираль поме-
помещают в пространство, где необходимо оценить величину магнит-
магнитного поля, и опять измеряется ее сопротивление. Висмутовая спи-
спираль должна быть предварительно проградуирована при опреде-
определенной температуре, так как зависимость ее сопротивления от
напряженности магнитного поля меняется с температурой. При
18° зависимость относительного сопротивления R висмутовой спи-
спирали имеет следующий вид (см. табл. 3).
я,
а/м
гн
и
0
1
1
,6
1
¦ 105
.046
3,2
1,
• 105
14
8 ¦
1
105
,48
1
16 •
2,
аб л
105
09
ица
32 •
3,
3
ю5
37
Здесь л0 — сопротивление спирали без магнитного поля, гн —
сопротивление в магнитном поле {2, 79, 80].
Для измерения магнитных полей порядка 800 а/м и ниже мож-
можно применить метод электронного парамагнитного резонанса [48,
81], где в качестве образца применяется дифенилпикрилгидразил.
Этим методом измеряются также и более сильные магнитные
поля [82].
Магнитные поля порядка 106—107 а/м можно измерять с по-
помощью магнитооптического эффекта Фарадея. В работе [83] для
определения напряженности магнитного поля измерялось враще-
вращение плоскости поляризации в прозрачных железных пленках тол-
толщиной ~500А. Чтобы измерить напряженность импульсных маг-
магнитных полей с помощью этого эффекта, применяются фотоумно-
фотоумножитель и электронный осциллограф [84].
Для измерения напряженности магнитного поля можно исполь-
использовать также индукционный метод, который описан в работах [36,
42, 85].
Чувствительный магнитометр для измерения напряженности
магнитного поля порядка 1,6-10~3 а/м, основанный на явлении
э. д. с. поперечной индукции, описан в работе [86].
Основной частью прибора является небольшой соленоид, ко-
который питается постоянным током. Внутри соленоида вдоль оси
расположена тонкая проволока из ферромагнитного материала,
обладающего высокой проницаемостью. Через эту проволоку про-
пропускают переменный ток частотой 5-Ю3 гц, который создает на
поверхности проволоки циркулярное магнитное поле. Это поле
складывают с постоянным полем, при этом результирующее поле
будет переменным. Так как вектор индукции в проволоке нелиней-
нелинейно зависит от поля, то появляется продольная компонента индук-
индукции, колеблющаяся с удвоенной частотой тока. В результате этого
€6
в соленоиде возникает переменная э. д. с, которая и является ме-
мерой измерения напряженности магнитного поля.
Для изучения неоднородных магнитных полей можно приме-
применять некоторые из методов, которые были изложены в настоящей
главе. В работе [87] описана установка, в которой измерительная
катушка колеблется в магнитном поле с постоянной частотой и
амплитудой. В этой катушке возникает переменная э. д. с, по зна-
значению которой определяется величина градиента магнитного поля.
Качер и Малек [59] применили вращающийся зонд для измерения
неоднородности поля. Их зонд состоял из двух одинаковых кату-
катушек, которые располагались симметрично относительно оси враще-
вращения. Возникающая в катушках переменная э. д. с. усиливалась и
измерялась при помощи фазового детектора.
Для измерения напряженности магнитного поля используют так-
также магнитодиэлектрические датчики, принцип действия которых
основан на зависимости магнитной проницаемости магнитодиэлек-
трика от напряженности магнитного поля.
Приборы, использующие такие датчики, позволяют измерять
напряженность поля от 8-Ю3 а/м до 6-Ю5 а/м. Обычно они име-
имеют два датчика, отличающиеся материалом сердечника катушки.
Так, в измерители магнитного поля [105] сердечник одного датчи-
датчика изготовляется из оксифера, а другого — из карбонильного
железа. Диаметр и толщина сердечника равны 3 мм, а централь-
центральное отверстие—1,5 мм. На сердечники наматываются катушки то-
тороидальной формы, которые соединяют с измерительным генера-
генератором.
Подробное описание установок для прецизионных измерений
магнитных полей можно найти в работах $7 10 11 12 14 17 21
26-28, 34, 43, 44, 46, 50, 87-92, 99; 102]. ' ' ' '
ЛИТЕРАТУРА
I. Агеев М. Д. Автоматика и телемеханика, 17, № 8, 746, 1956.
9 м nVoQR68 В" К' ЭлектР°магнитные процессы в металлах, ч. 1, 1934;
ч. a. jvi. Л.у 1Уоо.
19593' БрЮХаТ°В Н" Л"' Кожевников Г. Завод, лаб., 25, №11,1319,
4. Василевская Д. П., Денисов Ю. Н. ПТЭ, № 3, 144, 1959
5. В о е й к о в Д. Д. ПТЭ, № 4, 100, 1959.
6 ^\ГХ^
1947
е%\\%7р%НП^№ГзЗ1959
8. Го ль дин О. Е. Автоматика и телемеханика, 11 № 5 337 1950
рабовскииМ-А-'СкоР°богатов-В. И. Завод, лаб., № 'б, 702,
10. Г р е к о в Н. Н. Р я б о в А. П., Г о л ь д и н Л. Л. ПТЭ, № 2, 29 1956
!?аИЛ°В Денисов Ю. Н., Дмитриевский В. П. ПТЭ,
12. Денисов Ю. Н. ПТЭ, № 1, 82 1960
13. Денисов Ю. Н. ПТЭ, № 5, 67, 1958
ССС4рЛ°2Л1.Г2И93,О1959С"Ш"'ЖУЗГОВ Я "' ТР- Ин"та Физики баллов АН
3*
67
15. Дрожжина В. И., Фридман Л. А. Изв. АН СССР, сер. физ„ 21,
q tQon IQ57
16 Е в па т ь е в с к а я О. Д., Р е г е л ь А. Р. ЖТФ, 26, № 11 2432 1956
17. Жерновой А. И., Латышев Г. Д, С е р г е е в А. Г. ПТЭ, X» 2,
' 18. Жерновой А. И., Егоров Ю. С, Л атышев Г. Д. ПТЭ, № 5, 71,
19. Ж е р и о в о й А. И., Егоров Ю. С, Латышев Г. Д. ПТЭ, № 5,
20. Зацепин Н. Н. Тр. Ин-та физики металлов АН СССР, № 21, 335,
1959
21 Зацепин Н. Н. ЖТФ, 27, № 2, 368, 1957.
22 Зотова Н В. Наследов Д. Н. ЖТФ, 1, № 11. 1690, 1959.
23' Калашников А. Г. ЖТФ, 13, № 7—8, 407, 1943.
24 К а н н у и и к о в В. Н, Шорин К. Н. ПТЭ, № 3, 22, 1956.
25 Кифер И. Н., Пантюши н В. С. Испытание ферромагнитных мате-
материалов. М.—Л., ГЭИ, 1956.
26 Комар А. П., Я ш у к о в В. П. ПТЭ, № 6, 75, 1957.
27. К о н д р а ш е в Л. Ф., П а н а с ю к В. С. ПТЭ, № 6, 79, 1957.
28 Корсунский М. И., Фогель Я. М., Быкова Г. А., Лиф-
шиц Л. И, Лозовский Н. С. и Човник А. А. ЖТФ, 26, №6, 1222, 1956.
29 Кубарев А В. Измерительная техника, № 1, 37, 1959.
30. Кубарев А. В. ПТЭ, № 3, 57, 1957.
31. Курки н Ю. Л., Курки на Н. С, Мацонашвили Р. Д. ПТЭ,
32 Курочкин С С, Зельдович М. П. ПТЭ, № 1, 50, 1958.
33 Курочкин С. С. ПТЭ, № 1, 53, 1958.
34' Леонтьев Н. И., Курильников СВ. ПТЭ, № 5, 135, 1960.
35.' Леонтьев Н. И. ЖЭТФ, 28, вып. 1, 77, 1955; ПТЭ, № 1, 78, 1960.
36. М а з у р о в М. Е. Измерительная техника, № 3, 42, 1962.
37 Мельников А В, Морозов А. А., Ротштейн А. Я., Скри-
Скрипов Ф И., С м и р н о в СВ. ЖТФ, 28, № 4, 910, 1958.
38 П е р е г у д Б. П. ПТЭ, № 3, 64, 1957.
39. Р е г е л ь А. Р., Ж У з е В. П. Техническое применение эффекта Холла,
вып. II. Ин-т полупроводников АН СССР. Л., 1957.
40. Р е г е л ь А. Р. Полупроводниковые измерители напряженности магнит-
магнитного поля, вып. 5. Ин-т полупроводников АН СССР. Л., 1956.
41. Ру б чин с к и й С. М., Зельдович М. П., К у р о ч к и н С. С. Ра-
Радиотехника и электроника, 1, № 7, 1001, 1956.
42 Румянцев А. С. Тр. ВНИИМ, вып. 29(89), 1956. стр. 23.
43' Скроцкий Г. В., Изюмова Т. Г. УФН, LXXIII, 3, 1961.
44 С у с А. Н., Б о г д а н о в Н. Н. ПТЭ, № 5, 117, 1959.
45. Таранов С. Г., Февралева Н. Е. Измерительная техника, № 2,
33 1960
' 46. Ульянов Г. К., Виноградов К. Н. ПТЭ, № 5, 102, 1958. .
47 Фремке А. В. Электрические измерения. М.—Л., ГЭИ, 1954.
48. Чирков А. К. ПТЭ, № 2, 36, 1959.
49. Ш о р и н К. Н„ М е т а л ь н и к о в Ю. Н., Б о з и н Г. М., Ере-
Еремин Л. В. ПТЭ, № 4, 25, 1958.
50. Ш п и г е л ь И. С, Р а й з е р М. Д., М я э Э. А. Радиотехника и элек-
электроника, 1, № 12, 1515, 1956.
51. Э н д р ю Э. Ядерный магнитный резонанс. М., ИЛ, 1957.
52. Я н у с Р. И., Ф р и д м а н Л. А., Д р о ж ж и н а В. И. Тр. Ин-та физи-
физики металлов АН СССР, № 21, 313, 1959. ~
53. Янус Р. И., Фридман Л. А., Дрожжина В. И. ФММ, 1, № 1,
118, 1955,
54. Я го л а Г. К-, Л и з о г у б М. С, Зингерман В. И., Богаты-
Богатыре в Е. Е. Измерительная техника, № 6, 9, 1955.
55. Яго л а Г. К. Сб. тр. ВНИИМ, № 1 D3). Л., 1940.
56. Kuhn M. Automatisirung, 3, Nr. 9, 399, 1960.
68
57. F о г s t е г F. Zs. Metallkunde, 46, Nr. 5, 358, 1955.
58. Brandstaetter F. Elecktrotechnik und Maschinenbau, 70, Nr. 2, 1484,
1953.
59. Качер И., М а л е к 3. Чехосл. физ. журн., 4, № 7, 481, 1957.
60. Качер И., Гем перле Р. Чехосл. физ. журн., 6, № 2, 173, 1956.
61. Hopkins N. J. Rev. Sci. Instr., 20, No. 6, 401, 1949.
62. Pound R. V., Knight W. D. Rev. Sci. Instr., 21, No. 3, 219, 1950.
63. La n gen L. M., S с о 11 F. R. Rev. Sci. Instr., 21, No. 6, 522, 1950.
64. Vincent С H., King W. G., Rowles J. R. Nucl. Instr and Me-
Methods, 5, No. 4, 254, 1959.
65. В ё п ё G. J., Denis P. M., E x t e r m a n R. С Helv. phys. asta 26,
No. 3—4, 267, 1953.
66. Bloom A. L., P а с k a r d M. E. Sciena, 122, 738 1955.
67. W a t e r s G. S., F г а п с i s P. D. J. Sci. Instr., 35, No. 3, 88, 1958.
68. D a 11 a-R о у S. К. Indian J. Phys., 28, No 4, 183, 1954
69. Yousef Y. L., Mikhail H. J. Sci. Instr., 35 No. 10, 375, 1958
70. Jacob U. Arch. tech. Messen, No. 230 55 1955.
71. W e 11 s M. S., J. Sci. Instr., 29, 374, 1952.
72. V e г s о i s P. La nature, 3247, 434, 1955.
73. Epsten M., Sachs H. M., G r e n s t e i n L. J. Proc. IRE, 47 Nr. 11,
2014, 1959.
74. Narita R., Sasaku T. Bull Electrotechn. Lab., 23, Nr. 11, 491, 1959.
75. A n d r e s с i a n i V. Ricerca Sci., 26, No. 1, 25, 1956.
76. Pearson G. L. Rev. Sci. Instr., 19, No. 4, 263, 1948.
77. S a k e г E. W., Cunnell F. A., E d m о п d J. Brit. J. Appl. Phys 6,
No. 6, 217, 1955.
78. С о 1 о m b a m A., Lenney J., L e с о r d i e г J. С. г. Acad. sci., 253,
n° 2, 237, 1961.
79. К a u f m a n A. B. Instruments, 26 Nr. 9 1360, 1414, 1953
80. Dols C, Skiff E., Watson P. Rev. Sci. Instr., 29, No. 5, 349. 1958.
81. Cabill ard R, Germain С L'Onde elect, 35, 338 495, 1955
82. Ф рейт З. Чехосл. физ. журн., 7, №2, 218, 1957.
83. Hock F. Zs. angew. Phys., 6, Nr. 4, 151, 1954.
84. Maleski J., Surma M. Gibalewicz J. Acta phys. polon. 16
No. 1, 151, 1957.
85. Nachman M., Georgesau A. Studii si cercetari fiz., 6, Nr. 2, 293.
77, 545, 1953.
Sci. and Culture, 21,
1955.
86. Palmer Т. М. Proc. Instr. Electr. Engrs., 100, No.
87. К а г m о h a p a r t о S. В., M a i j u m d e r S. K-
No. 10, 621, 1956.
88. Herzog R., Tischler O. Rev. Sci. Instr., 24, No. 10, 1000, 1953
89. В а с k s t г о m G. Nucl. Instr., 1, No. 5, 253, 1957.
90. T h о b u r n W. C. Rev. Sci. Instr., 29, No. 11, 990, 1958.
91. R a d u s R. J. Appl. Phys., 31, 5, Suppl., 186, 1960.
92. Bender P. L. Ard. sci., 13, Fasc. spec., 621, 1960.
93. С к р о ц к и й Г. В., Изюмова Т. Г. Тр. Уральск политехи ин-та,
сб. 111,85, 1961.
94; Z i n g е г у W. L. Rev. Sci. Instr., 32, No. 6, 706, 1961.
95. Brandstaetter F. Acta phys. Austriaca, 15, No 1 8, 1962
96. Болотин И. Б. ПТЭ, № 2, 147, 1962.
97. W i e d e r H. H. J. Appl. Phys., 33, 3, Suppl., 1278, 1962.
98. R о s h о п D. D. Rev. Sci. Instr., 33, No. 2, 201, 1962.
99. Л а н г е Ф. К- Измерительная техника, № 2, 25, 1962.
100. Geyger W. A. J. Appl. Phys., 33, 3, Suppl. 1280 1962
101. V i e h m a n n W.Rev. Sci. Instr., 33, No. 5, 537, 1962.
102. Бескровный И. М., Забашта П. Т. Изв. АН СССР, сер физ.
26, № 8, 1092, 1962.
103. Я го л а Г. К., Бог атыр ев Е. Е. Измерительная техника, № 9, 41,
1962.
104. Е v о у М. С. Rev. Sci. Instr., 34, No. 8, 914, 1963.
105. Леонтьев Н. И., Курильников СВ. ПТЭ, № 5, 135, 1960.
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
БАЛЛИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
ИССЛЕДОВАНИЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ
ВЕЩЕСТВ
Одним из наиболее распространенных методов определения
магнитных характеристик ферромагнитных материалов является
баллистический метод исследования. Этот метод впервые был при-
применен Столетовым [15] в 70-х годах прошлого столетия для изуче-
изучения намагничивания мягкого железа. Баллистический метод осно-
основан на измерении количества электричества, которое возникает в
обмотке, охватывающей образец, в результате быстрого измене-
изменения потока магнитной индукции через сечение этой обмотки.
В опытах Столетова образец имел форму тороида, на который
наматывали в два слоя тонкую медную проволоку. Через первич-
первичную обмотку, имеющую около тысячи витков, пропускали намаг-
намагничивающий ток. Вторичная обмотка с меньшим числом витков
соединялась с баллистическим гальванометром, который измерял
количество электричества, прошедшего через эту обмотку. Для
того чтобы избежать влияния остаточного намагничивания на ре-
результаты исследования, Столетов коммутировал ток в первичной
обмотке. В результате проведенной работы Столетовым впервые
была определена кривая намагничивания железа и установлена
зависимость магнитной восприимчивости от величины намагничи-
намагничивающего поля. С тех пор баллистический метод исследования фер-
ферромагнитных веществ применяют почти во всех магнитных лабо-
лабораториях мира.
§ 1. ТЕОРИЯ БАЛЛИСТИЧЕСКОГО
ГАЛЬВАНОМЕТРА
Основной частью баллистического гальванометра магнитоэлек-
магнитоэлектрической системы является подвижная рамка, на которой намо-
намотано несколько слоев тонкой медной проволоки. Рамку подвеши-
подвешивают на упругой нити из фосфористой бронзы, и она может сво-
свободно вращаться между полюсами сильного постоянного магнита
70
[1, 2, 14, 16, 17, 19]. Для получения радиального магнитного поля
внутри рамки помещается цилиндр из магнитомягкого материала,
вокруг которого вращается эта рамка под действием тока, прохо-
проходящего через ее обмотку. Уравнение движения рамки имеет вид
dt*
D.1)
где / — момент инерции подвижной рамки, SAf —сумма моментов
всех сил, а — угол отклонения рамки,
Ш = М1 + М2 + М3.
D.2)
В выражении D.2) Mi — вращающийся момент, который воз-
возникает в результате взаимодействия магнитных полей, М% — мо-
момент, появляющийся при закручивании подвеса, М3 — момент,
вызванный электромагнитным и воздушным торможением. Mi, M2,
М3 соответственно определяются соотношениями:
M2 = — ka,
М,--,
da
dt
D.3)
D.4)
D.5)
где Ф — полный магнитный поток, пронизывающий площадь вит-
витков рамки, i — сила тока в обмотке рамки, k — удельный момент
закручивания нити подвеса, р — коэффициент, характеризующий
затухание системы.
Подставляя Mi, M2 и М3 из D.3), D.4) и D.5) в уравнение
D.1), получим
d2a
da
D.6)
Уравнение D.6) называется дифференциальным урав-
уравнением движения подвижной системы баллистического гальва-
гальванометра. При решении этого уравнения обычно учитывают, что
баллистический гальванометр используется для измерения быстро
протекающих небольших количеств электричества, причем изме-
измеряется максимальное отклонение рамки гальванометра от своего
первоначального положения (баллистический отброс). Подвижная
система баллистического гальванометра обладает большим момен-
моментом инерции [4, 14, 18]. Это обеспечивает пропорциональность
между баллистическим отбросом и количеством электричества, ко-
которое протекает через рамку гальванометра. Исходя из условий
баллистического режима гальванометра, дифференциальное урав-
уравнение D.6) следует р'ешить отдельно для двух промежутков вре-
времени, в первоначальный промежуток времени t от начала импуль-
71
са тока до начала движения рамки ояОи t=^=0. Уравнение D.6)
принимает вид
r d2a , da ,»..
dfl ' dt
Проинтегрировав это уравнение от 0 до tu получим
t,
/ —— + pa = Ф
dt
i
Так как а^Ои fidt=Q, то имеем
D.7)
D.8)
da
dt
Ф
D.9)
Таким образом, начальная скорость движения рамки пропор-
пропорциональна количеству электричества, протекающего через рамку.
Во второй промежуток времени величиной тока в обмотке рамки
гальванометра можно пренебречь (t = 0). Полагая в D.6) t = 0,
получим однородное уравнение
fea = 0. D.10)
dt
Характеристическое уравнение однородного дифференциально-
дифференциального уравнения D.10) таково
— р
21
АР
D.11)
В зависимости от соотношения между величинами /, k и р воз-
возможны три случая движения рамки гальванометра.
\ При — = — имеет место апериодическое движение рам-
рамки. В этом случае гальванометр работает в критическом режиме
успокоения. Тогда решение уравнения D.10) записывается в виде
a = e-«"(Ci + C20. D-12)
где а= _?__ с, и С2 — постоянные интегрирования, которые опре-
определяются из начальных условий D.9).
При ? = 0 и а = 0 с помощью этих условий из D.12) получим
Ф
, = 0 и С2 = -f- Q.
D.13)
Подставляя эти значения С[ и Сг в соотношение D.12), нахо-
находим
a = e-at— Qt.
D.14)
Для определения максимального отклонения нужно первую
производную по времени уравнения D.14) приравнять к нулю, и
тогда окончательно имеем
am = SbQ. D.15)
называется баллистической чув-
с _ 2Ф
Величина ьь —
ер
ствительностыо гальванометра. Обычно принято характери-
характеризовать гальванометры баллистической постоянной
D.16)
° sb
Эта постоянная определяется количеством электричества, кото-
которое необходимо для отклонения рамки гальванометра на одно
деление шкалы.
2. Второй случай при -*— >— соответствует также аперио-
апериодическому движению рамки. Практически этот случай обычно не
используют ввиду того, что время отброса больше, чем в первом
случае.
3. Третий случай при -—¦ <С — соответствует колебательному
режиму работы гальванометра. В этом случае рамка гальваномет-
гальванометра совершает колебательное движение около положения равнове-
равновесия, причем это движение со временем постепенно затухает. Зату-
Затухание определяется сопротивлением воздуха и тормозящим дейст-
действием токов, которые появляются в обмотке рамки при ее движении
в магнитном поле.
Не останавливаясь на решении дифференциального уравнения
D.10) для последних двух случаев, отметим, что и для них мак-
максимальный баллистический отброс рамки гальванометра также
пропорционален количеству электричества, т. е. справедливо соот-
соотношение, D.15).
Чтобы выбрать лучший режим работы гальванометра, необхо-
необходимо учитывать не только баллистическую чувствительность галь-
гальванометра, но также и время, в течение которого происходит от-
отсчет отклонения. Оказывается, что наиболее выгодным условием
работы гальванометра является критический режим. При этом ре-
режиме работы баллистическая чувствительность в процентах от
максимальной чувствительности равна 36,8, а время баллистиче-
баллистического отброса и время возвращения рамки гальванометра в перво-
первоначальное положение соответственно оцениваются как 0,166 То и
72
73
1,48 То. Таким образом, при выборе баллистического гальваномет-
гальванометра для прецизионных измерений следует исходить не только из
баллистической чувствительности, но также из периода свободных
колебаний То его рамки, который равен
^0 =
D.17)
Исследование магнитных свойств можно проводить также при
периодическом режиме работы гальванометра. При этом режиме
чувствительность гальванометра будет максимальной, время бал-
баллистического отклонения составит одну четвертую часть периода
свободных колебаний, а время возвращения рамки в нулевое по-
положение — бесконечно большое. Чтобы уменьшить это время, при-
применяют искусственное торможение рамки путем закорачивания
цепи ее обмотки.
Следовательно, идя по линии увеличения чувствительности
гальванометра, мы несколько усложняем условия проведения опы-
опыта. В большинстве случаев стараются работать в условиях, когда
режим работы гальванометра близок к критическому. В настоя-
настоящее время наша промышленность выпускает различные типы бал-
баллистических гальванометров (таблица IX приложения) [4, 11].
После того как выбран тип баллистического гальванометра не-
необходимо рассчитать двойную толщину эквивалентной глубины
проникновения магнитного потока в ферромагнетик по формуле
D.18)
где ц — магнитная проницаемость материала, а — удельная элек-
электропроводность, С — постоянная, связанная с выбором системы
единиц, и t — время промагничивания материала или время изме-
изменения магнитного потока. При работе гальванометра в периодиче-
периодическом режиме это время не превышает 0,4—0,7 сек.
§ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНОЙ КРИВОЙ
ИНДУКЦИИ И ПЕТЛИ ГИСТЕРЕЗИСА
На рис. 34, а показана принципиальная схема баллистической
установки для определения основной кривой индукции и петли
гистерезиса ферромагнитных материалов [1, 14, 16].
На схеме видно, что с баллистическим гальванометром после-
последовательно соединены измерительная катушка W2, вторичная об-
обмотка эталонной катушки L2 и магазин сопротивления г. При из-
изменении магнитного потока через площадь сечения измерительной
74
катушки в цепи баллистического гальванометра возникает э. д. с,
которая согласно закону электромагнитной индукции будет равна
t = — w .
it
D.19)
Эта э. д. с. будет компенсироваться падением напряжения в цепи
измерительной катушки и рамки гальванометра, т. е.
-w— =
D.20)
! лчдл
W,
Г *•¦ г v »< П
-н
макс
-я
макс
у
Вг
f
1 о
""с
/
й
ft
/1
«г
У
(
-
в
п
ш
/
1
+ й
Н
"макс
Рис. 34, а — Принципиальная схема балли-
баллистической установки для определения кри-
кривой индукции и петли гистерезиса.
б — Кривая иидукцни н петля гистерезиса:
Wt — намагничивающая обмотка образца,
V?2 — измерительная обмотка образца, Г —
баллистический гальванометр, А1 и Аг —
амперметры, г — магазин сопротивления, R\
н Ri—реостаты, L\ и L2 — первичная и
вторичная обмотки эталонной катушки, К —
переключатель для изменения направления
тока в цепи намагничивающей обмотки об-
образца, Ки /Сг, /Сз и К4 — ключи
где R — общее сопротивление цепи
гальванометра. Проинтегрировав
уравнение D.20) за время, в тече-
течение которого изменяется магнитный
поток, мы получим
шАФ = RQ,
D.21)
где Q — количество электричества, протекшее через рамку гальва-
гальванометра, АФ — изменение магнитного потока.
Из теории баллистического гальванометра следует, что величи-
75
на максимального отклонения пропорциональна количеству элек-
электричества, которое протекает через обмотку гальванометра, т. е.
D.22)
Q = aCb.
Так как поток индукции изменяется на величину
где AS есть изменение магнитной индукции через сечение образ-
образца, то формула для расчета магнитной индукции ферромагнитного
материала принимает вид
I. D.23)
Если в частном случае магнитная индукция изменяется от +В
до —В, т. е. АВ = 2В, тогда из D.23) получаем следующую фор-
формулу
2wS
Следовательно, для определения изменения магнитной индук-
индукции в образце или абсолютного значения индукции необходимо
знать баллистическую постоянную гальванометра Сь, число вит-
витков w измерительной обмотки образца, сечение образца S, сопро-
сопротивление R цепи гальванометра и отклонение а рамки гальвано-
гальванометра. При баллистических измерениях вначале с помощью эталон-
лонной катушки находят баллистическую постоянную установки,
которая обозначается через C^, = CbR и определяется по методу,
описанному в главе III. С$ рассчитывают по формуле C.7). Если
вместо эталонной катушки используют катушку взаимной индук-
индуктивности, тогда C^ определяется по соотношению
Mi вб
D.25)
где а' — угол отклонения рамки гальванометра, М — взаимная ин-
индуктивность катушки. Обычно для этой цели применяют катушки
сЛ4 = 0,01 гн.
Окончательная формула для расчета магнитной индукции яме-
ет вид
2wS
тл.
D.26)
Зная значение магнитной индукции в образце, можно по фор-
формулам A.1) и A.2) найти намагниченность данного материала.
Полученные формулы справедливы в том случае, если измеритель-
измерительная обмотка плотно примыкает к поверхности исследуемого образ-
образца. При наличии воздушного зазора между образцом и измери-
измерительной обмоткой следует учитывать изменение потока магнитной
индукции в этом зазоре. При изменении внешнего магнитного поля
76
от Hi до #2 полное изменение магнитного потока через площадь
сечения измерительной обмотки будет равно
<Н*изА„р = dfloepSoep + Но (Нг ~ На) (Sk - So6p), D.27)
где сШобр — изменение магнитной индукции в образце, So6p и Sh —
сечение образца и измерительной обмотки.
Из формулы D.27) получаем, что
- ^0 (н,- н2)
D.28)
Если магнитное поле изменяется от +Я до —Н, то магнитная
индукция в образце рассчитывается по соотношению
D.29)
Эта формула применяется при определении основной кривой
индукции. Для определения кривой гистерезиса формула имеет
несколько иной вид, а именно,
D.30)
где Визм вычислена по отклонению.
При определении магнитных характеристик вещества баллисти-
баллистическим методом применяют образцы замкнутой формы, в виде то-
роидов, а также образцы незамкнутой формы (цилиндрические
стержни, полосы и т. д.). При исследовании тороидальных образ-
образцов баллистическую обмотку наматывают непосредственно на по-
поверхность образца, на которую равномерно наносится по всей дли-
чне тороида намагничивающая обмотка. При этом нужно помнить,
что измерительная обмотка должна быть хорошо изолирована от
образца и намагничивающей обмотки. Если ширина тороида мала
по сравнению с его диаметром, то намагничивающее поле считает-
считается однородным по всей площади сечения образца. В этом случае
напряженность истинного магнитного поля рассчитывают по фор-
формуле B.1).
При значительной ширине тороида для расчета напряженности
магнитного поля рекомендуется пользоваться формулами B.1) и
B.3).
При наличии зазора между поверхностью образца и баллисти-
баллистической обмоткой расчет магнитной индукции выполняют по фор-
формуле D.29). Применение образцов тороидальной формы значи-
значительно повышает точность измерения, так как при этом не тре-
требуется вводить поправку на размагничивающее действие концов и
образец намагничивается почти однородно по всему объему.
В случае испытания образцов конечной длины в незамкнутой
магнитной цепи их намагничивание осуществляется с помощью
различных систем электромагнитов и соленоидов, описанных в
77
гл. II. Чтобы уменьшить значение размагничивающего фактора,
опытные образцы берут больших линейных размеров. При этом
следует учитывать, что магнитное поле, создаваемое соленоидом,
должно быть однородным в рабочем объеме. Измерительную об-
обмотку наматывают также на поверхность образца и включают в
цепь баллистического гальванометра. Здесь мы не рассматриваем
испытания баллистическим методом образцов в виде прямых
стержней в ярме, так как на этом подробно остановимся несколь-
несколько позже.
Измерения основной кривой индукции и кривой намагничива-
намагничивания, а также определение петли гистерезиса можно проводить
двумя методами. Один из них, нулевой метод, состоит в том, что
напряженность внешнего магнитного поля скачкообразно увели-
увеличивается от нуля до максимального значения. При каждом изме-
изменении поля измеряют отклонение рамки гальванометра, которое
пропорционально приращению индукции В. При измерении намаг-
намагниченности таким способом возникают значительные ошибки, так
как время установления магнитного состояния будет тем больше,
чем меньше приращение индукции. Кроме того, ошибка измерений
В растет с увеличением значения индукции, которая определяется
из суммы ее приращений. Отсюда следует, что и ошибки в изме-
измерении суммируются.
Наибольшее распространение получил метод коммутирования,
который позволяет определять основную кривую магнитной индук-
индукции и петлю гистерезиса.
Сущность этого метода заключается в том, что после размаг-
размагничивания образца устанавливают определенное значение напря-
напряженности магнитного поля Я. Затем изменяют направление поля
на обратное и замечают отклонение рамки гальванометра, которое
будет соответствовать изменению индукции от +Вг до —Ви в по-
поле Яь После этого увеличивают значение напряженности поля и
производят ту же самую операцию. Таким образом измеряют зна-
значения для всех точек основной кривой индукции.
Остановимся более подробно на процессе измерения по схеме
рис. 34, а. Клеммы А—А присоединяют к источнику постоянного
тока. Ключ К ставят в положение 2 или 4 и реостатами R\ и R2
устанавливают ту силу тока в намагничивающей обмотке тороида
или соленоида, которая соответствует минимальному значению на-
напряженности поля Hi (рис. 34,6). При этом значении поля опреде-
определяется первая точка кривой индукции. Следует помнить, что зна-
значение напряженности поля должно быть всегда больше того зна-
значения, при котором было закончено размагничивание образца.
Установив величину тока iu несколько раз переключают ключ К
из положения 2 в 4 и обратно, а затем оставляют его в положе-
положении 4. Этим осуществляется стабилизация магнитного состояния
образца. (В течение этих измерений ключ /Ci должен находиться
в положении а.) Затем замыкают вторичную цепь ключом К*. Для
получения отклонения <ц гальванометра Г, которое должно соот-
78
ветствовать магнитной индукции Вх в поле Яь ключ К перебра-
перебрасывают в положение 2, при этом ток в намагничивающей цепи
меняет направление. Изменение магнитной индукции будет проис-
происходить от +В1 до —Ви т. е. АВ = 2В. Расчет магнитной индукции
В{ при напряженности поля Н\ производится по формуле D.24).
Таким образом определяются последующие точки кривой индук-
индукции.
При измерении кривой гистерезиса используют также клеммы
/ и 5 ключа К. Значение магнитной индукции в этом случае опре-
определяется каждый раз из вершины петли гистерезиса, соответству-
соответствующей Вмакс. Ключ К ставят в положение / и реостатами #2 уста-
устанавливают в намагничивающей цепи максимальную силу тока,
соответствующую напряженности магнитного поля ЯмаКс- Величи-
Величина ?Макс определяется методом коммутирования, для чего ключ К
переключают из положения 1 в 5. Для получения точек кривой ги-
гистерезиса на участке АВТ ключ К ставят в положение 2 и реоста-
реостатами R\ устанавливают силу тока iu соответствующую величине
Hi, которая будет несколько меньше значения Ямакс- Затем пере-
переводят опять ключ К в положение / и проводят магнитную подго-
подготовку. Отклонение а гальванометра измеряется при перебрасыва-
перебрасывании ключа К из положения 1 в 2. Как видно из схемы, в этом слу-
случае ток в намагничивающей катушке не меняет своего направле-
направления, а только изменяется его значение от 1Макс до t'i. Следователь-
Следовательно, изменение магнитной индукции произойдет от Ямакс до В{, т. е.
АВ = Бмакс—В\. Величина АВ в этом случае будет пропорциональ-
пропорциональна отклонению а. Используя формулу D.23), можно рассчитать
значение АВ\. Тогда магнитная индукция В\ при напряженности
магнитного поля Н\ легко определяется, так как максимальное
значение Вшакс уже известно из измерений основной кривой индук-
индукции. Таким же способом определяется и следующая точка на петле
гистерезиса, которая будет соответствовать напряженности намаг-
намагничивающего поля H2<Hi. При измерении точки петли гистере-
гистерезиса, соответствующей остаточной индукции Вт образца, ключ К
переключают из положения 1 в 3. Это изменяет напряженность
магнитного поля от максимального значения до нуля. Измерение
на участке петли гистерезиса от Вг до Л[ делают аналогичным
способом, как на участке АВТ. При этом ключ К перебрасывают
из положения / в положение 4, что меняет величину и направле-
направление тока в намагничивающей цепи. Так определяют точки кривой
гистерезиса до А\.
Измерение точек на восходящей части кривой гистерезиса от
А [ до А не отличается от описанных выше измерений. В этом слу-
случае исходным положением ключа К является клемма 5 [6, 20].
Как мы уже отмечали выше, для вычисления магнитной индук-
индукции используют формулу D.24), в которую входит баллистическая
постоянная гальванометра. Определение этой величины обычно
осуществляется с помощью эталонной катушки или катушки взаим-
взаимной индуктивности. Однако на практике определяют не Сь, а Су —
79
баллистическая постоянная установки. В этом случае не требуется
знать общего сопротивления R баллистической цепи. При этом
следует помнить, что сопротивление R должно в процессе измере-
измерения оставаться постоянным. Измерение баллистической постоянной
осуществляется на установке, изображенной на рис. 34, а. Разом-
Разомкнув баллистическую цепь ключом Л*4 и поставив ключ К\ в поло-
положение b реостатами Ri и R2, устанавливают в эталонной катушке
ток величиной 0,5—2 а. При этих измерениях ключ К находится
в положении 2. После этого замыкают ключ К и производят ком-
коммутирование тока ключом К, перебрасывая его из положения 2
в 4. Измеренная величина баллистического отклонения а гальва-
гальванометра Г используется для определения баллистической постоян-
постоянной по формуле C.7). Если в процессе измерения приходится ме-
менять сопротивление баллистической цепи, тогда нужно для
каждого случая отдельно определять баллистическую постоянную
установки.
Выше мы отмечали, что при определении магнитной индукции
необходимо учитывать зазор между поверхностью образца и бал-
баллистической обмоткой и вносить соответствующие поправки. Прак-
Практически удобнее делать некоторые изменения в цепи баллистиче-
баллистического гальванометра. Для этой цели последовательно с измери-
измерительной обмоткой включают точно такую же компенсирующую об-
обмотку, и располагают их так, что без образца в них отсутствует
э. д. с. индукции. Если поместить образец в одну из измерительных
обмоток, то при изменении внешнего намагничивающего поля в си-
системе дифференциальных обмоток возникнет э. д. с, которая будет
пропорциональна только намагниченности образца. Э. д. с, обуслов-
обусловленная изменением внешнего намагничивающего поля, будет от-
отсутствовать. В этом случае на основании формулы D.26) и при-
принимая во внимание, что Б = ц0/, намагниченность вещества
определится из соотношения
а 1м.
„ D-31)
-41ой1)изм.к'-)обр
Иногда для удобства измерения и для повышения точности из-
измерения используют систему двух последовательно соединенных
измерительных обмоток. Их наматывают на образец из одинако-
одинакового провода, и они отличаются одна от другой числом витков.
При этом намотка осуществляется таким образом, что токи в них
имеют противоположные направления. Формула для вычисления
намагниченности в этом случае имеет вид
/ = ¦
а/м,
D.32)
2^oso6p (Щ —
где 50бр — сечение образца (м), w{ — число витков первичной об-
обмотки, w2 — число витков вторичной обмотки.
Из формулы D.32) видно, что чувствительность системы будет
80
тем выше, чем больше разность w\—w2. Так, например, если при-
применить обмотки, у которых w\—о>2~104, то можно измерять малые
изменения намагниченности в области парапроцесса. Белов и Го-
ряга [3] применили этот способ для измерения намагниченности
и дифференциальной восприимчивости вблизи точки Кюри. В их
установке компенсационная измерительная катушка состояла из
двух секций, направление тока в обмотках которых было противо-
противоположное. В этих секциях без образца через поперечное сечение
каждой из них проходил одинаковый магнитный поток. В данной
установке W\—аJ = 3-103. Удельная намагниченность рассчитыва-
рассчитывалась по формуле
а = ^ f D.33)
4яA — NJmw
где С$ — баллистическая постоянная установки, / — длина образ-
образца, т — масса образца, а — отброс гальванометра, N — размагни-
размагничивающий фактор образца, w — разность числа витков между
секциями.
Для измерения восприимчивости парапроцесса на каркас соле-
соленоида наматывалась дополнительная обмотка, которая создавала
подмагничивающее поле. Этот метод был применен также Барнет-
том [21]. В его схеме измерительная катушка соединялась после-
последовательно с другой такой же катушкой, направления токов
в этих обмотках были противоположные. Находились они на неко-
некотором расстоянии одна от другой. Всю эту систему помещали в
намагничивающий соленоид. Измерение производилось двумя
способами. Один из них состоял в том, что исследуемый об-
образец располагали в измерительной катушке, а затем быстро пере-
перемещали во вторую катушку. При другом способе измерения меня-
менялось направление тока в намагничивающей цепи.
§ 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БАЛЛИСТИЧЕСКОГО
МЕТОДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
РАЗМАГНИЧИВАЮЩЕГО ФАКТОРА
Если исследование ферромагнитных материалов проводить в
незамкнутой цепи, то для расчета магнитных характеристик необ-
необходимо знать размагничивающий фактор образца. Баллистический
размагничивающий фактор можно определить экспериментально.
Для этого находят безгистерезисную кривую индукции. Принци-
Принципиальная схема установки для получения безгистерезисной кривой
индукции показана на рис. 35. На исследуемый образец наматы-
наматываются три обмотки: W\, W2, W3. Обмотка Wi выполняет две роли:
она намагничивает образец до больших значений индукции и раз-
размагничивает его переменным магнитным полем, амплитуда кото-
которого постепенно уменьшается от максимального значения до нуля.
Обмотка W2 служит для создания небольшого по величине по-
постоянного подмагничивающего поля, а обмотка W3, включенная в
цепь баллистического гальванометра, является измерительной.
81
Перед определением безгистерезисной кривой индукции иссле-
исследуемый образец размагничивается. Это можно осуществить с по-
помощью переменного тока и регистрирующего устройства РУ, для
чего переключатель Кг ставят в положение 1. Затем определяют
ИНДуКЦИЮ Вмакс ОСНОВНОЙ
безгистерезисной кривой
индукции; ключ /Сз при
этом находится в положе-
положении 2. Измерение индук-
индукции БМакс осуществляется
обычным методом комму-
коммутирования. После этого в
подмагничивающей об-
обмотке устанавливается
определенное значение то-
тока, соответствующее зна-
значению поля Hi в первой
точке безгистерезисной
кривой, и проводят раз-
размагничивание образца пе-
переменным током (ключ /Сз
в положении У). Для опре-
определения индукции В1 без-
Рис. 35. Принципиальная схема установки
для определения безгистерезисной кривой
индукции:
W7! — намагничивающая обмотка, №2 — об-
обмотка для создания подмагничивающего
поля, Ш'з — измерительная обмотка, БГ —
баллистический гальванометр, РУ— регули-
регулирующее устройство, М — взаимная индук-
индуктивность, Аи А2, Аз — амперметры, т\ и /"г—
реостаты, К\, Ки, Кз, Kt, Ks — ключи и пе-
переключатели
гистерезисной кривой, со-
соответствующей полю #ь
переключатель /Сз перебрасывают опять в положение 2 и фиксиру-
фиксируют отклонение баллистического гальванометра, которое будет про-
пропорционально разности Бщшс—Вь Индукция В\ соответствует под-
магничивающему полю, создаваемому катушкой W2. Вычисление
5Макс—Bi производят по формуле D.26).
Чтобы найти остальные точки безгистерезисной кривой индук-
индукции, увеличивают подмагничивающее поле Hi на некоторую вели-
величину, при этом Hi > #i. Измерение магнитной индукции, опреде-
определяемой полем #2, выполняется в том же порядке, как для поля Нх.
Так снимается безгистерезисная кривая индукции до точек, совпа-
совпадающих с основной кривой намагничивания. Следующие тонки
кривой индукции определяются при помощи коммутации тока в
подмагничивающей обмотке W%.
Если определить всю безгистерезисную кривую индукции, то
оказывается, что в области* слабых магнитных полей эта кривая
почти совпадает с осью координат. Тогда, используя формулу
A.9) и принимая во внимание, что намагниченность / определяют
по формуле
в
1*0
D.34)
получим формулу для расчета размагничивающего фактора
82
UnB'
D.35)
где Не — напряженность внешнего намагничивающего поля. Эта
формула справедлива для значений индукции в области слабых
магнитных полей и может быть использована как для образцов
замкнутой, так и разомкнутой формы. При определении безгисте-
безгистерезисной кривой необходимо компенсировать магнитное поле
Земли, так как оно может сильно исказить получаемые ре-
результаты.
Кондорский [8] рассмотрел процессы, происходящие в ферро-
ферромагнитном монокристаллическом образце при идеальном намаг-
намагничивании. В этой работе показано, что устойчивым магнитным
состоянием ферромагнитных веществ по отношению к внешним на-
напряжениям является состояние, когда действующее поле Hi = Q.
§ 4. ФЛЮКСМЕТР
Флюксметр используется для измерения магнитного потока. Он
относится к классу магнитоэлектрических приборов с небольшой
постоянной момента кручения нити подвеса [7, 22]. Флюксметр
дает возможность измерять не только конечное изменение, но и
кратковременное значение магнитного потока. Этот прибор также
применяют для определения непрерывно меняющегося магнитного
потока, для записи кривой намагничивания, иногда как низко-
низкочастотный осциллограф.
Для прецизионных магнитных измерений с успехом может быть
использован фотоэлектрический флюксметр, который представляет
собой комбинацию гальванометра и усилителя. Этот прибор при-
применяется для измерения магнитного потока в широком диапазоне
частот, причем чувствительность его составляет Eч-10)-10~8вб/мм,
т. е. значительно выше, чем у флюксметра обычного типа.
Линейная теория фотоэлектрического флюксметра была разра-
разработана С. П. Капицей. На основе этой теории им был создан прибор
высокой чувствительности {9], схема которого показана на рис. 36.
В измерительную цепь включают зеркальный гальванометр на
растяжках, который имеет следующие характеристики: Г0 = 2 сек,
Сг-=3-10-9 а/мм/м, /?ВНутр = 830 ом, /?кр = 3830 ом. От зеркала галь-
гальванометра Г луч света падает на два фотоэлемента Л2 и Л3 мар-
марки СЦВ-51, имеющие большое внутреннее сопротивление порядка
5-Ю8 ом, хорошую чувствительность »100 мка/мм и небольшие
токи темноты io~l()-ioa. Ток от фотоэлементов подают на сетку
пентода 6F6(^4). Эта сетка управляет анодным током /, который
измеряется при помощи самописца или осциллографа. Ток i на
83
выходе флюксметра связан с изменением магнитного потока ДФ
на входе следующим соотношением:
ЛФ
i =
\ — k
М '
D.36)
где й =
SRNM
— коэффициент обратной связи, S — крутизна лампы,
F — магнитный поток через рамку гальванометра, N— электро-
электрооптический коэффициент, зависящий от конструкции оптической
160 v
Рис. 36. Электрическая схема фотоэлектрического флюксметра
системы, М — взаимоиндуктивность, R — сопротивление в цепи
конденсатора.
Цепь гальванометра Г и цепь лампы Л5 связываются между со-
собой посредством взаимоиндуктивности М. Для установки на нуль
«зайчика» гальванометра, когда фотоэлектрический усилитель на-
находится в нерабочем состоянии, используется оптический компен-
компенсатор в виде плоскопараллельной пластинки, через которую
проходит луч света от источника. При повороте пластинки на не-
некоторый угол происходит смещение «зайчика» на небольшое рас-
расстояние. Управление флюксметром осуществляется с помощью
ключей К\ и /Сг, которые находятся в цепи лампы Л±. Эти ключи
разряжают емкость С и отсоединяют фотоэлементы. Если емкость С
замкнута и взаимоиндуктивность М = 0, то система работает как
обычный гальванометр. При включении катушки обратной связи,
которая представляет собой трансформатор с большим воздущным
зазором, в цепи гальванометра появляются дополнительные зату-
затухания. Система будет работать как фотоэлектрический флюксметр,
если ликвидировать сползание гальванометра путем включения в
цепь сетки лампы JIi емкости С, при этом постоянная времени RC
должна быть равна постоянной времени сползания гальванометра.
Г
О1
и:
Для уменьшения внутренних помех прибора, которые возни-
возникают в результате того, что происходит зарядка и разрядка емко-
емкости, используют вакуумные фотоэлементы с большим внутренним
сопротивлением. Чтобы устранить внешние помехи в цепи гальва-
гальванометра, нужно особенно тщательно выполнить соединение прово-
проводов. Влияние этих помех значительно уменьшается, если применить
гальванометр на растяжках. Осуществление указанных предосто-
предосторожностей позволяет создать достаточно стабильную измеритель-
измерительную систему для фиксирования сигналов порядка 10~8 вб при
работе в течение нескольких минут. Данная схема флюксметра
была существенно усовершенствована Седовым [13]. Описание
флюксметров имеется также в работах [5, 12, 23—28].
ЛИТЕРАТУРА
1. Антик И. В., Кондорский Е. И., Островский Е. П. и Сади-
Садиков Б. А. Магнитные измерения. М.—Л., ГОНТИ, 1939.
2. А р у т ю н о в В. О. Электрические измерительные приборы и измерения.
М.—Л., ГЭИ, 1958.
3. Белов К. П., Г о р я г а А. Н. ФММ, 2, № 1, 3, 1956.
4. Касаткин А. С. Электрические измерения. М.—Л., ГЭИ, 1946.
5. Г у т о в с к и й И. Г. Измерительная техника, № 1, 54, 1960.
6. Джаков Э., Стойчиев Т.. Стаменов К. Измерительная техни-
техника, № 3, 77, 1958.
7. Калашников А. Г. Флюксметр. М.—Л., Изд-во АН СССР, 1949.
8. Кондорский Е. И. ЖЭТФ, 37, вып. 10, 1110, 1959.
9. Капица СП. ЖТФ, 25, № 7, 1307, 1955.
10. М а р е н и н Н. А. Исследования в области электрических и магнитных
измерений. М.—Л., 1947.
11. Мейер Э., Мер дер К. Зеркальные гальванометры и приборы со све-
световым указателем. М.—Л., ГЭИ, 1959.
12. Р а б ин о в и ч С. Г., Тка че нко А. Н. Измерительная техника, № 5,
30, 1959. -
13. Седов В. Л. Исследование влияния всестороннего сжатия на намаг-
намагниченность насыщения ферромагнитных металлов при низких температурах.
Дисс. МГУ, 1961.
14. Специальный физический практикум, под ред. Г. В. Спивака, т. II.
М.—Л., ГИТТЛ, 1945.
15. Столетов А. Г. Исследование о функции намагничения мягкого же-
железа. Имп. Моск. ун-т, 1872.
16. Физический практикум, под ред. В. И. Ивероновой. М., ГИТТЛ, 1948.
17. Фремке А. В. Электрические измерения. М., ГЭИ, 1954.
18. X а р ч е н к о Р. Р. Электричество, № 5, 1953.
19. Ш р а м к о в Е. Г. Электрические и магнитные измерения. М.—Л.,
ОНТИ, 1937.
20. Янус Р. И., Ш у б и н а Л. А. ЖТФ, 22, 1994, 1939.
21. В а г п е 11 S. J. J. Appl. Phys., 23, No. 9, 975, 1952.
22. G r a s s о t M. J. Phys., 3, 697, 1904.
23. "C i о f f i P. P. Rev. Sci. Instr., 21, No. 7, 624, 1950.
24. Tebble R. S. J. Sci. Instr., 30, No. 10 369, 1953.
25. В i r s s R. R., F г у J. P. J. Sci. Instr., 37, No. 1, 31, 1960.
26. Sauzade M. С. г. Acad. Sci., 246, No. 5, 272, 1958.
27. Lerond P., Thulin A. J. Sci. Instr., 36, No. 9, 388, 1959.
28. Berge R. I., G u d e r j a h п С. A. Electronics, 27, No. 7, 147, 1954.
84
ГЛАВА ПЯТАЯ
МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД
§ 1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП
ДЕЙСТВИЯ МАГНИТОМЕТРА
Магнитометрический метод измерения магнитных свойств веще-
вещества основан на магнитном взаимодействии намагниченного об-
образца и подвижной магнитной стрелки. Намагниченность образца
определяют по углу отклонения магнитной стрелки от своего пер-
первоначального положения. При этом образец и магнитная стрелка
должны быть расположены определенным образом по отношению
друг к другу. В экспериментальной практике магнитных измерений
наибольшее распространение получили два способа взаимного (рас-
(расположения магнитов, которые называются первым и вторым
гауссовыми положениями.
При первом гауссовом положении образец и магнитная стрелка
расположены так, что центр стрелки лежит на продолжении оси
образца. При втором гауссовом положении образец и стрелка рас-
располагаются так, чтобы ось образца была перпендикулярна к ли-
линии, соединяющей его центр с магнитной стрелкой. Рассматривая
взаимодействие магнитных полей образца и стрелки, нетрудно по-
получить формулу для расчета намагниченности образца, которая
имеет вид
где Н — горизонтальная составляющая напряженности земного
поля, R — расстояние между центрами образца и стрелки, а — от-
отклонение по шкале, / — расстояние от шкалы до зеркала и V—
объем образца.
Так как в процессе измерения все величины в правой части
{5.1), кроме а, остаются постоянными, то E.1) можно записать
в виде
/ = Са. E.2)
Таким образом, отклонение подвижной части прибора пропор-
пропорционально намагниченности образца. Для проведения абсолютных
измерений используют первое гауссово положение.
86
8
Основной частью магнитометра является магнитная стрелка,,
подвижный магнит, имеющий форму цилиндра. Магнитную стрелку
подвешивают на нити из вольфрама, серебра или кварца толщи-
толщиной 12—20 мк и длиной 150—300 мм. На нить крепится зеркальце,
с помощью которого отсчитывают угол поворота стрелки.
Чувствительность магнитометра будет тем больше, чем тоньше
нить подвеса и чем она длиннее. Магнитную стрелу делают обычно
из сплава викаллой, который обладает большой остаточной индук-
индукцией, коэрцитивной силой и имеет следующие размеры: длина
15 мм и толщина 1—3 мм. Для быстрого успокоения подвижной
системы применяют магнитоиндукционное успокоение или успокое-
успокоение с помощью трения. В первом случае магнитную стрелку поме-
помещают в массивный цилиндр, сделанный из чистой меди. При коле-
колебании стрелки в этом цилиндре возникают индукционные токи,
которые создают магнитное поле, тормозящее ее движение. Во
втором случае к нижнему концу подвеса (нити) прикрепляют
демпфирующее устройство, которое опускают в масло, и успокое-
успокоение достигается при помощи трения. Вся подвижная система по-
помещается в деревянный, текстолитовый или пластмассовый фут-
футляр, в верхней части которого находится винт, позволяющий
крепить подвес к головке футляра. С помощью магнитометра мож-
можно определить кривую намагниченности. Намагничивающая ка-
катушка располагается горизонтально и ее ось при этом проходит
через центр стрелки магнитометра. С противоположной стороны
стрелки на таком же расстоянии устанавливают другую катушку
точно таких же размеров, что и намагничивающая. Обе катушки
соединяют последовательно, причем действие поля второй катушки
на магнитную стрелку компенсируется действием поля первой ка-
катушки. Эта компенсация достигается путем перемещения катушек;
в момент компенсации отклонение стрелки должно быть равно
нулю. В этом случае на магнит будет действовать только магнит-
магнитное поле, создаваемое самим образцом.
На стрелку магнитометра действуют также горизонтальная со-
составляющая напряженности магнитного поля Земли и различные
посторонние поля. Это приводит к тому, что стрелка непрерывно
колеблется около некоторого нулевого положения, что значительно
затрудняет проведение эксперимента и уменьшает точность изме-
измерения. Из-за наличия указанных недостатков магнитометр описан-
описанного типа не нашел применения в лабораторной практике [1, 2,
7, 15]. Он рассмотрен нами здесь только для ознакомления с общей
конструкцией.
§ 2. АСТАТИЧЕСКИЙ МАГНИТОМЕТР
Подвижная часть астатического магнитометра состоит из двух
магнитов (стрелок) одинакового размера с равными магнитными
моментами. Чтобы общий магнитный момент системы был равен
нулю, эти стрелки располагают так, что их полюсы направлены
87
в противоположные стороны. Подобная система называется аста-
астатической.
По бокам подвижной системы на одинаковом расстоянии от нее
расположены две вертикальные катушки одного и того же раз-
размера. Одна из катушек —намагничивающая, другая катушка ком-
компенсирует действие первой на магнитную систему. В намагничи-
намагничивающую катушку помещают исследуемый образец так, что его
середина находится на одном уровне с центром магнитной системы.
Астатическую систему помещают в специальный футляр с отвер-
отверстием для светового зайчика. Катушки имеют две степени свободы.
Это дает возможность точно уравновесить действие катушек на
подвижную систему и фиксировать только то отклонение, которое
обусловлено намагниченностью образца.
Для того чтобы исключить действие вертикальной составляю-
составляющей земного поля на образец, катушки имеют дополнительные
обмотки, через которые пропускается постоянный ток определен-
определенной величины. Магнитное поле этого тока компенсирует вертикаль-
вертикальную составляющую поля Земли. Рассмотренная нами астатиче-
астатическая система в однородном магнитном поле находится в равно-
равновесии.
В случае действия на астатическую систему неоднородного маг-
магнитного поля, например, внешнего магнитного поля намагничиваю-
намагничивающего образца, появится вращающий момент. Вращающий момент
возникает только от действия горизонтальной составляющей не-
неоднородного магнитного поля образца. Этот момент будет макси-
максимальным в том случае, если угол между направлением этой со-
составляющей и направлением оси стрелок равен 90°. Вращающий
момент будет увеличиваться с ростом намагниченности образца
и будет тем больше, чем меньше расстояние между системой и
образцом по сравнению с расстоянием между полюсами образца.
При увеличении этого расстояния значение горизонтальной состав-
составляющей магнитного поля образца уменьшается и вместе с этим
уменьшается вращающий момент, действующий на подвижную
систему.
Как мы уже отмечали, магнитное поле Земль на астатическую
систему не действует, поэтому начальное положение стрелок аста-
астатического магнитометра может быть произвольным. Определение
намагниченности при помощи астатического магнитометра осуще-
осуществляется нулевым методом, т. е. измеряется не угол поворота си-
системы, а сила тока во вспомогательной катушке, при помощи
которого достигается возвращение подвижной системы, отклонив-
отклонившейся под действием поля образца, в исходное состояние.
На рис. 37 показана принципиальная схема магнитометр-иче-
ской установки.
Прежде чем начать измерения на астатическом магнитометре,
следует убедиться, что намагничивающая и компенсирующая ка-
катушки установлены правильно, т. е. их магнитные поля взаимно
компенсируются. Для этого в намагничивающую цепь этих катушек
88
включают ток максимальной величины и замечают отклонение
подвижной системы магнитометра. Если это отклонение превышает
2—3 мм, то смещением компенсирующей катушки добиваются по
возможности минимального отклонения. После этого через катуш-
катушки W{ и W2 пропускают ток определенной величины, чтобы верти-
вертикальная составляющая напря-
напряженности магнитного поля
Земли была скомпенсирована.
Для проверки в катушку поме-
помещают измеряемый образец и
производят размагничивание
образца при включенных ка-
катушках W{ и W2.
Если после размагничива-
размагничивания подвижная система магни-
магнитометра возвращается в пер-
первоначальное положение, то на-
направление и сила тока в ка-
катушках W{ и W2 выбраны пра-
правильно. В противном случае
нужно откорректировать ток
в катушках Wt и W2 или изме-
изменить его направление. Конт-
Контроль компенсации вертикаль-
вертикальной составляющей магнитного
поля Земли можно выполнить
также по методу, который
предложен в работе [4]. В этом
случае нагревают образец
только в поле Земли, при от-
сутствии*тока в катушках Wt л
W2. Если при охлаждении об-
образца в точке Кюри не наблю-
наблюдается рост его намагничен-
Рис. 37. Принципиальная схема маг-
магнитометрической установки:
Ni — намагничивающая катушка маг-
магнитометра, Ni — катушка, которая
компенсирует действие намагничива-
намагничивающей катушки на подвижную систе-
систему, №] и №2 — катушки для компен-
компенсации вертикальной составляющей
земного поля, К\ — переключатель в-
намагничивающей цепи, R\ — реоста-
реостаты в цепи катушек jVi и Ni, A\ —• ам-
амперметр в намагничивающей цепи,
Кс — компенсирующая катушка, Ki—
переключатель в цепи катушки Кс.
Ац — амперметр в цепи катушки Кс,
Rz — реостат в цепи катушки Кс, Ki—
ключ в цепи катушек W\ и W2, А$ —
амперметр в цепи катушек W\ и В7г,
#з — реостат в цепи катушек W\ и
№2, D — демпфер
ности, то сила тока в ком-
компенсационной обмотке уста-
установлена правильно.
При определении намагни-
намагниченности образца для каждого
значения намагничивающего поля требуется проводить магнитную
стабилизацию. Для этой цели магнитное поле в катушке несколько
раз меняется по направлению при помощи ключа К\. Только после
этого можно начать измерения намагниченности при данном зна-
значении поля. Для каждого значения намагничивающего поля изме-
измерение проводят для двух направлений и не менее двух раз.
Для получения намагниченности образца нужно отградуиро-
отградуировать астатический магнитометр. Градуировка магнитометра выпол-
выполняется вспомогательной катушкой, которая должна давать точно
89
такое же распределение магнитного поля в пространстве, как и
исследуемый образец. Иногда градуировку выполняют другим спо-
способом. Для этого предварительно определяют каким-либо точным
методом кривую намагничивания образца, которую дают в каче-
качестве эталона. Этот образец, имеющий ту же длину и тот же диа-
диаметр, как и измеряемый, помещают в намагничивающую катушку
образца. Пропуская ток через компенсирующий соленоид, сводят
отклонение подвижной системы магнитометра к нулю, при этом
фиксируют значение тока при данном положении подвижной си-
системы. По графику кривой намагниченности эталона находят зна-
значение намагниченности /е, соответствующее данному магнитному
полю Не намагничивающей катушки, и определяют градуировоч-
ный коэффициент магнитометра
k = -^-. E.3)
'а
Для большей точности следует провести измерения при не-
нескольких значениях тока. Зная градуировочный коэффициент k и
ток ih в компенсирующем соленоиде, можно по формуле E.3)
определить кривую намагниченности исследуемого образца.
При градуировке астатического магнитометра с помощью одно-
однослойной катушки используют, как правило, катушки таких же
размеров, как и исследуемый образец. Однако, как показывает
опыт, можно применять катушки с диаметром, значительно отли-
отличающимся от диаметра образца. При градуировке магнитометра
градуировочную катушку помещают в намагничивающую и точно
на то место, где должен находиться образец. При пропускании
тока через градуировочную катушку возникает магнитное поле,
которое отклоняет подвижную систему магнитометра. С помощью
соленоида это отклонение сводится к нулю. Градуировочный
коэффициент k определяется по формуле
_ IrwrSr
E.4)
где /г, wr, Sr — соответственно сила тока, число витков и площадь
поперечного сечения градуировочной катушки, ih — ток в компен-
компенсирующем соленоиде.
Таким образом, зная данные катушки, которая заменяет обра-
образец, а также силу тока в ней и в компенсирующем соленоиде,
можно также определить градуировочный коэффициент. Как видно
из формулы E.4), для определения k требуется также знать пло-
площадь и число витков градуировочной катушки.
Для определения кривой намагничивания исследуемого образца
градуировочную катушку вынимают из намагничивающего соле-
соленоида и на ее место помещают образец. Ключом /С» включают в
катушках Wx и W, ток такой величины и такого направления,
чтобы вертикальная составляющая напряженности земного поля
-90
была скомпенсирована. Затем приступают к размагничиванию об-
образца. Если после размагничивания образца подвижная система
магнитометра вернется в первоначальное положение, то можно
приступать к измерению. В случае невыполнения этого условия
размагничивание образца следует повторить еще раз. После этого
включением тока в обмотку катушки Ni создается небольшое маг-
магнитное поле Н\. В результате этого образец намагничивается, и
подвижная система астатического магнитометра отклоняется на
некоторый угол сц. Пропуская ток через компенсирующий соле-
соленоид, добиваются возвращения подвижной системы в нулевое по-
положение.
Значение тока, при котором отклонение системы будет равно
нулю, измеряется прибором А%. Зная ранее определенные значения
градуировочного коэффициента k и тока ic, по формуле M = kic на-
находят величину магнитного момента М\ образца при магнитном
поле Н\. Затем увеличивают ток в намагничивающей катушке и
измеряют магнитный момент при значении поля Я2.
Следует помнить, что для того чтобы отклонения подвижной
системы сц, (Z2, ... были однозначны, необходимо перед каждым
измерением осуществлять магнитную стабилизацию образца путем
неоднократной коммутации тока в катушке Nu Определив значе-
значение магнитных моментов образца при разных значениях Н, можно
по формуле
E.5)
найти намагниченность образца (V — объем образца).
После определения всей кривой намагничивания образца по
формуле A.9) производят пересчет на истинную кривую намаг-
намагничивания материала [2].
§ 3. АСТАТИЧЕСКИЙ МАГНИТОМЕТР
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СЛАБОМАГНИТНЫХ
ВЕЩЕСТВ
Для определения магнитной восприимчивости слабомагнитных
веществ используют магнитометр, изображенный на рис. 38.
Нить 6 астатической системы 3 располагается в корпусе 2. Корпус
магнитометра крепится на подставке, которая имеет три устано-
установочных винта 7. Исследуемый образец помещают в каретку 8Г
свободно перемещающуюся по рельсам 9 при помощи винтов 4.
Магнитные астатические системы 3 укрепляют в стержне с кону-
конусом, который позволяет арретировать подвижную систему вин-
винтом 5. Нить подвеса жестко крепится к головке 1 магнитометра.
Верхняя часть 10 этой головки дает возможность перемещать
астатическую систему в вертикальное направление. Для поворота
подвеса используют нижнюю часть головки 11. Положение подвеса
определяется с помощью микрометрического винта. Угол поворота
91
Рис. 38. Разрез астатического магнитометра для исследования
слабомагнитных тел:
/ — головка, 2 — корпус, 3 —• астатическая система, 4 и 5 — винты,
S — нить, 7 — установочные винты, 8 — каретка, 9 — рельсы, 10 —
верхняя часть головки, // — нижняя часть головки, 12 — нониус
астатической системы отсчитывается коллиматором. Нониус 12
используется для определения расстояния между образцом и маг-
магнитной системой.
Прежде чем начать измерения магнитной восприимчивости,
нужно правильно поставить магнитометр, а затем провести юсти-
юстировку прибора. Магнитометр закрепляют на кронштейне так, чтобы
ось коллиматора совпала с направлением магнитного меридиана
Земли. После этого установочными винтами 7 добиваются строго
вертикального положения трубы подвеса. Затем подвижную си-
систему освобождают от арретира. Ампулу с образцом помещают
против центра оси верхнего магнита и в одной плоскости с ним.
После того как магнитная система установлена на нужной высоте
с помощью головки 11, оси магнита и коллиматора совмещают,
наблюдая через окошечко магнитометра.
Центрировка магнитной системы относительно корпуса магнито-
магнитометра определяется по положению шкалы с ее отражением. При
помощи установочных винтов 7 изменяется отражение шкалы по
высоте. После этого следует проверить каретку 8 на присутствие
в ней магнитных загрязнений, для чего она перемещается по шине
до нулевого положения. В случае наличия отклонения системы
нужно тщательно прочистить все подвижные части прибора. Если
„все-таки будет замечаться отклонение подвижной системы магни-
магнитометра при перемещении каретки, то следует определить поправку
j и в дальнейшем учитывать ее при измерении.
Абсолютную градуировку магнитометра проводят с помощью
градуи|>овочных катушек. При относительной градуировке исполь-
используются парамагнитные соли с известной восприимчивостью. Гра-
дуировочные катушки помещают в обоймах так, чтобы отклонение
подвижной системы магнитометра было бы в ту же сторону, как
и отклонение ее под действием исследуемого образца. Установив
обе каретки в нулевое положение, поворотом головки 11 смещают
отражение шкалы влево, пока крайнее правое деление отражения
не совпадает с 15—17-м делением шкалы. Затем с помощью рео-
реостатов устанавливают ток силой 0,1—0,3 ма, чтобы получить по
шкале отклонение на 60—70 делений. После этого каретки вместе
с градуировочными катушками перемещают вдоль шин и через
каждый миллиметр отмечают отклонения по шкале. Отклонение
измеряют на тех точках шины 1и для которых в паспорте прибора
имеются значения магнитного поля. Для определения цены деле-
деления отклонения используется следующая формула:
^, E.6)
где С — коэффициент, i — сила тока в градуировочных катушках,
w — число витков на единицу длины катушки, Н — напряженность
магнитного поля системы и ат — отклонение по шкале при силе
тока i через градуировочную катушку и при данном значении /.
Измерения магнитной восприимчивости с помощью этого маг-
Ф
93
нитометра осуществляются на порошкообразных образцах весом
5—10 г. Исследуемый образец помещают в ампулу на одинаковом
расстоянии (/=10—15 делений) от подвижных магнитов, при этом
фиксируется отклонение а по шкале. Если это отклонение от ну-
нулевого положения не наблюдается, то ампулу с образцом прибли-
приближают к магнитам, пока не появится заметного отклонения. Вычис-
Вычисление удельной магнитной восприимчивости производится по
формуле
aV
E.7)
где k — градуировочный коэффициент для данной точки шины,
V — объем образца, Р — вес образца.
В случае, если исследуемый образец имеет большую магнит-
магнитную восприимчивость, измерение можно проводить нулевым мето-
методом, для чего применяют компенсационную катушку. Эту катушку
помещают в одну обойму, а ампулу с образцом — в другую. Рас-
Располагаются они на одинаковом расстоянии от подвижных магни-
магнитов. Предварительно отмечают нулевое положение ао по шкале,
когда в обоймах нет ни образца, ни градуировочной катушки. За-
Затем вставляют образец и катушку в обоймы и при помощи тока i
через катушку возвращают систему опять в нулевое положение.
Для расчета удельной восприимчивости применяют формулу
wV
\i0CHP
I.
E.8)
При помощи этого магнитометра можно также измерять оста-
остаточную намагниченность сильномагнитных тел, для чего магнито-
магнитометр должен быть предварительно проградуирован.
Рассмотренный нами магнитометр нашел пока широкое приме-
применение только при исследовании магнитных свойств горных по-
пород [3, 6]. Однако он может быть применен также с успехом для
изучения других слабомагнитных веществ.
Существенным недостатком магнитометра является то, что кон-
конструкция прибора не позволяет проводить исследования магнит-
магнитных свойств при различных температурах.
§ 4. ВИБРАЦИОННЫЙ МАГНИТОМЕТР
Для измерения магнитных свойств ферромагнитных и слабо-
слабомагнитных веществ можно использовать вибрационный магнито-
магнитометр, конструкция которого была предложена в работе [8].
На рис. 39 показано схематическое устройство вибрационного
магнитометра и принципиальная схема установки, разработанные
на физическом факультете МГУ Галкиной и Марковым.
Исследуемый образец 1 и постоянный магнит 2 укреплены на
тонком стержне 3, который соединен с вибрационной системой и
94
может колебаться с определенной частотой, например 79 гц, пер-
перпендикулярно магнитному полю, создаваемому электромагнитом 4.
Для усиления и сравнения сигналов, получаемых от образца и по-
постоянного магнита, имеется радиотехническая схема.
При колебании постоянного магнита и образца, находящегося
в магнитном поле электромагнита, в измерительных катушках воз-
Рис 39. Схема вибрационного магнитометра и его электрическая схема:
/ — исследуемый образец, 2 — постоянный магнит, 3 — стержень, 4 — элек-
электромагнит, 5 и 6 — измерительные катушки, 7 и 8 — усилители, 9 — фазо-
нрагцатель, 10— сумматор, // — катодный повторитель, 12— индикатор, 13 —
генератор звуконой частоты, 14 — блок питания, 15 — латунный диск, 16 —
динамик, 17 — пластмассовый диск, 18 — вращающийся диск, 19 — винты,
20 и 21 — нагревательные спирали, 22 — стеклянный стакан, 23 — дьюар
с жидким гелием, 24 — дьюар с жидким азотом
буждаются э. д. с. Измерительные катушки 5 ориентируются свои-
своими осями параллельно направлению колебания и соединяются по-
последовательно. Чтобы наводимая в катушках 5 э. д. с. не была
чувствительна к изменению положения образца, проводят следую-
следующую операцию. Вначале образец располагают приблизительно
между катушками 5 и намагничивают постоянным полем до насы-
насыщения. После этого, вращая катушки около оси z добиваются по-
получения максимального значения э. д. с. на выходе, а перемеще-
перемещением катушек в направлении оси х минимального сигнала.
В таком состоянии магнитометр оказывался нечувствительным
к небольшим изменениям положения образца. Таким же образом
устанавливают по отношению к постоянному магниту 2 катушки 6.
Напряжение, пропорциональное магнитному моменту образца,
поступает с измерительных катушек 5 на вход усилителя 8, кото-
который предназначен для усиления небольших сигналов. Он имеет
95
большой коэффициент усиления и малые собственные шумы.
С усилителя сигнал подается на сумматор 10, на который также
поступает сигнал от катушек 6. В этих катушках возникает на-
напряжение, пропорциональное магнитному моменту постоянного
магнита, которое затем усиливается усилителем 7 и поступает на
фазовращатель 9 для рассогласовывания его по фазе относитель-
относительно сигнала, получаемого от образца. Затем сигнал, равный разно-
разности сигналов от измеряемого образца и постоянного магнита, через
катодный повторитель И поступает на индикаторное устройство 12
(осциллограф или ламповый вольтметр). Вибрационная система,
укрепленная на диске 15, состоит из динамика 16, к которому при-
приклеивают пластмассовый диск 17, соединенный со стержнем 3. Ди-
Динамик питается от генератора звуковой частоты 13. На диске 15
помещен второй вращающийся диск 18, при помощи которого ка-
катушки 6 могут перемещаться по диаметру диска 15.
Вибрационный магнитометр позволяет производить исследова-
исследование магнитных свойств в зависимости от напряженности магнит-
магнитного поля и температуры.
Для проведения измерений при различных температурах иссле-
исследуемый образец помещают в нагревательную печь или в криоген-
криогенное устройство. Предварительно проводится градуировка магнито-
магнитометра по образцам с известными магнитными свойствами.
Описанный магнитометр может быть также использован для
изучения магнитных свойств монокристаллических образцов.
В другом подобном магнитометре [10, 11] в колебание приво-
приводился не образец, а измерительная катушка, которую располагали
в двух сантиметрах от образца. Такая конструкция значительно
облегчала проведение исследования при различных температурах
и давлениях. Для непрерывной записи результатов измерения при-
применяли самописец. Прибор работает устойчиво и дает возмож-
возможность измерять намагниченность с точностью до 1%. Вибрацион-
Вибрационный магнитометр описывается также в работах [9, 12].
§ 5. АСТАТИЧЕСКИЙ МАГНИТОМЕТР С ДВУМЯ
КАТУШКАМИ t
В рассмотренных нами выше магнитометрах подвижная система
состояла из небольших магнитов (стрелок). Эти магнитометры
используют главным образом при исследовании магнитных свойств
в постоянных магнитных полях.
Отличительной особенностью данного магнитометра является
то, что астатическая система его состоит из двух катушек, кото-
которые помещаются в намагничивающий соленоид [13]. Принципиаль-
Принципиальная схема магнитометра показана на рис. 40. Астатическую систему
выполняют из алюминиевой рамки, к которой прикрепляют две
катушки АК. Ток подводят к катушкам через медные ленты и тон-
тонкие спирали от батареи Б. Сила тока, пропускаемого через обмот-
обмотки, варьируется в зависимости от величины магнитного момента
96
исследуемого образца. В большинстве случаев измерения проводят
при токе 2,6-10~4 а. Вес подвижной системы равняется 140 г. Пе-
Период свободных колебаний в недемпфированном состоянии состав-
составляет 7,5 сек. Демпфирование системы осуществляется при помощи
механического демпфера. Для этой цели используют небольшую
лопасть, опущенную в сосуд, наполненный жидкостью (смесь воды
с глицерином).
При измерении можно использовать образец О в виде эллип-
эллипсоидов вращения или цилиндрической формы. Исследуемый обра-
образец вместе с подвижной системой
помещают в намагничивающий
соленоид НС. Такое расположе-
расположение образца не требует компен-
компенсации магнитного поля этого
соленоида другим таким же соле-
соленоидом. Образец ориентируют
параллельно относительно нити
подвеса системы, при этом концы
образца находятся на одном
уровне с катушками, через кото-
которые пропускают постоянный ток.
Каждая катушка имеет 90—100
витков медной проволоки толщи-
толщиной 0,05 мм. Образец и астатиче-
астатическая система находятся друг от
друга на небольшом расстоянии
(«4 см). Это значительно повы-
повышает чувствительность прибора.
Астатическая система этого маг-
магнитометра короче, чем у других,
поэтому действие паразитных по-
полей на нее сильно уменьшено,
что делает стабильным нулевое
Рис. 40. Принципиальная схема
астатического магнитометра с
двумя катушками:
АК — астатическая система, со-
состоящая из двух катушек,
НС — намагничивающий соле«
ноид, БГ — баллистический
гальванометр, W — измеритель-
измерительная обмотка, Б — батарея
положение прибора. На магнитометре можно проводить относи-
относительные измерения, результаты которых сравнивают с баллистиче-
баллистическими измерениями. Для этого на образец наматывают измери-
измерительную обмотку W и используют баллистический гальванометр.
Исследование показало, что баллистические измерения совпадают
с магнитометрическими. Настоящий магнитометр мож!но также
использовать для определения потерь в переменных магнитных
полях промышленной частоты.
В магнитометре [14] для определения магнитных свойств гор-
горных пород пару катушек Гельмгольца подвешивают на крутиль-
крутильной нити, ориентированной перпендикулярно к оси катушек. Иссле-
Исследуемый образец помещают в пространстве, где катушки создают
однородное магнитное поле. Если через висящие катушки пропу-
пропустить ток, то возникнет вращающий момент, который повернет
подвижную систему на некоторый угол. Зная постоянную кручения
4 Зак. 262
97
нити, угол поворота и величину Н поля катушек, можно опреде-
определить составляющую магнитного момента образца, направленную
вдоль одной из трех взаимно перпендикулярных осей.
Чтобы избежать действия магнитного поля Земли на подвиж-
подвижную систему, на том же подвесе находится другая пара катушек,
оси которых расположены параллельно осям основных катушек.
Чувствительность магнитометра достигает 5-10~9 тл/см3 на 1 мм
шкалы, если через катушки пропускается ток силой в 15 ма, а на-
напряженность магнитного поля равна 12 а/м.
Магнитометр высокой чувствительности, позволяющий изучать
превращение в ферромагнитных материалах, описан в работе {5].
Основной частью прибора является двойной магнит, выполненный
из железных сердечников, которые имеют ?-образную форму. В от-
отверстии средней части сердечника вращается якорь генератора,
э. д. с. которой без образца равна нулю. С изменением магнитного
состояния образца, помещенного в воздушном зазоре крайних пе-
перемычек сердечника, меняется и э. д. с. генератора. Магнитометр
позволяет автоматически регистрировать результаты измерения
с помощью осциллографа.
ЛИТЕРАТУРА
Г. Антик И. В., Ко ндорский Е. И., Остро в ский Е. П. и С а д и-
к о в Б. А. Магнитные измерения. М.—Л., ГОНТИ, 1939.
2. А р к а д ь е в В. К. Электромагнитные процессы в металлах. М.—Л.,
ГЭИ, ч. 1, 1934; ч. 2, 1936.
3. Долгинов С. Ш., Озерская М. К. Тр. НИИЗМ, вып. 6A6), 1951.
4. Д р о к и н А. И. ЖЭТФ, 28, вып. 2, 199, 1955.
5 Шкляр Р. Ш., Попов А. А. Тр. Уральск, политехнич. ин-та, 46, 34,
1954,
6. Яновский Б. М. Земной магнетизм. М., ГТТИ, 1953.
7. Da hi О., Kussmann. Arc. tech. messen, No. 217, 37, t. 1, 1954.
8. Foner S. Rev. Sci. Instr., 27, No. 7, 548, 1956; 30, No. 7, 548, 1959.
9. Lubell M. S., Venturino A. S. Rev. Sci. Instr., 31, No. 2, 207, 1960.
10. Smith D. O. Rev. Sci. Instr., 27, No. 5, 261, 1956.
11. Dwitht K., Menyuk N., Smith D. J. Appl. Phys., 29, No. 3, 491,
1958.
12. Doughty D. C, Mossman P. J. Scif Instr., 37, No. 12, 471, 1960.
13. Mel lent in K., Lange H. Z. Metallkunde, 46, Nr. 6, 450, 1955.
14. D fl r s с h n e r H. Ann. geophys., 10, Nr. 2, 152, 1954.
15. Kuhne R. Zs. angew. Phys., 6, Nr. 3, 131, 1954.
ГЛАВА ШЕСТАЯ
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
ФЕРРОМАГНИТНЫХ ВЕЩЕСТВ
ПРИ НАСЫЩЕНИИ
§ 1. ИНДУКЦИОННЫЙ МЕТОД ВЕЙССА
И ФОРРЕРА
Сущность метода Вейсса и Форрера состоит в том, что иссле-
исследуемый ферромагнитный образец, находящийся в магнитном поле,
быстро удаляется из системы катушек, соединенных с баллисти-
баллистическим гальванометром [10, 11]. Схема установки, которая приме-
применялась Вейссом и Форрером, изображена на рис. 41. Удаление
образца О, имеющего форму эллипсоида вращения, производится
с помощью специального механизма, состоящего из рычага с пру-
пружиной, которая находится перед измерением в сжатом состоянии.
Образец помещают в центре между полюсами электромагнита и
измерительными катушками. В том случае, если нужно определить
температурную зависимость намагниченности насыщения, образец
вставляют в печь или в сосуд Дьюара. Закрепляют образец на
конце стержня Р при помощи зажима /?, изготовленного из нефер-
неферромагнитного материала.
Магнитное поле создает электромагнит, диаметр полюсов кото-
которого равен 19,5 см. Полюсные наконечники имеют конусообразную
форму. На эти наконечники надеваются две пары катушек К\ и Кг,
соединенные встречно. Обмотки внутренних катушек наматываются
из медной проволоки толщиной 0,2 мм и имеют около 600 витков,
обмотки внешних катушек — 200 витков. Произведения числа вит-
витков на их площадь должны быть равны, тогда без образца по-
потоки, сцепления катушек будут одинаковы между собой. Последо-
Последовательно с катушками A'i и Кг включается компенсационная ка-
катушка, которая может легко вращаться вокруг горизонтальной оси.
Эта катушка позволяет полностью ликвидировать случайное От-
Отклонение гальванометра, связанное с изменением поля электро-
электромагнита. Если исследуемый образец- поместить в поле, а затем
быстро удалить из него, то появится отклонение рамки гальвано-
гальванометра. Для вычисления намагниченности пользуются формулами
A.2) и.'D.23). При эт,ом следует учесть размагничивающий фак-
тор образца, а также действие «магнитного изображения». По-
Поправка на это действие при высоких полях достигает значительных
величин. В методе Вейсса и Форрера эта поправка определяется
при помощи катушки с большим числом витков, объем которой
равен объему исследуемого образца. Метод Вейсса и Форрера дает
возможность измерять намаг-
намагниченность с точностью до 1 %.
Исследования можно прово-
проводить в широком температур-
температурном интервале от 77 до 700° К
при различных значениях на-
напряженности магнитного поля.
Недостатком этого метода
является необходимость учиты-
учитывать действие «магнитного изо-
изображения». Кроме того, нельзя
вести измерения в области вы-
высоких температур, так как ка-
катушки Ki и Кч. начинают силь-
сильно нагреваться. Данный метод
исследования ферромагнитных
веществ подвергался неодно-
неоднократному изменению и усовер-
усовершенствованию.
Потенэ [12] использовал ме-
метод Вейсса и Форрера для из-
измерений спонтанной намагни-
намагниченности ферритов. В его уста-
установке при помощи электромаг-
электромагнита создавались магнитные
поля напряженностью до
1,6-106 а/м. Этот электромаг-
электромагнит имел вдоль оси полюсов цилиндрический канал, в который по-
помещали патрон с исследуемым образцом,. Механизм для вывода
образца изготовлялся из латуни и нихрома. Обмотки индукционных
катушек наматывались из медной проволоки и имели разное члсло
витков: внутренние—3400 (диаметр 0,15 мм) и внешние—1160 вит-
витков (диаметр 0,3 мм). Градуировка цепи катушки выполнялась,
как и в установке Вейсса и Форрера, при помощи небольшой ка-
катушки, размеры которой были точно известны. Эту катушку поме-
помещали в центре зазора на месте образца. Через катушку, охлаждае-
охлаждаемую водой или керосином, пропускали постоянный ток, который
измеряли амперметром высокого класса точности. Поправку на
«магнитное изображение» определяли с помощью трех катушек
длиной 9 мм со средним диаметром 1,6; 2,6 и 4,8 мм. Исследова-
Исследования, проведенные Потенэ, позволили определить температурный
ход спонтанной намагниченности для некоторых ферритов и про-
проверить теорию Нееля для данного класса ферромагнетиков [13].
100
Рис. 41. Схема установки Вейсса
и Форрера
§ 2. ИНДУКЦИОННЫЙ МЕТОД
КОНДОРСКОГО—ФЕДОТОВА
ИзхМерение намагниченности методом Кондорского — Федотова
проводится не в электромагните, как в методе Вейсса и Форрера,
а в соленоиде, имеющем внутренний диаметр 40 мм, с масляным
охлаждением [6]. Этот соленоид создает магнитные поля до 106 а/м
с однородностью до 0,5% на длине 100 мм. Применение соленоида
вместо электромагнита позволяет не учитывать действие «магнит-
«магнитного изображения», что значительно повышает точность измере-
измерения. Общая схема установки для измерения намагниченности при
низких температурах показана на рис. 42,а. На рис. 42,6 показан
общий вид измерительной вставки для образца.
Исследуемый образец 8 в виде эллипсоида вращения помещают
в измерительную катушку 7. Крепится образец при помощи латун-
латунных держателей — пробок 9, 11. На внешней трубке держателя
находится подогреватель из молибденовой проволоки. Вакуумную
рубашку измерительной вставки применяют для изоляции жидкого
водорода от азота при получении промежуточных температур ме-
методом подогрева. Для измерения температур используют плати-
платиновый термометр сопротивления.
При определении температурной зависимости намагниченности
насыщения необходимо, чтобы температура была постоянной в те-
течение одного измерения. В методе Кондорского — Федотова изме-
измерение намагниченности и температуры продолжалось несколько
минут, поэтому постоянство температуры играло здесь существен-
существенную роль. Так как выполнение этого условия в широком интервале
температур довольно трудно, то авторы применили следующий ме-
метод измерения. В процессе измерения медленно изменялась темпе-
температура. Вместе с температурой менялась и намагниченность иссле-
исследуемого образца, при этом одновременно регистрировалось изме-
изменение температуры и намагниченности со временем. Зная вид
функций T=f\{t) и Is=f2(t), можно найти нужную зависимость
h — fz(T) (t — время, Т — абсолютная температура). Так как изме-
изменение температуры в описанных опытах происходило медленно
(в течение 15—20 час температура изменялась от 77 до 300° К),
то можно считать, что полученные значения намагниченности со-
соответствуют измерениям при постоянной температуре. Измерение
проводили нулевым баллистическим методом. Электрическая схема
установки показана на рис. 42,8, где С — намагничивающий соле-
соленоид. Измерительная катушка Ki включена последовательно с галь-
гальванометром Г и вторичной обмоткой катушки взаимоиндукции КВ.
Измерительная катушка состояла из двух обмоток, которые нама-
наматывали одна на другую. Включали эти обмотки навстречу друг
другу. Э. д. с, индуцированная в обмотках, компенсировалась без
образца при максимальном значении напряженности магнитного
поля. Включение токов в первичную обмотку KB осуществлялось
при помощи реле Р, при этом для измерения величины тока в ком-
101
--220v
= 22UV* 1
—J
к потенц.
ЭМ
Рис. 42. a — Схема установки Кондорского — Федотова:
/ — сосуд Дьюара, 2— измерительная вставка, 3 — на-
намагничивающая катушка, 4— масляный манометр, 5 —
сосуд Дьюара для жидкого водорода, 6 — сифонная
трубка, 7 — буферный объем, 8— форвакуумный насос,
9— ловушка, 10— электронный потенциометр, 11 к 12 —
манометры, 13, 14 и 16 — запорный вентиль, 15 и 18 —
регулировочные вентили, 17 — трехходовой кран
б—Разрез измерительной вставки:
/ — сосуд Дьюара для жидкого водорода, 2 — шлиф,
3 — клеммы, 4 — сочленение, 5 — текстолитовая стойка,
6 — платиновый термометр сопротивления, 7 — балли-
баллистическая катушка, 8 — образец, 9 и // — латунные
пробки, 10 — нагреватель
в — Электрическая схема установки:
Ki—измерительная катушка, .г — гальванометр, KB—
катушка взаимоиндукции, КС — эталонная катушка со-
сопротивления, С — намагничивающий соленоид, ЭМ —
электромагнит, Р — реле, П\ и Яг — переключатели
пенсационной цепи, который был порядка
200—250 ма, использовали эталонную катуш-
катушку сопротивления КС. Переключатель П2 при-
применялся для включения цепи электромагнита
ЭМ, а переключатель П\ — для подключения
гальванометра Г. Намагниченность исследуе-
исследуемого образца рассчитывалась по формуле
Mi
а/м,
F.1)
где а'о и So — соответственно число витков и
площадь сечения (м2) измерительной катушки,
М — коэффициент взаимоиндукции, i — ток в
первичной цепи катушки KB, k—коэффициент,
зависящий от конструктивных особенностей
установки.
Как видно из формулы F.1), для опреде-
определения / достаточно знать ток i в первичной
обмотке катушки взаимоиндукции KB в мо-
момент компенсации, т. е. когда отклонение рам-
рамки гальванометра равно нулю. Для того что-
чтобы магнитное поле исследуемого образца не
влияло на результаты измерения, последний
должен быть удален от измерительной катуш-
катушки не менее чем на 65 см.
103
В методе Кондорского — Федотова это условие выполнялось
при всех измерениях. Произведенная оценка точности измерений
намагниченности показала, что погрешность составляет 0,5%.
Описанный метод был применен авторами для исследования на-
намагниченности насыщения железо-никелевых сплавов в области
низких температур. Применение этого метода при высоких темпе-
температурах ограничено, так как происходит нагревание измеритель-
измерительной катушки.
§ 3. ДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД СЕКСМИТА
Если ферромагнитное вещество поместить в неоднородное маг-
магнитное поле, то на него будет действовать сила
dH
dx
F.2)
где Хобр и Хер — удельные восприимчивости соответственно образца
и окружающей среды, т — масса образца.
В том случае, если восприимчивостью среды можно пренебречь,
формула F.2) принимает более простой вид
F.3)
dH
dx
где а —удельная намагниченность образца.
Таким образом, для определения величины в необходимо знать
градиент массу исследуемого образца т и силу Fx [14]. В этом
методе силу Fx измеряют с помощью упругого кольца, выполнен-
выполненного из тонкой фосфористой бронзы. При исследовании ферромаг-
ферромагнитных веществ берут кольцо диаметром 50 мм, шириной 3 мм
и толщиной 0,1—0,3 мм. Кольцо находится в вертикальном поло-
положении. Вверху оно закреплено при помощи специального механиз-
механизма, имеющего три степени свободы. К нижней части кольца кре-
крепится тонкий стержень из молибденового стекла, на конце кото-
которого имеется молибденовая чашечка.
Намагничивающее поле создают при помощи мощного электро-
электромагнита. Полюсные наконечники электромагнита (рис. 43) имеют
диаметр 100 мм. Они срезаны на конус, так что диаметр плоско-
плоскостей этих наконечников равен 50 мм. С помощью таких полюсных
наконечников можно создавать однородное магнитное поле напря-
напряженностью в 1,6- \СРа/м при зазоре 22 мм.
Согласно F.3) сила Fx, действующая на исследуемый образец,
пропорциональна градиенту магнитного поля. Для получения гра-
градиента используют две медные ленты Л сечением 10—15 мм2. Их
ориентируют в горизонтальном положении вдоль лицевых поверх-
поверхностей наконечников перпендикулярно оси у. По этим лентам, ко-
которые соединены между собой последовательно, пропускают по-
104
Рис. 43. Профиль полюсных наконечников
н схема распределения магнитного поля
в установке Сексмнта
стоянный ток в одном направлении. Он создает градиент магнит-
магнитного поля по оси х, имеющий вид, изображенный на рис. 43.
Градиент поля имеет, как видно, плоский максимум в центре
(протяженностью несколько миллиметров) и изменяется в этой
области в пределах 1 мм меньше чем на 0,0005. Это позволяет
применять образцы значительной длины. Вдоль оси у также суще-
существует градиент магнит- х
ного поля, который уве-
увеличивается по мере при-
приближения к лентам, так
что и в этом направлении
образец находится в не-
неустойчивом состоянии.
Для того чтобы обра-
образец не перемещался вдоль
оси у, применяют специ-
специальное приспособление в
виде плоских спиралей, выполненных из тонкой фосфористой брон-
бронзы. Иногда используют тонкие ленточки из того же материала
длиной 100—150 мм и поперечного сечения 1X0,02 мм2. Концы их
следует прикреплять к неподвижной подставке, а середину — к мо-
молибденовому стержню подвеса. Это дополнительное устройство
практически не уменьшает чувствительности весов, но зато обеспе-
обеспечивает только вертикальное перемещение образца.
Если измерение проводят при комнатных температурах, то
можно использовать тонкую шелковую нить. Данный метод полу-
получения неоднородного магнитного поля отличается от описанных
выше тем, что здесь градиент поля создается независимо от на-
намагничивающего поля и поэтому он не меняется с изменением по-
последнего. Держатель образца делается из кварца или молибдена.
Кварцевый держатель имеет вид небольшой чашечки, куда поме-
помещается исследуемый образец, имеющий форму сферы диаметром
1,5—2,5 мм или эллипсоида вращения того же диаметра и длиной
5 мм. Удобно пользоваться молибденовым металлическим держа-
держателем, который представляет собой небольшой стаканчик (диа-
(диаметром 2—3 мм, длиной 5 мм) с навинчивающейся крышкой. Та-
Такой держатель позволяет исследовать ферромагнитные вещества
в виде порошков. К держателю образца прикрепляется молибде-
молибденовый или кварцевый стержень, второй конец которого жестко
крепится к нижней части упругого кольца.
Для того чтобы на систему не действовала механическая виб-
вибрация, монтируется масляный демпфер, к нижней части кольца
прикрепляют небольшую пластинку из слюды, которую опускают
в цилиндр с маслом.
Так как градиент магнитного поля, создаваемый лентами, про-
пропорционален току в них и в сильной степени зависит от его вели-
величины, то при исследовании необходимо точно знать значение тока.
Величину тока в методе Сексмита измеряют потенциометрическим
105
методом, по падению напряжения на эталонной катушке сопротив-
сопротивления 0,01—0,001 ом. Градиент магнитного поля, создаваемого
лентами, составляет A6-^-24)• 102 а/м/мм.
Чтобы три измерениях исключить ошибку, которая появляется
из-за неоднородности магнитного поля (обусловленной недостаточ-
недостаточной обработкой полюсов и образцов), определяют двойное откло-
отклонение, получающееся при изменении направления тока в градиент-
градиентных лентах. Как показал опыт, двойное отклонение пропорцио-
пропорционально силе, действующей на образец, во всем интервале
измерений. Такой способ измерения отклонения не требует учиты-
учитывать нулевого положения системы. Метод Сексмита дает возмож-
возможность измерять намагниченность насыщения в широком интервале
температур, начиная от гелиевых и до высоких, порядка 2000° К-
Исследования в области высоких температур легко осуществить
в вакууме или в инертных средах, что значительно повышает точ-
точность измерения. Точность измерения зависит также от точности
определения силы тока в градиентных лентах. При измерении на-
намагниченности этим методом необходимо учитывать поправку на
действие «магнитного изображения».
Так как в этом методе используют образцы небольших разме-
размеров, его удобно применять в том случае, когда из исследуемого
вещества нельзя изготовить больших образцов (тороиды, стерж-
стержни, эллипсоиды и т. д.). Установку градуируют при помощи стан-
стандартного образца чистого железа или никеля, для которых извест-
известна намагниченность насыщения при определенной температуре.
Для большей точности намагниченность градуировочных образцов
рекомендуется измерять другим способом, например баллистиче-
баллистическим.
В динамическом методе Поттера [17] исследуемый образец в
виде шарика жестко закрепляют в магнитном поле, однородность
которого нарушается при намагничивании образца. Если около
образца поместить небольшую катушку с током, то на нее будет
действовать сила, которую можно измерить при помощи весов.
Метод Поттера позволяет исследовать магнитные свойства ферро-
ферромагнитных веществ под действием различных воздействий.
Для измерения небольших значений намагниченности при низ-
низких температурах Аррот и Голдман [15] применили нулевой метод
измерения. В их установке на цилиндрический образец надевается
катушка. Образец вместе с катушкой помещают в однородное маг-
магнитное поле, чтобы нормаль к площади сечения катушки была
параллельна полю. Регулируя ток через катушку, добиваются,
чтобы индукция была однородной и имела то же значение, как и
без образца. Это состояние системы регистрируется по отсутствию
сигнала в цепи двух приемных катушек. В обмотках этих кату-
катушек, намотанных на одной трубке, токи имеют противоположное
направление. Внутри этой трубки передвигается образец с катуш-
катушкой. С помощью этого метода можно измерять намагниченность
от 10-8 до Ю-1 тл.
106
Намагниченность насыщения ферромагнитных материалов в
интервале температур от 4,2 до 77°К можно измерить по методу,
который предложили В. Е. Роде и Р. Германн [21]. Этот метод
исключает ошибку, обусловленную изменением сопротивления из-
измерительной катушки при колебаниях температур образца. Для
того чтобы измерительная катушка всегда находилась при посто-
постоянной температуре, она отделяется от образца тонким металличе-
металлическим госудом Дьюара, состоящего из двухстенной металличе-
металлической трубки, которая внизу открыта, а вверху закрывается клапа-
клапаном. В верхней части сосуд заполнен активированным углем. Из-
Измерительная катушка наматывается на внешнюю стенку сосуда
Дьюара. Температура выше гелиевой получается при помощи
печи, в которую вставляют исследуемый образец. При включен-
включенной печи жидкость, находящаяся во внутренней трубке, испаряет-
испаряется и газ вытесняет из нее остальную жидкость. После выключения
печи кран открывают и жидкость опять заполняет внутреннюю
трубку сосуда Дьюара. Спустя некоторое время образец охлаж-
охлаждается до температуры кипения жидкости, при этом измерительная
катушка всегда имеет температуру охлаждающей жидкости. На-
Намагниченность насыщения образца измеряют флюксметром.
\ § 4. ИЗМЕРЕНИЕ НАМАГНИЧЕННОСТИ
0 МАЯТНИКОВЫМ МЕТОДОМ
Намагниченность ферромагнитных веществ можно измерять
при помощи маятникового магнитометра [22, 23].
На рис. 44 показана схема установки. Маятник представляет
собой крестовину, выполненную из медных или кварцевых трубок.
На одних концах крестовины укрепляются стальные иглы /, кото-
которые опираются на агатовые подпятники 2, на других концах кре-
крестовины находятся медные успокоители 3, расположенные в зазо-
зазорах двух постоянных магнитов 4. На этих же концах имеются ба-
балансы 6, возвращающие систему в исходное состояние. Сверху в
центре крестовины крепится зеркальце 5, а снизу — трубка с цан-
цанговым зажимом 7. С помощью этого зажима с крестовиной со-
соединялась кварцевая трубка 8, на конце которой расположена
компенсирующая катушка 9, выполненная из пенопласта или алю-
алюминия. Диаметр катушки 10—12 мм, а число витков 5000—6000,
намотанных проводом ПЭВ толщиной 0,05 мм.
Исследуемый образец, расположенный внутри компенсирующей
обмотки, помещается в неоднородное магнитное поле. Если обра-
образец будет обладать некоторым магнитным моментом, то на него
будет действовать сила. Пропуская по компенсирующей катушке
ток определенной величины, магнитный момент образца можно
скомпенсировать магнитным моментом катушки. Тогда маятник
возвратится в нулевое положение, что можно зафиксировать с
помощью осветительного устройства. Намагниченность образца
определяют по величине тока, протекающего по катушке в нуле-
нулевом положении.
107
Для того чтобы магнитные моменты образца и катушки были
равны, должны быть равны и эффективные градиенты полей, дей-
действующие на них. Этого можно достичь только при определенной
конфигурации полюсных наконечников. В данном случае лучше
использовать полюсные наконечники, показанные на рис. 17,л.
Рис. 44. Схема маятникового магнитометра:
/ — стальные иглы, 2 — агатовые подпятники, 3 — медные успокои-
успокоители, 4— постоянные магниты, 5—зеркало, 6 — балансы, 7 — цан-
цанговый зажим, 8 — кварцевая трубка, 5 — компенсирующая катушка,
10—осветительное устройство, 11— полюса электромагнита
Градиент поля при данной форме полюсных наконечников равен
приблизительно 3,5% от индукции и остается постоянным при
всех напряженностях магнитного поля с точностью до 0,5%. Дан-
Данный магнитометр позволяет измерять намагниченность сильно-
сильномагнитных веществ от 77 до 300°К- Если компенсационные катуш-
катушки вынесены выше образца, то можно проводить измерения 'при
высоких температурах.
§ 5. ИЗМЕРЕНИЕ НАМАГНИЧЕННОСТИ
В СИЛЬНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПОЛЯХ
В последнее время в связи с развитием техники по созданию
импульсных магнитных полей появились работы, в которых про-
проводили измерения намагниченности в импульсных полях. Пока
наибольшее распространение получил индукционный метод [24,25].
При этом методе внутри соленоида, создающего магнитное поле,
находятся две измерительные катушки, включенные дифференци-
108
ально. В одну из катушек вставляют исследуемый образец. При
включении импульсного поля в катушке с образцом индуктирует-
индуктируется э.д. с, пропорциональная изменению величины индукции по
времени, а в другой — изменению поля. Таким образом, при диф-
дифференциальном включении будет измеряться э. д. с, пропорцией
Рнс. 45. Схема измерительного устройства:
/ — импульсная намагничивающая катушка,
2 — образец, 3 — датчик поля, 4 — фарфоро-
фарфоровый стержень, 5 — электромагнитный дат-
датчик, 6 — магнитные и электрические экраны,
7 — микрометрический винт, 8 — дифферен-
дифференцирующая цепочка, 9 — интегрирующая це-
цепочка, 10 — осциллограф
нальная изменению намагниченности. Если осуществить интегри-
интегрирование с помощью ^С-цепочки, то на экране осциллографа мож-
можно получить магнитную индукцию В, напряженность магнитного
поля Н и намагниченность образца.
Наиболее перспективный метод измерения намагниченности в
импульсных полях — пондеромоторный, используется в схеме уста-
установки (рис. 45), созданный на физическом факультете МГУ Жегу-
новым, Кадомцевой и Левитиным [26].
Импульсное магнитное поле создается в катушке из бериллие-
вой бронзы 1, когда через нее разряжают батарею конденсаторов
емкостью 1500 мкф с максимальным напряжением 5 кв. Напря-
109
женность магнитного поля на расстоянии х от ее середины на оси
катушки рассчитывают по формуле
F.4)
где Ямакс — амплитуда поля в середине катушки, Го — период раз-
разряда, а — декремент затухания, t — время. Силу в данной установ-
установке измеряли электромагнитным датчиком — наушником от слухо-
слухового аппарата. Исследуемый образец соединяли с мембраной дат-
датчика тонким фарфоровым стержнем.
Положение образца 2 в катушке фиксировали микрометриче-
микрометрическим винтом 7. Для получения сигнала, пропорционального силе
втягивания образца, э. д. с. на выходе датчика дифференцируется
/?1Сгцепочкой и подается на один из входов двухлучевого импульс-
импульсного осциллографа. На второй вход осциллографа подается сиг-
сигнал с измерительной катушки напряженности магнитного поля,
предварительно проинтегрированный ^гОг-цепочкой.
Величина удельной намагниченности а определяется формулой
с @ =
w
KmH(t)
F.5)
где v(t)—напряжение на входе осциллографа, т — масса образ-
образца, К — постоянный коэффициент.
Коэффициент К определяют по эталонному образцу с извест-
известной намагниченностью, при этом устанавливается зависимость этого
коэффициента от положения образца в катушке. Ошибка измере-
измерения намагниченности данным методом не превышает 10%.
На пондеромоторном методе основана также установка, описан-
описанная в работе [27]. Схема этой установки изображена на
рис. 46. Исследуемый образец /, имеющий форму сферы0~1 мм
или цилиндра того же диаметра и длиной не более 10 мм, при-
приклеен эпоксидной смолой к нижнему концу кварцевой трубки 2,
расположенной коаксиально соленоиду 15. Верхний конец труб-
трубки 2 с помощью цанги из оргстекла 4 прикреплен к биморфному
пьезоэлементу 5, имеющего форму диска, закрепленного по внеш-
внешнему контуру в корпусе 8. Пьезоэлемент изготовлен из поляризо-
поляризованной пьезокерамики типа ЦТС-19 и имеет 0 23 мм и толщину
--1 мм.
Пондеромоторная сила, действующая на образец, создает на
контактах пьезоэлемента разность потенциалов, которая после уси-
усиления используется для вычисления намагниченности образца.
При включении магнитного поля в обмотке соленоида создаются
огромные механические напряжения, которые возбуждают в' си-
системе соленоида собственные колебания. Эти колебания передают-
передаются на датчик, который начинает совершать колебания, что приво-
приводит к появлению на выходе Датчика паразитного сигнала, дости-
достигающего до 10% от полезного сигнала.
110
Для ликвидации сигнала, возникающего при паразитных коле-
колебаниях системы в конструкции датчика, введен компенсирующий
пьезоэлемент 6 с цангой 7 и кварцевой трубкой 9. Пьезоэлементы
5 и 6 идентичны, а трубки 2 и 9 имеют одинаковые массы. Пьезо-
Пьезоэлементы включаются на вход усилителя 12 таким образом, чтобы
сигналы, возникающие на них под влиянием вибрации, взаимно
Рис. 46. Схема установки для измерения намаг-
намагниченности в импульсных полях:
/ — исследуемый образец, 2 н 9 — кварцевая
трубка, 3 — измерительные катушки, 4 и 7 — цан-
цанги, 5, 6— пьезоэлемент, 8— корпус из оргстекла,
10 — микрометрический винт, // — металлический
корпус, 12 — усилитель, 13 — осциллограф, 14 —
ЯС-цепь, 15 — соленоид, 16 — корпус соленоида
уничтожались. Датчик с помощью микрометрического винта 10
можно перемещать вдоль оси соленоида. Настоящая установка
позволяет получать кривую зависимости пондеромоторной силы от
напряженности магнитного поля с точностью до постоянного коэф-
коэффициента К
Ъ- F-6)
111
Для исключения величин К и снимают зависимость F(H)
dz
для образца с известной намагниченностью, например никеля,
который помещают в ту же точку внутри соленоида, что и иссле-
исследуемый образец. Тогда получаем соотношение, при помощи кото-
которого по кривым F(Я) вычисляют намагниченность исследуемого
образца
в{Н) =
F(H)
т
F.7)
где /7(Я)эт, Оэт и тэт — для эталонного образца.
Образец внутри соленоида может перемещаться при помощи
микрометрического винта, при этом рабочую точку выбирают на
некотором расстоянии от центра соленоида, где поле максимально,
а градиент поля равен нулю. Центр определяют с точностью до
0,05 мм по нулевому сигналу датчика.
Чувствительность рассмотренной установки зависит от при-
применяемого пьезоэлемента, при этом чувствительность тем вы-
выше, чем дальше от центра расположен образец и чем боль-
больше величина магнитного поля. Следует, однако, иметь в виду, что
с увеличением расстояния от центра соленоида растет неоднород-
неоднородность поля и, следовательно, погрешность в определении величины
намагниченности. При измерении намагниченности с погрешно-
погрешностью не более 10% неоднородность поля вдоль образца не долж-
должна превышать 1—2%. Для образца размером 1 мм это требование
можно выполнить, если расположить образец не дальше 5 мм от
центра соленоида.
При измерении намагниченности с помощью этой установки
необходимо обратить особое внимание на регистрацию сигналов
пьезоэлектрического датчика. В данной установке эта регистрация
осуществлялась следующим способом. Как известно, под действи-
действием внешней силы пьезоэлемент датчика деформируется, при этом
на пьезоэлементе возникает заряд, пропорциональный деформа-
деформации, а следовательно, и измеряемой величине. Пьезоэлемент вклю-
включают на вход электрометрического каскада с входным сопротив-
сопротивлением RBX, которое выбирают таким, чтобы длительность импуль-
импульса внешней силы, действующей на пьезоэлемент (тим=1 • 10~2 сек),
была много меньше произведения RBX-Cn, где Са — емкость пьезо-
пьезоэлемента. Выполнение этого условия необходимо, чтобы за время
импульса заряд пьезоэлемента не успевал стекать через входное
сопротивление. При /?вх=109 ом и Са= 10000 пф искажения, обус-
обусловленные разрядом емкости пьезоэлемента через входное сопро-
сопротивление электрометрического каскада, составляют десятые доли
процента, т. е. ими можно пренебречь. С выхода электрометриче-
электрометрического каскада сигнал поступает на вход усилителя постоянного
тока, а затем на одни пластины осциллографа. На другие плас-
пластины поступает импульс, пропорциональный Н, сформированный
112
пробной катушкой 3 и интегрирующей 7?С-цепочкой, при этом на
осциллографе чертится кривая зависимости измеряемого эффекта
от задаваемого поля.
§ 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СПОНТАННОЙ
НАМАГНИЧЕННОСТИ И ФЕРРОМАГНИТНОЙ
ТОЧКИ КЮРИ
Рассмотренные нами прецизионные методы измерения дают
возможность определять спонтанную намагниченность, которая,
как известно, является одной из важнейших характеристик ферро-
ферромагнитного вещества. Особый интерес представляет знание зави-
зависимости спонтанной намагниченности от температуры и структу-
структуры вещества. Спонтанную намагниченность можно определять не-
несколькими методами.
Если известна зависимость намагниченности от напряженности
магнитного поля, то в области температур, не очень близких к
точке Кюри, экстраполяция ее линейной части при Я = 0 дает зна-
значение спонтанной намагниченности. Можно эту величину опреде-
определить на основании закона подхода к насыщению, для чего исполь-
используют известную формулу, которая имеет вид
F.8)
где / — намагниченность насыщения при данной температуре, /s —
спонтанная намагниченность, а — константа, связанная с процес-
процессом технического намагничивания.
Эти два метода, как правило, применяются при низких темпера-
температурах (Г<0/).
При температурах, лежащих в непосредственной близости к
ферромагнитной точке Кюри, большую роль играет истинная на-
намагниченность, зависимость которой от напряженности магнитного
поля может иметь сложный характер. Определение величины /s
вблизи 0/ может быть выполнено на основании изучения магнито-
калорического эффекта или методом «линии равной намагничен-
намагниченности», который был предложен Вейссом и Форрером [10]. По это-
этому методу при различных полях определяют зависимость в от Т,
а затем графически находят температуру, при которой намагни-
намагниченность о имеет равную величину. Строят кривые Я=f(T)a=Const
и при Я = 0 определяют значение температуры, которая соответ-
соответствует одинаковым значениям намагниченности. Эта величина чис-
численно равна спонтанной намагниченности вещества.
Изменение температуры вещества вблизи 0/ при адиабатиче-
адиабатическом намагничивании связано со спонтанной намагниченностью
следующим соотношением:
где С
ДГ = С (/2
числовой коэффициент [2].
F.9)
113
Таким образом, зная зависимость магнитокалорического эф-
эффекта ДГ от /2, которая имеет в сильных полях линейный вид, и
экстраполируя ее на ось абсцисс, можно найти значение квадрата
спонтанной намагниченности. Этим методом была определена
температурная зависимость спонтанной намагниченности у никеля
[14], железа [20] и у некоторых сплавов медно-никелевой системы
[17]. Величину спонтанной намагниченности можно также опреде-
определять по гальваномагнитному эффекту и по данным измерения
магнитострикции парапроцесса.
Белов и Горяга [1] предложили определять спонтанную намаг-
намагниченность вблизи ферромагнитной точки Кюри из кривых истин-
истинного намагничивания, по так называемому методу термодинамиче-
термодинамических коэффициентов. Термодинамическое рассмотрение ферромаг-
ферромагнитного превращения приводит к определенной зависимости между
намагниченностью и напряженностью магнитного поля, которая
имеет вид
a_)_p/2 = At F.10)
где а и р — термодинамические коэффициенты, зависящие в общем
случае от температуры и давления. Экстраполяция прямых — =
=/(/2) до пересечения с одной из осей, на которой отложены /2,
дает величину квадрата спонтанной намагниченности.
Для характеристик магнитных веществ большое значение имеет
ферромагнитная температура Кюри, при которой спонтанная на-
намагниченность становится равной нулю. Температуру Кюри можно
определить из чисто магнитных измерений. Экспериментально
одним из описанных выше методов находят температурную зави-
зависимость намагниченности и из крутой части кривой a=f(T) мето-
методом экстраполяции этой зависимости к оси Т определяют темпе-
температуру Кюри.
В практике для определения температуры Кюри часто исполь-
используют магнитометрические измерения, когда 0/ находится по мак-
максимуму намагниченности в слабых полях 200—400 а/м или по
максимуму производной намагниченности от температуры в более
сильных полях. При этих измерениях исследуемый образец поме-
помещают в нагревательную печь, которая расположена внутри намаг-
намагничивающей катушки магнитометра. После размагничивания об-
образца задают значение магнитного поля и замечают отклонение
по шкале магнитометра, которое будет пропорционально намагни-
намагниченности образца. Медленно нагревая образец, через определенные
промежутки времени записывают величину отклонения.
Эффект возрастания восприимчивости ферромагнетиков в сла-
слабых магнитных полях с ростом температуры может быть исполь-
использован для определения точки Кюри, если применить слабое пере-
переменное магнитное поле. Для этой цели используют намагничиваю-
намагничивающую катушку, которая питается переменным током с частотой
114
3 кгц. Измерительную обмотку можно намотать на кварцевую
трубку, в которую помещают исследуемый образец. Трубку вместе
с образцом помещают в переменное магнитное поле. Измерение
э. д. с. индукции, которая возникает в измерительной обмотке,
можно производить с помощью катодного вольтметра. Темпера-
Температуру Кюри фиксируют по резкому спаду показания катодного
вольтметра при нагревании исследуемого образца. Эту темпера-
температуру также можно определить при исследовании температурной
зависимости магнитострикции, гальваномагнитного эффекта, коэр-
коэрцитивной силы и других магнитных характеристик.
Герлах [18] предложил определять температуру Кюри по мак-
максимуму аномалий немагнитных физических свойств ферромагнит-
ферромагнитных веществ (теплоемкость, температурный коэффициент сопротив-
сопротивления, термо-э.д.с. и др.).
Метод термодинамических коэффициентов, примененный впер-
впервые Беловым с сотрудниками {1] для определения температуры
Кюри, основывается на том, что коэффициент а в формуле F.10)
в точке Кюри обращается в нуль. Таким образом, зная связь меж-
между намагниченностью / и магнитным полем Я, которая имеет вид
F.10), можно определить значение коэффициента а при различ-
различных температурах. Для этого строят зависимость — =fU2)- При
а = 0 получим значение температуры Кюри для данного ферромаг-
ферромагнитного материала.
В методе Фалло и Форрера (см. [4]) ферромагнитную точку
Кюри находят по измерению пары сил, которая действует на ис-
исследуемый образец, помещенный в магнитное поле. В этом методе
образец в форме цилиндра подвешивают на двух металлических
нитях, при этом ось образца составляет с направлением поля угол
45°. Вращающий момент пары сил имеет в таком положении мак-
максимальное значение. Отклонение подвижной системы приборов
отмечают при помощи зеркального отсчета. Так как при этом осу-
осуществляется компенсация внешнего поля размагничивающим по-
полем образца, то в точке Кюри имеет место резкое уменьшение от-
отклонения подвижной системы.
Таточенко и Лындйн [8] разработали фазовоимпульсный метод
определения температуры Кюри. В их методе исследуемый образец
помещается в соленоид, индуктивность которого в точке Кюри рез-
резко меняется. Другие методы определения ферромагнитной точки
Кюри описаны в работах [3, б, 7, 19, 20].
ЛИТЕРАТУРА
1. Белов К. П., Горяга А, Н. ФММ, 2, № 1, 3, 1956.
2. Вой со веки й С. В., Шур Я. С. Ферромагнетизм. М.—Л., ГИТТЛ,
1948.
1947.
3. ГрабовскийМ. А., Скоробогатов В. И. Завод, лаб., 1, 52,
1956.
4. Д о р ф м а и Я. Г. Магнитные свойства и строение вещества. М., ГИТТЛ,
115
5. Иорш М. В. Сб. тр. Моск. вечерн. металлург, ин-та, вып. 2, 274, 1957.
6. Кондорский Е. И., Федотов Л. Н. Изв. АН СССР, сер. физ., 16,
№ 4, 432, 1952.
7. Ликсонов А. Изв. АН Латв.ССР, № 7, 41, 1961.
8. Т а т о ч е н к о Л. К., Л ы н д и н В. В. Завод, лаб., 23, № 1, 61, 1957.
9. Тульчинский Л. 3. Завод, лаб., 26, № 2, 232, 1960.
10. Weiss P. et F о г г е г R. Ann. phys., 12, 279, 1929.
11. Weiss P. et Forrer R. Ann. phys., 5, 153, 1926.
12. P a u t h e n t R. Ann. phys., 7, 710, 1952.
13. Neel L. Ann. phys., 3, 137, 1948.
14. Sucksmith W., Clark С A., Oliver O. J. Thompson J E.
Rev. Mod. Phys., 25, No. 1, 34, 1953.
15. A r rot t A., Goldman J. E. Rev. Sci. Instr., 28, No 2, 99 1957
16. Weiss P., F о r r e r R. Compt. Rend., 188, 663, 1929.
17. Potter H. H. Proc. Roy. Soc, 146, 362, 1934.
18. G e r 1 а с h W. Zs. Elektrochem., 45, 151, 1939.
19. Гербер Р., Завета К. Чехосл. физ. журн., 10, № Ц, 811, 1960.
20. С h у п о w e t h A. G. J. Appl. Phys., 29, No. 3, 563, 1958.
21. Роде В. Е., Герма нн Р. Научн. доклады Высш. школы, фнз.-ма
тем. н., № з, 148, 1959.
22. D о m е п i с а 1 i С. A. Rev. Sci. Instr., 21, 327, 1950.
23. П о л я к о в В. П. ПТЭ, № 5, 190, 1963.
24. Jacobs 1., Z a wren се P. Rev. Sci. Instr., 28. 713, 1958.
25. 3 а в о д с к и й Э. А., Ф а к н д о в И. Г. ФММ, 12, 832, 1961.
26. Ж е г у н о в Ю. П., К а д о м ц е в а А. М., Левитин Р. 3. ПТЭ, № 3,
157, 1964.
27. П о н о м а р е в Б. К. Анизотропия и магнитострикция монокристаллов
Cd, Tb, Dy и Ег в импульсных магнитных полях до 150 кэ. Дисс. МГУ, 1967.
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
СЛАБОМАГНИТНЫХ ВЕЩЕСТВ
Прежде чем излагать основные методы исследования слабо-
слабомагнитных веществ, следует кратко остановиться на свойствах
диамагнетиков и парамагнетиков, а также рассмотреть основные
закономерности, которым подчиняются ферромагнитные материа-
материалы в парамагнитной области.
К диамагнетикам относятся все инертные газы, многие метал-
металлы (медь, серебро, цинк и др.) и некоторые металлоиды (кремний,
фосфор и др.; см. табл. VI приложения). Атомная магнитная вос-
восприимчивость диамагнетиков отрицательна и по абсолютной вели-
величине очень мала и практически не зависит от температуры.
Согласно классической теории, диамагнитные свойства слабо-
взаимодействующих атомов и молекул появляются в результате
того, что электронная оболочка их начинает прецессировать вокруг
направления постоянного магнитного поля с некоторой угловой
скоростью. В результате этого появляется дополнительный маг-
магнитный момент, направленный против поля. Атомная диамагнитная
восприимчивость в этом случае определяется по формуле
6m
G.1)
л=1
где z — число электронов данного атома, N — число Авогадро,
т — масса электрона, е — заряд электрона и г\ —среднее по вре-
времени значение квадрата проекции радиуса электронной орбиты
[13, 17].
Квантовомеханическая теория диамагнетизма, разработанная
Ван-Флеком [38], дает такую же формулу для атомной диамагнит-
диамагнитной восприимчивости, с той только разницей, что вычисления г2п
производятся по законам квантовой механики. Диамагнетизм ме-
металлов как в твердом, так и в жидком состоянии обусловлен не
только ионами кристалла, но и электронами проводимости.
117
Ландау [24] рассмотрел действие магнитного поля на свободные
электроны и получил формулы для диамагнитной восприимчиво-
восприимчивости электронного газа:
G.2)
где цв — магнетон Бора, h — постоянная Планка и п — число элек-
электронов в единице объема.
Эта формула была получена без учета действия периодического
поля решетки на электроны проводимости. В действительности
диамагнитная восприимчивость металлов состоит из трех частей:
диамагнитной восприимчивости ионов, восприимчивости электро-
электронов проводимости и восприимчивости, зависящей от величины и
характера взаимодействия электронов и ионов в кристаллической
решетке.
Многочисленными исследованиями было также показано, что
диамагнитная восприимчивость многих металлов в области низких
температур зависит от напряженности магнитного поля [6, 7, 13,
39].
Парамагнитными свойствами обладают те вещества, атомы ко-
которых имеют постоянный магнитный момент независимо от нали-
наличия внешнего магнитного поля. Тепловое движение мешает ориен-
ориентации этих магнитных моментов. Поэтому намагниченность у пара-
парамагнетиков возникает только при действии внешнего магнитного
поля, при этом / линейно зависит от Я. Порядок величины вос-
восприимчивости парамагнетиков да 10~3—10~6.
Классическая и квантовомеханическая теория парамагнетизма
приводит к одному и тому же выражению для парамагнитной вос-
восприимчивости, которая подчиняется закону Кюри:
G.3)
3kT
где q — фактор Ланде, k — постоянная Больцмана, / — квантовое
число, равное векторной сумме орбитального квантового числа /
и спинового квантового числа s.
Постоянная Кюри
С = -— |л0 [V-2Bq2] (I + !)]• G-4)
Из экспериментальных данных можно найти величину С, а за-
затем по формуле G.3) нетрудно рассчитать число магнетонов, при-
приходящихся на атом вещества
Pp = qVj(i+l)- G.5)
Исследования температурной зависимости магнитной восприим-
восприимчивости нормальных парамагнетиков, а также ферромагнитных
118
металлов и сплавов выше ферромагнитной точки Кюри показы-
показывают, что их восприимчивость в большинстве случаев следует
более сложному закону Кюри—Вейсса
С
T — Qp
G.6)
где 0Р — парамагнитная точка Кюри.
Пока наиболее подробно изучена температурная зависимость
парамагнитной восприимчивости никеля и его сплавов с неферро-
неферромагнитными компонентами. Экспериментально установлено [40],
что для этих сплавов парамагнитная восприимчивость изменяется
с температурой по более сложному закону, чем G.6), а именно
X = Ik + ¦
G.7)
где ха — восприимчивость, не зависящая от температуры.
Систематические данные о восприимчивости никелевых спла-
сплавов в парамагнитной области, приведенные в работах [12, 32], по-
показывают, что даже для никеля справедлив закон G.7), а не
G.6).
Парамагнитная восприимчивость свободного электронного га-
газа, как известно, у большинства парамагнитных металлов не зави-
зависит от температуры. Эта восприимчивость определяется теоретиче-
теоретическим соотношением
G.8)
Парамагнитная восприимчивость ферромагнитных соединений, к
которым, в частности, относятся ферриты, следует не закону
Кюри—Вейсса, а закону Нееля, который имеет вид [41]
Т_
С
1
Хо
г —е'
G.9)
где константы С, хо> 6 и в зависят от состава феррита.
Квантовомеханическая теория парамагнетизма ферритов, пред-
предложенная Власовым и Ишмухаметовым [9], дает ту же темпера-
температурную зависимость обратной величины восприимчивости, что и
формула G.9).. Многочисленные исследования температурного
хода восприимчивости, выполненные рядом авторов [11, 33, 34,42],
показали, что соотношение G.9) как для простых, так и для сме-
смешанных ферритов выполняется в широком температурном интер-
интервале. Эти исследования позволили установить определенные зако-
закономерности для констант, входящих в формулу G.9).
119
§ 1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ
Методы измерения магнитной восприимчивости слабомагнит-
слабомагнитных веществ могут быть разбиты на две группы. Большинство ме-
методов, основанных на измерении механической силы, которая дей-
действует на образец, помещенный в неоднородное магнитное поле,
можно отнести к первой группе. В этом случае на тело с магнит-
магнитным моментом М в неоднородном магнитном поле действует сила,
составляющая которой по оси а (а = х, у, z) равна
fa=M-^-. G.10)
da
отсюда
Так как магнитный момент определяется формулой
или
— ат — т%Н,
G.11)
где т — масса образца, а — удельная намагниченность, то соотно-
соотношение G.10) при а = 2 можно записать в виде
ли
G.12)
dz '
Если учесть восприимчивость воздуха, тогда формула примет
вид
dH
dz'
G.13)
где %i и %2 — соответственно магнитная восприимчивость образца
и воздуха.
Таким образом, измерив величину силы fz и зная Н —, не
dz
трудно найти значение магнитной восприимчивости исследуемого
образца. В методе Фарадея исследуемый образец помещается не-
непосредственно в область максимального градиента поля и размер
образца выбирается таким, чтобы в его объеме градиент поля су-
существенно не изменялся.
В настоящее время имеются различные модификации метода
Фарадея, которые отличаются только способом измерения силы,
действующей на образец.
Относительные измерения можно проводить без определения
величин Н . В этом случае используется вещество с известной
dz
магнитной восприимчивостью, тогда
G.14)
G.15)
где х и Хо— соответственно удельная восприимчивость исследуе-
исследуемого вещества и эталона, т и т0 — масса исследуемого вещества
и эталона.
При проведении относительных измерений следует помнить,
что исследуемое вещество и эталонный образец всегда должны
помещаться в одну и ту же область поля с заданным значением
п . Практически удовлетворить этому условию можно, если
dz
н
dH
dz
= /(*)
будет иметь при некоторых значениях z максимальную величину
Н , которая слабо изменяется в определенном объеме. К отно-
dz
сительным методам измерения магнитной восприимчивости отно-
относится также метод Гуи, при применении которого образец делают
в виде длинного цилиндра, один конец образца помещается в об-
область максимального поля, а другой — в область, где поле прак-
практически равно нулю. Сила, действующая на образец, в этом случае
равна
/ = -A-xtf*S, G.16)
где S — площадь поперечного сечения образца.
Если нельзя пренебречь напряженностью поля у внешнего кон-
конца образца и восприимчивостью окружающей среды, то вместо
формулы G.16) следует пользоваться более точной формулой, а
именно
120
где 3Ci и Х2 — объемная восприимчивость образца и окружающей
среды, Hi и #2— значения напряженности поля соответственно в
точках / = 0, l = L (L — длина образца). Все измерения при данных
методах, как правило, проводят в сильных постоянных магнитных
полях.
Методы второй группы основаны на определении изменения
коэффициента взаимо- или самоиндукции катушки, когда в нее
вводится исследуемый образец. В высокочастотном диапазоне ис-
используют высокочастотный ламповый генератор, а в области сла-
слабых низкочастотных полей низкочастотный мост. Методы измере-
измерения магнитной восприимчивости этой группы пока еще не получи-
получили должного распространения, что, по-видимому, объясняется на-
121
личием различных экспериментальных трудностей. Между тем они
могут быть с успехом применены при изучении влияния давления
на магнитные свойства как диа- и пара-, так и ферромагнитных
веществ.
Особую группу методов измерения слабомагнитных веществ
могут составить методы, относящиеся к определению магнитной
восприимчивости жидкостей и газов. Некоторые из этих методов
будут описаны ниже.
§ 2. МЕТОД ФАРАДЕЯ —СЕКСМИТА
Весы Сексмпта, основанные на методе Фарадея, получили
сравнительно широкое распространение при измерении восприим-
восприимчивости слабомагнитных веществ [35, 43].
Рис. 47, а — Схема весов Сексмита.
б—Профиль полюсных наконечников
и распределение магнитного поля:
К — упругое кольцо, Afi и М2 — зер-
зеркала, 5i и S2 — плоские спиральные
пружины из фосфористой бронзы,
О — образец, Т — термопара, П —
электрическая печь, ЭМ — небольшой
электромагнит, Р — площадка
Силу, действующую на образец, измеряют при помощи упруго-
упругого кольца, изготовленного из фосфористой или бериллиево-бронзо-
вой ленты. Принципиальная схема дана на рис. 47, а.
Кольцо К расположено в вертикальной плоскости и закрепле-
закреплено в наивысшей своей точке. К нижней части кольца жестко кре-
крепится кварцевый стержень, на нижнем конце которого находится
исследуемый образец. Образец можно поместить в ампулу или
небольшой стаканчик, который изготовляют из молибденового или
кварцевого стекла. Вследствие действия на образец неоднородно-
неоднородного магнитного поля возникает сила, которая направлена вниз. Эта
сила деформирует кольцо. Для определения силы в двух точках
122
кольца служат два зеркала М\ и М.^. Луч света от источника, па-
падая на одно из зеркал, отражается от другого и попадает в оку-
окулярный микрометр катетометра, который позволяет определить
смещение зайчика с точностью до 0,0001 мм.
Рассмотрим радиальное смещение U в какой-либо точке коль-
кольца. Это смещение, вызванное действием силы /, равно [43]
fr3
AIE
8 sin 6 + cos 6
_L1
G.17)
где г — радиус кольца, /—момент инерции, Е — модуль Юнга ма-
материала, из которого сделано кольцо, Э — угол между направле-
направлением радиуса вектора, проведенного из центра кольца в данную
точку к горизонтальной линии.
Смещение U\ нижней точки кольца определяется, как видно,
непосредственно из G.17). Полагая 9 = 90°, получим
,, /r! fit А ) _Г0,298/т3
2IE
j n 4 11
2EI
G.18)
При деформации кольца касательная, проведенная в какой-
либо его точке, изменяет свое положение на угол ф, который в
первом приближении равен
G.19)
dQ
AIE
Угол ф имеет максимальное значение при в«49°.
В этом случае
_^ 0,561/т'
Фт 41Е '
G.20)
Если на расстоянии D от зеркала М.2 поместить шкалу, то смеще-
смещение зайчика по этой шкале будет равно
-2d), G.21)
G.22)
где d — расстояние между зеркалами Mi и
Используя формулу G.19), получаем
AIE
Таким образом, отношение смещения зайчика к смещению
образца будет
U __ 0,943(AD
G.23)
Если г = 25 мм, D*=100 см, то линейное смещение по шкале
примерно в 150 раз больше смещения образца. При использовании
катетометра типа К.М-5, как мы уже отмечали, отсчет можно про-
123
изводить с точностью до 0,0001 мм, что соответствует ^7-10~6 мм
смещению образца. Толщина кольца обычно составляет от 0,05 до
0,1 мм при ширине 2—3 мм.
Для того чтобы избежать прилипания образца к одному из
полюсов электромагнита, кварцевый стержень укрепляют двумя
плоскими спиральными пружинами Si и S2 специальной формы из
тонкой фосфористой бронзы толщиной 0,05 мм. Для этих целей
можно использовать также ленту из того же материала толщиной
0,01—0,02 мм или тонкую шелковую нить. Это добавочное устрой-
устройство незначительно уменьшает чувствительность установки.
Одной из трудностей метода Фарадея является получение не-
неоднородного магнитного поля с постоянным градиентом по край-
крайней мере на длине, равной линейным размерам образца. Такое не-
неоднородное поле получается с помощью профильных конических
наконечников электромагнита, показанных на рис. 47,6. Поверх-
Поверхность наконечников делят на три равные части. Верхняя и ниж-
нижняя части Л и С расположены перпендикулярно горизонтальной
оси полюсов (оси у), а средняя имеет срез под малым углом
(«5Э). Исследование топографии поля при таких наконечниках
показало, что максимальное значение градиента поля получается
приблизительно в середине полюсного зазора, куда и помещается
исследуемый образец.
Как видно из рис. 47,6, область, где значение градиента при-
приблизительно постоянно, имеет ограниченные размеры («2—2,5 мм),
поэтому при измерениях необходимо точно фиксировать положе-
положение образца, размеры которого следует брать не более 2,5 мм.
Чтобы поместить образец в область максимального значения гра-
градиента, нужно при помощи специального приспособления переме-
перемещать его вместе с упругой системой по вертикали (ось х) и фикси-
фиксировать его положение. Кроме того, положение образца может быть
проверено экспериментальным путем. Для этой цели изменяют по-
положение образца в межполюсном пространстве по оси х и опреде-
определяют наибольшее отклонение упругой системы. Это соответствует
положению образца в области максимального градиента. Такой
контроль за установкой образца следует осуществлять всякий раз
перед началом измерений.
При градуировке поля электромагнита рекомендуется прежде
всего определить произведение Н . Для этой цели в качестве
ах
эталона можно взять соли с известными магнитными восприимчи-
востями.
Определение напряженности магнитного поля осуществляется
баллистическим методом. Топографию поля изучают при помощи
магнитного полемера. Градуировку кольца выполняют грузами
известной массы, которые электромагнитом ЭМ помещают на гра-
дуировочную площадку Р, жестко связанную с упругим кольцом.
Построив градуировочный график и определив упругую постоян-
124
ную k кольца, можно определять силу, которая деформирует коль-
кольцо. Эту силу определяют по формуле
/ = kja,
G.24)
где k\ — упругая постоянная кольца и а — отсчет по шкале катето-
катетометра.
Градуировку установки можно проводить также по электроли-
электролитическому никелю, восприимчивость которого неоднократно изме-
измерялась. Градуировку по никелю рекомендуется выполнять в_ ши-
широком температурном интервале от парамагнитной точки Кюри
до 1500°К и при различных значениях напряженности магнитного
поля. Это дает возможность проверить величину градиента поля.
Рассмотренный нами метод обладает достаточно высокой чув-
чувствительностью. Если использовать образцы массой 30—40 мг, то
можно получить чувствительность по удельной восприимчивости
1 • 10 на деление шкалы. Этот метод позволяет также легко осу-
осуществлять измерения парамагнитной восприимчивости металлов и
сплавов при различных температурах. Измерения можно прово-
проводить в вакууме, что необходимо при изучении магнитных свойств
веществ в области высоких температур.
При исследовании металлов и сплавов выше точки плавления
во избежание испарения образцов измерения необходимо прово-
проводить в атмосфере инертных газов, находящихся под давлением.
Для нагревания образцов применяется маленькая печь. На квар-
кварцевую или корундовую трубку диаметром 6—8 мм бифилярно на-
наматывают платиновую или вольфрамовую проволоку. Чтобы меж-
между витками намотки не было контакта, на них накладывают тон-
тонкий слой каолина или какого-либо другого жаростойкого изоля-
изоляционного материала. Нагреватель печи присоединяют к автотранс-
автотрансформатору, на который подают стабилизированное переменное
напряжение от феррорезонансного стабилизатора. Измерение тем-
температуры до 1800° осуществляется при помощи платино-платино-
родиевой термопары. Выше 1800° можно измерять температуру
оптическим пирометром [21, 31]. Измерение э. д. с. термопары про-
производят высокоомным потенциометром типа ППТВ-1. В качестве
нулевого индикаторного прибора следует применить чувствитель-
чувствительный по напряжению гальванометр. При этом второй конец термо-
термопары всегда находится при фиксированной температуре.
Для градуировки термопары применяют чистые металлы: оло-
олово, свинец, цинк, алюминий, серебро и др. Точку плавления метал-
металлов отмечают при его охлаждении, когда происходит процесс кри-
кристаллизации металла.
Установки, работающие по методу Фарадея—Сексмита, отли-
отличаются простотой конструкции и могут быть легко выполнены в
любой магнитной лаборатории. С целью повышения чувствитель-
чувствительности установки, работающей по методу Сексмита, Белова [1]
применила вместо целого кольца часть дуги кольца (около 90°).
Это дало возможность повысить чувствительность в 4 раза, при
125
этом можно было измерять смещение образца в вертикальном на-
направлении порядка 10~4 мм.
Оригинальный способ повышения чувствительности также пред-
предложен в работе [44]. Чувствительность кольца ограничивается тем,
что с уменьшением его толщины оно начинает сильно искривлять-
искривляться от веса образца, подвеса и других приспособлений. Чтобы этого
избежать, к нижней части кольца прикрепляют два поплавка, ко-
которые находятся в масле. Поплавки рассчитывают так, что сила
выталкивания остается всегда постоянной. Эта сила уравновеши-
уравновешивает общий вес кольца. Такая конструкция дает возможность не
только значительно повысить чувствительность, но и создать хо-
хорошее демпфирование всей подвесной системы весов. Демпфиро-
Демпфирование можно также осуществить по методу, который был предло-
предложен в работе [45]. В работе [108] чувствительность весов Сексмита
увеличена за счет двукратного прохождения светового луча через
систему зеркал.
Существенным недостатком метода Сексмита является то, что
исследуемый образец практически находится в магнитном поле,
градиент которого имеет постоянное значение в малом объеме.
Поэтому измерения желательно проводить нулевым методом. Пер-
Первая попытка видоизменения весов Сексмита в этом направлении
предпринята в работе [46].
§ 3. УСТАНОВКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
МАЯТНИКОВЫХ ВЕСОВ
Впервые маятниковые весы для измерения магнитной воспри-
восприимчивости в области высоких температур были предложены Вейс-
сом и Фоэксом [50]. Неоднократные усовершенствования этих ве-
весов позволили в дальнейшем измерять восприимчивости порядка
10~6 при массе образца в несколько граммов [51]. В этом методе
исследуемое вещество помещают в стеклянную трубку, которую
подвешивают на пяти нитях в горизонтальном положении таким
образом, что трубка с образцом имеет возможность перемещаться
только в одном направлении. Смещение образца фиксируют при
помощи зеркала, расположенного на трубке. Силу /, действующую
на образец, измеряют нулевым методом. Для этого используется
система двух индуктивно связанных катушек, одна из которых на-
находится на конце трубки. Пропуская ток через вторую катушку,
возвращают систему в нулевое положение и по величине тока
определяют силу /. Маятниковые весы предварительно градуиру-
градуируют по эталонному образцу, после чего магнитною восприимчивость
исследуемого вещества определяют по формуле G.12).
Остановимся более подробно на маятниковых весах с электро-
электромагнитной компенсацией и фотоэлектрической регистрацией, пока-
показанных на рис. 48, которые были разработаны Дорфманом и Си-
Сидоровым [16] и применены ими для изучения сплавов никель-
цинковой системы.
126
В их установке ампулу с исследуемым веществом О укрепля-
укрепляют на одном конце рейки Р, которая может свободно перемещать-
перемещаться только вправо и влево в плоскости чертежа. Рейку Р делают
из тонкой стеклянной трубки и подвешивают на нитях из фосфо-
фосфористой бронзы диаметром 0,01 мм и длиной 55 мм. На правом
Р:;;. 48. Схема устройства маятниковых весов с фотоэлектрической реги-
регистрацией и электромагнитной компенсацией:
О — исследуемое вещество, Р — рейка, S — нити, Ф\ я Фг — фотоэлементы.
7i и Лг — лампочки, D — демпфер, Г — гальванометр, М — постоянный
магнит, К — соленоид, п и гг — решетки
>7
когте рейки находится постоянный магнит, на который действует
магнитное поле соленоида К, помещенного в железный экран и
имеющего 2000 витков медной проволоки диаметром 0,05 мм. Со-
Соленоид К и магнит М дают возможность компенсировать смещение
рейки Р. Для устранения колебаний рейки применяют демпфер D,
а регистрация смещения ее осуществляется фотоэлектрической
системой, состоящей из двух селеновых фотоэлементов <Pt и 02,
двух лампочек Ли Л2, используемых для освещения фотоэлемен-
фотоэлементов, гальванометра Г и двух решеток Г\ и г2. Решетки изготовля-
изготовляют из медной проволоки диаметром 0,6 мм, а расстояние между
проволоками также равно 0,6 мм. Луч света от лампочки Ли
проходя через решетку, жестко закрепленную на рейке, и непо-
неподвижную решетку, попадает на фотоэлемент Фь Для компенсации
127
фототоков темноты навстречу фотоэлементу Ф; включают фото-
фотоэлемент Ф2, который освещается лампочкой Л^.
При нулевом положении подвижной системы фототок равен
нулю. Как показал опыт, максимальная чувствительность фото-
фотоэлектрической системы будет тогда, когда решетки перекрывают
наполовину. Исследование зависимости между током в соленоиде
и силой, которая вызывает перемещение рейки, показало, что она
имеет линейный вид, иначе говоря, сила тока пропорциональна
восприимчивости исследуемого вещества. Таким образом, сравни-
сравнивая токи в соленоиде для веществ с различными восприимчиво-
стями, можно определить восприимчивость исследуемого вещества
(если она известна для эталона) по формуле
т0
т
G.25)
где X') — удельная восприимчивость эталонного вещества, т — мас-
масса исследуемого вещества, т0 — масса эталонного вещества, ic и
/о — компенсационные токи в соленоиде соответственно для иссле-
исследуемого и эталонного образцов.
В качестве эталонного вещества для градуировки этой уста-
установки была использована поваренная соль (% = —0,5-10~6). Для
демпфирования подвижной системы применяли масляный демп-
демпфер D, состоящий из сосуда с маслом, тонкой алюминиевой пла-
пластинки, прикрепленной к подвижной рейке. Неоднородное магнит-
магнитное поле создавалось при помощи специальных полюсных нако-
наконечников, форма которых показана на рис. 17, а. Эксперименталь-
Экспериментальное изучение топографии магнитного поля показало, что эта форма
полюсных наконечников обеспечивает постоянство градиента на
длине 40—50 мм. Это обстоятельство значительно понижает ошиб-
ошибки измерения. Использование ампул одинакового размера и спе-
специального приспособления для их установки дало возможность
получить высокую точность измерения восприимчивости. Ошибка
в измерениях % не превышала 1%.
Чечерииков, а также Максим и Поп [52, 121] разработали высо-
высокочувствительные маятниковые весы с механической компенсацией
(рис. 49).
Исследуемый образец / укрепляют на конце кварцевого стерж-
стержня 2, который подвешивают на нитях 4. В качестве нитей можно
использовать или вольфрамовую проволоку, или шелковую нить
толщиной в несколько микронов. Длина подвеса составляет 200—
250 мм. Верхние концы нитей подвеса прикрепляют к подвижной
каретке 6, которая перемещается с помощью микрометрического
винта 5, позволяющего производить отсчет с точностью до 0,01 мм.
Для отсчета смещения каретки 6 можно также использовать опо-
опоры АБ, расстояние между внешними плоскостями которых изме-
измеряется с помощью микрометра.
Магнитную восприимчивость измеряют нулевым методом. Для
этого используют метод механической компенсации. При этом ме-
128
тоде кварцевый стержень с образцом возвращается в первоначаль-
первоначальное положение при помощи винта 5.
Для регистрации нулевого положения используют зеркало 3.
В момент компенсации сила Fm, действующая на образец со
Рис. 49. Схема маятниковых весов с механической компенсацией:
/ — исследуемый образец, 2— кварцевый стержень, 3— зеркало, 4—
нити подвеса, 5 — микрометрический винт, 6— каретка, 7 —отсчетное
приспособление, 8 — планка, 9 — контакт, 10 — ползунок, //— метал-
металлический цилиндрический корпус, 12 — вакуумные прокладки, 13 —
крышка из стекла, 14 — латунное основание, IS — винты, 16 — полюса
электромагнита
стороны магнитного поля, уравновешивается составляющей силой
тяжести
d
=-, G.26)
" у с — d?
где / — длина нитей подвеса, d — величина смещения точки подвеса
нитей (каретки 6). Длину нитей 4 измеряют по нониусу, который
5 Зяк. 262
129
имеется в отсчетном приспособлении 7. Используя формулу G.12)
и принимая во внимание, что при компенсации Fm=Fg, получим
формулу для расчета абсолютного значения магнитной восприим-
восприимчивости
1
gd
V /2
__ dtt
& H
dx
G.27)
где g — ускорение силы тяжести.
При относительных измерениях восприимчивость определяется
по формуле
где
A =
G.28)
Здесь yv0 — магнитная восприимчивость эталонного вещества, d0 —
величина смещения каретки 6 при измерении хо-
Данная установка позволяет проводить исследование в широ-
широком температурном интервале от азотных температур до 1800°К.
Измерение легко осуществить в вакууме или в инертной среде.
Для этого весы помещают в латунный цилиндрический корпус
11, который находится на латунном основании 14. Чувствитель-
Чувствительность описанной установки, достаточна для измерения удельной
восприимчивости 1 • 1(Н при массе образца 30—50 мг.
Оригинальную конструкцию маятниковых весов предложил
Бозорт [2]. Принципиальная схема его установки показана на
рис. 50.
В этом методе сила /, действующая на исследуемый образец,
находящийся в неоднородном магнитном поле, измеряется при по-
помощи проволочных тензометров А и В, наклеенных на металличе-
металлическую пластинку, которая подвергается изгибу при втягивании
образца в магнитное поле.
Мостиковая схема, в плечо которой включают проволочные
тензометры, уравновешивается при выключенном токе в обмотках
электромагнита. Исследуемый образец вместе с компенсирующей
катушкой 3 подвешивают на конце маятника и помещают между
полюсами электромагнита. При включении поля электромагнита
эта система смещается, что приводит к изгибу металлической пла-
пластины, на которой расположены маятниковые весы. Изгиб пластин
вызывает изменение сопротивления проволочек тензометра и вме-
вместе с этим происходит декомпенсация моста. Регулируя силу тока
через витки компенсирующей катушки, возвращают подвижную
систему в нулевое положение, что отмечается отсутствием тока в
диагонали моста. Таким образом, зная магнитный момент
130
катушки, можно определить магнитный момент исследуе-
исследуемого образца. Градуировку установки производят по образцу
чистого никеля, с помощью которого определяют постоянную ком-
компенсирующую катушки. Метод Бозорта позволяет исследовать маг-
ве-
Рис. 50. Принципиальная схема весов и
установки Бозорта:
/ — полюсные наконечники электромаг-
электромагнита, 2 — исследуемый образец, 3 — ка-
катушка, 4 — пластина, 5 — сосуд Дьгоара.
6 — мост, 7—индикаторный прибор, А
и В — тензометры
нитные свойства слабомагнитных
ществ при низких температурах.
Для измерения магнитной воспри-
восприимчивости слабомагнитных веществ в
широком температурном интервале
D-И 500° К) могут быть использованы
маятниковые веса Доменикали [109],
которые были подробно разобраны в главе VI. Кроме того, маятни-
маятниковые весы описаны в работах [53, 54, 107, ПО, 111].
§ 4. КРУТИЛЬНЫЕ ВЕСЫ
Крутильные весы, впервые примененные для измерения маг-
магнитной восприимчивости Фарадеем [112], обладают высокой чув-
чувствительностью и отличаются простотой устройства. Пондеромо-
торная сила, действующая на образец со стороны неоднородного
магнитного поля, создает момент кручения нити подвеса, к кото-
которому прикреплено горизонтальное плечо с исследуемым образцом.
Для измерения нулевым методом вращающий момент, создавае-
создаваемый силой, компенсируется обратным моментом, возникающим
вследствие взаимодействия катушки с током и постоянного магни-
магнита. Крутильные весы были описаны также в работе [55], основ-
основной частью их является крутильный рычаг, который подвешивают
на тонкой проволоке. Исследуемый образец помещают на одном
конце рычага и располагают между полюсами постоянного маг-
магнита. Этот магнит легко перемещается по отношению к образцу,
при этом последний испытывает действие магнита — притягивает-
притягивается или отталкивается от него. Отклонение рычага отмечают при
5* 131
помощи зеркальца или стрелки, жестко связанных с подвижной
системой. Магнитная восприимчивость вещества определяется по
формуле
а — а^
ао — at
G.29)
где /.. н т0 — соответственно удельная восприимчивость и масса
эталонного образца, т — масса исследуемого образца, а — раз-
разность максимальных отклонений по обе стороны от нуля для ис-
исследуемого образца, ао —
та же разность для эта-
эталонного образца, щ— та
же разность для пустой
ампулы. Эти весы приме-
применялись и в дальнейшем
[56—58].
Дорфман и Кикоин
[59] сконструировали на-
наклонные крутильные весы
высокой чувствительно-
чувствительности, устройство которых
схематично показано на
рис. 51.
На бронзовых лентах
S, натяжение которых
осуществляется при помо-
помощи винта, висит стеклян-
стеклянная крестовина ABCD.
Исследуемое вещество О
помещают в ампулу, рас-
расположенную на одном конце горизонтального рычага. Другой ко-
конец этого рычага служит для демпфирования системы, отклонение
которой наблюдают с помощью зеркальца 3. На вертикальной
рейке укрепляют небольшую катушку К, которая находится между
полюсами постоянного магнита М'—М'.
Смещение крутильной системы компенсируется при пом-ощи
этой катушки, для чего через нее пропускают соответствующей
силы ток. Интересная конструкция полюсных наконечников (см.
рис. 17, з) и ампул была применена авторами с целью исключения
действия материала ампулы. Полюсные наконечники имели такую
форму, что градиенты поля по одной из осей в двух половинах
наконечников противоположно направлены. Ампулы состояли из
двух одинаковых частей, так что пустая ампула испытывала дей-
действие двух сил равных, но противоположно направленных. Если в
одну часть ампулы помещали исследуемое вещество, то на по-
подвижную систему действовала сила, зависящая только от магнит-
магнитных свойств этого вещества. Крутильные весы Дорфмана и Кикои-
Кикоина позволяют проводить относительные измерения. Вычисление
132
Рис. 51. Наклонные крутильные весы:
О — исследуемый образец, ЭМ — электро-
электромагнит, S — бронзовые ленты. 3 — зеркало,
ABCD — стеклянная крестовина, М'М' —
постоянный магнит, К — катушка, D —
демпфер
восприимчивости исследуемого вещества проводят по формуле
G.29). F
В крутильных весах Вилема [60] вращательная система выпол-
выполняется из тонкой алюминиевой фольги, которую подвешивают на
посеребреном кремниевом волокне. Эта система свободно вра-
Рп_. 52. Сх°ма кварцевых крутильных весов высокой чувствительности:
/ — корпус, 2— винт, 3 — окно, 4— кварцевая нить, 5 — кварцевое
коромысло, 6 — стеклянная трубка, 7 — электромагнит, <5 — контроль-
контрольно- устройство, 9 — приспособления для уравновешивания весов, 10 —
зеркальце, // — стержень для возвращения системы в пулевое поло-
положение, 12 — катушка стержня, /3 —арретир и 14 — основание весов
щается в специальном устройстве, напоминающем квадрантный
электрометр, в котором противоположные квадранты соединены
между собой. При помощи такого устройства осуществляется ком-
компенсация отклонения подвижной системы, вызванного действием
магнитного поля. На одном конце вращающегося коромысла по-
помещают исследуемый образец, а на другом— передвижной груз,
который уравновешивает вес образца. Одним из преимуществ это-
133
го метода является то, что на устройство электростатической ком-
компенсации не действуют внешние переменные поля.
На рис. 52 показаны кварцевые крутильные весы высокой чув-
чувствительности [61]. На кварцевой нити 4 висит кварцевое коро-
коромысло. Для закручивания нити служит винт 2, который снабжен
двумя градуировочными барабанами, позволяющими измерять по-
поворот кварцевой нити с точностью до 0,0001 деления. Нить 4 изго-
изготовляется из кварца толщиной 65 мк и длиной 160 мм. Нижний
конец нити прикрепляют к кварцевому коромыслу 5. Коромысло
делают из кварцевой трубки, внешний диаметр которой 3 мм.
Длина каждого плеча коромысла равна 11 см. Правое плечо, на
котором помещен исследуемый образец, имеет изгиб в виде буквы
Г, который заканчивается вилкой U. Эта вилка поддерживает со-
сосуд, в котором находится образец. При помощи микроскопа про-
проверяют положение образца с точностью до 0,005 мм.
Подвижную систему изготовляют таким образом, что центр
тяжести ее перемещается в одной плоскости. Для успокоения и ос-
освобождения коромысла используют систему, снабженную регулиро-
регулировочными винтами. Эта система поднимает коромысло при помощи
винтовой передачи, так что коромысло всегда находится в опреде-
определенном положении. Винтовую передачу можно приводить в дви-
движение двигателем, который снабжается автоматическим выклю-
выключателем, позволяющим всегда располагать коромысло между дву-
двумя крайними положениями. Приспособление для уравновешивания
веса образца состоит из зубчатого колеса и стержня с винтовой
нарезкой. Изменение положения этой системы регулирует верти-
вертикальное расположение крутильной нити. Головка для закручива-
закручивания нити вращается от вертикального шпинделя, который соеди-
соединен с ней зубчатой передачей. Шпиндель вращается электромото-
электромотором, расположенным вне прибора, причем скорость движения мож-
можно регулировать реостатами, которые находятся в цепи мотора.
Измерение магнитной восприимчивости производят нулевым ме-
методом. Для этого используют соленоид и небольшой стержень на
мягкого железа. Когда подвижная система находится в нулевом
положении, железный стержень располагается точно в центре со-
соленоида. Компенсирующую систему устраивают таким образом,
что между смещением стержня и углом вращения нити есть прямо
пропорциональная зависимость.
Если через соленоид проходит ток в 20 ма, то три деления
шкалы соответствуют одному делению крутильной головки. Изме-
Измерительную шкалу помещают в трех местах от прибора. Для на-
наблюдения смещения зайчика используют оптическую трубу, кото-
которая позволяет определять смещение порядка 0,002 мм, при этом
один оборот барабана головки равен шести делениям смещения
по шкале. Описанные кварцевые весы дают возможность измерять
силу величиной от 5-10~6 н и выше.
Аналогичные кварцевые весы с вертикальным подвесом были
использованы для измерения магнитной восприимчивости моно-
134
кристаллов при низких температурах [62]. Для предохранения си-
системы от механических колебаний, которые могут возникнуть при
вращении подвеса, управление установкой производилось на не-
некотором расстоянии. Магнитное поле создавалось электромагни-
электромагнитом со специальными полюсными наконечниками, которые давали
возможность получать в достаточно большой области постоянное
„ dtf „
значение л . 1 радуировка поля осуществлялась при помощи
ах
стандартного вещества, водного раствора NiCl2, массовая воспри-
восприимчивость которого известна с большой точностью. При всех из-
измерениях делали поправку на диамагнитную часть восприимчиво-
восприимчивости исследуемого образца и восприимчивость ампулы. Для облег-
облегчения установки образца в межполюсном пространстве электро-
электромагнит устанавливали так, чтобы магнитное поле было направлено
вертикально, а его градиент—-горизонтально. Как показали ре-
результаты, магнитная восприимчивость определяется этим методом
с точностью до 0,2%.
Барбье [63] описал крутильные весы для исследования удель-
удельной магнитной восприимчивости порядка 10~2—10~3 в области сла-
слабых полей, которые создавали при помощи прямоугольных катушек
Гельмгольца.
Для измерения магнитной восприимчивости микроскопических
частиц с диаметром порядка 1 мк можно использовать крутильные
весы, конструкция которых описана в работе [64]. В этих весах
используется кварцевая нить диаметром меньше 1 мк.
В работе [65] разработаны крутильные весы с автоматической
записью. Основной частью весов является рамка обычного гальва-
гальванометра. Луч света, отраженный от зеркальца гальванометра,
попадает на фотоэлемент, ток которого затем усиливается. Сила
тока в электромагните измеряется потенциометрическим методом.
В крутильных весах Кацера [113] луч света, отражаясь от зер-
зеркальца крутильных весов, попадает на дифференциальное фото-
сопротивление, каждая половина которого является входным со-
сопротивлением балансного дифференциального усилителя, собран-
собранного по схеме катодного повторителя. После усиления сигнал
поступает в рамку гальванометра, при этом осуществляется отри-
отрицательная обратная связь между первоначальным поворотом рам-
рамки и крутильным моментом наведенной э. д. с. При этом чем боль-
больше сила, действующая на образец, тем больше ток в цепи обрат-
обратной связи, который и является мерой измеряемого крутильного
усилия. Чувствительность установки 10~9 н/мм шкалы, а точность
измерения 0,3%. Описание конструкции других крутильных весов
можно найти в работах [18, 23, 36, 66, 114, 115].
§ 5. РЫЧАЖНЫЕ ВЕСЫ
Волков и Пшеничкин [10] создали рычажные весы с электро-
электромагнитной компенсацией. Конструкция их установки с рычажными
весами показана на рис. 53.
135
Основной частью весов является стрелка /, выполненная из
легкого неферромагнитного металла. На одном конце стрелки
крепят вольфрамовую нить, к нижнему концу которой подвешива-
подвешивают исследуемый образец весом от 5 до 30 мг. Образец помещают
в небольшую чашечку из окиси алюминия. На другом конце стрел-
стрелки находится компенсаци-
компенсационная катушка 4 с тремя
выводами. Стрелку под-
подвешивают на растяжках
2 из бериллиевой бронзы.
Уравновешивание весов с
образцом производят при
помощи гаек 7 и 8. Изме-
Измерение магнитной воспри-
восприимчивости проводят нуле-
нулевым методом. Для этого
используют компенсаци-
компенсационную катушку 4, через
которую пропускают по-
постоянный ток силой до
400 ма, при этом магнит-
магнитное поле катушки взаимо-
взаимодействует с полем рассеи-
рассеивания электромагнита.
Изменяя силу тока в ка-
катушке, возвращают под-
подвижную систему в нуле-
нулевое положение, что отме-
отмечают по смещению изо-
изображения нити осветите-
осветителя 5. Изображение нити
Бвда
Рис. 53. Схема рычажных весов с электро-
электромагнитной компенсацией:
проектируют с помошью
магнитной компенсацией: ""' l" c
— коромысло весов,2 —растяжки,3 — зйр- зеркала J и призмы 6 на
" ""•»¦" т— экиан. Величину силы,
кало, 4 — компенсационная катушка, 5
осветитель, 6 — призма, 7,8 — гайки для
регулировки равновесия весов, 9 — лопатка
масляного демпфера, 10 — молибденовый
цилиндр, // — обмотка печи, 12 — фарфоро-
фарфоровая трубка, 13 — электромагнит, 14 — тер-
термопара, 15 — вольфрамовая нить
экран. Величину силы,
действующей на образец,
определяют по силе тока
в компенсационной ка-
катушке.
Для расчета магнит-
магнитной восприимчивости ис-
используют формулу G.12). В области высоких температур измере-
измерения проводят в вакууме или в инертной среде. Весы располагают
на латунной плите и закрывают стеклянным баллоном, который
соединяется с вакуумной системой. К нижней части плиты примы-
примыкает латунный цилиндр с печью. Цилиндр имеет двойные стенки,
между которыми циркулирует вода для охлаждения. Печь изготов-
изготовляют из молибденового цилиндра толщиной стенок 2,5 мм, которые
обмазывают окисью алюминия или окисью циркония. Для обмотка
136
печи используется молибденовая проволока диаметром 0,3 мм. При
внутреннем диаметре печи 7 мм и при силе тока в 14 а можно полу-
получить температуру до 1800° К. Измерение температуры производят
платино-платинородиевой термо- 7
парой или пирометром. Нагрева-
Нагревательную печь легко заменить на
криостат, позволяющий получать
температуру от 77 до 290° К.
Описанная нами установка
дает возможность измерять силу
порядка 10~7 н.
Оригинальную конструкцию
рычажных весов предложил Бо-
Боровик-Романов [3]. Схема этих
весов показана на рис. 54. Иссле-
дуемыей образец 2 помещают в
кварцевый стаканчик диаметром
3 мм и высотой 5 мм. Стаканчик
подвешивают на тонкой кварце-
кварцевой нити 3 диаметром 50 мк, при-
прикрепленной к коромыслу весов 5
с плечом длиной в 3 см. Для
крепления коромысла 5 использу-
используют бронзовые растяжки 4 толщи-
толщиной 30 мк и шириной 0,6 мм.
Уравновешивание весов без маг-
магнитного поля осуществлялось при
помощи гаек 6 и 7. Демпфер 8
использовали для успокоения ве-
весов. На расстоянии двух метров
от весов находится отсчетная
шкала, по которой отмечают сме-
смещение светового луча.
Измерения магнитной воспри-
восприимчивости проводят нулевым ме-
методом. Для этого силу, действу-
действующую на образец, уравновеши-
уравновешивают другой силой, возникающей
в результате взаимодействия пер-
пермаллоя с полем катушки 10, кото-
которая питается переменным током.
Пермаллоевый противовес под-
подвешивают ко второму плечу ко-
коромысла 5. Вся эта система по-
помещена под колпак 11, с которым
Рис. 54. Схема весов для измере-
измерения восприимчивости в области
низких температур:
/ — полюса электромагнита, 2 —
исследуемый образец, 3 — кварце-
кварцевая нить, 4— растяжки, 5 — коро-
коромысло, 6 и 7 — гайки, 8 — демп-
демпфер, 9 — стержень, 10 — катушка,
11— колпак, 12, 13 и 14 — трубки,
15 — сосуд Дьюара, 16 — медный
стакан
соединены трубки 12 и 13. Трубка 14 окружена вакуумной рубаш-
рубашкой и имеет на конце медный стакан 16, на который наматывается
нагревательная обмотка. Для получения низкой температуры ис-
137
пользуют сосуд Дьюара 15, наполненный жидким азотом или
водородом. Такая конструкция криогенной части установки позво-
позволяет производить исследования магнитной восприимчивости в ши-
широкой области температур от 20 до 300° К.
Чувствительность этих весов при максимальной напряженности
магнитного поля 5- \0 а/м и при массе образца 10 мг была прибли-
приблизительно 10~8 на одно деление шкалы. Точность относитель-
относительных измерений составляет 1,5%. Электронные микровесы, которые
использовали при изучении различных комплексных химических
соединений, описаны в работе [122]. Такие весы обладают высокой
чувствительностью 1•\0~s н/дел.
§ 6. МЕТОД ДЛИННОГО ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО
ОБРАЗЦА (МЕТОД ГУИ)
В методе Гуи длинный цилиндрический образец подвешивают
между полюсами электромагнита таким образом, что один его ко-
конец находится вне электромагнита, где напряженность поля очень
мала, а другой располагается в области центра с максимальной
напряженностью поля (см. рис. 17, г) [47, 49, 106]. На образец бу-
будет действовать сила, направленная вдоль длины его в сторону
увеличения магнитного поля. Эта сила, как следует из формулы
G.16), равна
f = J-%H*S, G.30)
2
где S — площадь поперечного сечения образца.
Если нельзя пренебречь напряженностью поля у внешнего
конца образца и восприимчивостью окружающей среды, то вместо
G.30) следует пользоваться более точной формулой
5, G.31)
•г
где %i и Х2 — объемная восприимчивость образца и окружающей
среды, Я]"и Н2 — значения напряженности поля соответственно в
точках /=0 и l = L (L — длина образца).
При измерении восприимчивости методом Гуи используют ци-
цилиндрические образцы. Если нужно измерить восприимчивость
порошкообразных образцов, применяют стеклянные ампулы,
заполненные исследуемым веществом. Точность измерения порош-
порошкообразных образцов составляет около 1%. Для определения
восприимчивостей жидкостей также можно пользоваться стандарт-
стандартными стеклянными ампулами длиной приблизительно 15 см и диа-
диаметром 2—3 см. Обычно берут ампулы, размеры которых соответ-
соответствуют расстоянию между полюсами электромагнита. Для преци-
прецизионных измерений применяют двойную стеклянную ампулу. Одну
часть ампулы заполняют исследуемым веществом, ъ в другую
часть, отделенную от первой стеклянной перегородкой, помещают
эталонный образец. Эта ампула располагается между полюсами
138
электромагнита так, что граница между двумя веществами нахо-
находится в максимальном магнитном поле, а концы ампулы — в том
месте, где поле пренебрежимо мало. Если измерения проводят при
различных температурах, то нижняя часть ампулы должна иметь
небольшой балластный объем.
Для определения силы /, действующей на исследуемое веще-
вещество, можно использовать обычные аналитические или демпферные
микровесы. Сила / в методе Гуи может достигать величины
порядка 10~~2— 10~3 н.
Метод Гуи практически нельзя применять при исследовании
магнитных свойств слабомагнитных веществ в широком темпера-
температурном интервале.
В работе [48] осуществлен нулевой метод Гуи. Дополнительную
силу дает небольшой соленоид, в который втягивается стальная
нить, соединенная с весами. Определение силы производят по току
в соленоиде. Усовершенствованный метод Гуи описан в работе [116].
Метод Гуи применен также для измерения парамагнитной вос-
восприимчивости в импульсных полях до 6-Ю6 а/м [99]. В качестве
датчика силы применяют преобразователь из ВаТЮ3, сигнал с ко-
которого через усилитель подается на осциллограф.
§ 7. ЧАСТОТНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ВОСПРИИМЧИВОСТИ СЛАБОМАГНИТНЫХ ТЕЛ
В последнее время появились работы по измерению магнитной
восприимчивости диа- и парамагнитных веществ индукционными
методами. Если измерения проводят в радиочастотном диапазоне,
то восприимчивость определяют по изменению резонансной частоты
контура генератора. В области низких частот используют мостовой
метод.
В работах [81, 85] описана установка для измерения удельной
восприимчивости порядка 10 с точностью до одного процента,
основанная на измерении изменения коэффициента самоиндукции
соленоида, когда в него помещают исследуемый образец. Уста-
Установка состоит из двух колебательных контуров, которые настраи-
настраивают в резонансе около частоты 5 Мгц. В одну из катушек поме-
помещают исследуемый образец.
Рассмотрим установку, работающую в радиочастотном диапа-
диапазоне, которая была создана Маклаковым [117].
Блок-схема установки показана на рис. 55. Она состоит из двух
генераторов (/, 2), двух умножителей частоты C, 4), смесителя
с детектором 5, усилителя низкой частоты 6, частотомера 7 и осцил-
осциллографа 8.
Образцовый генератор 1, в контур которого вводят исследуе-
исследуемый образец, генерирует колебания частотой 3, 184 Мгц. Для из-
изменения частоты имеется подстроечный конденсатор. Генератор /,
собранный на половине триода 6Н15П, обеспечивает наибольшую
возможную частоту генератора. Катушкой индуктивности служит
кварцевая трубка с намотанной на нее проволокой диаметром
139
19 мм. Опорный кварцевый генератор 2 собран по обычной схеме
на пентоде 6ЖШ и генерирует частоту 2,264 Мгц. При измерении
восприимчивости частотными методами должна быть обеспечена
высокая стабильность частоты колебания. В данной установке от-
относительное изменение частоты генератора не превышало 6-10~9
за время процесса измерения. Для этого генераторы монтировали
2 H
Рис. 55. Блок-схема радиочастотной установки:
/ и 2— генераторы, 3 и 4— умножители частоты, 5 — смеситель
с детектором, 6 — усилитель низкой частоты, 7 — частотомер,
8 — осциллограф
по возможности жестко, и генераторы и катушки индуктивности
термостатировали при помощи ультратермостата.
Умножители частоты, собранные по обычной схеме на лампах
6Ж5П, были трехкаскадные с выходными частотами 101, 88 Мгц.
Смеситель представляет собой три взаимосвязанные высокочастот-
высокочастотные индуктивности. Две включены в анодную цепь последних кас-
каскадов умножителей, а третья — в колебательный контур детектора.
Усилитель низкой частоты имеет полосу пропускания 5—5000 гц.
В качестве детектора можно использовать кристаллический диод.
Для питания анодных цепей генераторов используют анодную ба-
батарею на 60 в, питание накалов ламп генератора и умножителя
осуществляется от аккумуляторов. Анодные цепи умножителей пи-
питаются выпрямленным током, который также используют для пита-
питания генератора при прогреве. Время прогрева установки не должно
быть меньше 8—10 час.
Величину удельной магнитной восприимчивости исследуемого
образца плотности р подсчитывают по формуле
N
N3
Рэ
%э
G:32)
где N3— разность показания частотомера при наличии эталонного
образца в катушке и без нее, jV — то же самое для исследуемого
вещества, Хэ и рэ — удельная восприимчивость и плотность эталона
соответственно.
Если исследуемое вещество в виде порошка, то тогда расчет-
расчетная формула имеет вид
где Л/а — разность показаний частотомера с пустой ампулой и без
нее, Хв — объемная восприимчивость.
140
Обладая высокой чувствительностью, радиочастотный метод
имеет и существенные недостатки: образцы не должны содержать
даже небольших количеств ферромагнитных примесей; при иссле-
исследовании электропроводящих веществ необходимо устранять влия-
7
1
:3
Рис. 56. Схема моста для измерения магнитной восприимчивости при
низкой частоте:
О — исследуемый образец, 1 — соленоид, 2 — первичная обмотка, 3 и
4 — соответственно индуктивное и активное сопротивления, 5 — вторич-
вторичная обмотка, 6 — источник питания, 7 — селективный фильтр, 5 —пред-
усилитель, 9 — заземленный экран, 10 — фазочувствительный детектор
ния электропроводности на результаты измерения; кроме того,
затруднены температурные измерения.
Рассмотрим мостовой метод измерения магнитной восприимчи-
восприимчивости в области слабых низкочастотных полей.
На рис. 56 представлена измерительная схема моста [118].
Исследуемый образец О, охваченный эталонным соленоидом 1,
помещают в первичную обмотку 2, к которой последовательно
подключены индуктивное 3 и активное 4 сопротивления, питаемые
частотой в 1 кгц от источника 6. На выходе вторичной обмотки 5
моста находятся два селективных фильтра 7 и предусилитель 8.
Заземленный экран 9 используется для устранения влияния об-
образца и напряжения первичной обмотки на выходное напряжение.
Как первичная, так и вторичная обмотки моста состоят из двух
катушек, которые по своей конструкции являются астатическими.
Это значительно снижает влияние вихревых токов, так как ослаб-
ослабляется поле рассеяния. Кроме того, для уменьшения нагрева моста
катушки первичной обмотки имеют небольшое число витков
(лц=96, л12=192).
Число витков вторичных катушек для повышения чувствитель-
чувствительности намного больше (л21=26 000, л2г= 13 000). Все катушки
имеют приблизительно равную длину.
В качестве эталона восприимчивости используют соленоид /
с известным импедансом, магнитная восприимчивость которого за-
зависит от площади соленоида, числа витков, частоты и способа на-
141
гружения. Такой эталон очень стабилен в работе и может быть
применен в широком диапазоне восприимчивости.
В качестве эталона может быть использован соленоид из
100 витков проволоки диаметром 0,3 мм. Величина NS составляет
435 • 102 мм2, а длина обмотки около 37 мм. Действительную часть
восприимчивости определяют по формуле
% = — (NSJ соАС, G.34)
где N — число витков эталонной катушки, S — площадь катуш-
катушки, мм2, со — угловая частота, АС — положительная разность двух
значений емкости: для резонанса тока и при его компенсации после
введения образца. Из этой формулы видно, что восприимчивость
прямо пропорциональна измеряемой разности АС. С помощью этого
метода была измерена восприимчивость соли Мора.
По мнению авторов, этот метод измерения восприимчивости
может обеспечить более высокую точность измерения, чем метод
магнитных весов.
§ 8. ИЗМЕРЕНИЕ ВОСПРИИМЧИВОСТИ
МЕТОДОМ НЕПОДВИЖНО УКРЕПЛЕННОГО
ОБРАЗЦА
Впервые этот метод был применен русским ученым Зиловым [20]
для измерения магнитной восприимчивости жидкости, которая на-
намагничивалась магнитным полем Земли. В дальнейшем метод не-
неподвижно укрепленного образца использовали П. Л. Капица и
Вебстер для исследования диа- и парамагнитных веществ [67]. В соз-
созданной ими установке в однородное магнитное поле помещали же-
железный стерженек, который мог свободно вращаться около гори-
горизонтальной осп, закручивая при этом металлическую нить. Желез-
Железный стерженек нарушает однородность поля. Если поместить около
стерженька исследуемый образец, то он, оказавшись в неоднородном
магнитном поле, будет испытывать на себе действие силы. В свою
очередь па стерженек будет действовать такая же сила, но проти-
противоположного направления. Таким образом, если исследуемый об-
образец будет закреплен, а стерженек находится в свободном состоя-
состоянии, то последний под действием силы начнет перемещаться.1 По
углу закручивания нити можно определить величину магнитной
восприимчивости исследуемого вещества.
Ренкин [68] и Искандериан [69] применили при своих исследо-
исследованиях не электромагнит, а постоянный магнит и чувствительные
кварцевые весы. Устройство этих весов основано на следующем
принципе. Около исследуемого образца помещают постоянный маг-
магнит. В результате поляризации образца на магнит будет действо-
действовать сила отталкивания, если исследуемое вещество диамагнитно,
или силы притяжения, если оно парамагнитно. Постоянный магнит
представляет собой цилиндр длиной 25 мм и диаметром 3 мм. Он
подвешен на кварцевой нити длиной 220 мм, которая прикреп-
142
ляется к горизонтальному дюралевому балансу длиной 60 мм и
толщиной 0,6 мм. Последний, в свою очередь, подвешивается на
тонкой кварцевой нити длиной 28 см, которая может вращаться
при помощи вертикального винта. Эти весы были использованы
для измерения восприимчивости легкой и тяжелой воды, т. е. из-
измерялись величины порядка 10~7 с точностью 0,1%. Подробное
описание весов Ренкина есть в работах [70]. Данный метод с успе-
успехом можно применять также для исследования в слабых полях
магнитной восприимчивости газов [71].
По методу Зилова—Ренкина измерение магнитной восприим-
восприимчивости с большой точностью можно производить даже в области
слабых полей, при этом можно измерять очень малые изменения
объемной восприимчивости порядка 10~8—10~9. При осуществлении
установок, работающих по этому методу, следует иметь в виду,
что на результаты измерения сильное влияние оказывают магнит-
магнитные поля рассеяния. Все части установки, кроме постоянного маг-
магнита, должны изготовляться из неферромагнитных материалов
с минимальным содержанием ферромагнитных примесей. Этот ме-
метод дает возможность производить измерения в широком интер-
интервале полей и при различных температурах.
§ 9. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ
ВОСПРИИМЧИВОСТИ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
Магнитные свойства жидкостей и газов можно измерять по ме-
методу поднятия жидкостей, когда сила, действующая на жидкость,
определяется по смещению мениска, возникающего под действием
гидростатического давления [74]. Схематическое устройство при-
прибора, основанного на этом принципе, показано на рис. 57.
Исследуемую жидкость наливают в сосуд А, состоящий из ка-
капиллярной трубки и баллона большого сечения. Капиллярную
трубку помешают между полюсами электромагнита ЭМ. При вклю-
чении поля мениск поднимается или опускается в зависимости от
того, какая налита жидкость — парамагнитная или диамагнитная.
Удельную восприимчивость исследуемой жидкости определяют из
соотношения
АЛ =
Я2
G.35)
2 g (Pi — p2)
где ДЛ — изменение высоты мениска, g — ускорение силы тя-
тяжести, pi и р2 — соответственно плотности жидкости и газа или
пара над мениском, %\— восприимчивость исследуемой жидкости
и %2 — восприимчивость газа или пара.
В случае, если можно пренебречь восприимчивостью газа,
находящегося над жидкостью, восприимчивость последней опреде-
определяют по формуле
X =
G.36)
143
Измерение восприимчивости можно проводить нулевым мето-
методом. В этом случае смещение мениска компенсируется наклоном
всего аппарата или изменением давления газа.
С целью повышения чувствительности в нижней части трубки
делают сужение, куда помещается взвешенная частица, по смеще-
смещению которой измеряют восприимчивость жидкости [75]. Этот метод
можно также применять для исследования восприимчивости газов,
но в определенном температурном интервале. Видоизмененная
конструкция чувствительных весов с использованием данного ме-
метода описана в работе [76].
Рис. 57. Схематическое устрой- Рис. 58. Схема установки для из-
ство прибора, основанного на мерения магнитной восприимчиво-
методе поднятия жидкостей сти паров и газов по методу тем-
температурного градиента:
Г — гальванометр, С — спираль,
В — болометр, А — металлическая
втулка, Б — батарея
Магнитную восприимчивость жидкости и газов можно также
определить по методу вращения стандартного тела в неоднород-
неоднородном магнитном поле. Стандартное тело помещают в исследуемую
жидкость. Величина действующей силы зависит от разности между
удельными восприимчивостями тела и окружающей среды. Этот
метод впервые был применен для измерения восприимчивости га-
газов Ефимовым [19]. В его установке стандартное тело в виде двух
тонкостенных кварцевых шариков подвешивают на тонкой квар-
кварцевой нити и помещают в сосуд с исследуемым газом, который
находится в сильном неоднородном магнитном поле. Градуировку
прибора проводят по газам с известной восприимчивостью. Сосуд
с газом внутри нужно посеребрить, чтобы избежать погрешностей,
связанных с электростатическими влияниями. Данный метод обла-
обладает очень высокой чувствительностью. Как правило, он приме-
применяется при невысоких температурах.
В работе [77] этот метод применяли для измерения восприим-
восприимчивости газов при малых плотностях.
Биттер [78] на основе этого метода создал высокочувствитель-
высокочувствительные весы для измерения восприимчивости газов и паров. Между
полюсами электромагнита он подвешивал на тонкой нити стеклян-
стеклянный сосуд цилиндрической формы, разделенный радиально на че-
че144
тыре равные части. Две противоположные друг другу части от-
открыты для окружающего газа, а из двух других газ откачан и они
запаяны. Вращение сосуда в магнитном поле зависит от магнит-
магнитной восприимчивости газа в открытых частях.
Восприимчивость газов можно измерить, используя метод тем-
температурного градиента. В этом случае между двумя частями
объема одного и того же газа, находящегося в замкнутой стеклян-
стеклянной трубке, создается температурный градиент [79]. Возникающую
при этом разность давлений, величину которой затем использовали
для вычисления восприимчивости, измеряли при помощи микро-
микроанемометра.
Янус и Шур [37], усовершенствовав этот метод, исследовали
восприимчивость газов при высоких температурах. Схема их уста-
установки показана на рис. 58. Исследуемый газ находится в замкну-
замкнутой трубке прямоугольного вида. Трубка располагается так, что
средняя часть верхней трубки прямоугольника находится в одно-
однородном магнитном поле. В крайних частях этой трубки поддержи-
поддерживают с помощью двух печей разную температуру 7"i и Т2 (Ti>T2),
а вертикальные стороны прямоугольника находятся при одинако-
одинаковых температурах Г3 и Г4. Если включить магнитное поле, то газ
в трубке начнет циркулировать с некоторой скоростью, так что
появится разность давлений, определяемая по формуле
j
где Хг, и хт2 — удельная восприимчивость газа при Т\ и Г2,
Рг, и ртг —плотность газа при тех же температурах.
Скорость движения газа измеряют при помощи микроанемо-
микроанемометра, который находится в нижней горизонтальной трубке при-
прибора. Микроанемометр состоит из металлической втулки А и про-
проволочной спирали С, которая нагревается током от вспомогатель-
вспомогательной батареи Б, создавая при этом большой градиент температуры.
В точке максимального значения градиента температуры нахо-
находится болометр В или термопара. Во время движения газа в трубке
происходит изменение температуры, которое в первом приближе-
приближении определяют как &t = k&p, где k — постоянная прибора. Тогда
из G.37) имеем
Мн = -у
rfiT, - %т2отг).
G.38)
При включении магнитного поля и при Гз>Г4 возникает гра-
гравитационная разность давлений между вертикальными трубками
установки
Лр = ?/фг3-рг4), G.39)
где h — высота вертикальных частей трубки, g — ускорение силы
145
тяжести. Это приводит к циркуляции газа, которая вызовет изме-
изменение температуры на величину
bte = bgh<pTt—pTt). G.40)
Для восприимчивости, не зависящей от температуры, имеем
2ghMH[ —
' з
J i\
т, тх)
G.41)
Восприимчивость парамагнитных газов, подчиняющихся закону
Кюри, определяется из формулы
у, __
т2
'2
1
Г?
G.42)
Чувствительность этого метода позволяет определять восприимчи-
восприимчивость газов или паров с точностью 5 • 10~9.
§ 10. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ
АНИЗОТРОПИИ СЛАБОМАГНИТНЫХ ВЕЩЕСТВ
Многие кристаллы обладают магнитной анизотропией, которая
может быть исследована обычными стандартными методами,
описанными выше. При таких измерениях кристалл должен быть
ориентирован таким образом, чтобы магнитное поле было направ-
направлено вдоль одной из магнитных осей. Существуют также специаль-
специальные методы измерения главных восприимчнвостей.
Высокочувствительный метод колебаний Кришнана (см. в [28])
дает возможность измерять разность восприимчивостей в любых
двух направлениях. Исследуемый образец подвешивают на тонкой
закручивающейся нити в однородном магнитном поле, причем
одна из магнитных осей совпадает с осью нити. Если образец
магнитоизотропен, то он при включении магнитного поля не будет
закручивать нить. Магнитоапизотропный образец поворачивается
в поле на некоторый угол. Крутильная головка, соединенная с за-
закручивающейся нитью, поворачивается до тех пор, пока при нало-
наложении поля ориентация кристалла не прекращается. Если теперь
кристалл сместить, то он под действием силы станет колебаться.
Разность главных молярных магнитных восприимчивостей, лежа-
лежащих в плоскости колебания, определяется через период колебания
системы по формуле
С
М
т
G.43)
146
где То и Т — периоды колебания системы без поля и в поле,
m — масса кристалла, С — постоянная закручивания нити, М — мо-
молекулярный вес и Н — напряженность магнитного поля.
При втором варианте этого метода [28] кристалл также подве-
подвешивают на нить, при этом он ориентируется так, что одна из маг-
магнитных осей его лежит в направлении поля. При повороте кру-
крутильной головки на некоторый угол а кристалл повернется в при-
присутствии магнитного поля на значительно меньший угол ф. Если
, то справедливо следующее соотношение:
С (а
ф) =— • —
47 2 М
G.44)
При ф = 45° кристалл начнет колебаться около нового положе-
положения равновесия. Тогда из G.44) получаем
ДХ = Bак-90°)-С М
m
G.45)
где а?! — угол поворота крутильной головки.
Описанный метод Кришнана позволяет измерять разность двух
любых главных восприимчивостей, находящихся в плоскости ко-
колебания системы. Для определения третьей главной восприимчи-
восприимчивости кристалл нужно переориентировать. Градуировка весов,
основанных на этом методе, осуществляется с помощью кристалла,
имеющего известную магнитную восприимчивость, как, например,
пентагидрат сульфата меди.
Можно определить также абсолютные значения главных вос-
восприимчивостей. Это осуществляется методом Раби [28, 82] или
Джексона [28]. В первом методе исследуемый образец подвеши-
подвешивают вертикально в неоднородном магнитном поле и погружают
в раствор с известной восприимчивостью. Кристалл ориентируют
до тех пор, пока не прекратится действие на него магнитного поля.
При этом методе можно определять восприимчивость по каждой
кристаллографической оси. Джексон также подвешивал кристалл
в магнитном поле, при этом одна из магнитных осей располагалась
в направлении градиента магнитного поля.
Высокочувствительные весы для измерения магнитной анизо-
анизотропии в области низких температур описаны в работах [29, 119,
120]. Схема одних из этих весов показана на рис. 59 [120].
Подвесная система весов состоит из алюминиевой рамки 8 с двумя
обмотками (компенсационной и градуировочной), стеклянного
штока с исследуемым образцом 12. Все это висит на нити из фос-
фосфористой бронзы 5. Снизу подвесную систему растягивает кварце-
кварцевая нить 18, натяжение которой задает пружина 13. Эту систему
помещают в стеклянную трубку 4. Для фиксирования положения
образца применяют радиосхему с фотоэлементами. Когда крутя-
крутящий момент отсутствует освещенность фотоэлементов одинакова.
При появлении момента освещенность фотоэлементов изменяется.
147
fS
Рис. 59. Схема весов для измерения магнитной
анизотропии слабомагиитных веществ-
/ — стеклянный шлиф, 2 — латунный шлиф,
3 —латунное кольцо, 4 — стеклянная трубка,
5 —подвес из фосфористой бронзы, 6 — зер-
зеркальце, 7 —окошко, 5 —рамка с обмотками,
9 — железный сердечник, 10 — постоянный маг-
магнит, 11 — винты, 12 — образец, 13 — пружина
из фосфористой бронзы, 14 — латунная втулка,
15 — катушка электромагнита, 16 — латунная
пластинка, 17 — стеклянный стержень, 18 —
кварцевая нить, 19 — платиновый токоподвод
Компенсирующий ток возвращает систему в нулевое положение.
Прибор градуируют по величине момента, который создает ток
градуировочной обмотки. Чувствительность весов при гелиевых
температурах составляет 1 • 10~9 н/см.
Высокочувствительные торсионные весы (рис. 60) для иссле-
исследования анизотропии магнитной восприимчивости металлов и
полупроводников при сверхнизких температурах разработал
Брандт [П9]. Исследуемый образец 36, расположенный в держа-
держателе 2 вместе с медным холодопроводом 3 и кристаллом железо-
алюминиевых квасцов 4 при помощи винта 5 укрепляется на стек-
стеклянном стержне 6 подвесной системы торсионных весов. Эту си-
систему, закрепленную на шлифе 10, помещают внутри двух коакси-
коаксиальных трубок 7 и 8, которые соединяются медным переходом 9.
Трубки при помощи кранов // и 12 соединяются или с форвакуум-
ным насосом или с баллоном гелия и с насосом. Стержень 6 про-
проходит через отверстия шлифов 14 и 15, которые обеспечивают
также экранировку внутреннего объема трубки 7 от теплового из-
излучения сверху. Для центрировки соли используют плексигласо-
плексигласовый колпачок 16 со стеклянной трубочкой 17 и вкладышем 18,
который укрепляют в нижней части трубки 8 четырьмя центри-
центрирующими пружинами 19. Трубка 7 закреплена на шлифе 20.
Крышку сосуда Дьюара укрепляли на подвижной платфор-
платформе 23, которая имела шток 21 и котировочные винты 22. Плат-
Платформа при помощи подъемного механизма, состоящего из винта 24
и втулок 25, 26 и штока 27, могла легко перемещаться по верти-
вертикали. Вся эта система располагалась на опорных плитах 28, кото-
которые жестко соединялись со стеной. Вибрация подвесной системы
уменьшалась при помощи магнитного демпфера 29, состоящего из
полого медного цилиндра, укрепленного на подвесной системе ве-
весов, и постоянного магнита 30, в магнитном поле которого распо-
располагался цилиндр. Для компенсации момента сил, действующих на
анизотропный образец в однородном магнитном поле, использо-
использовали катушку, намотанную на демпфер. В качестве токовых под-
подводов используют подвес 31, закрепленный в цангах 32, и спираль-
спиральную пружину, расположенную вокруг подвеса. Положение под-
подвижной системы определяется при помощи зеркала 33.
Экран использовали для экранирования от магнитного пол^т
соли, температуру которой определяли по величине восприимчи-
восприимчивости, измеряемой при помощи катушек 34 и 35. Исследуемый об-
образец 36 помещали в поперечное отверстие держателя между тон-
тонкими лепестками 37 в нужном кристаллографическом направлении.
После полной сборки прибора в него заливают жидкий гелий, тем-
температура которого понижается откачкой паров до 1,6°К. Затем
прибор поднимают подъемным механизмом вверх до тех пор, пока
ампула с солью не расположится симметрично относительно по-
полюсных наконечников магнита. Затем включают магнитное поле
и угольный насос, через 12—18 мин магнитное поле отключают и
образец опускается в центр полюсных наконечников, а ампула
149
ю
Рис. 60. Высокочувствительные торсион-
торсионные весы:
/ — магнитный экран, 2 — держатель,
3 — медный холодопровод, 4 — алюми-
алюминиевые квасцы, 5 — винты, 6 — стеклян-
стеклянный стержень, 7 и 8— коаксиальные
трубки, 9 — медный переход, 10 — шлиф.
11 и 12 — краны, 13— насос, 14 я 15 —
шлифы, 16 — плексигласовый колпачок,
17 — стеклянная трубочка, 18 — вкладыш,
19 — центрирующая пружина, 20 — шлиф,
21 — штоки, 22 — котировочные винты,
23 — подвижная платформа, 24 — винт,
25 и 26 — втулки, 27 — шток, 28 — опор-
опорные плиты, 29 — демпфер, 30 — постоян-
постоянный магнит, 31 — подвес, 32 — цанги,
33 — зеркало, 34 и 35 — катушки, 36 —
образец, 37 — лепестки
с солью — в магнитный экран. В этот момент соль имеет темпера-
температуру 0,065°К- Измерение проводят при повышении температуры
до 0,ГК в течение 60 мин, а до 0,3°К — 2 час.
Как показал эксперимент, максимальная величина поворота
подвижной системы без образца при подвесе, выполненном из фос-
фосфористой бронзы, сечением 0,04X0,3 мм2 и длиной 50 мм в поле
не превышает точности отсчета 10—15", при этом наблюдаются
небольшие вибрации подвесной системы. Однако в магнитных по-
полях 16-104 а/м они полностью исчезают. На описанном приборе
были исследованы квантовые осцилляции магнитной восприимчи-
восприимчивости Bi, которые позволили определить форму поверхности Ферми
и значения эффективных масс электрона.
§ И. ГРАДУИРОВКА МАГНИТНЫХ ВЕСОВ
При рассмотрении методов измерения магнитной восприимчи-
восприимчивости слабомагнитных веществ мы уже частично касались градуи-
градуировки весов, которую в большинстве случаев проводят с помощью
стандартных веществ с известной восприимчивостью. При выпол-
выполнении градуировки следует иметь в виду, что лучше всего брать
такое вещество, восприимчивость которого имеет тот же порядок,
что и предполагаемые исследуемые вещества. Кроме того, необ-
необходимо учитывать метод измерения, принимая во внимание при
этом форму и размеры исследуемых образцов и топографию маг-
магнитного поля. Поэтому для каждого конкретного случая должно
быть выбрано определенное эталонное вещество (табл. XVI).
Для градуировки весов, основанных на методе Гуи, удобно
использовать различные жидкости. В случае применения в каче-
качестве эталона твердых веществ необходимо добиваться каждый раз
однородного заполнения ампулы этим веществом. Для градуировки
таких весов можно пользоваться водой или бензолом, удель-
удельная магнитная восприимчивость которых соответственно равна
—0,72- Ю-6 при 293°К и 0,702-Ю-6 при 298°К. При этом они не
должны содержать растворенного воздуха, присутствие которого
может существенно изменить их восприимчивость. Такую же роль
играют растворенные в воде различные соли. Для градуировки ве-
весов пригоден также раствор хлорида никеля в воде, магнитная
восприимчивость которого при ~30 вес. °/о NiCl не зависит от
концентрации. Молярная магнитная восприимчивость хлорида ни-
никеля определяется соотношением
Х= [-^-0,720A-«)]
ю-
G.46)
где g — весовая доля NiCl, T ¦—абсолютная температура.
Весы Гуи могут быть также проградуированы по водному рас-
151
твору CS2C0CI4, магнитную восприимчивость которого можно рас-
рассчитывать по формуле
Х = 21,71^ — 0,72A -g), G.47)
где g — весовая доля СвгСоСЦ.
Одним из наиболее удобных веществ для градуировки различ-
различных весов является соль Мора. Удельная магнитная восприимчи-
восприимчивость этой соли определяется формулой
% = 9500-10-8(Г+1)-\ G.48)
где Т — абсолютная температура.
В качестве эталонов можно использовать соли NiSO4(NH4JSO4X
Х6Н2О и HgCo(CNSL.
Удельная магнитная восприимчивость первой соли выражается
соотношением
а второй
VT+2,5 /
G.49)
G.50)
Из газов для градуировки можно использовать кислород,
объемная восприимчивость которого при 293°К и 760 мм рт. ст.
равна %=@,1434±0,0004I0-6.
Для градуировки магнитных весов можно использовать также
чистые диамагнитные и парамагнитные металлы, восприимчивости
которых приведены в табл. VI и VII.
При градуировке весов необходимо обращать особое внимание
на чистоту эталонного вещества, так как содержание примесей,
особенно ферромагнитных, может привести впоследствии к невер-
неверным экспериментальным результатам. Ферромагнитные примеси
легко обнаружить, если провести исследования зависимости маг-
магнитной восприимчивости от напряженности магнитного поля. Если
ферромагнитные примеси нельзя удалить очисткой, то следует в
результаты измерения внести поправку. Для этого измерения про-
проводят при различных полях и строят зависимость восприимчивости
от обратной величины напряженности поля с последующей экстра-
экстраполяцией восприимчивости к бесконечно большой величине напря-
напряженности поля. Содержание парамагнитных примесей можно также
обнаружить в диамагнитных веществах, поскольку восприимчи-
восприимчивость парамагнетиков зависит от температуры, а диамагнети-
ков — нет.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бел ова В. И. Изв. сектора платины ИОНХ АН СССР, № 30, 120, 1955.
2. Б оз орт Р. М., Вильяме Г. Д., У о ми Д. Е. Изв. АН СССР сер
физ., 21, № 8, 1072, 1957.
152
3. Боровик-Ромаиов А. С, Крейиас Н. ЖЭТФ, 29, вып. 6A2),
790, 1955.
4. Б р а и д т Н. Б. ПТЭ, № 4, 153, 1959.
5. В е р т м а н А. А., Самарин А. М. «Завод, лаб.», 24, № 3, 309, 1958.
6. Веркин Б. И., Михайлов И. Ф. ЖЭТФ, 25, вып. 4, 471, 1953.
7. Верки н Б. И., Л аз аре в Б. Г.. Ру денко Н. С. ЖЭТФ, 20, вып. 11,
955. 1950.
8. В л а с о в К. Б., В о н с о в с к и й СВ. ФММ, 2, № 3, 403, 1956.
9. В л а с о в К. Б., И ш м у х а м е т о в Б. X. ЖЭТФ, 27, вып. 1 G), 75V
1S54.
10. Волков Д. И., Пшенички н П. А. ЖЭТФ, 43, вып. 2(8), 371, 1962.
11. Волков Д. И., Ч еч е р н и к о в В. И. Научн. докл. высш. школы, сер.
физ., .\о 2, 208, 1958.
12. Волков Д. И., Чечер ников В. И. Изв АН СССР, сер. физ., 21,
М> 8, 1111, 1957.
13. Вонсовский С. В. Современное учение о магнетизме. М.—Л.,
ГИТТЛ, 1952.
14. Г у р е в и ч М. А., М а л ю с-М а л и ц к и й К. П. ЖТФ, № 9, 1724, 1954.
15. Дмитриенко И. М. ПТЭ, № 2, 89, 1957.
16. Д о р ф м а н Я. Г., С и д о р о в С. К. ЖЭТФ, 9, вып. 1, 25, 1939.
17 Дорфман Я. Г Диамагнетизм и химическая связь. М., Физматгиз^
1961.
18. Д р и г а М. И. Измерительная техника, № 5, 36, 1955.
19. Ефимов А. И. К вопросу о магнетизме газов. СПб., 1888.
20. Зилов П. А. ЖРФХО, 9, 308, 1877.
21. Кандыба В. В. Изв. сектора платины ИОНХ АН СССР, № 30. 120,
1955.
22. К н р и л л о в И. П., П е т р а ч к о в Ф. А. Тр. Ивановск. хим.-технол.
нн-та, вып. 5, 69, 1956.
23. Коровкин К Н., Оке Н. А., Былина Э. А., Евдокимов В. Б.
ЖФХ, 35. Уя 3, 677, 1961.
24. Ландау Л. Д. Zs. Phys., 64, 629, 1930.
25. М у т и к "Г. Г. ЖФХ, 31, № 1, 263, 1957.
26. С а р а х о в А. И. Изв. АН СССР, сер. хим., 1, 5, 1956.
27. Сборник физических констант. Л.—М., ОНТИ, 1937.
28. С е л в у д П. Магнетохнмия. М, ИЛ, 1958.
29. Севастьянов Б. К. ПТЭ, № 5, 137, 1960.
30. Смирнов Ф. С. «Завод, лаб.», 18. Л° 1, 108. 1952.
31. Ф 11 нке л ьште й н В. Е., Шпигельман Е. С, К а и д ы б а В. В.
Измерительная техника, Х° 5, 52, 1956.
32. Чечер ни ко в В. И. Вести. Моск. ун-та, № 1, сер. физ., 47, 1957.
ii. Ч еч ер ни к о в В. И., Волков Ю. Д. ЖЭТФ, 35 вып. 4A0), 875,
195S.
34. Ч е ч е р н и к о в В. И. Вестн. Моск. ун-та, Л° 3, сер. физ., 93, 1959.
35. Ч е ч е р н и ко в В. И. Температурная зависимость парамагнитной вос-
восприимчивости никелевых сплавов. Дисс. МГУ, 1957.
36. Щ е д р о в и ц к и й С. С, Флексер Л. А. Измерительная техника,
№ 3, 27, 1957.
37. Янус Р. И.. Шур Я. С. ДАН СССР, 2, 465, 1935.
38. Ван-Флек Д. Н. Теория электрической и магнитной восприимчивости.
Оксфорд, 1932.
39. S h о е г. b e r g D. Ргос. Roy. Soc, 170, 341, 1914.
40. G u s t a [ s s о п G. Ann. Phys., 28, No. 2, 121, 1937.
41. N e e 1 L. Ann. Phys., 3, 137, 1948.
42. F a 11 о t M., M a r о п i P. J. Phys. rad., 12, 256, 1951.
43. S u с k s m i t h W. Proc. Roy. Soc, 8 158, 1929.
44. Chandrasekher B. S. Rev. Sci. Instr., 27, No. 11, 967, 1956.
45. Clark C. A., Whittle J. E. J. Sci. Instr., 36, No. 4 190, 1959
4G. Soling H. Acta Chem. Scand., 12, No. 5, 1005, 1958.
47. G о u у L. G. Сотр. Rend., 109 935, 1889.
48. Hilal О. M., Fredericks G. E. J. Chem. Soc. March., 785, 1954.
49. French CM, Harrison D. J. Amer. Chem. Soc., 75, No. 11, 2538,
Sept. 1953.
50. Weiss P., F о e x G. J. Phys., 1, 274, 1911.
51. Theodordes P. J. Phys. rad., 3, 1, 1922.
52. Maxim J., P о p J., N i с u 1 a A. Studia Universitatis Bades—Bolyai,
sep. 1, fase, I, Mathem—Physica, 1960.
53. Baisswenger H., W а с h t e 1 E. Zs. Mettalkunde 46, Nr. 7, 504, 1955.
54. Cohen J. С. г. Acad. sci., 246, n° 25, 3425, 1958.
55. С u r i e P., Cheveneau С J. Phys., 2, 796, 1903.
56. С h e v e m a u С Phil Mag., 2, 357, 1910.
57. Gray F. W., Farguhharson J. J. Sci. Instr., 9, 1, 1932.
58. Wilson E. Proc. Roy. London, A 96, 429, 1920.
59. Dor f man J., К i к о i n J. Phys. Zeitschr. Sowiet., 3, 421, 1933.
60.
Видим Ф. Чехосл. физ. журн., 6, № 1, 84, 1956.
61. С i n i R., S а с со п i 'L. J. Sci. Instr., 31, No. 2, 56, 1954.
62. D a 11 a Roy S. K. Indian J. Phys., 29, No. 9, 429, 1955.
63. В a r b i e r J. С J. Phys. et rad., 15, n° 12, 76, 1954.
64. Y. u S. P., Mo rr i s ch A. H. Rev. Sci. Instr., 27, No. 1, 9, 1956.
65. G г о f t С. Т., D о п a h о e F. J., L о v e W. E. Rev. Sci. Instr., 26, No. 4,
360, 1955.
66. Penoyer R. F. Rev. Sci. Instr., 30, No. 8, 711, 1959.
67. К a pi z a P. L., Webster W. L. Proc. Roy. Soc, A 132, 442, 1931.
68. Rankine A. O. Proc. Phys. Soc, 46, 391, 1934.
69. Iskenderian H. P. Phys. Rev., 51, 1092, 1937.
70. Bockris J. 0., Parsons D. F. J. Sci. Instr., 30, No. 10, 362, 1953.
71. Bur ris A., Ha use C. D. J. Chem. Phys., 11, No. 10, 442, 1943.
72. Conte R. С. г. Acad. sci., 242, n° 21, 2528, 1956.
73. Cohen J. J. Phys. rad., 19, n° 8—9, 57, 1958.
74. Quincke G. Ann. Phys., 24, 347, 1885.
75. Wills A. P., H e ct о r L. G. Phys. Rev., 23, 209, 1924.
76. W о d b r i d g e D. B. Phys. Rev., 48, 672, 1935.
77. Havens С G. Phys. Rev., 43 992, 1933.
78. Bitter F. Phys. Rev., 35, 1572, 1930.
79. L e h r e r E. Ann. Phys., 81, 229, 1926.
80. Broersma S. Rev. Sci. Instr., 20, No. 9, 660, 1949.
81. Pacault A., Lemanceau В., J о u s s о t-D u b i e n J. C. r. Acad.
Sci., 237, n° 19, 1156, 1953.
82. R a b i I. I. Phys. Rev., 29, 174, 1927.
83. H о а г а п J., L u m b г о s о N, Pacault
1702, 1956.
84. Pointean R., Poguet E. С r. Acad. Sci., 249, n° 4, 546, 1959.
85. J о u s s о t-D u b i e n J., Lemanceau В., Pacault A. J. Chem.
phys. et phys.-chem.-bio!., 54, No. 2, 198, 1956.
86. Hi rone Т., Мае da S., Tsuya N. Rev. Sci. Instr., 25, No. 5,'516,
99. Stevenson R. Rev. Sci. Instr., 32, No. 1, 28, 1961.
100. Garber M., Heury W. G., Hoeve H. G. Canad. J. Phys., 38, No. 12,
1595, 1960.
101. Chen W. K., Koch F. В., Si vert sen J. M. Rev. Sci. Instr., 31,
No. 10, 1157, 1960.
102. G e i s t D. Z. Phys., 158, No. 3, 359, I960.
103. R а к о § M. Ceskosl. casop. fys., 7, No. 4, 378, 1957.
104. Singer J. R. Rev. Sci. Instr., 30, No. 12, 1123, 1959.
105. Ghosh P. A. Indian J. Phys., 35, No. 6, 319, 1961.
106. Черняковский Ф. П., Богданов И. Н. ПТЭ, № 2, 176, 1962.
107. Hofer L. J. E., To or E. W. Rev. Sci. Instr., 33, No. 4, 417, 1962.
108. Pepper A. R, Smith I. H., J. Sci. Instr., 42, No. 5, 328, 1965.
109. Domenicali С A. Rev. Sci. Instr., 21, 327, 1950.
ПО. Поляков В. П. ПТЭ 5, 190, 1963.
111. Havemann R. Z. Chem., Nr. 121, 1964.
112. F a r a d a y. Experim., Res., 3. London, 27, 493, 1885.
113. К а с z e r I. Чехосл. физ. журн., В 13, № 5, 386, 1963.
114. Dewitz W., Jahne E. Expte. Techn. Phys., 11, Nr. 3, 238, 1963.
115. Much ead F. R. J. Sci. Instr., 39, No. 12, 633, 1962.
116. Henri P. K., Hayt G. D. Rev. Sci. Instr., 34, No. 4, 122, 1963.
117. Маклаков А. И. ЖФХ, 37, № 11, 2609, 1963.
118. Z a h n С. Т. Rev. Sci. Instr., 34, No. 3, 285, 1963.
119. Брандт Н. Б. ПТЭ, № 3, 115, 1960.
120. Севастьянов Б. К., Харахатьян Э. Г. ПТЭ, № 5, 135, 1960.
121. Поп Иулиу, Чечерников В. И. ПТЭ, № 5, 180, 1964.
122. Аминов Т. Г. Магнитная восприимчивость некоторых соединений ура-
урана и плутония. Дисс, МГУ, 1966.
A. r. Acad. Sci., 242, n° 13,
1954.
87.
89.
90.
N order W., Wallace A. Rev. Sci. Instr., 31, No. 8 849, 1960.
M с k i m F. R., Wolf W. P. J. Sci. Instr., 34, No. 2, 64, 1957.
Haas R., Grun F. Helv. Chim. acta, 40, No. 5, 1299, 1957.
Vickery R. C, S e x t о m W. C. Rev. Sci. Instr., 31, No. 6, 647, 1960.
91. Gill S. J., Ma lone С P., Downing M. Rev. Sci. Instr., 31 No. 12,
1299, 1960.
92. Thorpe A., Sen f tie F. Rev. Sci. Instr., 30, No. 11, 1006, 1959.
93. M e s n a g e M., G r i v e t P., S a u z a d e M. С r. Acad. Sci., 249, n° 1,
1959.
59,
94. H i 1 s u m C, R о s e—I n n e s A. C. Nature, 182, 4642, 1958.
95. Y о u s e f Y. L. Brit. J. Appl. Phys., 4, No. 2, 46, 1953.
96. M a t h a i A. O. J. Sci Instr., 37, No. 2, 71, I960.
97. Mercier R., Bovet D. Bull. Soc. vaud. sci. natur., 66, 296, 481, 1957.
98. H о а г о u J. La nature, n° 3280, 311, 1958.
154
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
МАГНИТОСТРИКЦИИ
Явление магнитострикции состоит в том, что ферро-
ферромагнитные тела при намагничивании изменяют свои размеры и
форму, удлиняясь в одних направлениях и укорачиваясь в других.
Изучению магнитострикции уделяется большое внимание не
только потому, что она представляет теоретический интерес. Маг-
ннтострпкционные свойства находят применение в технике. В на-
настоящее время ферромагнитные материалы используются для
магнитострикционных генераторов и приемников ультразвука,
магнитострикционных стабилизаторов частоты и т. п.
В ферромагнитных металлах возможны два вида магнито-
стрикшш, обусловленные обменными и магнитными силами в ре-
решетке.
В области процессов смещения и вращения за магнитострик-
цню в основном ответственны магнитные силы. Здесь магннто-
стрнкния зависит от ориентации результирующего вектора само-
самопроизвольной намагниченности по отношению к кристаллографи-
кристаллографическим осям. В области парапроцесса магнитострикция проявляет-
проявляется в результате действия обменных сил в решетке.
Акулов [1] разработал классическую теорию анизотропии маг-
магнитострикции в ферромагнитных металлах и в сплавах. Линейная
магнитострикция кристаллов кубической системы при магнитном
насыщении, по Акулову, описывается формулой
К = а0 + ¦
, (8.1)
1=1,2,3
i'i
где a,-, «,¦ — направляющие косинусы вектора спонтанной намагни-
намагниченности по отношению к тетрагональным осям кристалла, р,-, р:—
направляющие косинусы по отношению к тем же осям и радиуса-
вектора г, в направлении которого изменяется магнитострикция Xs
относительно ребер куба, а0 — постоянная, A.s[ioo] и ^s[in]—значения
156
магнитострикции насыщения, измеренные соответственно в направ-
направлении ребра и диагонали кристалла.
Используя формулу (8.1) и зная константы К^щ и ^s[ni] нетруд-
нетрудно рассчитать магнитострикцию насыщения по любому направле-
направлению в кристалле.
На основе закона анизотропии можно оценить величину магни-
тострнкции насыщения поликристалла, который представляет со-
собой совокупность монокристаллов, распределенных равновероятно
по всему объему. Тогда проводится усреднение формулы (8.1)
с учетом различных ориентации отдельных монокристаллов по от-
отношению к направлению вектора самопроизвольного намагничи-
намагничивания и направлению измерения магнитострикции. В некоторых
частных случаях можно с известным приближением пользоваться
соотношением (8.1), не делая усреднения. Так, формула для рас-
расчета значения магннтострикции насыщения в поликристаллическом
никеле по различным направлениям имеет следующий вид:
(8.2)
1
2 6 —
где 9 — угол между направлением магнитного поля и направле-
направлением измерения магнитострикции.
Большой интерес представляет зависимость магнитострикции
от намагниченности. Как показывает опыт, в области смещения
и вращения имеет место квадратичная зависимость К от / [3, 5].
§ 1. ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ
МАГНИТОСТРИКЦИИ
В последнее десятилетие получил широкое распространение
тензометрический метод измерения магнитострикции [2, 22].
Проволочный тензометр изготовляют из тонкой проволоки диа-
диаметром 15—25 мк из материала, который имеет большое омиче-
омическое сопротивление (нихром, константан и др.). Датчик может
быть выполнен или в форме решетки с несколькими петлями, или
в виде одной проволоки в зависимости от размеров и формы об-
образца. При размерах решетки от 5X3 до 150x160 мм сопротив-
сопротивление датчика колеблется от 100 до 300 ом. Для изготовления
датчика берут полоску тонкой бумаги, на которую наклеивают
проволоку в форме решетки. Для датчиков обычно применяют
тонкую рисовую бумагу, обладающую хорошими изоляционными
свойствами и легко проклеивающуюся. Клей, применяемый для
изготовления тензометров, должен быть хорошим изолятором, при
этом его свойства не должны изменяться со временем. Для этих
целей применяется клей типа БФ, карбинальный клей с добавкой
катализатора, целлюлозно-ацетоновый.
После того как проволочка приклеена к бумаге, на нее накла-
накладывают второй слой той же бумаги. Слой клея между двумя по-
полосками бумаги должен быть очень тонким, порядка 1—5 мк, чтобы
157
не возникали деформации сдвига или скольжения. Клей равно-
равномерно распределяется по всей длине проволоки, что обеспечивает
одинаковую чувствительность датчика при его удлинении и укора-
укорачивании.
Такие датчики дают возможность быстро прикреплять их к ис-
исследуемому образцу, обеспечивают точную передачу деформации
с поверхности образца к проволочке тензометра. Кроме того, они
могут применяться для измерения магнитострикции на образцах
произвольной формы. Проволочный тензометр (датчик) вместе
с температурно-компенсационным нерабочим датчиком включается
в обычный мост постоянного тока, в
диагонали которого находится чув-
чувствительный к напряжению гальва-
гальванометр. Для определения изменения
сопротивления используют также
мосты переменного тока с усилите-
усилителем. Проволочные тензометры были
применены Волковым и Скоробога-
товым [7, 8] для исследования ма-
магнитострикции на переменном токе
при частоте 4-Ю4 гц. На рис. 61 по-
показана принципиальная схема для
исследования статической магнито-
магнитострикции на мосту переменного то-
тока с усилителем и стрелочным при-
прибором.
Измерительный мост питается
переменным током звуковой часто-
частоты, получаемым от стандартного ге-
генератора, имеющего на выходе
мощность 2—5 вт. Форма кривой напряжения при этих измерениях
должна быть близка к синусоидальной. Для полной компенсации
моста в кривой напряжения должны отсутствовать высшие гармо-
гармоники, так как иначе появятся некоторые отклонения стрелочного
прибора в цепи измерительного усилителя, что значительно услож-
усложнит процесс измерения. Измерительный мост выполняется из про-
проволочных датчиков, которые наклеивают на образец, они образуют
рабочее плечо моста. Остальные плечи моста выполняют роль ба-
балансира, их приклеивают к немагнитной основе.
Рабочие датчики наклеивают с двух сторон образца, чтобы
не было отклонений от случайных его прогибов, так как в этом
случае сопротивление одного датчика увеличивается, а другого
уменьшается. Все четыре плеча моста монтируют на одной панели
и помещают в намагничивающую катушку. Концы датчиков при
помощи экранированной проволоки соединяют с остальными эле-
элементами схемы. Для компенсации разности сопротивления плеч
моста используют два реохорда, выполненные из константановой
проволоки с сопротивлением 1—2 ом. Чтобы скомпенсировать угол
158
Рис. 61. Принципиальная схема
установки для измерения магнито-
магнитострикции на переменном токе:
1 — генератор звуковой частоты,
2 — усилитель, 3—стрелочный при-
прибор, 4 — рабочий тензометр, 5, 6,
7 — компенсационные датчики, 8—
градуировочное сопротивление,
9, 10 — реохорды, И — переменная
емкость
сдвига по фазе, применяют набор конденсаторов переменной емко-
емкости. Последовательно с измерительным датчиком включают гра-
градуировочное малоомное сопротивление @,05 ом), которое дает
возможность проводить градуировку стрелочного прибора.
Вследствие магнитострикции изменяется сопротивление рабо-
рабочего плеча, и в диагонали моста возникает небольшое напряжение,
для усиления которого применяют четырехкаскадный усилитель со
стрелочным прибором на выходе. Для визуальных наблюдений
или фотографирования выход усилителя можно подключить к ка-
катодному осциллографу. Питание усилителя производят от батареи,
ее применение значительно уменьшает возможность появления
различного рода наводок и увеличивает тем самым стабильность
режима работы установки. Одним из основных требований, кото-
которые предъявляют к усилителю, является линейность его ампли-
амплитудной характеристики, так как в противном случае будет наблю-
наблюдаться отклонение действительной зависимости магнитострикции
исследуемого образца от напряженности магнитного поля. После
того как мост окончательно скомпенсирован, градуируют установку
путем включения сопротивления 8. Чтобы избежать случайных от-
отклонений, градуировку нужно проводить в процессе измерения не-
несколько раз. В случае изменения градуировки корректируют
входное напряжение моста, добиваясь при этом каждый раз оди-
одинакового отклонения прибором 3 при включении сопротивления 8.
Для расчета магнитострикции применяют следующую формулу:
(8.3)
a0Rk
где Ro — градуировочное сопротивление, R — сопротивление рабо-
рабочего датчика, ссо — отклонение, возникающее при включении сопро-
сопротивления RQ, а — отклонение при наличии магнитострикции, k —
коэффициент тензочувствительности для данного типа датчиков
(й«2).
Для описанной измерительной установки можно применять пе-
переменный ток с частотой 2- 104гц. В качестве датчиков используют
константановые датчики с базой 20—30 мм и сопротивлением
240 ом.
Метод проволочных тензометров обладает достаточно высокой
чувствительностью, он позволяет измерять относительную магни-
тострикцию порядка 10~7.
§ 2. МЕТОД ВЫНОСНЫХ ПРОВОЛОЧНЫХ
ТЕНЗОДАТЧИКОВ
Применение наклеенных проволочных датчиков ограничено тем,
что их нельзя использовать в области высоких температур. Они
практически могут быть применены от низких температур до
159
При более высоких температурах применяют выносные датчики,
впервые разработанные в МГУ. Рабочий датчик в этом случае
всегда находится при комнатной температуре, а исследуемый об-
образец нагревается. Простейший тип выносного датчика, состоящего
из одной натянутой проволоки, был применен Беловым [4]. В даль-
дальнейшем Волков и Чечерников [9] разработали усовершенствован-
усовершенствованную измерительную головку выносного датчика для исследования
магнитострикции ферромагнитных материалов в широкой области
температур. По своей конструкции эта головка очень проста и
удобна в эксплуатации.
Принципиальная схема установки и конструкция измеритель-
измерительной головки показана на рис. 62, а и 62,6. Основной частью изме-
измерительной головки являются проволочные датчики D, которые из-
изготовляют из константановой или нихромовой проволоки толщиной
20—40 мк. Один конец рабочих датчиков припаивают к контак-
контактам 13, которые жестко связаны с текстолитовым корпусом 16.
В нижней части корпуса имеется паз, куда вставляют внешнюю
кварцевую трубку 14 диаметром 14—16 мм. В эту трубку поме-
помещают исследуемый образец О, имеющий форму эллипсоида вра-
вращения или стержня. На корпус надевают обжимный хомутик 15,
который при помощи винтов крепко зажимает в пазу трубку 14.
Нижний конец образца упирается в дно трубки 14, а верхний
входит в отверстие трубки 1, имеющий диаметр 6—8 мм. Трубка /
проходит через отверстие в корпусе 16. На верхний конец трубки
надевают зажимную цангу 3, несущую кольцо 5. Это кольцо позво-
позволяет изменять натяжение рабочих датчиков во время настройки
измерительной головки перед началом и в процессе работы.
Цанга 3 и кольцо 5 выполняют из легкого неферромагнитного ма-
материала алюминия или дюралюминия. Между ними и текстолито-
текстолитовым основанием 16 есть небольшой воздушный зазор, позволяющий
цанге свободно перемещаться в вертикальном направлении. Чтобы
трубка / при зажиме ее в цанге не трескалась, ее следует пред-
предварительно вставить в тонкую алюминиевую трубку с большим
диаметром. Трубки склеивают клеем БФ-2. Это значительно удли-
удлиняет срок службы кварцевой трубки /. Для избежания искривле-
искривлений датчиков, располагающихся строго по диаметру измерительной
головки, имеются направляющие шпильки 6, входящие в отверстие
цанги. Концы рабочих датчиков а—а присоединяют к одному из
плеч моста постоянного тока. К соседнему плечу моста подклю-
подключают температурно-компенсационный датчик Ъ—Ь, который делают
из той же проволоки, что и рабочий датчик, при этом оба в про-
процессе измерения находятся в одном температурном режиме. Ком-
Компенсационный датчик припаивают к контактам 12 на корпусе 16.
Для поддержания постоянной температуры окружающей среды
измерительную головку помещают в термоизоляционный кожух,
роль которого может выполнять сосуд Дьюара.
Применение компенсационного датчика и сосуда Дьюара дает
возможность обеспечить хороший режим работы измерительной
160
s= / Г 7
2 S « s .
' 4.' s
t~,
Ззк. 262
головки. Как показывает опыт, отклонение стрелки индикаторного
высокочувствительного прибора, находящегося в диагонали моста,
за счет изменения температурного режима практически сводится
к нулю. Иногда измерительную головку помещают в сосуд с мас-
маслом [12]. Это также обеспечивает хорошую стабилизацию темпе-
температуры. Однако в этом случае значительно усложняется экспери-
эксперимент и его проведение требует больше времени, чем при приме-
применении компенсационного нерабочего датчика и сосуда Дьюара.
Поэтому практически пользуются первым методом стабилизации
режима работы установки.
После того как измерительная головка собрана, кварцевую
трубку 14 вместе с находящимся в ней образцом помещают в на-
нагревательную печь, которую в свою очередь вставляют в намагни-
намагничивающую катушку. Нагревательную печь изготовляют из квар-
кварцевой или фарфоровой трубки с равномерно намотанной обмоткой
из нихромовой проволоки. Сверху наносится равномерно слой гли-
глины или другого какого-нибудь жаростойкого материала (жидкое
стекло, смесь жидкого стекла и окиси алюминия, смесь глины
с асбестом и др.). Чтобы печь имела однородное температурное
поле (это очень существенно при подобных измерениях, так как
исследуемый образец имеет значительные размеры, 8—12 см дли-
длины), в канал печи вставляют короткую латунную трубку. При этом
следует иметь в виду, что длинная латунная трубка, занимающая
всю длину печи, не обеспечивает хорошей однородности темпера-
температуры, так как некоторое количество тепла будет отводиться кон-
концами трубки наружу. Термопары для измерения температуры
вставляют в отверстие. Компенсацию моста проводят при выклю-
выключенной цепи намагничивающей катушки. Это осуществляется при
помощи омических сопротивлений ^i и /?2, включенных в два со-
соседних плеча моста (рис. 62, а). Между ними находятся реохорд Я,
который точно компенсирует мост. Мост питается от батареи Б
большой емкости. Ток в неразветвленной части цепи регулируют
сопротивлением /?3 и устанавливают силой 15—25 ма. Для вклю-
включения отдельных частей схемы используют ключи К\, К2, /Сз, Ка-
При включении магнитного поля вследствие магнитострикции из-
изменяется длина образца. Это изменение передается при помощи
кварцевой трубки / измерительной головке и рабочим датчиком Д
сопротивление которых в результате меняется. Это приводит к от-
отклонению подвижной системы гальванометра Г. В плече моста, где
находится рабочий датчик, включено также эталонное сопротивле-
сопротивление /?эт«0,01—0,02 ом, при помощи которого градуируют уста-
установку. Для вычисления магнитострикции используют следующую
формулу:
kRa0
о,
(8.4)
162
где R— сопротивление рабочего датчика, Ro— эталонное сопро-
сопротивление, k — коэффициент тензочувствительности, равный в дан-
данном случае 4—4,5, L — длина образца, / — длина проволоки рабо-
рабочего датчика, аэ — отклонение гальванометра при включении эта-
эталонного сопротивления, а—отклонение гальванометра при вклю-
включении магнитного поля.
При длине образца в 100 мм и при длине проволоки рабочего
датчика 100—120 мм отклонение светового луча на 1 мм по шкале
соответствует магнитострикции 1 • 10~7. Точность измерения маг-
магнитострикции методом выносных датчиков составляет 3%. Метод
выносных датчиков позволяет исследовать магнитострикцию фер-
ферромагнитных материалов в широком температурном интервале от
низких температур до ~1500°К.
Власов и Гуськов [36], используя метод выносных датчиков,
создали установку, которая позволяет производить фотозапись
магнитострикции ферромагнитных материалов при различных тем-
температурах. Чтобы не изменялось натяжение датчика при нагрева-
нагревании образца, они применили компенсационный стержень, изготов-
изготовленный из неферромагнитного нихрома. Стержень подбирают таких
размеров, чтобы его длина при нагревании изменялась на такую
же величину, как и у исследуемого образца.
§ 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
ЗАВОДА «ЭТАЛОН»
Магнитострикционная установка типа УСМ предназначена для
измерения магнитострикции в статическом режиме. Она дает воз-
возможность определять кривые магнитострикции в функции напря-
напряженности магнитного поля в интервале температур от 80 до 700°К
[14].
Кроме того, на этой установке можно исследовать магнито-
магнитострикцию при односторонних упругих напряжениях. Установка со-
состоит из двух самостоятельных элементов: измерительного стенда
и питающего устройства. Принципиальная электрическая схема
всей установки показана на рис. 63, а.
Проволочный датчик D\ служит для измерения магнитострик-
магнитострикции в зависимости от напряженности магнитного поля в пределах
температуры от 80—700°К. Этот датчик составляет два плеча мо-
моста постоянного тока, а другими двумя плечами служат сопротив-
сопротивления Ru и Rl3. Переменные сопротивления R\2, выполненные в
виде реохорда, используют для окончательной балансировки мос-
моста. Второй проволочный датчик D2 составляет также два плеча
другого моста. При помощи него можно измерять магнитострик-
магнитострикцию в зависимости от напряженности магнитного поля при нали-
наличии упругих напряжений, прилагаемых к исследуемому образцу.
Другие два плеча моста образуют сопротивления Ru и Rl6, а рео-
реохорд /?i5 дает возможность балансировать этот мост. Криостаты
К\ и /С2, которые находятся в соленоидах, позволяют изменять
б* 163
Рис. 63, а — Принципиальная электриче-
электрическая схема установки завода «Эталон».
б — «Конструкция измерительной голов-
головки: в — Общий вид измерительной голов-
головки: /, 2 — барабаны, 3, 4 — диафрагмы,
5 — винты, 6,7 — дифференциальные гай-
гайки, 8, 12 — трубки, 9 — исследуемый об-
образец, 10 — цанга, // — соединение,
13 — корпус, 14 — корректор, 15, 16 —
конусные зажимы, 17 — патрубок для
отвода газа
Л 5
температуру исследуемого образца от 80 до 300°К, а термостаты
Т\ и Т2 — в пределах от 300 до 700°К. Для записи результатов
измерения на фотопленку, фотопластинку или осциллографическую
бумагу применяют координатный гальванометр. Работу основ-
основных узлов установки регулируют при помощи переключателей П\,
П2, /73, Я4, П5 и П6. Эти переключатели используют соответствен-
соответственно для измерения полярности термопар при переходе от темпера-
температур выше окружающей среды к более низким температурам; для
изменения масштаба координатного гальванометра по горизон-
горизонтальной оси; для осуществления записи по горизонтальной оси
напряженности магнитного поля или температуры исследуемого
образца; для включения в схему моста датчиков батареи питания;
для переключения предела измерения милливольтметра Ах и для
включения питания подсвечивания измерительных приборов. Пе-
Переключатель П используют для коммутирования тока в соленоиде.
Температура печи, в которой находится образец, измеряется термо-
термопарами Т3 и Г4. Питание цепей датчиков производится от батарей
БАС-60, которые на рисунке обозначены буквой Б. Регулировка
токов датчиков производится реостатами /?ю, а для измерения то-
тока имеется миллиамперметр As. В электрической цепи установки
используют лабораторные автотрансформаторы Ви В2, В3, которые
регулируют ток в цепи термостатов Т{ и Т2 и криостатов.
Рассмотрим конструкцию основных элементов измерительной
головки, которая показана на рис. 63,6 и 63, в. Основными эле-
элементами головки являются барабаны 1 я 2 я диафрагмы 3, 4, ко-
тсрые изготовляют из плексигласа. На барабан 1 и диафрагму 3
наматывают под одним натяжением константановую проволоку
диаметром 30 мк. Проволоку укладывают в специальные пазы,
находящиеся на наружной поверхности барабана 1 и диафрагмы 3.
Намотка проволоки датчиков осуществляется с помощью неболь-
небольшого груза. Сопротивление проволоки равно приблизительно 500 ом.
Барабан 2 и диафрагма 4, имеющие такие же датчики, составляют
второе плечо моста. Диафрагмы 3 я 4, жестко связанные между
собой винтами, составляют общую диафрагму, которая механиче-
механически связывает между собой барабаны 1,2 с помощью обмоток,
выполненных из константановой проволоки. Дифференциальная
гайка 6, соединенная с барабаном 1, свободно поворачивается.
При одном обороте гайки барабан поднимается на 5 мк относи-
относительно общей диафрагмы 3, 4, растягивая тем самым константа-
константановую проволоку, намотанную на барабан 1 я диафрагму 3. Ана-
Аналогичную роль выполняет дифференциальная гайка 7, которая
растягивает константановую проволоку барабана 2 и диафраг-
диафрагмы 4. Общая диафрагма через трубку 8 жестко соединяется с ис-
исследуемым образцом 9 при помощи цанги 10. Второй конец образ-
образца цанговым соединением 11 скрепляется с трубкой 12. В свою
очередь трубка 12 жестко связана с корпусом 13. При растянутом
положении барабанов 1 относительно общей диафрагмы 3, 4 соз-
создается зазор между этими барабанами и общей диафрагмой. При
166
удлинении исследуемого образца вследствие магнитострикции
трубка 8 изменяет положение общей диафрагмы относительно ба-
барабанов 1 я 2. При этом в барабане 1 натяжение проволоки
уменьшается и соответственно снижается сопротивление, в то
время как в барабане 2 натяжение сопротивления проволоки
увеличивается. Такое устройство измерительной головки дает воз-
возможность увеличить чувствительность установки в два раза. Вслед-
Вследствие изменения сопротивления проволок нарушается равновесие
моста и координатный гальванометр, включенный в нулевую цепь
моста, дает отклонение светового луча от нулевого положения.
В том случае, если исследуемый образец укорачивается, сопротив-
сопротивление проволоки барабана 1 увеличивается, а барабана 2 умень-
уменьшается, при этом гальванометр показывает отклонение светового
луча в противоположную сторону. Корректор 14 предохраняет
общую диафрагму от механических повреждений, которые могут
быть при установке исследуемого образца в измерительную голов-
головку. Общая диафрагма закрепляется двусторонними конусными за-
зажимами 15 я 16 в нейтральном положении. Патрубок 17 предназ-
предназначен для отвода газа при работе в области низких температур.
Намагничивающие соленоиды с термостатами конструктивно офор-
оформлены в виде отдельных узлов. Термостат, помещенный внутрь
соленоида, представляет собой фарфоровую трубку, на которую
равномерно намотана нихромовая проволока. Весь термостат по-
помещают в водяную рубашку. Когда термостат нагревается, то
через эту рубашку пропускают воду, предохраняющую обмотки
соленоида от перегрева. Контроль режима работы термостатов
осуществляется при помощи амперметра и вольтметра.
Криостаты в установке оформлены также в виде отдельных
узлов. По своему принципу работы криостаты относятся к газо-
газопроточным. Внутри криостата помещают нагреватели, которые
регулируют температуру в том пространстве, где находится обра-
образец. Регулировку температуры производят при помощи изменения
интенсивности газового потока. Нагреватель, расположенный в
горловине вакуумного сосуда, позволяет изменять температуру
потока газа. С помощью таких криостатов можно изменять тем-
температуру окружающей среды исследуемого образца в пределах от
80 до 300°К.
Регулировочное устройство магнитострикционной установки
сделано в виде отдельного стенда, который соединен с измери-
измерительной частью установки при помощи кабеля. В регулировочное
устройство вмонтированы все ручки управления установки. Преж-
Прежде чем начинать настройку установки, нужно проверить правиль-
правильность включения ее схемы, что проводят последовательно по от-
отдельным узлам. После того как эта операция будет выполнена,
можно включать питание мостовой схемы, при этом следует пом-
помнить, что рабочий ток проволочных датчиков, равный 25 ма, дол-
должен увеличиваться постепенно. Затем устанавливают исследуемый
образец и с помощью поворота дифференциальных гаек 6 я 7про-
167
волочного датчика добиваются нужной чувствительности установ-
установки. Окончательная балансировка моста выполняется реохордами,
которые расположены на передней панели установки. Установка
дает возможность измерять магнитострикцию на образцах длиной
от 50 до 200 мм, диаметром от 0,5 до 6 мм.
Завод гарантирует чувствительность установки 1 • 10~7, а точ-
точность измерения порядка 5%. Градуировка осуществляется по
эталонному образцу, в качестве которого лучше использовать ни-
никель.
Рассмотренная установка имеет ряд конструктивных недостат-
недостатков. Прежде всего, как это видно из описания, исследуемый обра-
образец связан с диафрагмой при помощи пустотелой латунной трубки,
что приводит к значительному отводу тепла от образца. Этого
можно избежать, если соединительную трубку выполнить из квар-
кварцевого стекла. Кроме того, установку нельзя проградуировать не-
непосредственно в единицах длины без эталонного образца.
§ 4. МЕТОД МЕХАНООПТИЧЕСКОГО РЫЧАГА
До самого последнего времени одним из наиболее распростра-
распространенных методов измерения магнитострикции являлся метод меха-
нооптического рычага, который применялся многими исследовате-
исследователями [23, 24]. Впоследствии этот метод неоднократно усовершен-
усовершенствовался по линии улучшения механической передачи [6, 18, 25,
26].
Рассмотрим наиболее совершенные варианты этого метода [18].
Схема основных частей прибора, измерительной головки и намаг-
намагничивающей катушки показана на рис. 64. Измеряемый образец/
в виде стержня длиной 200 мм и диаметром 6 мм помещают вну-
внутри медной гильзы 2. Один конец образца жестко крепится к мед-
медной шайбе 3, а другой — свободно проходит через медное кольцо4.
Образец вместе с медной гильзой помещают в намагничивающую
катушку 5. Механическая передача состоит из двух алюминиевых
стержней 6 и 7, которые соединены между собой бронзовой пру-
пружиной 9. На концах стержней находятся вольфрамовые иголки.
одна из которых упирается в агатовое основание, находящееся
на конце образца, а другая в такое же основание винта 8. Стер-
Стержень 7 имеет отросток, который покоится на валике 11, имеющем
зеркальце 12. На противоположном конце валика для уравнове-
уравновешивания веса зеркальца имеется грузик 13. Винт 8 позволяет соз-
создавать некоторый прогиб пружины, так что стержни 6 и 7 обра-
образуют некоторый угол. Давление на агатовое основание очень
маленькое. Рычажная система не зажата и может легко вращать-
вращаться, давя своим весом на ось зеркальца. Увеличение системы зави-
зависит от заданного прогиба стержней 6 и 7, стрелка прогиба которых
проверяется по окулярному микрометру. После того как образец
помещен в систему и отмечено нулевое положение светового зай-
зайчика на шкале, можно приступить к измерению магнитострикции.
168
В магнитном поле длина образца изменяется на некоторую
величину, что вызывает смещение стержня 6 на ту же величину.
Это приводит к перемещению стержня 10, который повернет ось
зеркальца на некоторый угол, в результате чего световой зайчик
переместится по шкале. Величина магнитострикции определяется
по формуле
А (8.5)
2LI
а>
где / — длина образца, а — отклонение светового зайчика по шка-
шкале (мм), R — радиус оси вращения
зеркальца, L — расстояние от зер- ню 9 7 8
кальца до шкалы. \ 1 I / /
Градуировка установки прово-
проводится по чистому никелю, величина
магнитострикции которого известна
с достаточной точностью. Рассмот-
Рассмотренный нами метод механооптиче-
ского рычага дает возможность из-
измерять относительную магнито-
магнитострикцию порядка 10~6 с точностью
до 4%. Для ускорения измерения
этот метод часто используется с фо-
фотозаписью, что позволяет опреде-
определить кривую магнитострикции для
одного образца в течение несколь-
нескольких минут.
На рис. 65 показана измеритель-
ю
Рис. 64. Устройство установки, осно-
ванной на механооптическом методе:
/ — исследуемый образец, 2 — медная
гильза, 3— шайба, 4 — кольцо, 5 —
намагничивающая катушка, 6 и 7 —
алюминиевые стержни, 8— винт, 9 —
бронзовая пружина, 10— металличе-
металлический стержень, 11— валик^ 12— зер-
зеркальце, 13 — грузик
ная головка и схема установки для
измерения магнитострикции, приме-
примененные Власовым [6].
Рис. 65. Разрез прибора для
измерения магнитострикции:
1 — образец, 2 — кварцевая
трубка, 3—опора, 4 — кварце-
кварцевый стержень, 5, 6—направ-
6—направляющие втулки, 7 — пружина.
8—-ось, 9 — зеркальце, 10 —
агатовые подшипники, // — ос-
основание рамы, 12 — винт, 13 —
печь, 14 — теплоизолирующим
слой, 15 — термопара, 16—ка-
16—катушка компенсации земного
поля
169
Исследуемый образец находится в вертикальном положении
по оси кварцевой трубки, которая имеет диаметр 2,8 см и длину
65 см. Нижний конец образца упирается в кварцевую опору.
Верхний конец впаян в основание кварцевого стержня. Такое креп-
крепление устраняет боковые колебания системы с образцом. В резуль-
результате изменения длины образца кварцевый стержень переме-
перемещается в отверстиях направляющих втулок. С верхним концом
кварцевого стержня соединена тонкая упругая проволочка, пер-
перпендикулярно которой укреплена в подшипниках бронзовая
вращающая ось, на ней находится небольшое плоское зеркальце.
Микрометрический винт регулирует положение оси. Изменение
длины исследуемого образца передается проволоке, которая повора-
поворачивает ось с зеркальцем. Это приводит к смещению светового луча
в щели фотокамеры. В камеру вставлен барабан вместе с намо-
намотанной на него фотопленкой. Барабан приводит в движение мотор,
скорость вращения которого регулируется сменными шкивами.
Перед началом измерений устанавливают нулевое положение
светового луча. Затем открывают щель камеры и включают мотор.
На пленке прочерчивается линия, которая соответствует состоянию
системы без магнитного поля. Со второго оборота барабана вклю-
включается магнитное поле, напряженность которого медленно увели-
увеличивается с помощью жидкостного реостата. На фотопленке в ус-
условных единицах записывается магнитострикция образца при
данной температуре в функции напряженности внешнего магнит-
магнитного поля.
Метод механооптического рычага был использован Ягола [19]
для измерения магнитострикции в зависимости от намагничен-
намагниченности образца, которая определяется при помощи магнитометра.
Луч света от магнитострикционного измерителя падает на зеркало
магнитометра, при этом магнитострикционный эффект поворачи-
поворачивает его в вертикальной плоскости, а магнитометр перемещает луч
в горизонтальной плоскости.
В установке осуществлена фотозапись кривых магнитострик-
магнитострикции в функции напряженности магнитного поля и намагниченно-
намагниченности. По оценке автора, погрешность измерения магнитострикции
равна приблизительно 10%.
Для увеличения точности при температурных измерениях сле-
следует исключить влияние теплового расширения образца. Это мож-
можно сделать несколькими способами: стабилизировать температуру
или проводить быстрое измерение, чтобы тепловые воздействия не
успевали сказываться на результатах измерений. Кроме того, теп-
тепловую компенсацию можно выполнить путем подбора комбинаций
различных стержней, которые передают изменение длины образца
на ось с зеркалом и компенсируют это изменение.
Применение механооптического метода ограничено размерами
образцов, так как при использовании образцов небольшой длины
сильно уменьшается чувствительность установки. При создании
170
f
установок, основанных на этом методе, необходимо устранять по
возможности проскальзывание валика с зеркалом.
§ 5. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МЕТОД
Впервые для измерения малых перемещений интерферометр
был применен Майкельсоном. Впоследствии его использовал Лох-
нер [27] для исследования магнитострикции железа. Известный
русский физик Розинг [17] с успехом воспользовался методом колец
Ньютона для исследования гистерезиса магнитострикции. В его
установке был применен интересный метод компенсации тепло-
теплового влияния с помощью двух рычагов и двух опорных проволок
из разных металлов. Последние были подобраны таким образом,
что их суммарные коэффициенты теплового расширения были
равны.
Затем интерференционный метод использовал Меськин с со-
сотрудниками [16]. К сожалению, в последнее время интерференци-
интерференционный метод измерения магнитострикции не находит должного
применения в лабораторной практике, хотя он обладает рядом
преимуществ.
Разрез установки Меськина для измерения магнитострикции
показан на рис. 66.
В основу оптической системы прибора взят интерферометр
Линника [15], который выгодно отличается от других подобных
приборов своей компактностью и простым устройством. В интер-
интерферометр ввинчивается обыкновенный настольный микроскоп 10.
Между объективом 6 микроскопа и окуляром О находится стек-
стеклянный кубик 8, который состоит из двух склеенных прямоуголь-
прямоугольных призм. На уровне кубика помещается второй объектив 7,
ориентированный перпендикулярно этой же оси. Объектив 7 имеет
зеркало 9. Против объектива 7 расположен источник монохрома-
монохроматического света. Интерференция возникает вследствие оптической
разности хода двух лучей, появляющихся при разложении света
кубиком. Одна часть лучей проходит через кубик и отражается от
зеркала 9. В кубике этот луч снова отражается от диагональной
плоскости в направлении окуляра микроскопа О. Другая часть
лучей сначала отражается от кубика в сторону зеркала 5 и после
отражения от него, пройдя через кубик, попадает в окуляр микро-
микроскопа. Зеркало 5 находится на алюминиевой насадке 12, которая
закреплена на верхнем свободном конце образца 3. Нижний конец
образца закреплен в латунном держателе 2.
Указанный интерферометр позволяет измерять перемещение
наблюдаемого объекта до 3-10~6 см. Таким образом, если иссле-
исследуемый образец имеет длину 200 мм, то можно определять отно-
относительные изменения длины порядка 1,5 • 10~~7. Ось намагничива-
намагничивающей катушки 1, создающей поле до 2-Ю5 а/м, совпадает с осью
интерферометра, расположенного па верхнем фланце 4. Привклю-
171
чении поля вследствие магнитост"рикции образца 3 зеркало 5 пе-
перемещается, что вызывает передвижение интерференционных по-
полос. Зная число этих полос за время изменения магнитного поля
от 0 до Ямакс можно рассчитать абсолютное изменение длины об-
образца по формуле
пк
(8.6)
где п—число интерференционных
полос, L — длина волны.
Рис. 66. Разрез установки для изме-
измерения магнитострикции интерферен-
интерференционным методом:
/ — намагничивающая катушка, 2—
латунный держатель, 3 — исследуе-
исследуемый образец, 4 — фланец, 5 и 9 —
зеркала, 6 и 7— объективы микро-
микроскопа, 5—стеклянный кубик, 10—
микроскоп, // — амортизаторы, 12 —
алюминиевая насадка, 13 — рубашка
водяного охлаждения
172
Рис. 67. Конструкция пристав-
приставки к интерференционному ми-
микроскопу для измерения маг-
магнитострикции:
I — трубка из кварца, 2—брон-
2—бронзовое основание, 3 — корпус,
4 — объектив микроскопа, 5 —
исследуемый образец, 6, 9 —
кварцевые стержни, 7—муфта,
5 — металлическая втулка, 10 и
11— бронзовые мембраны,
12 — зеркальце
Хорошей видимости интерференционных полос добиваются с
помощью микрометрического винта и кубика. В качестве освети-
осветителя используют ртутную лампу, свет которой, пройдя через
фильтр, попадает в коллиматор интерферометра. В том случае,
если измерение занимает продолжительный промежуток времени,
включают водяное охлаждение намагничивающей катушки. Для
предохранения от механических колебаний установку ставят на
резиновые амортизаторы 11.
Интерференционные установки для измерения магнитострик-
магнитострикции ферромагнитных материалов описаны в работах [10, 13, 20,
21]. В работе [10] описан новый интерференционный микроскоп ти-
типа МИИ-1. Для измерения магнитострикции образцов длиной от
4 до 6 ел и диаметром 0,75 см сконструирована специальная при-
приставка к интерференционному микроскопу, схема которой пока-
показана на рис. 67.
На корпусе 3 микроскопа установлена кварцевая трубка 1,
к которой предварительно приклеивают бронзовое основание 2.
Исследуемый образец 5 закрепляют между двумя кварцевыми
стержнями 6 и 9. Верхний конец образца крепится неподвижно, а
нижний конец может свободно перемещаться вверх и вниз, что
вызывает смещение нижнего стержня 9. Этот стержень жестко
крепится с бронзовыми мембранами 10 и 11.
При включении магнитного поля длина исследуемого образца
изменяется, что приводит к прогибу мембраны и смещению зер-
зеркальца 12, которое закреплено на нижнем конце стержня 9. Пере-
Перемещение зеркальца вызывает смещение интерференционных полос
в поле зрения микроскопа, которое измеряется при помощи оку-
окулярного микрометра. Для измерения магнитострикции используют
интерференционную картину, получаемую от белого света. Градуи-
Градуировка окулярного микрометра производится при монохроматиче-
монохроматическом свете. Чувствительность этой установки составляет
2,7-Ю-5 мм.
Кузнецов и Усатов [37] для измерения динамической магнито-
магнитострикции разработали высокочувствительную интерференционную
установку, состоящую из оптической и магнитной частей (рис.68).
Луч света от источника 1, пройдя линзу 2 и светофильтр 3, посту-
поступает в интерферометр Майкельсона 4. После прохождения плоско-
плоскопараллельных стеклянных пластинок 6 и 7 пучки света отража-
отражаются от зеркал 5 и 8 и на выходе интерферируют. Образец 9, на
котором жестко прикреплено зеркало 8, помещен в катушки 10 и
11. Катушка 10 создает переменное поле напряженностью до
4- 103 а/м. Силу тока в ней измеряют с помощью сопротивления/4
и лампового вольтметра 15. Для питания этой катушки исполь-
используют звуковой генератор 16.
Катушка 11 создает постоянное магнитное поле напряженно-
напряженностью до 1,6 • 105 а/м. Силу тока измеряют амперметром 12 и регу-
регулируют реостатом 13. Интерференционная картина, предваритель-
предварительно увеличенная линзой 17 в четыре раза и выделенная щелью 18,
173
наблюдается на экране 20. Предусмотрена также фокусировка лу-
луча линзой 21 на катод фотоумножителя 22 при использовании
зеркала 19. Питается фотоумножитель от стабилизированного
источника высокого напряжения 23, а фототок измеряют микро-
микроамперметром 24. Если образец поместить в переменное магнитное
Рис. 68. Схема интерференционной установки для измерения
динамической магиитострикции:
; — источник света, 2 —линза, 3 — светофильтр, 4 —интерферо-
—интерферометр, 5, 8 и 19 — зеркала, 6 и 7—плоскопараллельиые стеклян-
стеклянные пластинки, 9 — исследуемый образец, 10 и // — катушки,
12 — амперметр, 13 — реостат, 14 — сопротивление, 15 — лампо-
ламповый вольтметр, 16— звуковой генератор, 17 и 21 — лиизы.
JS — щель, 20 — экран, 22 — фотоумножитель, 23 — источник пи-
питания, 24 — микроамперметр, 25 — селективный приемник,
26 — осциллограф
поле, то интерференция будет модулироваться и создаст на фото-
фотоумножителе переменную составляющую фототока, которая затем
поступает в селективный измерительный приемник 25. Осцилло-
Осциллограф 26 используют для наблюдения сигнала переменной состав-
составляющей и шумов. Роль селективного измерительного приемника
выполняет резонансный ламповый милливольтметр переменного
тока с регулируемой частотой от 30 до 300 кгц.
Исследуемый образец длиной 80 мм и диаметром 1,5 мм поме-
помещают в трубку из оргстекла, он свободно лежит на двух резино-
резиновых кольцах, являющихся точками опоры. Процесс измерения
динамической магнитострикции состоит в следующем. Вначале
интерференционную картину проектируют зеркалом 19 на конт-
174
рольный экран 20, а затем диафрагмой 18 выделяют темную поло-
полосу имеющую наибольшую контрастность. После этого при помощи
того же зеркала полосу направляют на фотоумножитель 22. За-
Затем используя зеркала 5 и 8 и микроамперметр 24, проверяют
линейную зависимость между током на выходе фотоумножителя и
интенсивности света.
При этом выполняется условие
/i + /2=y(/«"«= + /«'«)> (8'7)
где h и /2 —фототоки лучей от зеркал 5 и 8 интерферометра,
/макс и /Мин — фототоки от максимума и минимума освещенности
интерференционной полосы.
При включении магнитных полей модулирующее поле вслед-
вследствие наличия магнитострикции приводит в периодические коле-
колебания исследуемый образец с зеркалом. Интерференционная ка-
катушка с той же частотой будет перемещаться около средней точ-
точки создавая при этом переменную составляющую фототока. 1 аким
образом, когда микроамперметр покажет величину постоянной
составляющей фототока в средней точке, то на милливольтметре
селективного измерительного приемника обозначится значение
напряжения переменной составляющей фототока на нагрузочном
сопротивлении.
Амплитуду магнитострикционного колебания образца рассчиты-
рассчитывают по формуле
(8.8)
д/ ^
/ 2 nR (/макс — /мин)
где Я, —длина волны монохроматического света, R — нагрузочное
сопротивление, У —напряжение переменной составляющей фото-
фототока, измеряемое милливольтметром селективного измерительного
приемника на сопротивлении R.
Так как образец свободно закреплен в держателе и может ко-
колебаться по обе стороны одинаково, то вследствие четности маг-
магнитострикционного эффекта образец будет колебаться на двойной
частоте поля. Динамическая магнитострикция в этом случае выра-
выражается формулой
^ = i^. (8-9)
При помощи описанной установки можно измерять и статиче-
статическую магнитострикцию.
Из интерференционной картины, спроектированной на экран
20 щелью 18 выделяют около десятой части ширины наиболее
контрастной полосы. После этого полосы интерференции направ-
направляются зеркалом 19 на фотоумножитель и микроамперметром 24
определяются фототоки /Макс и /мин, которые соответствуют мак-
175
симуму и минимуму освещенности интерференционной полосы.
Участок между максимумом и минимумом соответствует половине
длины волны монохроматического света, получаемой от свето-
светофильтра 3. Передвигая интерференционную полосу микрометри-
микрометрическим винтом, устанавливают фототок i\. Затем в катушки 11
включают постоянный ток, который создает постоянное магнитное
поле. Образец намагничивается и изменяет свою длину, что вызы-
вызывает смещение полос интерференции и изменение фототока до ве-
величины ii'. Это изменение фототока будет пропорционально изме-
изменению размеров образца, выраженное в единице длины волны
монохроматического света.
Изменение длины образца определяют по формуле
М = 12 — К1, (8.10)
где К\ и Хг — длины волн монохроматического света, соответствую-
соответствующие фототокам ix и г/.
Так как образец удлиняется в обе стороны, то величина магни-
магнитострикции будет
Т
2А/
(8.11)
где / — длина образца.
Данная установка дает возможность измерять относительную
динамическую магнитострикцию порядка 10~6—10~9, а статическую
магнитострикцию порядка Ю^6—10~8. Измерения можно прово-
проводить в широком температурном интервале и при различных по-
полях.
§ 6. ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТОСТРИКЦИИ
В СВЕРХСИЛЬНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ
МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ
В последнее время большое внимание уделяют изучению маг-
магнитных свойств в сверхсильных импульсных магнитных полях.
Однако эти исследования связаны со значительными трудностями,
обусловленными импульсным характером магнитного поля (попыт-
(попытка измерения магнитострикци'и в импульсных полях до 2-Ю7 а/м
описана в работе [38]). Мы опишем установку для измерения маг-
магнитострикции в импульсных магнитных полях при помощи вынос-
выносного пьезоэлектрического датчика, которая была создана на физи-
физическом факультете МГУ Пономаревым и Левитиным [39].
На рис. 69 показана принципиальная схема установки. Вынос-
Выносной датчик деформации представляет собой два одинаковых
биморфных кольца из поляризованной пьезокерамики типа
ЦТС-19 и закрепленных по внешнему контуру. Внешний диаметр
колец 23 мм, внутренний 4 мм, толщина 1 мм. Применение в датчи-
датчике двух пьезоэлементов 5 и 6 имеет целью исключить влияние
пондеромоторных сил, обусловленных неоднородностью поля вдоль
176
iiniiiiiiiiimiiiiiiiiiniiiiiiiiiiinl
Рис. 69. Схема установки для измерения магнитострикции в импульс-
импульсном полг:
/ — исследуемый образец, 2 и 9 — трубки из кварца, 3 — катушки,
4 и 7 — цанги, 5 и 6 — пьезоэлементы! 8 — корпус, 10—микрометри-
10—микрометрический винт, 11 — корпус, 12 — усилитель, 13 — осциллограф,
14 — ^С-цепь, 15 — соленоид, 16 — корпус соленоида
т
оси соленоида, которые смещают образец, создавая тем самым
большой паразитный сигнал. Этот сигнал может 'быть также умень-
уменьшен при помощи точной установки образца в середине соленоида.
Два одинаковых пьезоэлемента, включенные, как показано на
рис. 69, позволяют практически полностью компенсировать пара-
паразитный сигнал. Датчик деформации тем точнее воспроизводит им-
импульс внешнего воздействия, чем лучше выполняется соотношение
т»Т, где т — длительность импульса, а Т — период собственных
колебаний датчика. В данной установке т=10 мсек, Т = 0,3 мсек,
т. е. достаточно хорошо выполняется вышеприведенное соотноше-
соотношение. Для демпфирования датчика применяли прокладку из пори-
пористой резины. Импульсное магнитное поле напряженностью до
16-Ю6 а/м создают с помощью разряда батареи конденсаторов
(С = 3000 мкф, [/Макс = 5 кв) на соленоид конструкции Сусова и
Кондорского [40]. Соленоид наматывали проводом ПЭВ, он имел
400 витков. Исследуемый образец / имеет форму цилиндра длиной
около 10 мм и диаметром 1 мм. При таких размерах образца неод-
неоднородность поля по его длине не превышала 5%, а экранирующее
действие токов Фуко было пренебрежимо мало. Механические пере-
перемещения концов образца передаются на пьезоэлементы с помо-
помощью двух коаксиальных трубок 2 и 9 из плавленого кварца. Трубки
соединены с пьезоэлементами при помощи цанг 4 и 7. Образец 1
приклеивали к трубкам эпоксидной смолой.
Магнитострикционная деформация и импульс поля фиксируют
одновременно двухлучевым осциллографом 13 с усилителем посто-
яяного тока. Для уменьшения низкочастотных искажений, обуслов-
обусловленных емкостью пьезоэлектрических колец, между датчиком и
осциллографом включен электрометрический каскад. Градуировка
датчика осуществлялась по пьезоэффекту титаната бария с извест-
известным пьезомодулем. Чувствительность датчика к деформациям со-
составляет 1,24±0,10 в/мк. В качестве индикатора магнитного поля
использовали измерительную катушку 3, которая помещалась
внутрь соленоида. Э.д.с. с измерительной катушки подавали на
интегрирующую цепь RC с достаточно большой постоянной време-
времени, а затем на осциллограф. Погрешность в определении относи-
относительной величины поля и магнитострикции составляла 3%, а абсо-
абсолютное значение соответственно с точностью 10 и 13%.
Установка позволяет измерять относительную магнитострикцию
порядка Ю-6—10.
§ 7. ЕМКОСТНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ
МАГНИТОСТРИКЦИИ
Для измерения магнитострикции можно использовать емкостный
метод измерения, который впервые был предложен в работе [28].
В первоначальных вариантах этого метода исследуемый образец
имел значительные размеры. Так, Шульц [29] применял образец
длиной 33 см и диаметром 6 мм, который вставлял в намагничи-
178
вающую катушку. Один конец образца закреплялся неподвижно,
а другой упирался в одну ,из пластин конденсатора, которая сво-
свободно перемещалась. Конденсатор включали в колебательный кон-
контур, с которым индуктивно был связан другой контур. Вследствие
изменения длины образца емкость конденсатора, связанного с об-
образцом, изменялась. Это в свою очередь приводило к возникнове-
возникновению биений, которые могли быть ликвидированы при помощи пере-
переменной емкости. Магнитострикцию образца рассчитывали по фор-
формуле
ь=т~. (8Л2)
Где / — длина образца, d — расстояние между пластинами конден-
ДС
сатора, — —изменение емкости конденсатора.
С
Для измерения магнитострикции в слабых магнитных полях
этот метод был применен в работе [30]. Вотруба [31], который, усо-
усовершенствовав данный метод, использовал его для измерения маг-
магнитострикции образцов небольших размеров, имеющих форму
шайбы.
Установка для измерения магнитострикции с помощью конден-
конденсатора описана в работе [41].
Исследуемый образец помещают между двумя пластинками,
одна из которых служит для поддержки образца, а другая являет-
является одной из пластин конденсатора. Вторая пластина конденсатора
в виде кольца располагается вокруг образца. Этот конденсатор
является частью генератора, частоту которого контролируют элект-
электронным пересчетным устройством.
Значение магнитострикции рассчитывают по формуле
2eS
1+(-7Г-
(8.13)
I L Gpf K >
где е — диэлектрическая постоянная холостого хода, S — площадь
пластин конденсатора, Ср — значение емкости, Cd — емкость под-
подводящих проводов, L — длина образца, / — частота генератора и
Д/ — изменение частоты при магнитострикции.
При частоте в 10 мггц деформация 10~7 вызывает легко опреде-
определяемое смещение частоты 10 гц.
Емкостной метод был применен Соколовым [42] для измерения
магнитострикции при низких температурах (рис. 70а). Средняя из
трех пластин измерительного конденсатора Сиз закреплена с иссле-
исследуемым образцом. Эта пластина может перемещаться относительно
двух других неподвижных пластин. Конденсатор образует два пле-
плеча емкостного моста, на который со звукового генератора 1 пода-
подают ток напряжением 50 в частотой 10 кгц. Балансировка моста
осуществляется при помощи переменных емкостей С, и С2 и сопро-
сопротивления R. При возникновении магнитострикционных деформаций
179
т
С
К/
к
Б
\_
7
Сиз.
I
3
2
образцу
0
Ь
К {локу регули-
ооВки тока cant
нош/а
Рис. 70а. Схема установки для измерения магнитострикции емкостным методом:
1 — генератор, 2 — усилитель, 3 — ламповый милливольтметр, 4 — синхронный
детектор, 5 — двухкоординатный самописец, 6— осциллограф, Сиз — измери-
измерительный конденсатор
появляется напряжение разбаланса, которое проходит усилитель
2, а затем подается на ламповый милливольтметр 3 и синхронный
детектор 4. С детектора сигнал идет на один вход двухкоординат-
ного самописца 5, а на другой вход подается напряжение с шунта,
включенного в токовую цепь намагничивающего соленоида. Диа-
Диаграмма на самописце показывает зависимость напряжения, про-
пропорционального величине магнитострикции, от напряженности маг-
магнитного поля. Знак магнитострикции определяют с помощью осцил-
осциллографа 6 по фазе сигнала разбаланса моста относительно задаю-
задающего напряжения генератора. Для контроля чувствительности
моста в одно его плечо включают эталонное сопротивление Сэт.
Рассмотрим более подробно измерительный конденсатор и крио-
стат, общий вид которых показан на рис. 706. Конденсатор, смон-
смонтированный на стальной плите 1, состоит из двух жестко закреп-
закрепленных пластин 2 и 3, между которыми с зазором 0,06 мм
находится средняя подвижная пластина 4. Эту пластину мон-
монтируют в двух неподвижных тефлоновых блоках 6, которые
разделены тремя латунными секторами. Подвижная пластина кон-
конденсатора жестко крепится на стержне 5, который может переме-
перемещаться в вертикальном направлении. Стержень соединен шайбой 10
с тонкими мембранами 28, изготовленными из фосфористой или
бериллиевой бронзы. Эти мембраны поддерживаются тремя винта-
винтами П. Все это устройство крепится к латунному кольцу 8, которое
имеет нарезку для трех винтов 9, позволяющих перемещать весь
конденсатор в вертикальном направлении на 10—15 мм, производя
180
Рис. /Об. Общий вид криостата и измерительного конденсатора:
1 — стальная плита, 2 и 3—пластины конденсатора, 4 — средняя подвижная
пластина, 5 — стержень, 6 — тефлоновые блоки, 7 — латунные прокладки, 8 — ла-
латунное кольцо, 9 и 11 — винты, 10 — шайбы, 12 — цанга, 13 — текстолитовый
пестик, 14 н 17 — кварцевые трубки, 15 — образец, 16 — кварцевый стаканчлк,
18 — фланец, 19 — гайка, 20 — кожух, 21 — стальные винты, 22 — электронагре-
электронагреватель, 23 — патрубок, 24 — солеионд, 25 — трубка из нержавеющей стали,
26 — токоподводы, 27, 29 — сальниковые уплотнения, 28 — мембрана из фосфо-
фосфористой бронзы
грубую балансировку моста. Когда конденсатор работает, то регу-
регулировка осуществляется тремя стальными манипуляторами 21, ко-
которые через сальниковые уплотнения выведены на внешнюю часть
герметизирующего кожуха 20, выполненного из тонкого железа.
Кожух одновременно выполняет роль электрического и теплового
экрана.
181
При конструировании этой установки следует обратить особое
внимание на систему передачи деформации, которая связывает
подвижную пластинку конденсатора с исследуемым образцом. Эта
система состоит из стержня 5, один конец которого жестко крепит-
крепится с образцом, а другой имеет цангу 12, зажимающую текстолито-
текстолитовый пестик 13. Последний вклеен в верхнюю часть кварцевой
трубки 14 @=3 мм). К нижнему ко'нцу этой трубки прикрепляет-
прикрепляется исследуемый образец, имеющий форму цилиндра длиной 30 мм
и диаметром 3 мм. Нижний конец образца упирается в плоское
дно кварцевого стаканчика 16, вваренного в наружную кварцевую
трубку 17, которая с помощью фланца 18 и гайки 19 жестко соеди-
соединена с плитой /. Такая конструкция системы обеспечивает переда-
передачу магнитострикционных изменений размеров образца почти без
искажений. Ошибки могут возникнуть за счет механических вибра-
вибраций передающей системы и дрейфа нуля измерительного моста.
Относительная ошибка при этом не превышает 5%, а чувствитель-
чувствительность установки ~10~8. Данная установка позволяет производить
измерения магиитострикции от 2 до 100°К.
Можно указать еще <и на другие методы измерения магнито-
стрикции, которые в лабораторной практике используют значитель-
значительно реже. Так, например, гидравлический метод [32, 33] служит для
измерения объемной магнитострикции. При этом методе магнито-
стрикционное изменение длины образца, который находится в сосу-
сосуде с жидкостью, передается упругой мембране, являющейся дном
сосуда. Измерение выполняют при помощи микроскопа, который
фиксирует подъем уровня жидкости в стеклянном капилляре, при-
припаянном к сосуду.
Для измерения магнитострикции можно применять тензометры
из фольги, которые изготовляют методом печатания. Преимущество
этих тензометров состоит в том, что через них можно пропускать
значительно больший ток, чем через проволочные. Кроме того, эти
датчики менее чувствительны к изменениям температуры окружаю-
окружающей среды [34].
Магнитострикция может быть измерена методом кручения про-
проволоки [35]. Из исследуемого ферромагнитного материала изготов-
изготовляется тонкая проволока, которую помещают в намагничивающий-
намагничивающийся соленоид. Проволока находится в вертикальном положении, при
этом один конец ее жестко закреплен, а к другому присоединена
рамка, по которой пропускают ток. Эта рамка свободно вращается
между полюсами электромагнита. Для определения магнитострик-
магнитострикции исследование проводят при двух условиях: при наличии маг-
магнитного поля, когда образец находится в насыщенном состоянии,
и без поля. В первом случае угол закручивания нити пропорциона-
пропорционален вращающему моменту рамки. Во втором случае, когда поле
отсутствует, угол закручивания нити не будет линейной функцией
вращающего момента, так как в этом случае имеется не только
упругая деформация, но и деформация, связанная с переориенти-
переориентировкой доменов при появлении магнитоупругой анизотропии. При
182
достаточно больших натяжениях зависимость становится опять
линейной. Зная расстояние между кривыми, полученными при ис-
исследовании в магнитном поле и без поля, можно рассчитать мат-
нитострикцию насыщения Ks. Этот метод дает возможность опреде-
определять магнитострикцию насыщения тех материалов, у которых не
слишком большая константа энергетической анизотропии и для ко-
которых выполняется неравенство вида
о>^. (8.14)
где а — напряжение, при котором достигается полная переориен-
переориентировка доменов за счет магнитоупругой анизотропии, К — кон-
константа энергетической анизотропии.
Дьяков и Югов [11] предложили использовать в качестве тен-
тензометров для измерения магнитострикции тонкие пленки, которые
выполняются из константана или другого высокоомного материа-
материала. Пленка наносится на исследуемый образец методом испарения.
Чтобы пленки имели определенную форму и размеры, на образец
во время изготовления пленок накладывается шаблон. Этот метод
измерения магнитострикции не получил еще достаточного распро-
распространения, что, по-видимому, связано с трудностью получения пле-
пленок. При изготовлении тензометров из пленок возникают ослож-
осложнения, связанные с выполнением надежных контактов подводящих
проводов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Акулов Н. С. Ферромагнетизм. М.—Л., ГИТТЛ, 1939.
2. Акулов Н. С, Волков Д. И. Вести. Моск. уи-та, сер. физ., № 10, 29,
1949.
3. Б е л о в К. П. Упругие, тепловые и электрические явления в ферромаг-
ферромагнитных металлах. М.—Л., ГИТТЛ, 1951.
4. Белов К. П., Ш м и д т В. В. ЖТФ, 23, № 1, 44, 1953.
5. Бозорт Р М. Ферромагнетизм. М., ИЛ, 1956.
6. Власов А. Я- Уч. зап. МГУ, № 162, 183, 1952.
7. В о л к о в Д. И., С к о р о б о г а т о в В. И. Уч. зап. МГУ, № 162, 121,
1952.
8. Волков Д. И„ Скоробогатов В. И. ЖТФ, 20, № 9, 1102, 1950.
9. В о л к о в Д. И., Ч е ч е р и и к о в В. И. ЖЭТФ, 27, вып. 2, 208, 1954.
10. Г о л я м и и а И. П., Р о й Н. А. ПТЭ, № 2, 129, 1956.
11. Дьяков Г. П., Югов В. А. Вести. Моск. уи-та, сер. физ., № 5, 229,
1957.
12. 3 а л е с с к и й А. В. ПТЭ, № 4, 71, 1958.
13. Красников С. Н. Уч. зап. Моск. гор. пед. ии-та, 35, 107, 1958.
14. Левин Л. С. Измерительная техника, № 5, 22, 1956.
15. Л и н и и к В. П. ДАН СССР, нов. сер., 51, 208, 1933.
16 М е с ь к и н В. С, С о м и и Б. Е., Н е х а м к и н А. С. ЖТФ, 11, № 10,
9181, 1941.
17. Р о з и и г В. ЖРФХО, 26, № 6, 253, 1894.
18. Се л и секи й Я. П. Завод, лаб., 10, № 4, 382, 1941.
19. Я го л а Г. К. Тр. Всес. и.-и. ин-та метрологии, вып. 24, 105, 1954.
20. Яновский Б. М., Соколова Е. А. Измерительная техника, № 5,
20, 1956.
183
21. Яновский Б. М., Соколова Е. А., Г е г и н В. С. Измерительная
техника, № 4, 27, 1959.
22. Goldmann J. E. Phys. Rev., 72, 529, 1947.
23. В i g w e 11 S. Proc. Roy. Soc, 40, 109, 1886.
24. Honda K., S h i m i z a S. Phyl. Mag., 10, 548, 642, 1905.
25. К i r k h a m D. Phys. Rev., 52, 1162, 1937.
26. К о r n e t z k i M. Zs. Phys., 87, 560, 1934.
27. L о с h n e r S. Phyl. Mag., 36, 498, 1893.
28. P u n g s L.Preuner С Phys. Zeitsch., 20, 543, 1919.
29 S с h u 1 z e A. Zs. Phys., 50, 448, 1928.
30. D i e t s с h G. Zs. techn. Phys., 12, 380, 1931.
31. W о t r u b а К. Чехосл. физ. журн., 5, № 1, 102, 1955.
32. D б r i n g W. Zs. Phys., 103, 560, 1936.
33. S n о e k J. L. Phys., 4, 853, 1937.
34. J а с k s о n P. Instr. Pract., 7, No. 10, 775, 1953.
35. С о с h a r d t A. W. J. Appl. Phys., 25, No. 1, 91, 1954.
36. Власов А. Я-, Гуськов И. Л. Материалы Всесоюзного совещания
«Магнитная структура ферромагнетиков», 223, 1960.
37. К у з н е ц о в В. Е., У с а т о в В. У. Автоматический контроль и методы
электрических измерений. «Труды V конференции». Новосибирск, 1965.
38. К а п и ц а П. Л. Proc. Roy. Soc, A 135, 556, London, 1962.
39. Пономарев В. К., Левитин Р. 3. ПТЭ, № 3, 188, 1966.
40. К о н д о р с к и й Е. И., С у с о в Е. А. ПТЭ, № 1, 125, 1963.
41. С а 11 е n E. R. Phys. Rev., 130, No. 5, 1733, 1963.
42. С о к о л о в В. И. ПТЭ, № 2, 173, 1967.
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОЙ
АНИЗОТРОПИИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ
ВЕЩЕСТВ
§ 1. СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНСТАНТ
МАГНИТНОЙ АНИЗОТРОПИИ. АНИЗОМЕТР
Многочисленные исследования показали, что в ферромагнитных
кристаллах существует энергетическая магнитная анизотропия.
Константы энергетической анизотропии экспериментально можно
определить несколькими способам-и. Свободная энергия кристалла
без учета второй константы энергетической анизотропии зависит от
направления спонтанной намагниченности следующим образом:
-sjsf), (9.1)
где К\ — первая константа магнитной анизотропии, su s2, s3 — коси-
косинусы углов между направлением вектора спонтанной намагничен-
намагниченности и направлением кристаллографических осей монокристалла,
W; — постоянная.
Величина свободной энергии вдоль основных кристаллографи-
кристаллографических осей кристалла [100], [ПО] и [111], намагниченного до насы-
насыщения, согласно (9.1), соответственно [2] определяется:
' [100]
'[in]
(9.2)
Таким образом, определив кривые намагничивания вдоль основ-
основных кристаллографических осей, можно рассчитать значения и^щ,
№[по] и l^fiii], а затем по формулам (9.2) найти первую константу
магнитной анизотропии. Однако этим методом точно определять
величину константы магнитной анизотропии довольно трудно, так
как нельзя правильно рассчитать соответствующие площади
[11-14].
Вторым методом определения констант магнитной анизотропии
является метод механических моментов A, 3, 4, 9]. При помещении
ферромагнитного кристалла, имеющего форму шара или эллипсои-
эллипсоида вращения, во внешнее магнитное поле на него будет действо-
185
вать механический момент, если направление поля не совпадает с
направлением одной из кристаллографических осей. При этом век-
вектор намагниченности отклоняется от направления поля в сторону
ближайшей к полю оси легкого намагничивания. Механический
вращающий момент, действующий на ферромагнитный монокри-
монокристалл, определяется соотношением
М = МгУ = HIS sin A|з
V,
(9.3)
где Mi — механический момент, отнесенный к единице объема кри-
кристалла, V — объем кристалла, ty — угол между какой-либо осью
симметрии кристалла и магнитным полем, ср — угол между векто-
вектором намагничивания /s и направлением легкого намагничивания.
Этот механический момент стремится повернуть кристалл в та-
такое положение, при котором угол ф будет равен нулю. Чтобы удер-
удержать кристалл в прежнем положении, к нему нужно приложить
равлый по величине и противоположный по направлению механи-
механический момент М, который можно 'создать каким-либо другим спо-
способом, например упругой пружиной. Этот момент можно оценить,
если известны упругая константа пружины и угол поворота.
Установить связь между константой анизотропии и механиче-
механическим моментом можно из общего закона анизотропии, имеющего
вид (9.1).
Если ферромагнитный кристалл с кубической решеткой нахо-
находится во внешнем магнитном поле, то его полную энергию следует
записать
= W,
= Wo
- ф). (9.4)
Устойчивое равновесие кристалла определяется 'из условия ми-
минимума W, т. е. когда справедливо равенство
3W
= 0.
(9.5)
Тогда из (9.4), принимая во внимание (9.3), получим формулу
для расчета механического момента
Mi = ^р-- (9-6)
Эта формула дает возможность определить константу магнит-
магнитной анизотропии.
Если ферромагнитный кристалл ориентирован во внешнем маг-
магнитном поле таким образом, что поле находится в плоскости [100],
тогда выражение для внутренней энергии принимает вид
4
(9.7)
186
Если поле находится в плоскости [ПО], то внутреннюю энергию
можно записать выражением
W.
¦е = Wo + -^- (— - cos 2ф - — cos 4ф V
4 V 4 4 J
(9.8)
Отсюда механический момент в направлении плоскости [100] из
(9.6) и (9.7) равен
М1 = К.1 sin 4ф,
а в плоскости [ПО] из (9.6) и (9.8)
Мг
B sin 2ф + 3 sin 4ф).
(9.9)
(9.10)
Таким образом, измеряя механический момент в различных кри-
кристаллографических плоскостях в магнитном поле, можно опреде-
определить константу энергетической анизотропии монокристалла. Суще-
Существует также резонансный метод определения константы магнитной
анизотропии, описание которого будет дано в главе XIV.
Константы магнитной анизотропии можно найти на поликри-
поликристаллических образцах, если исследовать дифференциальную вос-
восприимчивость в сильных магнитных полях. Закон приближения на-
намагниченности к насыщению [2, 31, 32] в общем виде записывает-
записывается как
—
йН
В
н3
(9.11)
где коэффициенты Б = 0,0762—- и С = 0,0384—- Эти коэффи-
1\ 1\
циенты обусловлены процессом вращения вектора спонтанной на-
намагниченности под действием поля, %р — восприимчивость пара-
процесса, А — коэффициент, зависящий от величины остаточных
внутренних напряжений.
Используя формулу (9.11), можно определить константу анизо-
анизотропии. Для этого измеряют дифференциальную восприимчивость
как функцию напряженности магнитного поля. Для больших полей
(свыше 105 а/м) в формуле (9.11) член ~— можно не учитывать,
Я4
так как он значительно меньше остальных, тогда эту формулу
можно записать
/у */ \ //3 — ЛИ I Я /Q 10\
\А Ар/ 11 гл11 -\~ и. \р.1&)
Это соотношение дает возможность определить коэффициент А
по тангенсу угла наклона прямой линии, которая получается, если
по оси ординат отложить значение левой части, а по оси абсцисс—
величину магнитного поля. После этого, используя значение коэф-
187
фициента А и %р, можно определить коэффициенты Б и С. В этом
случае формула (9.11) принимает вид
[(Х-Хр) Н*-А]Н* = ВН + С. (9.13)
Построив график зависимости левой части (9.13) в функции по-
поля, получим опять прямую линию, тангенс угла наклона которой и
отрезок, отсекаемый ею на оси ординат, позволяют найти величину
16 20 Ц
1Z
6 4 8
13 3 23
Рис. 71. Схема устройства анизометра
и знак первой константы магнитной анизотропии. Полученные этим
способом [5, 29—33] значения констант удовлетворительно со-
согласуются с данными, найденными на монокристаллических образ-
образцах.
Остановимся более подробно на методе механических момен-
моментов, который используется значительно чаще других методов для
исследования магнитной анизотропии ферромагнитных веществ.
Для измерения механического момента применяют анизометр
{3, 4, 9, 16—18], общий вид которого показан на рис. 71. Анизомег-
ром можно производить измерения механических моментов как в
горизонтальном, так и в вертикальном положениях. Упругая систе-
система анизометра состоит из трех упругих плоских пружин /, котдрые
закреплены своими концами в латунных шайбах 2 и 3. Шайба 2
закреплена на трубчатой оси 4, жестко связанной с корпусом 5
анизометра через втулку. Чтобы поворачивать упругую систему с
образцом, на другом конце оси находится рукоятка 6. Для отсчета
угла поворота системы существует лимб 8 с указателем, который
позволяет фиксировать положение образца в магнитном поле. За-
Закрепление оси 4 производится при помощи стопорного винта 7.
Держатель 9 позволяет укреплять образец на конце фарфоровой
трубки 10, которая зажата в шайбе 3 зажимом 11. Для измерения
величины механического момента существует упругая нить 12 из
вольфрама. Эта нить проходит через шайбу 2 и трубчатую ось 4,
а затем укрепляется при помощи патрончика с конической гайкой
188
13 в шайбе 3. Другой конец нити закрепляют на конце оси 15 при
помощи патрончика 14 такого же вида. Ось 15 проходит через кор-
корпус прибора, на котором укреплен лимб 16 с указателем 17. Гайка
18 перемещает ось 15 во втулке, при этом положение оси фикси-
фиксируют с помощью контргайки 19 и стопорного винта 20. Для отсчета
поворота используют оптическую систему, состоящую из зеркала
21, которое поворачивается вместе с образцом, зеркала 22 и лин-
линзы 23. Зеркала 21, 22 расположены по отношению друг к другу
таким образом, что луч света отражается от них несколько раз.
Обычно луч света от осветителя падает на зеркало 21 через линзу
45°
под углом 45°. Если угол между зеркалами 21, 22 равен — , где
л
л — целое число, то при повороте зеркала на угол а отраженный
луч повернется на угол 2(п+1)а. Как видно, чувствительность си-
системы увеличивается в несколько раз.
Прежде чем начать измерения на анизометре, следует опреде-
определить упругую константу нити методом крутильных колебаний. Для
этого нить своим одним концом жестко крепится к какому-нибудь
держателю, на свободный конец ее подвешивается тело с извест-
известным моментом инерции. Определив опытным путем период свобод-
свободных колебаний этой системы, можно найти упругую константу ни-
нити. Период свободных колебаний определяют по формуле
т = :
(9.14)
где / — момент инерции, Со — упругая константа в джоулях на
радиан.
При измерениях удобно иметь упругую константу, выраженную
в джоулях на градус, так как угол закручивания определяется в
градусах. В этом случае имеем
С =Сп
180°
(9.15)
Упругую константу можно отнести к единице длины нити
С = С'1 дж м/град,
где / — длина нити между местами закрепления.
После того как определена упругая константа, нить крепят в
приборе. Концы нити должны при этом быть крепко зажаты в пат-
патрончиках, иначе могут появиться дополнительные ошибки, связан-
связанные с поворотом нити в местах крепления. Вначале нить закреп-
закрепляют одним своим концом в патроне 13, а затем в патроне 14.
После укрепления нити нужно отметить положение указателей на
лимбах 8 и 16, соответствующее незакрученному состоянию ни-
нити 12. Это положение лимбов 8 и 16 нужно записать и сохранять
при установке образца в различных ориентациях в магнитном поле.
Затем укрепляют образец на конце фарфоровой трубки и, повора-
поворачивая ось 4, ориентируют образец определенным образом относи-
относительно магнитного поля. В магнитном поле образец вместе с дер-
189
жателем повернется на некоторый угол, а световой зайчик откло-
отклонится от своего первоначального положения. Поворачивая ручку
с указателем 17, закручивают нить 12 и возвращают зайчик в преж-
прежнее положение. По положению указателя на лимбе 16 отсчитывают
угол закручивания нити а, а затем определяют механический мо-
момент по формуле
*--?-. (9. .6)
где Л —длина нити.
Чтобы найти удельный механический момент, нужно полученное
значение механического момента разделить на объем образца.
Механический момент имеет положительный знак, если направле-
направление закручивания нити совпадает с направлением поворота образ-
образца в магнитном поле. Таким образом, зная зависимость механиче-
механического момента от угла поворота образца, можно определить кон-
константу магнитной анизотропии. При исследовании на анизометре
образцы могут иметь различную форму. Если изучают магнитную
анизотропию и текстуру, то используют образцы в форме шариков
или дисков, которые крепятся в специальных держателях. Образцы
продолговатой формы употребляют при определении /s, которую
можно рассчитать на основании полученных значений механиче-
механического момента. Для этого используют формулу вида
/,=
1 +
(9.17)
|х0Яг|з L ' V ' яМ 1 (Nn + Np)
где Mi — удельный механический момент, Np и Nn— продольный
и поперечный размагничивающие факторы для эллипсоида враще-
вращения, Н — напряженность магнитного поля и ^ — угол между осью
образца и направлением магнитного поля.
В работе [15] описан усовершенствованный анизометр, который
позволяет записывать кривую зависимости магнитного момента
вращения от угла между направлением приложенного магнитного
поля и избранной осью легкого намагничивания. Для автоматиче-
автоматической записи используют конструкцию, состоящую из вращающейся
части анизометра и тензометра, сигнал от которого подается на
вход электронного самописца. Измерение вращающего момента
можно производить до 7-Ю'3 дж при чувствительности анизометра
2-Ю дж. Для исследования магнитной анизотропии можно ис-
использовать также анизометры, конструкция которых описана в ра-
работах [10, 19—28].
§2. ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОЙ АНИЗОТРОПИИ
В СИЛЬНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ МАГНИТНЫХ
полях
При исследовании веществ с большой анизотропией необходи-
необходимы магнитные поля напряженностью 107 а/м.
Рассмотрим анизометр (рис. 72), который сконструировали на
физическом факультете МГУ Левитин и Пономарев [35].
Прибор состоит из выносного пьезоэлектрического датчика, ко-
который собирают из восьми биморфных иьезоэлементов 8, располо-
расположенных под. углом 45° друг к другу. Концы пьезоэлементов вклеи-
вклеивают в обоймы 7 и 9, а исследуемый монокристалл / приклеивают
к кварцевому стержню 5, присоединенному с помощью цанги 6
к одной из обойм 7. Другая обойма 9 жестко крепится с держате-
держате// Ю 9
7 6 5
И усилителю
Рис. 72. Схема анизометра для измерения анизотропии в импульс-
импульсных полях:
/ — образец, 2— пробная катушка, 3— обмотка соленоида, 4 — кар-
каркас соленоида, 5 — кварцевый стержень, 6 — цанга, 7 н 9 — обоймы,
8 — пьезоэлементы, 10— стрелка лимба, // — лимб, 12— держатель,
13 — электрометрический каскад, 14 — /?С-цепочка, 15 — осцилло-
осциллограф, 16 — экран
лем 12. Последний используется для перемещения образца в вер-
вертикальном и горизонтальном положениях и вращения его вокруг
оси кварцевого стержня. Для отсчета угла между заданной кри-
кристаллографической осью образца и магнитным полем используют
лимб 11.
В качестве пьезоэлемента можно применять биморфные пласти-
пластины из пьезокерамики ЦТС-19 размером 100x50x10 лш3 и стан-
стандартные пьезоэлементы типа ПЭС-58. Эти пластины включают по
способу, показанному на рис. 72 (разрез АА). При таком включе-
включении пьезоэлементов датчик реагирует только на вращающий
момент, который стремится повернуть исследуемый образец вокруг
оси кварцевого стержня, а усилия, стремящиеся переместить об-
190
191
разец перпендикулярно оси стержня, создают на электродах пьезо-
элементов заряды, которые компенсируют друг друга.
Импульсные поля длительностью 10~2 сек создаются разрядом
батареи конденсаторов через соленоид. Соленоид имеет две сек-
секции, в зазоре между которыми находится кварцевый стержень,
соединяющий образец с датчиком.
При максимальном магнитном поле 107 а/м, создаваемом соле-
соленоидом, неоднородность поля не превышает МО5 а/м на мм, т. е.
для образца размером 3 мм неоднородность поля по объему не бо-
более 3%. Магнитное поле измеряли с помощью пробной катушки 2,
а возникающую при этом э.д.с. интегрируют ??С-цепочкой 14 и по-
подают «а х-вход осциллографа 15. На г/-вход осциллографа подают
сигнал с пьезодатчика, который пропорционален величине вращаю-
вращающего момента, действующего на образец.
Таким образом, на экране осциллографа наблюдается кривая
зависимости вращающего момента от напряженности магнитного
поля.
Перед измерением установку градуируют по образцу с извест-
известным вращающим моментом, предварительно определенным в ста-
статических полях. Максимальная чувствительность, которая была
достигнута в данной установке при использовании осциллографа,
составляла 2-10~5 дж/мм. Погрешность измерения — 5—8%.
§ 3. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ МАГНИТНОЙ
ВОСПРИИМЧИВОСТИ
Как уже было упомянуто, константу магнитной анизотропии
можно определить, если исследовать зависимость дифференциаль-
дифференциальной восприимчивости от напряженности магнитного поля. Если тре-
требуется определить дифференциальную восприимчивость порядка
10~3 и выше, используют баллистический метод [5, 8].
Измерительная схема установки в этом случае состоит из трех
цепей. В баллистическую цепь кроме высокочувствительного галь-
гальванометра и измерительной катушки последовательно включены
две вторичные обмотки, которые порознь индуктивно связаны с дву-
двумя катушками. Одна из этих катушек находится в цепи намагни-
намагничивающего соленоида, а другая соединена с катушкой, которая
помещена в этот соленоид и создает большое подмагничивающее
поле ±Д#, вызывающее в образце изменение намагниченности
±Д/. Так как закон приближения к насыщению начинает выпол-
выполняться приблизительно при /^0,97 /s, то, прежде чем начать изме-
измерения дифференциальной восприимчивости этим методом, нужно
определить область полей, где этот закон выполняется. С этой це-
целью измеряют кривую намагничивания методом коммутирования.
Затем при отсутствии исследуемого образца устанавливают ком-
компенсацию в измерительной схеме. После этого вставляют образец
при наличии намагничивающего и подмагничивающего полей, за-
192
мечают баллистический отброс рамки гальванометра и рассчиты-
рассчитывают приращение намагниченности. Величину шодмагничивающего
поля при подобных измерениях подбирают такой, чтобы в интерва-
интервале изменения (±АЯ) ход кривой /=/(Я) можно было бы считать
прямолинейным.
Этот баллистический метод измерения дифференциальной вос-
восприимчивости имеет ограниченное применение, так как при иссле-
исследовании образцов малых размеров необходима высокая чувстви-
чувствительность, повышение которой в данном методе связано со значи-
значительными трудностями. Чтобы избежать этих трудностей,
Большова [29] в подмагничивающей цепи использовала перемен-
переменный ток, что позволило в измерительной цепи вместо гальваномет-
гальванометра поставить усилитель со стрелочным (прибором. Мостовая схема,
описанная в этой работе, обладает рядом существенных недостат-
недостатков, приводящих к значительным ошибкам. Появление их связано
с тем, что при расчете суммарного магнитного поля не учитывают
взаимоиндукцию намагничивающего соленоида с катушкой, соз-
создающей переменное подмагничивающее поле. Кроме того, в рас-
расчетах эффективной дифференциальной восприимчивости, в области
достаточно больших подмагничивающих полей не принималась во
внимание роль второй гармоники. Не учитывался также нелиней-
нелинейный ход I=f(H). Мостовую схему для измерения дифференциаль-
дифференциальной восприимчивости применили несколько раньше Тебл и Корнер
[34]. Для точных измерений дифференциальной восприимчивости
Пал [6, 7] создал измерительную установку, основанную на сравне-
сравнении индуцированных в измерительной катушке напряжений без
образца и с образцом. На рис. 73 показана (принципиальная схема
этой установки.
Соленоид Lu питаемый аккумуляторной батареей В, создает
постоянное магнитное поле, а соленоид L2 — переменное подмагни-
подмагничивающее поле. Трансформатор Т2 подает через фазовращатель Ф
на потенциометр Р напряжение, которое используется для компен-
компенсации напряжения измерительной катушки L3. В качестве нулевого
индикатора в компенсационной цепи применяют селективный усили-
усилитель с большим коэффициентом усиления (/С=106) и малой поло-
полосой пропускания. Частоту генератора по возможности подбирают
такой, чтобы можно было пренебречь влиянием скин-эффекта.
Расчеты, выполненные Палом, показали, что приблизительно до
500 гц этот эффект практически можно не учитывать для образцов
цилиндрической формы с диаметром 4 мм. В описываемой нами
установке средняя часть исследуемого образца, имеющего длину
80 мм и диаметр 4 мм, располагается в измерительной катушке
высотой 10 мм я диаметром 21 мм. Эта катушка имеет 600 витков
и помещена так, что ее середина находится на одном уровне с
центрами катушек Lx и L2. Исследуемый образец подвешивают на
тонкой вольфрамовой проволоке и помещают внутри фарфоровой
трубки, которая имеет длину около 300 мм и внутренний диаметр
5 мм. Если проводят температурные измерения, то эта трубка
7 Зак. 262
193
вместе с образцом вставляется в нагревательную печь. Обмотка
соленоида L2, имеющего 840 витков, питается от звукового генера-
генератора. Эту обмотку наматывают на стеклянную или кварцевую
Рис. 73. Принципиальная схема установки для измерения диффе-
дифференциальной восприимчивости:
В— аккумуляторная батарея, L\, L? — соленоиды, L3 — измеритель-
измерительная катушка, Т\, Т2 — трансформаторы, Ф — фазовращатель, Р — по-
потенциометр, НИ — нулевой индикатор, Г — звуковой генератор,
R — сопротивление, А — амперметр
трубку. Дифференциальная восприимчивость исследуемого образ-
образца рассчитывается по следующей формуле:
X/H) = J±. ?i-?° t (9.18)
где S, — сечение измерительной катушки, S2 — сечение образца,
Ео — индуцированное напряжение в измерительной катушке без
образца, Е} — то же самое с образцом.
Формула (9.18) легко получается из условий равновесия моста,
что подробно проделано в работе [7]. Таким образом, для определе-
определения х нужно измерить ?0 и ?, или отношение ~, что можно сделать
с большой точностью. Измерение на этой установке проводится в
следующем порядке. Вначале устанавливается значение намагни-
намагничивающего поля с помощью автоматического реостата R{. После
этого без исследуемого образца компенсируется напряжение Еа
в катушке Ь3.
Для этой цели используются потенциометр Р и фазовраща-
фазовращатель Ф. Затем в измерительную катушку вставляется образец,
определяется напряжение Е\ и с помощью формулы (9.18) рас-
рассчитывается восприимчивость образца.
194
1055,
растворов
1957.
нефер-
ФММ, 8, 837,
Rev. T6hoku Imp.
ЛИТЕРАТУРА
1. БрюхатовН. Л., КиренскийЛ. В. ЖЭТФ, 8, 198, 1938.
2. Воисовский С. В., Шур Я. С. Ферромагнетизм. М. — Л., ГИТТЛ,
1948.
3. Киренский Л. В. Исследование энергетической анизотропии ферро-
ферромагнетиков. Дисс, Красноярск, 1950.
4. К и ф е р И. И., П а и т ю ш и н В. С. Испытание ферромагнитных мате-
материалов. М.—Л., ГЭИ, 1956.
5. М и р я с о в Н. 3. Исследование закона приближения к насыщению в по-
ликрнсталлических ферромагнетиках. Дисс, МГУ, 1948.
6. Пал Л. Вестн. Моск. ун-та, сер. физ., № 12, 49, 1955.
7. Пал Л., Тариоци Т. Изв. АН СССР, сер. физ., 21, № 8,
8. П у з е й И. М. Энергетическая анизотропия твердых
ромагнитных элементов в никеле. Дисс, МГУ, 1947.
9. Специальный физический практикум, под ред. Г. В. Спивака. М.—Л.,
ГИТТЛ, 1945.
10. Шюппель В., Штемме О., Андре В., Малек 3.
1959.
11. Honda К., Masumoto H., Shirakawa V. Sci.
Univ., 24, 391, 1935.
12. М с К е е h а п Z. W. Phys. Rev., 51, 136, 1937.
13. Van Vleck I. H. Phys. Rev., 52, 1178, 1937.
14. С a n s R. Ann. d. Phys., 15, 28, 1932.
15. Byrnes W. S., Grawf ord R. G. J. Appl. Phys., 29, No. 3, 493, 1958.
16. A 1 d e m k a m p A. A., M a r k с С. P., Z i j 1 s t r a H. Rev. Sci. Instr. 31,
No. 5, 544, 1960.
17. Schoffe G., Restau O., Mai G. Exptl. Techn. Phys., 7 No. 5 217,
1959.
18. Gordon D. Rev. Sci. Instr., 29, No. 11, 929, 1958.
19. Z у 1 s t г а Н. Rev. Sci. Instr., 32, No. 6, 634, 1961.
20. В тю р и н Н. И. Изв. АН СССР, сер. физ., 16, № 6, 690, 1952.
21. Пузей И. М. Изв. АН СССР, сер. физ., 16, № 5, 549, 1952.
22. М i 1 1 е г D. S. Rev. Sci. Instr., 21, No. 7, 605, 1950.
23. Neurath P. W. J. Appl. Phys. suppl., 31, No. 5, 184, 1960.
24. A s s tn u s F. Boll R., G a n z D., P f e i f e r F., Z. Mettalkunde 31
Nr. 5, 544, 1960.
25. Humphrey F. В., J о h n s о п А. К. Rev. Sci. Instr., 34 No. 4, 348
1963.
26. Siegle W. Т., Bean W. R. Rev. Sci. Instr., 35, No. 9, 1173, 1964.
27. GengnagelH., Dressel H., Benmurt W., Sawerteig H.
Exptl. Fechnik. d. Phys., 11, No. 4, 301, 1963.
28. К i n g A. P, Robinson C, Cundale J. A., H i g h t M. I Journ.
Scient. Instr., 41, 766, 1964.
29. Акулов Н. С, Большое а К- М- Вести. Моск. ун-та, сер. физ.,
№ 9, 79, 1950.
30. Парфенов В. В. Изв. АН СССР, сер. физ., 16, № 5, 601, 1952
31. W е i s Р., Т о г г е г R. Ann. Phys., 12, 279, 316, 1929.
32. Р о 11 е у Н. Ann. Phys., 36, 625, 1939.
33. С z e r 1 i n s k у E. Ann. Phys., 13, 80, 1932.
34. T e b 11 e R. S., CornerW. Proc. Phys. Sot, 63, 1005, 1950.
35. П о и о м а р е в Б. К., Левитин Р. 3. ПТЭ, № 3, 171, 1967.
7*
ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
МАГНИТНАЯ ВЯЗКОСТЬ И МЕТОДЫ
ЕЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Явление магнитной вязкости или отставание намагниченности
ферромагнитных веществ от магнитного поля во времени впервые
было обнаружено в 1889 г. при исследовании намагниченности
железа в области слабых магнитных полей [1]. В дальнейшем это
явление изучалось многими исследователями как у нас, так и за
рубежом [4, 5, 7, 11—15]. В СССР подробное исследование магнит-
магнитной вязкости было произведено Введенским [4, 5], который для этих
целей использовал маятник-прерыватель Гельмгольца. Введенский,
изучая процессы намагничивания в тонких железных проволоках,
рассчитал влияние вихревых токов на скорость изменения намаг-
намагниченности при апериодическом изменении магнитного поля. Пер-
Первая феноменологическая теория магнитной вязкости была разрабо-
разработана Аркадьевым [1—3]. Из теоретических работ, выполненных в
последние годы, следует отметить работу Нееля [15], в которой сде-
сделана попытка создать теорию магнитной вязкости на основе совре-
современного учения о магнетизме. Согласно теории Нееля, магнитная
вязкость подразделяется на два типа: обратимую и необра-
т и м у ю. Обратимая магнитная вязкость объясняется наличием в
кристаллической решетке вещества примеси атомов углерода или
азота, диффузия которых задает определенное время для перехода
ферромагнитного вещества из одного намагниченного состояния в
другое. Необратимую магнитную вязкость Неель связывает с дей-
действием тепловых флуктуации.
Многочисленные работы по исследованию магнитной вязкости
были выполнены в МГУ Телесниным [8—10], который для измере-
измерения магнитной вязкости использовал баллистический метод и усо-
усовершенствованный маятник Гельмгольца. Существенные изменения
в установке позволили исследовать процессы изменения намагни-
намагничивания продолжительностью от одной микросекунды.
Сущность этого метода состоит в следующем. Исследуемый
образец помещают в намагничивающий соленоид, который имеет
три обмотки. Кроме основной намагничивающей обмотки, которая
196
задает определенное магнитное состояние образца, соответствую-
соответствующее какой-нибудь точке на спинке петли гистерезиса или основной
кривой намагничивания, имеется обмотка, создающая вспомога-
вспомогательное магнитное поле, и обмотка, используемая для компенсации
магнитного поля Земли. Маятник-прерыватель Гельмгольца состоит
из нескольких салазок, которые могут легко перемещаться по отно-
отношению друг к другу. На этих салазках — контакты замыкания и
размыкания. Процесс измерения состоит в том, что образец внача-
вначале приводят в стабильное магнитное состояние путем коммутиро-
коммутирования тока в намагничивающей цепи. При этом подмагничивающая
цепь создает небольшое по величине магнитное поле. Размыкая в
нужный момент времени подмагничивающую цепь, задают измене-
изменение намагниченности образца, которая из-за магнитной вязкости
происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка вре-
времени. Поэтому если после отключения подмагничивающего поля
замкнуть измерительную цепь, то отброс баллистического гальва-
гальванометра будет пропорционален вязкой намагниченности образца.
Таким образом, изменяя при помощи салазок время замыкания
измерительной цепи, можно определить кривую вязкого спада на-
намагниченности образца, а зная значение подмагничивающего поля,
можно изучить процессы, связанные с вязкостью в любой точке
петли гистерезиса или основной кривой намагничивания. В резуль-
результате проведенного большого количества исследований Р. В. Телес-
нин показал, что магнитная вязкость пропорциональна дифферен-
дифференциальной магнитной восприимчивости и обратно пропорциональна
абсолютной температуре, т. е.
т = Л^, A0.1)
где А — постоянный коэффициент.
Баллистический метод измерения магнитной вязкости не нашел
в дальнейшем применения, так как он обладает рядом существен-
существенных недостатков. При этом методе приходится тратить много вре-
времени на процесс измерения; кроме того, возникают значительные
погрешности из-за наличия механических контактов в электриче-
электрических цепях; существование этих контактов приводит к возникнове-
возникновению искры, которая значительно задерживает спад намагниченно-
намагниченности; на результаты измерения влияет также вибрация контактов,
что вызывает изменение сопротивления между этими контактами.
Телеснин и Леднев [6] разработали электронную схему для ис-
исследования магнитной вязкости ферромагнитных веществ. Установ-
Установка, созданная этими авторами, состоит из импульсного осциллогра-
осциллографа, приставки управления и фотоприставки. Основной частью уста-
установки является управляющая приставка, принципиальная схема
которой показана на рис. 74. Эта приставка дает возможность
создавать магнитное состояние исследуемого образца, соответст-
соответствующее любой точке петли гистерезиса или кривой намагничива-
намагничивания, позволяет изменять на определенную величину внешнее маг-
197
нитное поле и подает индуцированный импульс на электронный
осциллограф. Исследуемый образец в виде тороида имеет не три
обмотки, как при баллистических измерениях, а только одну обмот-
обмотку A0—20 витков), которая выполняет три роли: намагничивает и
подмагничивает образец и в то же время является измерительной
обмоткой. Для получения подмагничивающего тока, который при-
¦ -<§>
Рис. 74. Принципиальная схема управляющей приставки
водит образец в нужную точку кривой намагничивания, используют
источник постоянного напряжения 120 в. Регулировка этого тока
осуществляется переменными сопротивлениями Ru и Ri2 и контро-
контролируется миллиамперметром тА2. Двухполюсный переключатель
Ki служит для коммутирования подмагничивающего тока. В управ-
управляющую лампу Л.\ FП9) включают в качестве катодной нагрузки
обмотку образца. Дополнительное магнитное поле ЛЯ создается
постоянным током от источника питания напряжением 300 в. Ток,
создающий это поле, протекает через лампу Ли причем его величи-
величина регулируется сеточным смещением при помощи переменного
сопротивления R* и фиксируется миллиамперметром. Изменение
намагничивающего поля осуществляется путем запирания лампы
Ль для чего используют тиратрон Л2, в цепи анода которого имеет-
имеется сопротивление /?з- Анодная цепь тиратрона питается от источни-
источника постоянного тока напряжением 120—250 в. На сетку тиратрона
подают отрицательное напряжение 40 в от батареи БАС-60.
Прежде чем начать исследования магнитной вязкости, нужно
размагнитить образец при помощи реостатов Ru и R[2. Затем обра-
198
зец намагничивают до нужной величины, соответствующей основ-
основной кривой намагничивания или петли гистерезиса. Для управле-
управления схемой приставки пользуются ключами К\, Ki и Кз- Если схема
находится в нерабочем состоянии, то ключи К2 и Кз замкнуты, а
ключ К\ разомкнут. В этот момент тиратрон закрыт. При замыка-
замыкании ключа К\ на вход развертки осциллографа подается импульс
падения напряжения на сопротивление кз, при этом на экране
осциллографа вычерчивается горизонтальная линия. Чтобы зажечь
тиратрон, нужно разомкнуть ключ Кз- В это время падение напря-
напряжения на сопротивлениях R2 и R3 за несколько десятых долей
микросекунды возрастает от'нескольких вольт до 100—130 в. Отри-
Отрицательное напряжение подают на сетку лампы Ли которая запи-
запирается и тем самым снимает подмагничивающее поле. В этот же
момент через сопротивление R3 на развертку осциллографа подает-
подается вторичный импульс. Получаемый сигнал индуцируемого напря-
напряжения с измерительной обмотки образца идет через катодный по-
повторитель Л3 на индикатор, в качестве которого используются им-
импульсный осциллограф и фотоприставка, которая фотографирует
с экрана осциллографа изображение вязкого процесса изменения
э.д.с.
Применение катодного повторителя необходимо для развязки
измерительной обмотки образца и осциллографа. Иначе вход осцил-
осциллографа будет зашунтирован низкоомным сопротивлением обмотки
образца. В осциллографе использована линия задержки в канале
вертикального усилителя на 0,25 мксек, что позволяет наблюдать
передний край сигнала. Генератор развертки осциллографа рабо-
работает как в колебательном, так и в ждущем режиме, причем диапа-
диапазон длительности развертки изменяется от 1 до 700 мксек.
Во время исследования магнитной вязкости на экране осцилло-
осциллографа наблюдается кривая изменения э.д.с. со временем, которая
является характеристикой процесса магнитной вязкости. Время
этого процесса, так называемое время релаксации, в тече-
течение которого устанавливается новое магнитное состояние после
снятия дополнительной напряженности магнитного поля, прини-
принимают за меру магнитной вязкости.
Если исследуют быструю часть магнитной вязкости, то следует
пользоваться импульсным методом [10]. На рис. 75 дана схема этой
установки. Генератор 1 прямоугольных импульсов выдает два им-
импульса с частотой следования от 120 до 1300 гц, амплитуду кото-
которых при помощи двухканального усилителя 2 доводят до 3 а, при
этом длительность импульсов меняется от 20 до 200 мксек, а дли-
длительность переднего фронта меньше 3-10~7 сек. Импульсы сдвину-
сдвинуты один относительно другого на половину интервала между по-
полярными импульсами.
На исследованном образце находятся две намагничивающие
3 и 4 и одна измерительная 5 обмотки. Обмотки 3 и 4 заземляются
или присоединяются к минусу усилителя 2. Протекая по одной из
намагничивающих обмоток, импульс тока перемагничивает ферри-
199
товый образец, имеющий форму тороида. По второй обмотке про-
протекает импульсный ток, магнитное поле которого возвращает
образец после прохождения импульса в одно и то же магнитное
состояние, соответствующее некоторому значению остаточной
индукции. Значение тока выбирают такое, чтобы его поле соот-
соответствовало полю насыщения образца. Таким образом магнитное
состояние образца можно переводить в любую точку на спине
петли гистерезиса. Для наблюдения формы вторичного импульса
ЛИТЕРАТУРА
7
1 2
-
—^=
Рис. 75. Блок-схема установки для измерения магнитной
вязкости:
/ — генератор, 2 — усилитель, 3 и 4 — намагничивающие обмот-
обмотки, 5 — измерительная обмотка, 6 и 7 — осциллографы
и измерения его амплитуды в намагничивающую цепь последова-
последовательно включают безындукционное сопротивление, падение напря-
напряжения с которого подается на импульсный осциллограф 6.
Э.д.с., возникающая в обмотке 5 после 'изменения намагничен-
намагниченности образца, подавалась на вход импульсного осциллографа, при
этом запуск осциллографа синхронизируется генератором импуль-
импульсов. За меру магнитной вязкости принимали ширину импульса.
возникающего в измерительной обмотке, измеренную на высоте 0,1
максимальной амплитуды. Для этого экран импульсного осцилло-
осциллографа был снабжен измерительной сеткой с ценой деления до 1 мм.
Во время процесса измерения максимум кривой спада э.д.с. совме-
совмещали с вертикальной шкалой и вертикальным усилением устанав-
устанавливали максимальную амплитуду определенного значения. После
этого вся картина сдвигалась влево до пересечения кривей э.д.с.
с делением вертикальной шкалы, соответствующим 0,1 первона-
первоначальной амплитуды, и производился подсчет меток времени на
кривой э.д.с. от начала и до пересечения с делением шкалы в 0,1.
Это определяет длительность магнитной вязкости. Осциллограф 6
имеет калиброванные метки времени с периодом следования
1 мкеек, 100 мкеек и 1 мсек. Ошибка измерений не превышает 10%.
Электромагнитные процессы в металлах, ч. II. М.—Л.,
Ибо,
7.
8.
9.
,^?идьев В-
1 УоО.
А р к а д ь е в В. К. ДАН СССР, 16, № 1, 35, 1937.
Аркадьев В. К. ЖЭТФ, 7, вып. 1, 131, 1937.
Введенский Б. A. Ann. Phys., 64, 609, 1921.
Введенский Б. А. ЖРФХО, ч. физ., 55, 1, 1923.
i5.|днев И- А- Телеснин Р. В. Радиотехника и электроника, 1
1Уоо.
М и т к е в н ч А. В. ДАН СССР, 3, 426, 1934.
Телесннн Р. В. Изв. АН СССР, сер. физ., 16, № 4 465 1952
Телеснин Р. В. Вестн. Моск. ун-та, № 10 33 1950
^СНИР3Ка * *' «Ф^™»- Сб" *01™- Из*
№ 8,
^Ми„скГ960стр:з20
П. Е w i n g J. А. Ргос. Roy. Soc, 46, 269, 1889.
12. Р г е i s а с h F. Zs. Phys., 94, 277, 1935
13. R i с h t е г G. Ann. Phys., 29, 605, 1937.
14. I о г d a n H. Elektr. Nachr. Techn., 1, 7 1924
15. Heel L. Phys. et Rad., 12, 339, 1951.
200
ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЛЬВАНО-
И ТЕРМОМАГНИТНЫХ ЭФФЕКТОВ
Со стороны холловского электрического поля на электрон так-
также действует сила, равная
fa = -j-. (П.2)
где Е — э.д.с. Холла, е — заряд электрона и / — расстояние между
двумя точками образца, в которых измеряется э.д.с. Холла.
В момент равновесия эти две силы равны и из соотношений
A1.1), A1.2) получаем
Так как
Е = vBl.
A1.3)
то окончательно
В этой главе мы рассмотрим некоторые установки, которые по-
позволяют исследовать гальвано- и термомагнитные эффекты, возни-
возникающие в проводниках при одновременном действии магнитного
и электрического полей. К гальваномагнитным эффектам относят
эффект Холла и изменение электрического сопротивления, а к тер-
термомагнитным — эффекты Эттингсгаузена, Нернста—Эттингсгаузе-
на и Риги—Ледюка, которые могут быть как продольные, так и по-
поперечные.
§ 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА
Сущность эффекта Холла, открытого в конце прошлого
столетия, состоит в следующем: если через металлическую пластин-
пластинку, находящуюся в однородном магнитном поле, протекает элект-
электрический ток, то между двумя точками пластинки, расположенны-
расположенными «а прямой, перпендикулярной как к линии тока, так и к векто-
вектору магнитного поля, возникает разность потенциалов. С точки зре-
зрения классической электродинамики этот эффект можно объяснить
тем, что поток электронов, попадая в магнитное поле, отклоняется
от своего первоначального направления, так как на заряд дейст-
действует сила Лоренца. Под действием этой силы траектории электро-
электронов искривляются и одна из боковых сторон пластинки получает
отрицательный заряд; в то же время противоположная сторона
получает равный ему по величине положительный заряд. При этом
внутри проводника возникает электрическое поле, которое носит
название поля Холла. Величину э.д.с. Холла можно получить на
основе элементарных теоретических соображений. Известно, что
сила Лоренца, действующая на электрон в магнитном поле, опре-
определяется как
F1 = evB, A1.1)
где v — скорость движения электрона ий — магнитная индукция.
202
1
пе
iB
id '
-RJL.
A1.4)
где R — константа Холла, d — толщина пластинки и i — величина
полного тока [8].
Экспериментальные исследования эффекта Холла, который от-
относится к группе нечетных эффектов, представляют довольно труд-
трудную экспериментальную задачу из-за малой величины э.д.с. (по-
(порядка 10~б—10~7 в) и влияния различного рода побочных эффек-
эффектов. Эти эффекты приводят к возникновению паразитных потенциа-
потенциалов, наибольший из которых появляется вследствие того, что труд-
трудно поместить контакты точно на эквипотенциальной поверхности.
Малейшее смещение контактов от этой поверхности сейчас же при-
приводит к возникновению добавочной разности потенциалов между
электродами. Эта разность потенциалов зависит только от прово-
проводимости материала и от силы тока, протекающего через образец.
Кроме того, в местах контактов имеется постоянный температур-
температурный градиент, который возникает при прохождении электрического
тока через металлическую пластинку в присутствии магнитного
поля (эффект Эттинсгаузена). В результате этого контакты нахо-
находятся при разных температурах, что приводит к возникновению до-
добавочной термоэлектродвижущей силы, которая также наклады-
накладывается на э.д.с. Холла.
Как показывает опыт, возникающая разность температур про-
пропорциональна произведению силы тока и напряженности магнитно-
магнитного поля. Разность потенциалов, возникающая от разнести темпера-
температур, меняет знак при изменении направления i и Н (нечетный эф-
эффект).
В 'исследуемом образце может также существовать градиент
температуры по направлению движения первичного тока. Возник-
Возникновение этого градиента связано с неоднородностью температуры
образца или окружающей среды, а также он появляется за счет
203
эффекта Пелтье. Наличие этого температурного градиента приво-
приводит к возникновению теплового потока. При этом электроны, пере-,
•носящие тепло, испытывают действие со стороны магнитного поля.
Вследствие того, что длины пробегов электронов, идущих с разных
концов образца, различны, это действие будет неодинаково. При
этом возникает разность потенциалов (эффект Нернста). Кроме
того, появляется э.д.с, обусловленная эффектом Риги—Ледюка.
Этот эффект заключается в том, что создается поперечная раз-
разность температур, которая пропорциональна напряженности маг-
магнитного поля и разности температур на концах образца. Таким об-
образом возникают еще две паразитные э.д.с, которые также •накла-
•накладываются на измеряемую э.д.с. Холла. Последние два эффекта за-
зависят от величины магнитного поля. Следовательно, в общем слу-
случае э.д.с. между контактами будет складываться из э.д.с, возни-
возникающих от вышеперечисленных эффектов, а именно
Е=Е1 + ЕШ + Е, + Е4 + Е6, (П.5)
где Ei — э.д.с. эффекта Холла, Е2 — э.д.с, обусловленная эффектом
Нернста, Е3 — эффектом Эттинсгаузена, ?4 — эффектом Риги—Ле-
Риги—Ледюка, Es — э.д.с, возникающая за счет неточного расположения
холловских электродов.
Если изменять направление электрического тока и магнитного
поля и при этом каждый раз измерять разность потенциалов меж-
между контактами, то можно отделить все побочные эффекты, которые
являются четными эффектами, кроме нечетного эффекта Эттинс-
Эттинсгаузена. Однако в ряде случаев этот эффект имеет незначительную
величину и поэтому ими можно пренебречь. Все сказанное выше в
такой же мере относится и к ферромагнитным металлам.
Эффект Холла в ферромагнитных металлах и сплавах носит
название эффекта Холла—Кикоина. Этот эффект изучали также
сравнительно давно, и в настоящее время есть большое количество
работ, посвященных исследованию этого явления. До самого послед-
последнего времени эффект Холла—Кикоина в ферромагнетиках изучали
в зависимости от напряженности магнитного поля, при этом образ-
образцы имели форму пластинок и исследовались в разомкнутой маг-
магнитной цепи. В этих условиях истинное магнитное поле было не-
небольшим из-за значительной величины размагничивающего 'фак-
'фактора.
Как показал впервые Кикоин [12], э.д.с. Холла в ферромагнети-
ферромагнетиках в области технического намагничивания пропорциональна не
магнитному полю, а намагниченности исследуемого вещества. При
температурах ниже ферромагнитной точки Кюри эффект Холла—
Кикоина описывается соотношением вида
E = RaH + R'I, A1.6)
где Ro— классическая константа Холла—Кикоина, R' — константа
Холла, определяющая значение эффекта при техническом намагни-
намагничивании.
204
В работах [2, 5] было показано, что в общем случае, при нали-
наличии парапроцесса, Е можно представить в виде
E = R0H + RI + RpIp, (Ц.7)
где /р — намагниченность, обусловленная парапроцессом, Rp —
константа Холла, соответствующая парапроцессу.
Наиболее распространенным методом измерения эффекта Хол-
Холла—Кикоина в ферромагнетиках является потенциометрический
метод, основанный на измерении разности потенциала в исследуе-
исследуемом образце в виде пластинки (рис 76). Она помещается в посто-
постоянное магнитное поле и
через него пропускается
постоянный электриче-
электрический ток. Иногда при ис-
исследовании этого эффекта
для получения однород-
однородного магнитного поля по-
поступают следующим об-
образом [4]. Из того же ма-
материала, что и образец,
изготовляют эллипсоид
вращения, который разре-
разрезают по малой оси на две
одинаковые части. Между
этими частями закрепля-
закрепляют вместе с изоляцион-
изоляционным материалом иссле-
исследуемый образец в виде
тонкой пластинки толщи-
толщиной 0,1—0,3 мм. Эту си-
сибг —
Рис. 76. Принципиальная схема установ-
установки для исследования эффекта Холла:
О — исследуемый образец, /—/ — контак-
контакты э. д. с. Холла, 2—2— токоподводящие
контакты, К\ — переключатель в первич-
первичной цепи, А — амперметр в первичной
цепи, R — реостат в первичной цели,
П — потенциометр постоянного тока
(ППТН-1), ?, и ?2 — батареи аккумуля-
аккумуляторов, Г — гальванометр, НЭ — нормаль-
нормальный элемент
стему помещают в маг-
магнитное поле, которое на-
направлено вдоль большой оси эллипсоида. При определенном отно-
отношении осей эллипсоида размагничивающий фактор становится
незначительным, что позволяет намагничивать образец до насыще-
насыщения, причем он находится в однородном магнитном поле.
Для исследования эффекта Холла—Кикоина этим методом
нужно большое количество времени, так как для определения од-
одного значения э.д.с. необходимо проводить четыре измерения при
различных направлениях тока и поля.
Измерение разности потенциалов в точках /—/ производят
при помощи низкоомного потенциометра П постоянного тока
(ППТН-1), устройство которого описано в работе [15]. Измерения
на таком потенциометре удобнее проводить не нулевым методом, а
методом отклонения, для чего потенциометр следует проградуиро-
вать. Для этого на потенциометр подают некоторую разность по-
потенциалов A-Ю-5 в) и замечают отклонение рамки гальваномет-
гальванометра Г. Затем рассчитывают разность потенциалов, которая соответ-
205
ствует отклонению в 1 мм. После этого приступают к измерению
э.д.с. Холла. Через исследуемый образец О пропускают постоянный
ток силой в несколько ампер, затем создают магнитное поле и фик-
фиксируют отклонение подвижной системы гальванометра. Затем клю-
ключом Ki изменяют направление магнитного поля и опять проводят
отсчет. То же самое измерение повторяют при другом направлении
тока и из четырех полученных значений рассчитывают э.д.с. Холла.
Некоторые ферромагнитные металлы и сплавы, особенно в пара-
парамагнитной области, имеют э.д.с. Холла порядка 10~8—10~9 в. В этом
случае для исследования эффекта Холла—Кикоина используют
фотоэлектрооптический усилитель.
§ 2. ФОТОЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ
УСИЛИТЕЛЬ [13]
Э.д.с. порядка 10~9—10~10 в не могут быть измерены ни с помо-
помощью ламповых усилителей, ни с помощью различных гальваномет-
гальванометров. При повышении чувствительности гальванометров возникает
ряд трудностей, которые в первую очередь связаны с колебанием
грунта и с наличием несовершенных отсчетных приспособлений.
У ламповых усилителей уровень шумов ограничивает пределы их
измерения. В рассматриваемом нами усилителе вместо отсчетной
шкалы используют фотоэлемент^, которые позволяют регистриро-
регистрировать небольшие перемещения тени на их поверхности. Чтобы в дан-
данном усилятеле колебание грунта не вызывало отклонение системы
и чтобы была хорошая стабильность нуля, используют гальвано-
гальванометры специальной конструкции. Гальванометры, которые приме-
применяют в ФЭОУ, работают в переуспокоенном режиме. Они имеют
большой противодействующий момент, в тысячу раз больше, чем у
обычных гальванометров. Кроме того, они обладают небольшим
периодом свободных колебаний, что обеспечивает быстрое возвра-
возвращение подвижной системы в нулевое положение. Вращающая рам-
рамка гальванометра закрепляется на жестких растяжках в виде лен-
ленты толщиной 15—20 мк и шириной 0,1—0,2 мк. Эти растяжки де-
делают из бериллиевой бронзы. Для обеспечения хорошей термоизо-
термоизоляции стенки гальванометра делают двойными.
Рассмотрим устройство и принцип работы торсионного ФЭОУ,
в котором микроперемещение границ тени на поверхности фотоэле-
фотоэлемента происходит под влиянием поворота зеркальца гальваномет-
гальванометра. Оптическая схема этого усилителя состоит из двухкаскадного,
двухлучевого фотоэлектрооптического устройства, изображенного
на рис. 77, а. Для освещения фотоэлементов используют лампоч-
лампочку Л. Лучи от этой лампочки при помощи четырех конденсоров К
фокусируют на зеркальце двух гальванометров Л и Г2, проектируют
на поверхность фотоэлементов Ф. Конденсоры имеют вид решеток
(аналогичные решетки помещают перед каждым фотоэлементом).
Эти решетки настраивают таким образом, что граница свет—тень
от конденсоров попадает на середину решеток фотоэлементов.
206
а
Рис. 77. а — Устройство фото-
фотоэлектрооптического усилителя
б — Принципиальная электри-
электрическая схема усилителя:
А, Г2 — гальванометры, ФЭ —
фотоэлементы, Л — лампочка,
К — конденсоры
Многочисленными опытами было доказано, что если граница
свет—тень перемещается на 0,01 мм на фотоэлементах первого кас-
каскада, то выходной гальванометр дает значительное отклонение.
Удвоение числа конденсоров и фотоэлементов уменьшает влияние
изменения напряжения накала лампы, а это повышает устойчивость
работы усилителя.
На рис. 77, б показана электрическая схема фотоэлектроопти-
ческого усилителя. Измеряемую э.д.с. подают к входному гальва-
гальванометру /Y Фотоэлементы ФЭ\ первого каскада соединяют после-
последовательно, при этом средние точки связаны с гальванометром Г2
второго каскада. От фотоэлементов ФЭ2 второго каскада напряже-
напряжение подается к зажиму выходного гальванометра Г3. Для измене-
изменения чувствительности усилителя существует система шунтов 1—5.
Регулировка положения зайчика осуществляется потенциометром Р,
к которому подают напряжение от батареи при замкнутом ключе
Кр. Для проверки работы усилителя и для его градуировки на
гальванометр Г\ подается стандартный сигнал величиной порядка
5 • 10—8 в. Для этого используют также батарею и ключ /Сс, при
этом вход гальванометра Г\ следует закоротить, а шунт поставить
в положение 5. Гальванометр Г2 также в этот момент закорочен.
При работе с фотоэлектрооптическим усилителем необходимо
соблюдать следующие правила: для устранения механических виб-
вибраций усилитель нужно поставить на стабильную станину; провода
электрической схемы должны быть экранированы и жестко закреп-
закреплены; если на некоторые участки проводов действует тепловое из-
излучение, то эти провода следует опустить в масло; для питания
лампочки Л лучше всего использовать аккумулятор с большой ем-
емкостью « 100 а- ч, соединительные провода которого должны иметь
хорошие контакты. После того как будет собрана окончательно
электрическая схема, осуществляется настройка оптической схемы
усилителя, т. е. находят правильное изображение свето-теневой
решетки. Измерения рекомендуется начинать минут 15—20 спустя
после сборки схемы и настройки усилителя. За это время практи-
практически выравнивают температуру клемм и прекращают сползание
нуля гальванометра Г3. Максимальная чувствительность выпускае-
выпускаемых нашей промышленностью фотоэлектрооптических усилителей
равна 1,1 • 10~9 в/дел.
Для усиления малых постоянных токов <и напряжения можно
использовать также фотоэлектрический усилитель типа Ф-117.
Принципиальная схема усилителя для измерения напряжения
приведена на рис. 78, а, а оптическая схема — на рис. 78,6.
Световой поток от осветительной лампы /, проходя через кон-
конденсор 2 и диафрагму 3, падает на зеркало 4. После отражения
луч света, пройдя через объектив 7, попадает на зеркало 8 гальва-
гальванометра и, отражаясь, вновь проходит через объектив 7. Испыты-
Испытывая опять отражение от зеркала 4 и пройдя через маску 5, луч по-
попадает на дифференциальное фотосопротивление 6, на котором об-
образуется изображение диафрагмы 3.
208
На рисунке для простоты показана только одна маска и диа-
диафрагма для прохождения одного пучка света. В действительности
маска имеет шесть параллельных щелей, а диафрагма — три. Это
обеспечивает соответствующее увеличение коэффициента преобра-
преобразования усилителя.
Если сигнал отсутствует, то подвижную часть гальванометра
устанавливают так, что дифференциальное устройство, образуемое
Рис. 78. Принципиальная схема фото-
фотоэлектрического усилителя (а) и его
оптическая схема (б):
1 — осветительная лампа, 2— конден-
конденсор, 3 — диафрагма, 4 — зеркало, 5 —
маска, 6 — фотосопротивление, 7 —
объектив, 5 — зеркало, Г — гальвано-
гальванометр
фотосопротивлением 6 и внешними источниками напряжения Бх и
Б2, сбалансировано, и ток через нагрузку гн не проходит. При по-
поступлении сигнала в гальванометр его подвижная часть отклонится
и перераспределит световой поток между секциями фотосопротив-
фотосопротивления. Это вызовет разбаланс дифференциального устройства и
появится ток в нагрузке ги или напряжение на выходе усилителя.
Если измеряют напряжение, то оно подается к нужным клеммам
и его сравнивают с падением напряжения на компенсационном
сопротивлении, создаваемом током фотосопротивления 6. При не-
неравенстве этих напряжений по рамке гальванометра Г пройдет ток,
и она отклонится. Зеркало, поворачиваясь вместе с рамкой, изменит
распределение света между фотосопротивлением 6 и, следова-
следовательно, величину тока в нагрузке гн, последовательно с которой
включено компенсационное сопротивление. Положение рамки
гальванометра определяет силу тока, проходящего по компенсаци-
компенсационному сопротивлению. Движение рамки прекратится только
тогда, когда падение напряжения на компенсационном сопротивле-
сопротивлении уравновесит измеряемое напряжение. Благодаря использо-
использованию компенсационной схемы нестабильность фотосопротивления,
колебания яркости ламп / и питающего напряжения не влияют на
результаты измерений.
209
Если данный усилитель используют для измерения тока, то
гальванометр включают параллельно компенсационному сопро-
сопротивлению. Тогда часть измеряемого тока, проходящего через
гальванометр, сравнивают с частью тока фотосопротивления, кото-
которое ответвляется с компенсационного сопротивления через доба-
добавочное сопротивление, включенное последовательно с амперметром.
Рассмотренный нами фотоэлектрический усилитель может рабо-
работать при температуре окружающего воздуха от 283 до 320° К. Для
уменьшения уровня э.д.с. в цепи гальванометра в усилителе приня-
приняты специальные меры: корпус делают из пластмассы, внутри кор-
корпуса находится медный тепловыравнивающий экран.
§ 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА
НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ
Потенциометрический метод измерения э.д.с. Холла на постоян-
постоянном токе и в постоянном магнитном поле обладает рядом сущест-
существенных недостатков, которые были отмечены выше. Кроме того,
этот метод не позволяет исследовать образцы с высоким удельным
сопротивлением. Чтобы преодолеть в какой-то мере указанные не-
недостатки, можно использовать схему, где измерения разности по-
потенциалов производят на переменном токе.
Жузе и Николаев [9] создали установку для исследования э.д.с.
Холла полупроводников, работающую на частоте, равной разности
между частотами магнитного поля и тока. Блок-схема установки
показана на рис. 79.
Ламповый генератор / на 70 гц, включенный в сеть переменного
тока, имеет низкоомный и симметричный выход. Магнитное поле
создается переменным током промышленной частоты 50 гц. В опи-
описываемой нами схеме измерение производят при напряженности
магнитного поля A,6—4) -104 а/м, величину которого измеряют при
помощи небольшой катушки и лампового вольтметра. Узко-
Узкополосный измерительный усилитель 6 на 20 гц используют для
измерения э.д.с. Холла, для чего на выходе усилителя подключают
микроамперметр 5. Этот усилитель дает возможность измерять
э.д.с. Холла в пределах от 0,4 мкв до 1 в. Для определения знака
э.д.с. Холла применяют схему 4, состоящую из лампового фильтра
и катодного осциллографа, на одну пару пластин которого подают
стандартный сигнал от смесителя, а на другую пару пластин —
измеряемую э.д.с. Холла. Калибровка усилителя осуществляется с
помощью стандартного напряжения частоты в 20 гц. Это напряже-
напряжение подают на вход усилителя через плавный делитель напряжения.
Исследуемый образец закрепляют в специальном держателе, кото-
который изготовлен так, чтобы наводки от электрического и магнитного
полей были минимальными. Конструкция держателя обеспечивает
быструю смену образцов. Установка имеет пульт управления, при-
применяемый для включения и выключения магнитного поля, включе-
включения термостата и для производства измерений. Преимущество этой
210
схемы перед другими известными схемами состоит в том, что эта
схема не требует точной компенсации начальной э.д.с. на электро-
электродах Холла и позволяет производить непрерывный отсчет с малой
затратой времени. Кроме того, она обладает высокой стабильно-
стабильностью в работе и дает возможность измерять напряжение в широком
2
-50гц
f
f
-гогц
о
о
о
о
о
1_
Р*
гртп
3
,4
70
i
4
Л
1
[
ТТГ|
~ 20гц (калибровко)
5 I
6
Ех ~20щ
я
9
1
Рис. 79. Принципиальная схема установки для измерения эффекта Холла
на переменном токе:
/ — ламповый генератор на 70 гц, 2 — смеситель с ламповым фильтром,
3 — делитель напряжения, 4 — схема для определения знака эффекта
Холла, 5 — микр&амперметр, 6 — узкополосный усилитель, 7 — образен,
8 — ламповый микроамперметр, 9 — ламповый вольтметр
интервале значений. Измерение эффекта Холла на переменном то-
токе и в переменном магнитном поле описано также в работах
[16, 20].
Иглицын [11] создал установку для измерения эффекта Холла
на переменном токе при частоте 30 гц в постоянном однородном
магнитном поле. Получаемая переменная разность потенциалов
усиливалась при помощи специально сконструированного усилите-
усилителя, который имеет коэффициент усиления порядка 5-105. В качест-
качестве индикаторного прибора применялся катодный осциллограф или
фазочувствительный ламповый детектор с нулевым прибором. Гра-
Градуировку схемы выполняли по образцу висмута или закиси меди.
Подобная схема описана также в работе [17], где измерения осуще-
осуществляли при частоте в 100 гц.
Схема, основанная на потенциометрическом методе, дает воз-
возможность измерять переменное напряжение до 103 мкв с точностью
до 0,01 мкв.
211
§4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЛЬВАНОМАГНИТНОГО
ЭФФЕКТА В ФЕРРОМАГНЕТИКАХ
Явление изменения электросопротивления металлов в магнит-
магнитном поле относится также к гальваномагнитным эффектам. Впер-
Впервые это явление было обнаружено Томсоном [18] в ферромагнитных
металлах. В отличие от диа- и парамагнитных металлов, в ферро-
ферромагнетиках гальваномагнитный эффект имеет ряд качественных
особенностей, которые связаны с наличием спонтанной намагничен-
намагниченности. Одна из этих особенностей состоит в том, что относительное
AR
изменение электросопротивления — определяется намагничен-
намагниченностью вещества, при этом имеет место квадратичная зависимость
гальваномагнитного эффекта от намагниченности. Эта закономер-
закономерность впервые была обнаружена русским ученым Гольдгаммером
[7]. Если у пара- и диамагнитных^металлов электросопротивление
всегда возрастает в магнитном поле, то у ферромагнетиков гальва-
гальваномагнитный эффект может быть как положительным, так и отри-
отрицательным.
Многочисленные экспериментальные исследования гальвано-
магнитнго эффекта ферромагнитных металлов показали, что это
явление обладает анизотропией. При насыщении гальвано-
гальваномагнитный эффект зависит от ориентации вектора спонтанной на-
намагниченности относительно кристаллографических осей.
Принципиальная схема установки для исследования гальвано-
гальваномагнитного эффекта изображена на рис. 80.
Исследуемый образец Rx следует изгибать в форме буквы V;
в этом случае значительно уменьшается влияние паразитных т.э.д.с.
на результаты измерения. Иногда исследуемый образец в виде
тонкой проволоки наматывают в форме узкой, но длинной спирали
на непроводящую основу и концы ее соединяют с измерительным
мостом или потенциометром. Образец вместе с термопарой, которая
находится в его средней части, помещают в термостат, расположен-
расположенный внутри намагничивающей катушки. Эта катушка должна со-
создавать такое магнитное поле, чтобы оно было достаточно для
намагничивания исследуемого образца до насыщения. После того
как образец присоединен к цепи потенциометра, включают efo пи-
питание и устанавливают определенный рабочий ток. Через образец
пропускают постоянный ток от аккумулятора Б2. При изменении
направления поля на противоположное направление отклонения
гальванометра не должны изменяться, так как гальваномагнитный
эффект относится к классу четных эффектов. Величину изменения
сопротивления рассчитывают по формуле
Л^ = -5"-а, A1.8)
где ао — отклонение гальванометра, получаемое при включении
эталонного сопротивления, и а — отклонение гальванометра, вы-
212
званное изменением сопротивления образца под действием магнит-
магнитного поля.
Если исследование проводят при различных температурах, то
всякий раз перед определением зависимости kR=f(H) при данной
температуре следует вновь компенсировать потенциометр, так как
с изменением температуры меняется сопротивление образца. При
этом необходимо помнить, что для
обеспечения постоянства температуры
нужно выдерживать образец при каж-
каждой температуре 40—50 мин, и толь-
только после этого приступать к измере-
измерениям.
Пачес [19] для определения отно-
относительных изменений сопротивления
Рис. 80. Принципиальная схема
установки для исследования
гальваиомагнитиого эффекта:
Rx—исследуемый образец, Ro—
эталонное сопротивление, Г —
гальванометр, Ki и Яг — пере-
переключатели, Bi и Б2 — батареи
аккумуляторов, НЭ — нормаль-
нормальный элемент
Рис. 81. Принципиальная схема для измерения
э. д. с. Нернста — Эттингсгаузеиа:
О — образец, X — контакты для измерения
зт д. с. Нернста—Эттингсгаузена, Г—гальвано-
Г—гальванометр, L\ — соленоид, Z.2— баллистическая об-
обмотка, А — амперметр, R — реостаты, К — ком-
коммутатор
использовал одинарный мост, кото-
который он собирал из магазинов сопро-
сопротивления МСРБ-48. Чтобы можно было измерять одновременно и
намагниченность, и гальваномагнитный эффект, использовали об-
образцы в виде отрезков проволоки диаметром 0,5 мм и общей длиной
около трех метров. Отрезки проволоки складывали в виде «гар-
«гармошки» длиной 100 мм, при этом сечение образца составляли
5 мм2. Для обеспечения хорошей изоляции между проволоками
использовали каолин в водном растворе силикатного клея. Такая
изоляция давала возможность исследовать гальваномагнитный эф-
эффект при различных температурах. Электрическое сопротивление
потенциометрическим методом было измерено Галкиной [6]. Образ-
Образцы были в виде проволоки диаметром 0,1—0,2 мм и длиной
150—160 мм.
21»
§ 5. ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОМАГНИТНЫХ ЭФФЕКТОВ
В ФЕРРОМАГНЕТИКАХ
К термомагнитным эффектам относятся эффекты Эттингсгаузе-
Эттингсгаузена, Нернста—Эттингсгаузена и Риги—Ледюка. Эти эффекты могут
быть как поперечные, так и продольные. Если направление магнит-
магнитного поля совпадает с направлением температурного градиента, то
термомагнитный эффект называется продольным, а если они
взаимно перпендикулярны, то поперечным.
Впервые термомагнитный эффект в ферромагнетиках изучал
русский ученый Бахметьев [1]. В последнее время началось систе-
систематическое изучение термомагнитных эффектов. Здесь особое место
занимают работы Кондорского и его учеников [21—24]. Изучение
термомагнитных эффектов позволяет получить ценные сведения об
электронной структуре твердых тел, а также дает возможность вы-
выяснить роль электронов различных энергетических уровней в об-
общей намагниченности.
Рассмотрим установку, которую используют для исследования
лоперечного термомагнитного эффекта Нернста—Эттингсгаузена
в ферромагнитных металлах и сплавах [21] (рис. 81).
Э.д.с. Нернста—Эттингсгаузена измеряется (компенсационным
методом с помощью потенциометра ППТН-1 и чувствительного к
напряжению гальванометра. При небольших значениях э.д.с. при-
применяют фотоэлектрооптический усилитель. Э.д.с. следует измерять
при двух направлениях магнитного поля, при этом показания изме-
измерительного прибора должны быть одинаковы. Чтобы этого достичь,
необходимо предварительно скомпенсировать э.д.с, вызванную
асимметрией контактов. Контакты следует изготовлять из меди, а
в качестве переключателей использовать масляные бестермоточные
переключатели типа ПБ-43.
При изучении термомагнитных эффектов одновременно изме-
измеряется намагниченность, для этого в центральной части образца
помещается измерительная обмотка. Измерение проводят балли-
баллистическим методом. Образцы для исследования берут в виде па-
параллелепипеда. Это позволяет значительно уменьшить размагничи-
размагничивающий фактор и намагнитить образец до насыщения в сравни-
сравнительно небольших полях. Выступы для снятия э.д.с. вырезают вме-
вместе с образцом из одного куска исследуемого металла или сплава
и располагают друг против друга на одинаковых расстояниях от
граней. Контакты для снятия э.д.с. припаивают к выступам сереб-
серебряным припоем, который выдерживает высокую температуру. Тем-
Температурный градиент создается с помощью двух электрических пе-
печек, расположенных вдоль длинных сторон образца.
Спирали печек из нихромовой проволоки диаметром 0,2 мм по-
помещают в медные трубки диаметром 5 мм и изолируют от них
кварцевыми трубками. Медные трубки с электрическими спираля-
спиралями укладывают в углубления, выточенные вдоль узких граней об-
образца. Для питания печей следует использовать стабилизированное
напряжение.
СП
1
При таком способе создания температуры можно легко изменять
градиент температуры в широких пределах с помощью двух термо-
термопар. Термопары вставляют в специальные отверстия, просверлен-
просверленные в образце, и плотно прижимают к образцу. От поверхности
образца 'их изолируют тонким слоем кварца. Расстояние между
термопарами берут 1—4 мм при разности температур (АГ) 3—14°.
Для проверки линейности изменения температуры вдоль шири-
ширины образца необходимо иметь дополнительные термопары. Чтобы
тепловой режим был устойчивым, образец вместе с печкой поме-
помещают в стеклянную трубку, в которой создан вакуум 10~3—10~-4лш
рт. ст. Перед тем как начать измерения, образец с включенными
печками выдерживают в течение 1 час для установления заданной
температуры. При этом величина температурного градиента в те-
течение опыта должна сохраняться постоянной с большой точностью.
Эта установка может быть применена как для изучения эффекта
Нернста—Эттингсгаузена, так и других термомагнитных эффектов-
в широком температурном интервале 80—1000°К-
ЛИТЕРАТУРА
1. Бахметьев П. И. Wied. Ann., 43, 723, 1891.
2. Белов К. П., Свирина Е. П. ЖЭТФ, 37, 11, 1959.
3. Вонсовский СВ., Шур Я. С. Ферромагнетизм. М.—Л., ГИТТЛ,
1948.
4. В ол кенштейн Н. В., Федоров Г. М. ФММ, 2, № 2, 377, 1956.
5. Волков Д. И. Вестн. Моск. ун-та, № 4, 18, 1960.
6. Г а л к и н а О. С. Исследование электрического сопротивления и его из-
изменения в магнитном поле у ферромагнитных металлов и сплавов. Дисс. МГУ,
1958.
7. Гольдгаммер Д. А. Уч. зап. Моск. ун-та, вып. 81, 1888—1889.
8. Д о р ф м а н н Я. Г., Кикоин И. К. Физика металлов. М.—Л., ГТТИ,
1934.
9. Жузе В. П.. Николаев С. Н. ЖТФ, 23, № 5, 913, 1953.
10. И'в а н о в а Р. П. ФММ, № 6, 851, 1959.
11. И г л и ц ы н М. II. ЖТФ, 22, № 5, 885, 1952.
12. Кикоин И. К. ЖЭТФ, 10, № 11, 1242, 1940.
13. Козырев Б. П. УФН, 44, вып. 2, 173, 1951.
14. Свирина Е. П., И в а н о в а Р. П. ФММ, 3, № 3, 444, 1956.
15. Ш к у р и н Г. П. Справочник по электроизмерительным и радиоизмери-
чсльным приборам. М., Воениздат, 1960.
16. Russell В. R., Wahlig G. Rev. Sci. Instr., 21, 1028, 1950.
17. Dono ghue J., Eatherly W. P. Rev. Sci. Instr., 22, 513, 1951.
18. Thomson W. Proc. Roy. Soc, 8, 546, 1857.
19. Paces J. Чехосл. физ. журн., 7, № 6, 729, 1957.
20. Коновалов О. М. Болховитянов Ю. Б., Клименко А. Г.
ПТЭ, №5, 169, 1962.
21. Васильева Р. П. Термомагнитный эффект Нернста—Эттингсгаузена
в ферромагнитных металлах и сплавах (дисс). М., 1964.
22. Кондор с кий Е. И. ЖЭТФ, 44, 511, 1963.
23. Кондорский Е. И. Изв. АН СССР, сер. физ., 28, 507, 1964.
24. Кондорский Е. И. ЖЭТФ, 40, 2085, 1964.
214
ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ
НЕКОТОРЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИИ МАГНИТНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК
§ 1. МЕТОД ПЕРМЕАМЕТРА
В лабораторной практике и в особенности в заводских условиях
часто приходится исследовать стандартные образцы различной
формы и в большом количестве с целью определения кривой на-
намагничивания и петли гистерезиса. При этом необходимо иметь
аппараты, допускающие быструю смену образцов и обеспечиваю-
обеспечивающие минимальную затрату времени на выполнение измерений или
испытаний.
Пермеаметр Гопкинсона. Метод ярма впервые был предложен
Гопкинсоном [14]. Он состоит в том, что исследуемый образец за-
замыкается по концам ярмом-рамой, сделанной из магнитомягкого
материала, при этом образуется замкнутая магнитная цепь. Основ-
Основными частями прибора являются ярмо, намагничивающая катушка
и устройство для определения напряженности магнитного поля и
индукции.
Схематическое устройство пермеаметра показано на рис. 82.
Известно, что величина магнитного потока для замкнутой цепи
равна
вб,
A2.1)
где 1>Rm — общее магнитное сопротивление цепи (ом), i — сила то-
тока в намагничивающей цепи (а) и w\ —число витков в намагничи-
намагничивающей обмотке.
Магнитная цепь пермеаметра состоит из четырех участков. Пер-
Первый участок представляет собой часть образца сечением S и дли-
длиной /. Второй участок магнитной цепи, длина которого равна /ь
находится между концом катушки и внутренними стенками ярма.
Третий участок представляет собой воздушный зазор с толщиной d
и площадью сечения Si между образцом и ярмом. Последний уча-
216
сток состоит из ярма длиной /2 с сечением S2 и магнитной прони-
проницаемостью Ц2- Тогда выражение A2.1) можно записать так:
Ф =
wxi
вб.
A2.2)
J
Из формулы A2.2) получим
Разлагая в ряд выражение A2.3) и ограничиваясь членами пер-
первой степени, найдем
\(J^J^)] A2.4)
Ввиду того что выражение, стоящее перед квадратными скобка-
скобками, есть напряженность магнитного поля бесконечно длинного со-
соленоида, соотношение A2.4) окончательно можно записать в виде
,12.5)
где
= -=^- а/м.
Как видно из последнего соотношения, намагничивающая об-
обмотка должна полностью покрывать ту часть образца, которая
находится вне ярма (/i = 0). Кроме того, воздушный зазор между
образцом и ярмом должен по возможности быть доведен до мини-
минимума (d-^-0) и магнитная проницаемость ярма должна быть доста-
достаточно большой (в пределе цг-^оо). При создании различных типов
пермеаметров стараются по возможности приблизиться к этим
условиям. Расхождение между действительным полем Н и полем
Но будет зависеть как от конструкции аппарата, так и от магнит-
магнитных свойств материала ярма и образца.
Пермеаметр электродинамического типа. Пермеаметр работает
по принципу обычного магнитоэлектрического прибора. Отличие
состоит в том, что в пермеаметре постоянный магнит заменен ис-
исследуемым образом с намагничивающей обмоткой [15]. Устройство
электродинамического пермеаметра показано на рис. 83. Ярмо
пермеаметра Я делают из железа «армко». Для намагничивания
образца О имеется намагничивающая обмотка W2, с которой после-
последовательно соединены обмотки дополнительных катушек Wi—W\.
Рассмотрим, какую роль выполняют эти катушки. Магнитный по-
217
ток, создаваемый в воздушном зазоре пермеаметра, где находится
подвижная катушка П, должен быть пропорционален магнитному
потоку индукции в центральной часги образца. Магнитный поток
¦образца, замыкающийся через ярмо, складывается из потока, со-
Рис. 82. Схематическое устрой-
устройство пермеаметра с ярмом:
Я — ярмо, W] — намагничиваю-
намагничивающая катушка, lt^—измери-
lt^—измерительная катушка для определе-
определения индукции в образце,
О — образец
Рис. 83. Схематическое устройство
пермеаметра электродинамического
типа:
О — исследуемый образец, Я — ярмо,
W\—W\ — дополнительные обмотки,
W2 — намагничивающая обмотка,
П — подвижная катушка
¦здаваемого магнитной индукцией самого образца и потоком поля
намагничивающей обмотки. Так как вторая часть потока непропор-
непропорциональна индукции образца, то и результирующий поток в воз-
воздушном зазоре ярма не будет ей пропорционален. Дополнительные
обмотки W\ компенсируют магнитный поток, создаваемый намаг-
намагничивающей катушкой, и тем самым создают указанную выше
пропорциональность. Обмотки Wt соединяются последовательно с
намагничивающей катушкой и наматываются на ярмо таким обра-
образом, что они намагничивают его в направлении, противоположном
намагничиванию ярма обмоткой W2. При этом число витков этих
обмоток подбирают таким образом, что в отсутствие образца при
максимальном значении тока через намагничивающую обмотку
¦подвижная катушка не отклоняется.
Применение обмоток W\ дает возможность получить пропор-
пропорциональность между магнитным потоком индукции в образце и по-
потоком в воздушном зазоре с точностью до 3%. Чтобы удобнее было
производить расчет намагничивающего поля, обмотку намагничи-
намагничивающей катушки подбирают с таким числом витков, чтобы посто-
постоянная катушка была равна 8-Ю3 а/м. Тогда магнитное поле ка-
катушки определяется по формуле
= 8-103 i а/м,
A2.6)
где i — ток в катушке (а).
518
Ярмо Я имеет разрез, в который помещена подвижная рамка..
Через эту рамку пропускают постоянный ток, величина которого во-
вовремя испытания одного образца не должна изменяться. С оськ>
рамки жестко скреплена стрелка, с помощью которой производится
отсчет магнитной индукции по шкале. Вращающий момент, дейст-
действующий на рамку со стороны магнитного поля, будет пропорцио-
пропорционален магнитному потоку, который пронизывает площадь рамки, и
силе тока, протекающего через витки обмотки рамки. Противодей-
Противодействующий момент создается при помощи двух пружин, изготовлен-
изготовленных из бериллиевой бронзы. Эти пружины выполняют также роль
токоподводящих проводов. Исследуемый образец вставляют в от-
отверстие ярма и зажимают латунными винтами; это обеспечивает
надежный магнитный контакт между образцом >и ярмом. При про-
пропускании тока через обмотку подвижной рамки, находящейся в
магнитном поле, возникает вращающий момент, который повора-
поворачивает рамку. Этот момент пропорционален силе тока и магнитно-
магнитному потоку в зазоре
D^kjQ», A2.7)
где Ф — магнитный поток в зазоре ярма, ki — некоторая постоян-
постоянная.
При отклонении рамки на некоторый угол а момент D уравно-
уравновешивается противодействующим моментом пружины Du который
определяется из соотношения
где k2 —¦ упругая постоянная пружины.
В момент равновесия рамки эти моменты равны. Тогда из соот-
соотношений A2.7) и A2.8) получим
а=-^-Ф. A2.9)
Так к
где
= В5, то получаем
а=С-В,
С = i
A2.10),
S — площадь поперечного сечения образца.
Таким образом, отклонение подвижной рамки пермеаметра про-
пропорционально индукции образца. Произведение силы тока в по-
подвижной рамке на сечение образца должно быть величиной посто-
постоянной, т. е. iS = const.
Градуировка пермеаметра осуществляется по образцу, для ко-
которого известна кривая намагничивания. При этом определяют
величину /C=bS, являющуюся постоянной прибора. Постоянная К
для наиболее распространенных приборов электродинамического
219
ток, создаваемый в воздушном зазоре пермеаметра, где находится
подвижная катушка П, должен быть пропорционален магнитному
потоку индукции в центральной части образца. Магнитный поток
образца, замыкающийся через ярмо, складывается из потока, со-
Рис. 82. Схематическое устрой-
устройство пермеаметра с ярмом:
Я— ярмо, W\ — намагничиваю-
намагничивающая катушка, W2 — измери-
измерительная катушка для определе-
определения индукции в образце,
О — образец
Рис. 83. Схематическое устройство
пермеаметра электродинамического
типа:
О — исследуемый образец, Я ¦— ярмо,
Wi—W\ — дополнительные обмотки,
1^2 — намагничивающая обмотка,
П — подвижная катушка
здаваемого магнитной индукцией самого образца и потоком поля
намагничивающей обмотки. Так как вторая часть потока непропор-
непропорциональна индукции образца, то и результирующий поток в воз-
воздушном зазоре ярма не будет ей пропорционален. Дополнительные
обмотки Wt компенсируют магнитный поток, создаваемый намаг-
намагничивающей катушкой, и тем самым создают указанную выше
пропорциональность. Обмотки W\ соединяются последовательно с
намагничивающей катушкой и наматываются на ярмо таким обра-
образом, что они намагничивают его в направлении, противоположном
намагничиванию ярма обмоткой W2. При этом число витков этих
обмоток подбирают таким образом, что в отсутствие образца при
максимальном значении тока через намагничивающую обмотку
подвижная катушка не отклоняется.
Применение обмоток W\ дает возможность получить пропор-
пропорциональность между магнитным потоком индукции в образце и по-
потоком в воздушном зазоре с точностью до 3%. Чтобы удобнее было
производить расчет намагничивающего поля, обмотку намагничи-
намагничивающей катушки подбирают с таким числом витков, чтобы посто-
постоянная катушка была равна 8-Ю3 а/м. Тогда магнитное поле ка-
катушки определяется по формуле
= 8-103 i а/м,
A2.6)
где i — ток в катушке (а).
218
Ярмо Я имеет разрез, в который помещена подвижная рамка..
Через эту рамку пропускают постоянный ток, величина которого во-
вовремя испытания одного образца не должна изменяться. С оськ>
рамки жестко скреплена стрелка, с помощью которой производится
отсчет магнитной индукции по шкале. Вращающий момент, дейст-
действующий на рамку со стороны магнитного поля, будет пропорцио-
пропорционален магнитному потоку, который пронизывает площадь рамки, и
силе тока, протекающего через витки обмотки рамки. Противодей-
Противодействующий момент создается при помощи двух пружин, изготовлен-
изготовленных из бериллиевой бронзы. Эти пружины выполняют также роль
токоподводящих проводов. Исследуемый образец вставляют в от-
отверстие ярма и зажимают латунными винтами; это обеспечивает
надежный магнитный контакт между образцом <и ярмом. При про-
пропускании тока через обмотку подвижной рамки, находящейся в
магнитном поле, возникает вращающий момент, который повора-
поворачивает рамку. Этот момент пропорционален силе тока и магнитно-
магнитному потоку в зазоре
D = ^Ф, A2.7)
где Ф — магнитный поток в зазоре ярма, ki—некоторая постоян-
постоянная.
При отклонении рамки на некоторый угол а момент D уравно-
уравновешивается противодействующим моментом пружины D\, который
определяется из соотношения
где k2 — упругая постоянная пружины.
В момент равновесия рамки эти моменты равны. Тогда из соот-
соотношений A2.7) и A2.8) получим
Так
где
то получаем
= СВ,
A2.10)
С = i
S — площадь поперечного сечения образца.
Таким образом, отклонение подвижной рамки пермеаметра про-
пропорционально индукции образца. Произведение силы тока в по-
подвижной рамке на сечение образца должно быть величиной посто-
постоянной, т. е. iS = const.
Градуировка пермеаметра осуществляется по образцу, для ко-
которого известна кривая намагничивания. При этом определяют
величину K=iS, являющуюся постоянной прибора. Постоянная К
для наиболее распространенных приборов электродинамического
219
типа подбирается так, что наибольшее отклонение подвижной ча-
части соответствует индукции образца в 2 тл. В этом случае
/С=4,3 а-мм2, и величину силы тока в рамке пермеаметра опре-
определяют из соотношения
'=-?-«• A2.11)
Пермеаметры описываемого типа позволяют исследовать образ-
образцы цилиндрической формы диаметром 4—7 мм и длиной 280—
300 мм, а также прямолинейные стержни квадратного сечения
размером 5x5 мм2.
Если нужно исследовать листовой материал, то из него выре-
вырезают полоски шириной 5 мм, из которых складывают пакет высо-
высотой также в 5 мм. Перед исследованием образца любой формы
нужно точно определить его поперечное сечение, после чего по
формуле A2.11) определяют ток в подвижной катушке. Прежде
чем начинать измерения, пермеаметр устанавливают таким обра-
образом, чтобы горизонтальная составляющая земного магнитного поля
не влияла на показание прибора. Это условие выполняется в том
случае, если плоскость подвижной катушки располагается перпен-
перпендикулярно плоскости магнитного меридиана. Чтобы этого достичь,
в цепи подвижной катушки при помощи реостата R устанавливают
определенную силу тока и осуществляют коммутацию при помощи
ключа Kh- Если стрелка пермеаметра не отклоняется, то аппарат
установлен правильно. При отклонении стрелки необходимо повер-
повернуть аппарат в горизонтальной плоскости вокруг своей оси и по-
повторять ту же самую операцию до тех пор, пока стрелка прибора
при переключении тока не будет оставаться в покое.
При установке прибора в правильное положение намагничи-
намагничивающая цепь должна быть разомкнута и образец вынут из прибо-
прибора. После этого исследуемый образец помещают в пермеаметр и
зажимают винтами. Если стрелка прибора при этом отклонится, то
нужно образец размагнитить. Только после этого приступают к
определению основной кривой намагничивания и петли гистерезиса,
при этом реостаты Ri полностью включаются. Увеличивая силу
тока в намагничивающей катушке с помощью реостатов Ru опре-
определяют значение индукции и величину силы тока. После получе-
получения максимального значения индукции приступают к определению
петли гистерезиса.
Прежде чем начать измерения координат точек петли, следует
провести магнитную подготовку образца. Для этого нужно не-
несколько раз пройти полный гистерезисный цикл, не делая отсчетов.
Затем возвращаются опять в состояние, соответствующее макси-
максимальному значению индукции, уменьшают на некоторую величину
силу тока в намагничивающей обмотке и таким образом получают
значение индукции В\ при напряженности магнитного поля Н\. По-
После этого снова уменьшают силу тока и получают вторую точку В2
на кривой индукции, соответствующую значению поля Н2. Таким
220
образом определяют все точки верхней части нисходящей ветви
гистерезисного цикла, расположенной в первом квадранте. Послед-
Последняя точка этого участка кривой получается при разомкнутой цепи
намагничивающей обмотки. Значение магнитной индукции при этом
положении будет соответствовать остаточной индукции образца Вг.
После этого меняют направление тока в намагничивающей цепи,
причем реостаты Ri должны быть полностью введены, что соответ-
соответствует наименьшей силе тока в намагничивающей цепи. Делая от-
отсчет индукции и силы тока, определяют первую точку во втором
квадранте нисходящей ветви цикла. Затем, постепенно увеличивая
напряженность магнитного поля, определяют все остальные точки
этой ветви вплоть до максимального значения индукции. Точки
восходящей ветви находят аналогичным образом. Погрешность
измерения на пермеаметре электродинамического типа обычно со-
составляет 5—7%.
Однако в приборе, описанном в [1], ошибка измерения не пре-
превышает 1,5%- Этот прибор используют для измерения остаточной
индукции и коэрцитивной силы магнитожестких материалов.
Пермеаметр с двойным ярмом. На рис. 84 доказана конструкция
пермеаметра с двумя намагничивающими катушками и двойным
ярмом. В этом пермеаметре значительно уменьшено влияние воз-
воздушного зазора между ярмом и образцом. Из исследуемого мате-
материала изготовляют два стержня В, которые соединяются между
собой посредством двух кусков ярма С и D, образуя тем самым
замкнутую магнитную цепь. На образцы наматывают намагничи-
намагничивающие обмотки М, соединенные между собой последовательно.
На одном из образцов находится также измерительная обмотка К,
которая соединяется с гальванометром. Измерительную обмотку
можно также поместить между намагничивающей катушкой и по-
подвижной частью ярма. Определяют зависимость магнитного пото-
потока Ф от величины магнитодвижущей силы F, когда подвижное
ярмо находится в положении /. После этого увеличивают длину
магнитной цепи на некоторую величину /, передвигая ярмо С на
длину 1/2 (положение 2), и опять определяют зависимость (D = f(F).
Поделив разность магнитодвижущей силы при одном и том же
значении магнитного потока на длину /, определяют соответствую-
соответствующее значение напряженности магнитного поля. Данному значению
магнитодвижущей силы будет соответствовать определенный маг-
магнитный поток. Разделив значение этого потока на площадь сечения
образца, получим магнитную индукцию.
В пермеаметре, описанном в работе [3], есть компенсационные
обмотки, которые соединены между собой последовательно и рас-
расположены на намагничивающей катушке на стыках ярма с иссле-
исследуемым образцом. Эти обмотки компенсируют магнитное сопротив-
сопротивление ярма и стыков ярма с образцами.
Измерение производят методом сравнения 'измеряемого образ-
образца с эталоном, для которого известна кривая намагничивания.
Пермеаметр с симметричным двойным ярмом [5] состоит из
221
двух половинок одинаковой формы и размеров (8X8 см). Принци-
Принципиальная схема пермеаметра показана на рис. 85. Ярмо Я выпол-
выполняется из листовой электротехнической стали, причем на каждой
половине находятся по две намагничивающие катушки W^—Wi по
тысячи витков каждая. К цепи намагничивающих катушек относятся
источник питания Би амперметр Аи сопротивления п и г2 и пере-
переключатель Пх. Эти катушки создают магнитный поток одного на-
Рис. 85. Схематическое устройство пер-
пермеаметра с двойным симметричным
ярмом:
О — образец, Я — ярмо, Wi—Wi — нч-
магничивающие обмотки, W2 — вращаю-
вращающая катушка, ИН— измеритель напря-
напряженности магнитного поля, D—D —
средняя часть ярма
Рис. 84. Принципиальная схема
пермеаметра с двойным ярмом
и переменным сопротивлением
магнитной цепи:
В — стержни из исследуемого
материала, М — намагничиваю-
намагничивающие обмотки, К — измеритель-
измерительная обмотка, С и D — две по-
половины ярма
правления. Через намагничивающие катушки пермеаметра пропу-
пропускают ток до 6 а. При этом напряженность магнитного поля в ра-
рабочем пространстве пермеаметра может быть получена до
2- 105 а/м. Измерение индукции образца О производится при помо-
помощи вращающейся рамки W2, которая помещена в зазоре D—D.
Силу тока во вращающейся рамке регулируют амперметром Л2 и
сопротивлением г%. В одном из зазоров пермеаметра располагается
измеритель напряженности магнитного поля ИН, а в другом —
исследуемый образец в виде стержня. Образец для такого пермеа-
пермеаметра может иметь длину от 3 до 12 см при сечении 2—20 см2.
Использование образцов разных размеров возможно потому, что
половинки ярма легко раздвигаются. Когда включают ток в намаг-
намагничивающие катушки, то в средней части ярма D—D без образца
отсутствует магнитный поток, так как магнитное сопротивление
обеих половин ярма одинаково; при этом подвижная рамка прибора
находится в покое. При помещении образца в ярмо эта симметрия
нарушается, так как возникает дополнительный магнитный поток
от образца. Поток в основном замыкается в средней части, где
имеется подвижная рамка. По отклонению последней оценивают
величину дополнительного магнитного потока, возникающего после
внесения исследуемого образца в магнитную цепь пермеаметра.
222
Перед началом измерения прибор градуируют баллистическим ме-
методом.
Еели рассчитать распределение магнитного потока в ярме, то
получится соотношение
A2.12)
где I — ток в подвижной рамке, В — магнитная индукция образца,
5 — сечение образца, / — длина образца, сх и с2 — постоянные
пермеаметра и а—отклонение подвижной рамки.
Ток в подвижной катушке подбирают таким образом, чтобы вы-
выполнялось соотношение
i —
A2.13)
В этом случае отклонение подвижной части прибора пропорцио-
пропорционально намагниченности образца. Определение постоянных пермеа-
пермеаметра С\ и с2 проводят баллистическим методом. Для этого берут
два образца из одного « того же материала, но разной длины.
Перед началом измерения пермеаметр располагают таким об-
образом, чтобы длинная ось зазоров была перпендикулярна горизон-
горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. После этого ярмо
устанавливают симметрично. Это будет в том случае, когда по-
подвижная катушка пермеаметра при отсутствии образца в нем не
отклоняется от положения равновесия. Затем помещают образец з
пермеаметр и намагничивают его до насыщения, после чего умень-
уменьшают ток в намагничивающей цепи до тех пор, пока стрелка при-
прибора в цепи измерительного генератора не вернется в нулевое
положение. Полученное в этот момент отклонение подвижной ча-
части прибора соответствует величине остаточной намагниченности
Вг. Затем уменьшают ток до нуля и изменяют его направление.
Увеличивая опять ток в намагничивающей цепи, находят зависи-
зависимость намагниченности образца от напряженности магнитного поля
во второй четверти гистерезисного цикла. Значение коэрцитивной
силы определяют в тот момент, когда подвижная система находит-
находится в нулевом положении. Погрешность измерения на пермеаметре
с двойным симметричным ярмом составляет 3%. Применяется этот
пермеаметр для измерения магнитных характеристик высококоэр-
высококоэрцитивных сплавов.
Для испытания магнитомягких материалов в более однородном
магнитном поле используют пермеаметр Бурровса [1], состоящий
из двух последовательно соединенных намагничивающих катушек,
на концах которых имеется по две пары компенсационных катушек
и два ярма. В этом пермеаметре дифференциальным методом ис-
испытывают два образца — один является эталонным с известными
магнитными характеристиками, а другой — испытуемым. Измери-
223
тельные катушки расположены в средней части образцов и их
включают встречно друг к другу через баллистический гальвано-
гальванометр. Один 'из недостатков этого пермеаметра заключается в том,
что образцы должны быть одного и того же размера. В другой
разновидности пермеаметров [1] намагничивающая катушка охва-
охватывает не исследуемый образец, а ярмо.
Ми и Стрит [16] создали усовершенствованный пермеаметр,
дающий возможность проводить быстрые испытания магнитомяг-
ких материалов в слабых полях. В этом пермеаметре вместо балли-
баллистического гальванометра поставлен измеритель поля. Это усовер-
усовершенствование значительно повышает чувствительность прибора.
Для быстрого контроля ферромагнитных материалов удобен
радиочастотный пермеаметр, описанный в работе [17]. Он состоит
из отрезка коаксиальной линии, внутри которой находятся два
тороида. Один из тороидов исследуемый, а на втором располагает-
располагается измерительная обмотка. Изменение магнитного потока в прост-
пространстве, где расположен образец, приводит к изменению входного
сопротивления измерительной обмотки. Зная изменение этого со-
сопротивления, определяют комплексную магнитную проницаемость
исследуемого образца. Устройство пермеаметра позволяет прово-
проводить температурные измерения. Пермеаметры для измерения маг-
магнитной проницаемости в переменных полях высокой частоты (в об-
области радиочастот) описаны также в работе [18].
§ 2. ИЗМЕРЕНИЕ ПОТЕРЬ НА ВИХРЕВЫЕ ТОКИ
И ГИСТЕРЕЗИС
Если ферромагнитный материал подвергается периодическому
перемагничиванию, то в нем возникают потери энергии на гистере-
гистерезис и вихревые токи. Эти потери зависят от частоты и напряженно-
напряженности переменного магнитного поля и от магнитных и электрических
свойств ферромагнитного материала. Полные потери можно найти
несколькими методами. При помощи ваттметрического метода из-
измеряется мощность, которая расходуется в намагничивающей цепи.
Калориметрический метод основан на измерении тепла, выделяемо-
выделяемого при перемагничивании. При потенциометрических и мостовых
методах определяют активную составляющую полного сопротив-
сопротивления катушки, которая находится на измеряемом образце.
При потенциометрическом методе полные потери рассчитывают
по формуле
em.
A2.14)
где Е2 — э.д.с. в измерительной обмотке образца (в), ia — активная
составляющая полного тока в намагничивающей обмотке (a), w\ и
ш2 — число витков в первичной и вторичной обмотках соответст-
соответственно.
224
В случае, если напряженность намагничивающего поля и маг-
магнитная индукция изменяются со временем не по синусоидальному
закону и содержат высшие гармоники, то для определения полных
потерь используется формула
— (i\ — if) r em,
A2.15)
где ti—действующее значение первой гармоники намагничиваю-
намагничивающего тока, определяемое потенциометром (a), i2—действующее
значение тока, измеренное другим прибором (а), г— полное актив-
активное сопротивление намагничивающей обмотки {ом), п — отношение
чисел витков первичной и вторичной обмоток, ф — сдвиг фаз меж-
между гармониками э.д.с. и намагничивающего тока.
При мостовых методах измерения для определения полных по-
потерь можно использовать формулы
Рт.. = (гх — r)i2 em, A2.16)
где гх — сопротивление обмотки на переменном токе {ом), г—тоже
самое на постоянном токе {ом), i — значение тока в намагничи-
намагничивающей обмотке (а) и
Pr.B = (rx — r)i\ — (i* — i$(r1-+ri) em, A2.17)
где i\—действующее значение намагничивающего тока {a), h —
первая гармоника намагничивающего тока (а).
Одним из наиболее распростра-
распространенных методов измерения потерь
на гистерезис и вихревые токи яв-
является ваттметрический метод,
предложенный русским ученым
М. О. Доливо-Добровольским. Этот
метод позволяет измерять полные
потери в широком диапазоне маг-
магнитной индукции [2]. На рис. 86
изображена принципиальная схема
двухобмоточного аппарата Эпштей-
на для измерения потерь на пере-
переменном токе промышленной часто-
частоты, построенного на этом мето-
методе [19].
Исследуемый образец размером
30x500 мм и весом в несколько ки-
килограммов набирают из полос. По-
Полосы нарезают из листового мате-
материала вдоль и поперек проката,
после чего их складывают в 4 паке-
пакета, имеющие форму квадратов. Эти
Рис. 86. Принципиальная схема
двухобмоточного аппарата для
измерения потерь:
Pw — ваттметр, W\ — ампер-
метровая обмотка ваттметра,
Wi—обмотка напряжения ватт-
ваттметра, п.\ — первичная обмотка
аппарата, Пг — вторичная об-
обмотка аппарата, А — амперметр
в первичной обмотке аппарата,
V — вольтметр во вторичной
обмотке аппарата, Нг — часто-
частотомер
пакеты плотно примыкают друг к другу в углах и зажимаются спе-
специальными зажимами, образуя замкнутую магнитную цепь. На
8 Зак. 262 225
f
каждой стороне квадрата имеется по катушке, которая состоит из
двух обмоток: первичной и вторичной. Эти обмотки имеют по 600
витков каждая, соединяются между собой последовательно. В цепь
первичной намагничивающей обмотки пх включают амперметр А и
токовую обмотку ваттметра W\.
Во вторичной обмотке имеется вольтметр V, который измеряет
действующие значения э. д. с, индуцируемые в этой обмотке. Изме-
Измерение полных потерь производят при помощи ваттметра, включен-
включенного в схему двухобмоточного аппарата. Полные потери на гисте-
гистерезис и вихревые токи в исследуемом материале рассчитываются
по формуле
р — р
'г. в — \ '
IL
l + -r «ffl
A2.18)
где Р — показание ваттметра (вт), Е2 — действующее значение на-
напряжения во вторичной обмотке (в), R2— общее сопротивление
вольтметра и тонкой обмотки ваттметра {ом), г2— сопротивление
вторичной обмотки аппарата (ом).
При технических измерениях обычно сопротивления r-i и R2 под-
подбирают такими, чтобы отношение — было намного меньше еди-
ннцы и поэтому им можно пренебречь. В этом случае формула
A2.18) принимает более простой вид, а именно
4
Рг.в =Р em.
R
A2.19)
Как мы отмечали выше, полные потери в ферромагнитных мате-
материалах определяют при максимальном значении индукции, величи-
величину которой рассчитывают по формуле
AWJS
тл,
A2.20)
где Е2 — действующее значение э.д.с. во вторичной обмотке^ аппа-
аппарата (в), k — коэффициент формы кривой э.д.с. в этой обмотке
(при синусоидальной форме k = 1,11), / — частота переменного-тока
(гц), W2— число витков вторичной обмотки, S — сечение образ-
образца (м2).
Процесс измерения полных потерь на двухобмоточном аппарате
Эпштейна состоит в следующем. Вначале выбирают значение мак-
максимальной индукции, при которой будут определены потери,^ по
формуле A2.20) рассчитывают величину э.д.с. во вторичной обмот-
обмотке аппарата. После этого по вольтметру V устанавливают требуе-
требуемое аначение напряжения во вторичной обмотке. Затем при помощи
автотрансформатора задают ток в первичной обмотке и по ватт-
ваттметру измеряют мощность Р. Используя формулу A2.19) и зная
показания вольтметра и ваттметра, рассчитывают полные потери.
Если нужно знать потери с большей точностью, то вводят поправку
на поток в воздушном зазоре и в формуле A2.18) для определения
потерь учитывают отношение -^-.
R%
Следует иметь в виду, что при больших значениях магнитной
индукции форма кривой э.д.с. может значительно отличаться от
синусоидальной. В этом случае коэффициент формы кривой имеет
разные значения. При технических измерениях считается, что при
значении магнитной индукции в 1 тл коэффициент формы кривой
А> = 1,11, а при индукции в 1,5 тл ?=1,16.
При точных измерениях потерь величина коэффициента формы
кривой определяется экспериментально при помощи осциллографа
или по среднему значению э.д.с. Рассмотренный нами двухобмо-
точный аппарат Эпштейна имеет ряд преимуществ по сравнению
с однообмоточным, который в настоящее время практически не
используется. В двухобмоточном аппарате поправки значительно
меньше измеряемых величин, так как ток во вторичной обмотке
намного меньше тока в первичной обмотке аппарата.
Недостаток описываемого аппарата заключается в необходимо-
необходимости использовать образцы больших размеров. Возникает значитель-
значительная неоднородность в распределении индукции по длине образца,
в связи с чем появляются дополнительные ошибки при измерениях
потерь. В настоящее время существуют малогабаритные дзухобмо-
точные аппараты, которые в принципе ничем не отличаются от рас-
рассмотренного выше.
Дифференциальный метод определения потерь. Этот метод при-
применяют в тех случаях, когда нужно быстро определить полные по-
потери на гистерезис и вихревые токи. При дифференциальном мето-
методе используют два двухобмоточных аппарата А{ и А2 и специаль-
специальный дифференциальный ваттметр (рис. 87). который имеет две
одинаковые токовые обмотки и две обмотки напряжения, при этом
/i и 2\ присоединяются к одному двухобмоточному аппарату, а
h и 22 к другому. Токовые обмотки соединены последовательно с
первичными обмотками аппаратов, а обмотки напряжения ваттмет-
ваттметра присоединяются ко вторичной обмотке этих аппаратов так, что
токи в них противоположно направлены. При измерении потерь
дифференциальным методом в катушку одного аппарата А\ поме-
помещают эталонный образец Оэ, а в катушку другого — А2 исследуе-
исследуемый образец О. Образцы имеют одинаковые геометрические раз-
размеры.
По формуле A2.20) рассчитывают величину э.д.с, которую за-
затем устанавливают по вольтметру V. Если через первичные обмот-
обмотки Wlx и Wi аппаратов и токовые обмотки /] и 12 ваттметра про-
проходит ток одинаковой величины, то при равенстве потерь в образ-
образцах напряжения на зажимах обмоток 2\ и 22 ваттметра также бу-
будут равны. Обмотки напряжения ваттметра имеют одинаковое со-
сопротивление, и ток в них направлен в противоположных направ-
направлениях.
226
227
Если в эталонном и измеряемом образцах существуют разные
потери, стрелка дифференциального ваттметра отклоняется на не-
некоторый угол. Компенсация отклонения производится при помощи
w2
LVWVWV
4,
Рис. 87. Схема дифференциального аппарата для определения
потерь:
О — исследуемый образец, Оэ — эталонный образец, А\ и А2 —
двухобмоточные аппараты, Wix и W\ — первичные обмотки аппа-
аппаратов, W2x и W2 — вторичные обмотки аппаратов, U и h— то-
токовые обмотки ваттметра, 2Х и 22 — обмотки напряжения ватт-
ваттметра
сопротивления гх. В момент компенсации справедливо следующее
соотношение:
*"* у ! у
= ' 2 , A2.21)
(Рг. в\ гх -\- г2
где Яг,в — полные потери в эталонном образце н в цепи 2,
(Рт.и)х — сумма полных потерь в исследуемом образце и в цепи 2,
г2 н г2 —сопротивления обмоток напряжения ваттметра, г и гх —
добавочные сопротивления в цепях обмоток напряжения дифферен-
дифференциального ваттметра.
Дифференциальный метод определения потерь широко исполь-
используют при заводских испытаниях материалов, при этом сопротивле-
сопротивление г+г2 подбирают таким образом, чтобы численно выполнялось
равенство
г + г2 = Рг.в. A2.22;
Если потери в обмотке -напряжения ваттметра намного меньше по-
потерь в эталонном и исследуемом образцах, то формула для опреде-
определения потерь упрощается, принимая вид
Pr.* = (rx + r'2)em. A2.23)
228
Описываемый метод в значительной мере исключает ошибки, свя-
связанные с неточной установкой частоты и'индукции, а также ошибки,
появляющиеся в результате искажения синусоидальной формы
кривой [12].
Измерение потерь на образцах небольших размеров. Схема
установки, которую применяют для измерения потерь на образцах
из магнитомягких материалов
небольших размеров, показана
на рис. 88. Для определения по-
потерь необходимо иметь градуи-
ровочные кривые зависимости
отклонения ваттметра от пода-
подаваемой мощности при различных
г и Г] [3]. Измерение потерь вы-
выполняют следующим образом.
Вначале выбирают значения ин-
индукций, при которых будут опре-
определяться потери. Среднее напря-
напряжение, соответствующее опреде-
определенному значению индукции, рас-
рассчитывают по формуле A2.20).
При точных измерениях вводится
поправка на магнитный поток в
воздушном зазоре между образ-
образцом и обмоткой. Установив нуж-
нужное значение ?ср по вольтметру
Vi, измеряют действующее зна-
значение напряжений по при-
прибору tnV.
Коэффициент формы кривой
рассчитывают по формуле
Рис. 8:
новки
ъ —
(\9 94Л
1 lL.i" I I
Для расчета потерь в образце
применяют формулу
>. Принципиальная схема уета-
для измерения потерь на ма-
малых образцах:
W — ваттметр, AT — автотрансформа-
автотрансформатор, регулирующий ток в намагничи-
намагничивающей обмотке, А — аппарат для
измерения потерь. W\ и W2 — намаг-
намагничивающая п измерительная обмот-
обмотки аппарата, П — переключатель.
Ат — амперметр. ТЭ — вакуумный
термоэлемент, \\ — вольтметр для из-
измерения среднего значения напряже-
напряжения в W2, mV — милливольтметр для
измерения действующего значения
напряжения в №з, /"--добавочное со-
сопротивление в цепи напряжения ватт-
ваттметра, Г[ — сопротивление, включен-
включенное параллельно вольтметру Vi
A2.25)
где Р„- — потери, показываемые ваттметром, п — отношение числа
витков намагничивающей и измерительной обмоток, Рх — потери в
цепи измерительной обмотки, определяемые соотношением
1/2 1/2 (/2
A2.26)
где
MOTI
у — действующее значение напряжения в измерительной об-
ке, /-'--сопротивление измерительной обмотки аппарата А.
229
rx — сопротивление в цепи вольтметра, г2 — сумма сопротивлений
вакуумного термоэлемента, добавочного сопротивления г и сопро-
сопротивления обмотки напряжения ваттметра.
Чтобь! привести полученные результаты измерения потерь к си-
синусоидальной форме кривой напряжения, нужно знать коэффициент
формы кривой, который, как было сказано выше, находят из отно-
отношения действующего значения напряжения к ее среднему значе-
значению.
При точных измерениях вводят также поправку на зависимость
потерь от температуры, обусловленную в основном изменением по-
потерь на вихревые токи при нагревании образца. Для вычисления
этой поправки используют формулу
ДРВ =/>.('.-'iK A2.27)
где Рв — потери на вихревые токи при данной температуре t2, U —
температура, при которой нужно определить потери, а — темпера-
температурный коэффициент сопротивления материала.
Для измерения потерь по указанной схеме применяют образцы
весом 400—600 г. Из исследуемого материала нарезают полосы
вдоль и поперек прокатки и складывают их по 4—5 полос в два
одинаковых пакета, которые помещают в катушку аппарата. Поло-
Полосы по всей длине изолируют друг от друга. Катушки аппарата
каждая длиной 300 мм имеют отверстия размером 32x6 мм2, а рас-
расстояние между осями катушек составляет 57 мм. Намагничиваю-
Намагничивающие обмотки катушек состоят из 10 секций по 200 юитков каждая,
соединенных между собой параллельно. Катушки могут соединять-
соединяться как последовательно, так и параллельно. Такая конструкция
катушек аппарата значительно уменьшает индуктивное сопротив-
сопротивление намагничивающей цепи и обеспечивает более равномерное
распределение индукции по образцу. Максимальная ошибка изме-
измерения потерь при данном методе составляет 2—3%. Подробное
описание установок для измерения потерь на образцах небольших
размеров имеется в работах [10, 20].
Определение потерь при помощи квадратного электрометра.
Принципиальная схема установки для определения потерь на гис-
гистерезис и вихревые токи методом квадратного электрометра э не-
небольших образцах листовой электротехнической стали показана на
рис. 89A1].
Основной частью установки является электрометр, «оисквит»
которого выполнен из тонкой медной фольги. В качестве подвеса
используют проволоку толщиной 5—10 мк. На исследуемый образец
наматывают две измерительные обмотки, одна из которых с числом
витков W2 плотно примыкает к поверхности образца, а другая
с числом витков Wi отстоит от образца на некотором расстоянии.
Обмотку wl целесообразнее изготовить из нескольких секций, что
даст возможность включать нужное число витков в зависимости от
величины измеряемой э.д.с. Образец в виде отдельных полосок
30X500 мм2 и толщиной 0,35 и 0,50 мм вместе с измерительными
230
обмотками помещают в намагничивающий соленоид, который дол-
должен иметь однородное намагничивающее поле на большой длине.
В измерительных обмотках токи имеют противоположные направ-
направления, и выполняется равенство WiS\ = W2S2, где Si и S2— площа-
площади сечения обмоток.
Такое устройство измерительной системы исключает возмож-
возможность делать поправку на поток в воздушном зазоре между образ-
образцом и обмоткой. С помощью выпрямителя В и гальванометра Г
устанавливают нужное значение магнитной индукции в образце.
Во время измерения потерь в намагничивающий соленоид подает-
подается переменное напряжение, соответствующее данному значению
индукции. После этого включают электрометр и отмечают отклоне-
отклонение его подвижной части. Потери энергии рассчитывают по фор-
формуле
!а
вт,
A2.28)
где С — постоянная электрометра, К — постоянная намагничиваю-
намагничивающего соленоида, / — длина измеряемого образца, А' — средняя
величина размагничивающего
фактора.
Приведение потерь к синусои-
синусоидальной форме э.д.с. производят
с помощью коэффициента формы
кривой, который определяют из
отношения действующего значе-
значения напряжения на концах обмо-
обмоток W\—W2 к среднему его зна-
значению (формула A2.24)). Дейст-
Действующее значение э.д.с. можно
измерить электрометром, для
чего его следует включить в цепь
по двойной схеме. При этом одна
пара квадрантов и «бисквит»
электрометра имеют один потен-
потенциал, а другая пара квадрантов
соединяется с корпусом электро-
электрометра и заземляется. При по-
помощи квадрантного электрометра
можно определить также кривую
намагничивания исследуемого ма-
Рис. 89. Принципиальная схема
установки для измерения потерь
методом квадратного электро-
электрометра:
КЭ — квадратный электрометр.
го, П, гг—сопротивления, W\ — W« —
измерительные обмотки, В — вы-
выпрямитель, Г—гальванометр, НК —
намагничивающая катушка, А —
амперметр в цепи намагничиваю-
намагничивающей катушки, П — переключатель,
AT — автотрансформатор
териала. Этот метод обладает высокой точностью измерения по-
порядка 1%.
Калориметрический метод определения удельных потерь. Это
единственный абсолютный метод, при котором мерой потерь энер-
энергии в ферромагнитном материале при его намагничивании перемен-
переменным магнитным полем является температура образца и окружаю-
окружающей среды. Известно три калориметрических метода: смешения,
231
ввода « протока тепла. Наибольшее распространение в практике
магнитных измерений получил способ ввода тепла, при котором
испытываемый образец помещают в калориметр и намагничивают
переменным током. При этом используют калориметры с постоян-
постоянной и переменной температурой.
При измерении больших потерь обычно применяют однокамер-
однокамерный калориметр. Если испытывают образцы с очень малыми поте-
потерями, то лучше использо-
вать дифференциальный ка-
калориметр, который имеет
две камеры одинакового
размера и с одинаковыми
характеристиками охлажде-
охлаждения (рис. 90).
В камерах калориметра
находятся термоэлементы
ТЭ дифференциальной тер-
термопары, которая соединена
с гальванометром Г. Перед
началом измерения в каме-
камерах калориметра устанавли-
устанавливают одинаковую темпера-
температуру, которую отмечают по
термоэлементу. Исследуе-
Исследуемый образец О в виде торо-
ида имеет намагничиваю-
намагничивающую обмотку Wx и помещен
вместе с ней в одну из ка-
камер калориметра. В другой
Рис. 90. Принципиальная схема установ-
установки с дифференциальным калориметром:
О — исследуемый образец, Wi — намаг-
намагничивающая обмотка, Wj — нагреватель,
ТЭ — термоэлементы, ВГ — высокочас-
высокочастотный генератор
камере находится тороид таких же размеров, но выполненный из
неферромагнитного материала. Обмотка W2 этого тороида соедине-
соединена последовательно с обмоткой исследуемого образца, и обе они
подключены к высокочастотному генератору ВГ. При включении
тока высокой частоты в результате появления в ферромагнитном
образце потерь на гистерезис и вихревые токи тепловое равновесие
в калориметре с образцом нарушается. Через некоторое время, в те-
течение которого стрелка гальванометра Г совершает движение, в
камере с образцом снова установится тепловое равновесие. При
этом температуры камеры с образцом и другой камеры калоримет-
калориметра будут различны, что покажет отклонение стрелки гальваномет-
гальванометра Г. Затем при помощи батареи Б и нагревателя г температура
в калориметрах вновь выравнивается, что фиксирует гальвано-
гальванометр Г. Силу тока в цепи нагревателя измеряют с помощью ампер-
амперметра А2, а полные потери в ферромагнитном материале рассчи-
рассчитывают по формуле
Ргв =
em.
A2.29)
232
Для определения удельных потерь величину полных потере,
найденных по формуле A2.29), делят на вес образца. Магнитную
индукцию исследуемого образца вычисляют по формуле A2.20),
для чего используют показания вольтметра средних значений VCp-
Точность измерения потерь этим методом составляет 1—2% [4]. На
том же методе основано устройство, схема которого представлена
Рис. 92. Схема устройства
для измерения потерь мето-
методом подстановки:
О — исследуемый образец,
ВГ — высокочастотный гене-
генератор, Я — переключатель,
Lo, L — переменные индук-
индуктивности, С — переменная
емкость
Рис. 91. Принципиальная схема
для измерения потерь дифферен-
дифференциальным калориметрическим ме-
методом:
Ох — исследуемый образец, №, —
измерительная обмотка, Ц72 — на-
намагничивающая обмотка, Wz — об-
обмотка нагревателя, ВГ — высоко-
высокочастотный генератор, ТЭ— диффе-
дифференциальный термоэлемент, / н
2 — сосуды Дьюара, L — катушка
индуктивности
на рис. 91. Основной частью этого устройства являются два сосуда
Дьюара 1 и 2, имеющие одинаковые характеристики охлаждения.
Исследуемый образец помещают в один <из этих сосудов. На образ-
образце имеется намагничивающая обмотка W2, которая питается токами
высокочастотного генератора БГ, и измерительная обмотка Wu
В намагничивающую цепь включают последовательно переменную
емкость С] и индуктивность L. Измерительная обмотка имеет вольт-
вольтметр Vcp, показания которого используют для расчета индукции по
формуле A2.20). Во второй сосуд Дьюара помещают второй обра-
образец О2 таких же размеров, как и первый. На этом образце имеется
обмотка №з, через которую пропускают постоянный ток, получае-
получаемый от батареи Б. В сосуд Дьюара наливают керосин, который ре-
регулярно перемешивают механической мешалкой, а дифференциаль-
дифференциальный термоэлемент ТЭ измеряет температуру в сосудах Дьюара. Во
время процесса измерения через намагничивающую обмотку Wx
пропускают ток высокой частоты, а через обмотку W3, находящую-
находящуюся на втором образце, — постоянный ток. В обмотке W3 ток регули-
регулируют с помощью реостата г, при этом добиваются такого его поло-
положения, чтобы установилась одинаковая скорость нагревания обоих
233
сосудов Дьюара. Это состояние соответствует .нулевому положению
гальванометра Г. Потери в исследуемом образце можно подсчитать,
если известна величина тока в обмотке Ws второго образца и паде-
падение напряжения на концах этой обмотки. Эти потери рассчитывают
по формуле
Рг.в = iV em,
A2.30)
где / — ток (а), отмеченный по амперметру Л3, V — показания
вольтметра (в).
Определение потерь по методу подстановки. Метод подстановки
является одним из наиболее простых методов определения полных
потерь. Схема устройства, работающего по этому методу, изобра-
изображена на рис. 92. После включения обмотки образца в цепь высоко-
высокочастотного генератора ВГ (при этом переключатель Я ставят в по-
положение /), при помощи переменной индуктивности L и емкости С
настраивают цепь на резонанс, наступление которого определяется
наблюдением показаний амперметра А. Затем переключатель П
перебрасывают в положение 2, включая вместо исследуемого образ-
образца известную переменную индуктивность Lq и известное переменное
активное сопротивление Го- Цепь опять настраивают на резонанс.
В момент резонанса выполняется равенство
= Lx,
A2.31)
где Lx — индуктивность исследуемого образца.
Магнитную индукцию в образце рассчитывают по формуле
wS
тл,
A2.32)
где / — ток, измеряемый амперметром (а), ш — число витков об-
обмотки образца, S — площадь сечения образца (ж2). Для определе-
определения полных потерь на гистерезис и вихревые токи используют фор-
формулу
Рг.в ={r + r0 — rx) i2 em, A2.33)
где г — сопротивление в цепи индуктивности Lq, г0 — омическое со-
сопротивление индуктивности Lo, rx—сопротивление обмотки образца.
Разделение потерь иа гистерезис и вихревые токи. Если нужно
произвести разделение полных потерь на потери гистерезиса и по-
потери на вихревые токи, то необходимо знать полные потери для
двух значений частот. Известно, что для образцов небольшой тол-
толщины, когда можно пренебречь поверхностным эффектом, потери
гистерезиса зависят от первой степени частоты, а потери на вихре-
вихревые токи—от второй степени частоты, т. е. справедливы равен-
равенства:
Рг =
A2.34)
234
где C]=t)B%iV, c2 = bBmV, r\ и b — соответственно коэффициенты
потерь гистерезиса и потерь на вихревые токи, V — объем образца,
Вт — максимальное значение индукции, а — показатель, завися-
зависящий от материала образца, равный ~1,6—3,2.
Таким образом, полные потери можно представить в виде суммы
Pr.. = cJ + cJ*. A2.35)
¦ Разделив обе части равенства A2.35) на частоту, получим сле-
следующее выражение:
_LL = Cl + eg/. A2.36)
р
Построив зависимость вида гв = фm будем иметь прямую
линию. Пересечение продолжения прямой с осью ординат даст зна-
значение величины коэффициента С\, а наклон этой прямой определит
аначение коэффициента с2.
§ 3. ФЕРРОМЕТР
Для определения магнитных характеристик ферромагнитных
материалов в переменных магнитных полях используют феррометр
[3, 21].
Принципиальная схема его показана на рис. 93. В первичную
обмотку W\ исследуемогр об-
образца 3 подают переменное на-
напряжение, величину которого
регулируют автотрансформато-
автотрансформатором 4. В цепь вторичной об-
обмотки W2 включены выпрями-
выпрямитель 2 и гальванометр Г. В этой
цепи наводится э.д.с, среднее
значение которой за период
., ' равно
?сР = у^Фв, A2.37)
Рис. 93. Принципиальная схема
феррометра:
Г-гальванометр магнитоэлектриче- гДе ^2 —число витков измери-
ской системы, / — фазовращатель, тельной обмотки, Ф—макси-
2 — механический управляемый вы- мальное значение магнитного
прямитель, 3 — исследуемый образец потока вычисляемое с по-
с двумя обмотками, 4 — автотранс- «отока, вычисляемое с по
форматор, Я — переключатель, М — мощью A2.37) по измеренному
катушка взаимной индуктивности значению ?cp. Мгновенное зна-
значение намагничивающего тока
в цепи первичной обмотки рассчитывают по среднему значениюЕср
во вторичной обмотке катушки взаимоиндуктивности. При измере-
235
нии этой э.д.с. используют также гальванометр Г. Переключатель Я
в этот момент находится в положении /—/.
Расчетная формула имеет вид
Ecp = ~-it, A2.38)
где М — коэффициент взаимной индуктивности, it — мгновенное
значение намагничивающего тока (а).
Важной частью феррометра является управляемый механиче-
механический выпрямитель, который на рис. 93 очерчен пунктирной линией.
Обмотка возбуждения выпрямителя питается от сети переменного
тока через фазовращатель /. Отклонение рамки гальванометра Г
зависит от действующего значения напряжения и от угла сдвига
фаз между током возбуждения и измеряемым напряжением. При
совпадении этих фаз имеет место максимальное отклонение рамки
гальванометра. Мгновенные значения магнитной индукции и на-
напряженности .намагничивающего поля рассчитывают соответствен-
соответственно по формулам:
?,=
тл,
= ^-а/м,
A2.39)
A2.40)
где S — сечение образца {м2), t — средняя длина магнитной линии
в образце (м), f — частота намагничивающего тока {гц).
Если определить мгновенные значения индукции и напряженно-
напряженности магнитного поля при нескольких положениях фазовращателя
. (через 20—30°), то по полученным данным можно построить дина-
динамическую петлю гистерезиса. Точки основной кривой индукции
строят при соответствующем положении фазовращателя, когда
имеет место максимальное отклонение рамки гальванометра.
Полные потери рассчитывают по формуле
Рг.в —
cos
щ_
W,
em.
A2 41)
где ф — угол сдвига фаз между намагничивающим током и э.д.с'. Е2.
Погрешность измерения на феррометре составляет 3—5%. Фер-
рометры с управляемым механическим выпрямителем, как правило,
применяют для измерения только на одной частоте. В более широ-
широком диапазоне частот, а именно 40—60 и 400—600 гц, используют
феррометр с электронным выпрямителем [8].
§ 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНОЙ ИНДУКЦИИ
И КОЭРЦИТИВНОЙ СИЛЫ
Остаточная индукция Вг и коэрцитивная сила Нс являются важ-
важными характеристиками ферромагнитного материала. Значения
236
этих величин определяют пересечением петли гистерезиса с осями
координат.
Остаточную индукцию измеряют в том же намагничивающем
устройстве, в котором намагничивался образец, например в элек-
электромагните. Для этого образец намагничивают до насыщения, а
затем после выключения тока измеряют на поверхности образца
напряженность магнитного поля. При равенстве нулю напряженно-
напряженности поля индукция в образце будет равна Вг. После этого образец
вместе с измерительной обмоткой, надетой на него, быстро выдер-
выдергивают из межполюсного пространства электромагнита. Получен-
Полученное отклонение щ рамки баллистического гальванометра будет
пропорционально разности остаточной индукции Вг и некоторой
индукции В] на размагничивающем участке петли, положение кото-
которой зависит от размагничивающего фактора образца. Затем с об-
образца сдергивают измерительную обмотку, отклонение а2 пропор-
пропорционально индукции В\. Остаточную индукцию рассчитывают по
формуле
Сд
WS
тл,
A2.42)
где W—число витков измерительной обмотки, 5 — сечение образ-
образца (м2).
Коэрцитивную силу образцов можно определить при помощи
магнитометрического и баллистического методов, а также исполь-
используя феррозонды'и полемер [6, 7, 9, 13, 23, 24].
Образец вместе с измерительной катушкой вставляют в намаг-
намагничивающий соленоид и намагничивают до насыщения. Затем ток
в намагничивающей цепи уменьшают до нуля, после чего создают
небольшое размагничивающее поле. Сдергивая катушку с образца,
отмечают отклонение рамки измерительного прибора. Если откло-
отклонение не равно нулю, то изменяют размагничивающее поле в сто-
сторону уменьшения или увеличения и опять сдергивают катушку. Так
поступают до тех пор, пока не установят такое значение размагни-
размагничивающего поля, при котором стрелка прибора не отклоняется. Это
значение размагничивающего поля численно равно величине коэр-
коэрцитивной силы образца.
В работе [22] описан следующий метод определения коэрцитив-
коэрцитивной силы. Образец помещают в стеклянную трубку, которую встав-
вставляют внутрь намагничивающей обмотки, и намагничивают до на-
насыщения. Измерительную обмотку при помощи специального меха-
механизма приводят в возвратно-поступательное движение, близкое к
гармоническим колебаниям. После выключения тока в первичной
обмотке благодаря существованию остаточного магнитного потока
во вторичной обмотке возбуждается э. д. с, которая после усиления
подается на вход катодного вольтметра. При пропускании через
первичную обмотку тока противоположного направления эта э.д.с.
постепенно уменьшается. Когда напряженность магнитного поля,
создаваемого током в первичной обмотке, станет равной величине
237
коэрцитивной силы образца, э.д.с. во вторичной обмотке будет рав-
равна нулю. Таким методом можно измерить коэрцитивную силу до
4-104 а/м.
Для измерения коэрцитивной силы иногда используют магнит-
магнитный п о л е м е р. В этом случае в намагничивающий соленоид вдоль
его оси вставляют исследуемый образец. Измерительная катушка
полемера помещена около
образца так, что плоскость
витков обмотки ориентиро-
ориентирована параллельно оси соле-
соленоида. При таком положе-
положении в катушке не возникает
э.д.с. индукции. Если теперь
намагниченный до насыще-
насыщения образец поместить ря-
рядом с измерительной катуш-
катушкой полемера, то в катушке
при вращении возникает
э.д.с. Изменяя направление
магнитного поля в соленои-
соленоиде, можно добиться такого
положения, когда в измери-
измерительной обмотке э.д.с. отсут-
Рис. 94. Схема коэрцитиметра:
/ — исследуемый образец листового железа,
2 — намагничивающий соленоид, 3 — ярмо,
4 — ферродатчик, 5 — пружины, 6 — обмот-
обмотка возбуждения, 7 — измерительная обмот-
обмотка, 8 — барретор, 9 — ключ, 10 — выпрями-
выпрямитель, 11 и 12 — источники постоянного тока,
13—реостаты, 14 — миллиамперметр,
П — переключатель
ствует. Величина соответст-
соответствующего магнитного поля
равна коэрцитивной силе
исследуемого образца.
На рис. 94 показана схе-
схема коэрцитиметра, ко-
которым можно быстро измерить коэрцитивную силу в образцах ли-
листового электротехнического железа, применяемого для изготовле-
изготовления силовых трансформаторов и электродвигателей [13].
Исследуемый образец / листового железа помещают в намаг-
намагничивающий соленоид 2. К концам листа железа примыкает свои-
своими полюсами я'рмо 3, выполненное из трансформаторного железа.
Это ярмо через ферродатчик 4 замыкает магнитную цепь. Для луч-
лучшего контакта между полюсами ярма и исследуемым образцом
служат пружины 5. Ферродатчик имеет обмотку возбуждения 6 и
измерительную обмотку 7. Сердечник ферродатчика состоит из двух
продольных стержней сечением по 4 см2, которые соединены на
концах поперечными перемычками. Обмотку возбуждения наматы-
наматывают на каждый стержень, а измерительная обмотка располагается
сверху и охватывает таким образом оба стержня. Питание об'моток
возбуждения осуществляется от сети переменного тока, при этом
для стабилизации тока применяется барретор*. В цепь измеритель-
измерительной обмотки входит нулевой прибор — гальванометр и два одина-
одинаковых купроксных выпрямителя 10, которые соединены парал-
параллельно.
238
Измерение коэрцитивной силы проводят следующим порядком.
Прежде всего исследуемый образец вставляют в намагничивающий
соленоид и крепко прижимают к полюсам ярма. Затем при помощи
переключателя П соленоид присоединяют к мощному источнику
постоянного тока //. После этого намагничивающий ток выключают,
и обмотку соленоида присоединяют к аккумулятору 12, являющему-
являющемуся источником размагничивающего тока. Если теперь замкнуть
ключ 9, то стрелка прибора отклонится. Используя реостаты 13,
увеличивают размагничивающий ток до тех пор, пока стрелка не
возвратится в нулевое положение. В этот момент по миллиампер-
миллиамперметру 14 отсчитывают величину размагничивающего тока iP. Коэр-
Коэрцитивную силу рассчитывают по формуле
Wip
а/м,
A2.43)
где ш — число витков соленоида, iv — размагничивающий ток (а),
/ — длина перемагничиваемой части исследуемого листа (м).
ЛИТЕРАТУРА
1. Антик И. В., Кон д орский Е. И., Островский Е. П., Сади-
Садиков Б. А. Магнитные измерения. М—Л., ГОНТИ, 1939.
2. Д о л иво-Д обровольский М. О. Избр. труды. М,—Л., ТЭИ, 1948.
3. К и ф е р И. И., П а и т ю ш и и B.C. Испытание ферромагнитных мате-
материалов. М.—Л., ГЭИ, 1956.
4. Карпенко В. П. Измерительная техника, № 8, 19, 1960.
5. S t a bl e i п F., S t e i п i t z Р., А г с h F. Eisenhuttenwesen, 8, Nr. 12,
549, 1936.
6. Францевич В. М., Фридмаи Л. А. Завод, лаб., 22, № 5, 590, 1956.
7. Фридман Л. А., Анкудинова В. П. Завод, лаб., 22, № 9, 1108,
1956.
8. Ш а р о х и и Г. И. Измерение магнитных характеристик с помощью фер-
рометра и анализ опытных кривых с применением шаблонов. Дисс. МЭИ, 1953.
9. Ч е р н ы ш е в Е. Т., Я г о л а Г. К. Тр. ВНИИМ. Магнитные исследова-
исследования и измерения, вып. 18C4). М., ГОНТИ, 1938.
10. Я гол а Г. К. Тр. Всес. н.-и. ин-та метрологии, № 24, 72, 1954.
11. Янус Р. И. ЖТФ, 3, 8, 1933.
12. Я н у с Р. И., Г р е х о в О. В., Д р у ж и н и н В. В. Электричество, № 7,
1951.
"ИЗ. Янус Р. И., Фридман Л. А., Д р о ж ж и н а В. И. Завод, лаб., 21,
№ 10, 1193, 1955.
14. Н о р k i п s о п J. Trans. Roy. Soc, 176 А, 455, 1885.
15. К о е р s e 1 A. Electrotechn. Zs., 15, 214, 1894.
16. Мее С. Е., Street R. Ргос. Inst. Electr. Engrs., 101, No. 84, 639, 1954.
17. Haas P. H. J. Res. Nat. Bur.—Standards, 51, No. 5, 221, 1953.
18. Rasmussen A. Z., E n f i e.l d A. W., Hess A. J. Res. Nat. Bur.—
Standards, 56, No. 5, 261, 1956.
19. Epstein J. Electrotechn. Zs., 21, 303, 1900.
20. S с h i n d 1 e r M. Electrotechnik uns Maschinenbau, 70, Nr 2, 38, 1953.
21. P о 1 e с к H. Ing., 65, No. 3, 1, 1953.
,22. W a 11 к i n s J. Sci. Instr., 31, No. 2, 69, 1954.
* 23. M a 1 e к Z. Чехосл. физ. журн., 7, № 1, 79, 1957.
* 24. F о r s t e r F. Z. Mettallkunde, 46, Nr. 4, 297, 1955.
ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ
ВЕЩЕСТВА В ПЕРЕМЕННЫХ
МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ
§ I. МАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕЩЕСТВА
В ПЕРЕМЕННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ
Поведение ферромагнитных тел в периодически изменяющихся
магнитных полях значительно отличается от поведения их в стати-
статических условиях. Даже в том случае, если магнитное поле изме-
изменяется бесконечно медленно, имеет место отставание намагничен-
намагниченности от напряженности магнитного поля. С ростом частоты маг-
магнитного поля этот процесс становится более заметным.
Аркадьев [1], рассматривая поведение ферромагнетиков в пере-
переменных полях, впервые ввел понятие о комплексной маг-
магнитной проницаемости, об эффективных магнит-
магнитных п р о ниц а ем о с т я х и разработал общие методы опреде-
определения действительной и мнимой частей истинной магнитной прони-
проницаемости по измеренным значениям эффективных магнитных про-
ницаемостей.
Если ферромагнитное вещество находится в периодически изме-
изменяющемся магнитном поле, то магнитное состояние его будет ме-
меняться по симметричной или динамической петле гистерезиса.
Динамическая петля гистерезиса значительно отличается от петли,
которая определяется в статических условиях. Для того чтобы
однозначно получить магнитные характеристики вещества, необхо-
необходимо знать, по какому закону изменяются индукция и напряжен-
напряженность магнитного поля. В том случае, если они представляют собой
синусоидальные функции времени, динамическая петля будет иметь
форму эллипса. Эта форма петли с увеличением амплитуды индук-
индукции начинает изменяться и при средних значениях ее становится
похожей на обычную петлю гистерезиса. Для получения полной
характеристики поведения ферромагнитного вещества в переменном
магнитном поле нужно построить семейство динамических петель,
геометрическое место вершин которых дает динамическую кривую
намагничивания (индукции). Отношение максимальной индукции
240
Втц. максимальному аначению напряженности поля Нт является
амплитудной проницаемостью ферромагнетика в перемен-
переменном магнитном поле
7Г Вт
A3.1)
Ввиду того что аналитически выразить динамические петли
трудно, Аркадьев предложил их заменять эквивалентным эллипсом
с одинаковой площадью. Если напряженность магнитного поля и
индукции изменяются по синусоидальному закону
Н=Нп sin (at),
В-¦= Вт sin (at — д)*
A3.2)
то зависимость между В и Н выражается петлей эллиптической
формы, при этом уравнения A3.2) представляют собой параметри-
параметрическую форму уравнения эллипса. Изменение В отстает от измене-
изменения Н да угол б. Выражение A3.2)* можно записать в виде двух
составляющих:
В = Вт\ Sin at — Вт2 COS at,
A3.3)
где Bmi = Bmcos8, Bm2 = s'mb есть амплитуды этих составляющих.
Для характеристики поведения ферромагнитных веществ в пе-
переменных магнитных полях Аркадьев ввел представление о комп-
комплексной магнитной проницаемости
|А = |*1 — /|*Л, A3.4)
где hi — «упругая» проницаемость, связанная с обратимыми про-
процессами при намагничивании, ц2 — «вязкая» проницаемость, обу-
обусловленная процессами поглощения. Упругая проницаемость опре-
определяется соотношением
Вт\
и вязкая проницаемость
A3.5)
A3.6)
Модуль комплексной проницаемости представляет собой ампли-
амплитудную проницаемость
4-и!- A3.7)
Потери энергии при намагничивании переменным магнитным полем
определяются тангенсом угла потерь или тангенсом угла отстава-
отставания индукции от напряженности магнитного поля
Щ Вщ2
A3.8)
241
Рассмотренные нами некоторые виды проницаемости связывается
определенными соотношениями с остаточной индукцией Вг, а также
с величинами Вт >и Нт, а именно
= -— COS 6 И II, =
A3.9)
Проницаемости щ и ц2 имеют сложную частотную зависимость;
которая обусловлена различными процессами намагничивания в
переменных магнитных полях. Магнитные характеристики ферро-
ферромагнитных веществ в переменных полях зависят не только от физи-
физических свойств материала, но и от формы и размеров образцов,
частоты и вида кривой H(t) переменного поля. Если глубина про-
проникновения магнитного поля меньше толщины образца, то говорят
о действующих или средних значениях индукции и проницаемости.
Поэтому, когда определяют магнитные характеристики в перемен-
переменном магнитном поле, фиксируют условия, при которых они были
определены. Большинство используемых в настоящее время схем
основано на индукционном методе измерения характеристик в пе-
переменных полях. С помощью этих схем, как правило, определяют
электрические величины, по значениям которых рассчитывают маг-
магнитные характеристики.
Напряженность магнитного поля находят по действующему
значению тока в намагничивающей обмотке
дейст
wi
A3.10)
радиус коль-
где w — число витков намагничивающей обмотки, R
ца (м), i — действующее значение тока (а).
Для расчета амплитудной проницаемости используют формулу
В„
Ш^дейст
A3.11)
где Вт — максимальная индукция.
Иногда для вычисления амплитудной проницаемости определя-
определяют индуктивность образца
ш
A3.12)
где V и i — действующие значения .напряжения и силы тока, со
круговая частота.
Проницаемость рассчитывают по соотношению
где / — длина образца (м), S — сечение образца {м2), w
витков намагничивающей обмотки.
242
A3.13)
- число
ь»
Кривую индукции в переменных полях можно определять мето-
методом амперметра и вольтметра, потенциометрическими и мостовыми
методами [8, 22, 28].
§ 2. МЕТОД ВОЛЬТМЕТРА И АМПЕРМЕТРА
Магнитные характеристики в переменных полях промышленной
частоты можно определить -с помощью простейшего метода вольт-
вольтметра и амперметра. Образец при этом методе используют в форме
тороида или рамки, которую собирают из тонких пластин исследуе-
исследуемого вещества. На иссле-
исследуемый образец О нама-
наматывают измерительную
обмотку W2 и намагничи-
намагничивающую обмотку W\. Ток
в цепи обмотки W\ можно
измерять при помощи ам-
амперметра А электродина-
электродинаРис. 95. Принципиальная схема измерения
Кривой индукции методом амперметра и
вольтметра:
О — исследуемый образец, Wi — намагничи-
намагничивающая обмотка, W2 — измерительная об-
обмотка, AT — автотрансформатор
мической системы, а э.д.с.
в обмотке W2 измеряют
ламповым вольтметром
(рис. 95). Вольтметр V
лучше использовать вы-
выпрямительной системы, он
имеет большое входное сопротивление и потребляет небольшую
мощность, поэтому его показания близки к ?ср на концах обмот-
обмотки W2.
Для регулировки тока в намагничивающей обмотке рекомендуют
использовать не реостаты, а лабораторный автотрансформатор Л Г,
например типа ЛАТР-1, который не искажает синусоидальной фор-
формы кривой тока i{t). Расчет магнитной индукции образца произво-
производят по формуле
— тл,
A3.14)
где ?ср — среднее значение э.д.с. во вторичной обмотке (в), w2 —
число витков вторичной обмотки, f — частота тока (гц), S — сече-
сечение образца (м2).
Максимальное значение напряженности намагничивающего по-
поля в замкнутой магнитной цепи определяется по формуле
а/м.
A3.15)
где « — действующее значение намагничивающего тока (a), wx —
число витков намагничивающей обмотки, / — средняя длина маг-
магнитной цепи (м).
Пропуская через намагничивающую цепь определенные значе-
243
ния тока и измеряя при помощи вольтметра э.д.с. во вторичной об-
обмотке, можно по формулам A3.14) и A3.15) рассчитать магнитную
индукцию и напряженность магнитного поля и построить кривую
индукции. Амплитудные значения проницаемости определяют по
формуле A3.1).
Метод вольтметра и амперметра не дает возможности опреде-
определять потери в образце и обладает большой погрешностью измере-
измерения индукции порядка 10—15%. Несмотря на отмеченные недостат-
недостатки, этот метод находит широкое распространение для определения
кривой индукции магиитомягких веществ, так как он отличается
простотой и может быть создан в любых лабораторных условиях.
§ 3. МОСТОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Мостовые методы определения магнитных характеристик в пере-
переменных магнитных полях в большинстве случаев используют для
исследования магнитомягких материалов. Мостовые методы изме-
измерения получили большое распространение в лабораторной практи-
практике по той причине, что они могут быть быстро созданы и не тре-
требуют сложной физической аппаратуры.
Рассмотрим принципиальную схему моста, которая показана на
рис. 96. В плечи моста переменного тока включают активное гп и
реактивные сопротивления Сп и Ln, где п= 1, 2, 3, 4, а в диагонали
моста имеется прибор И переменного тока, который выполняет роль
индикатора (телефон, вибрационный гальванометр и т. д.). Когда
мост находится в равновесии, то в диагонали моста CD тока нет.
В этот момент потенциалы в точках С и D равны между собой и
падение напряжения на участках моста одинаковое. Обозначим
комплекс силы тока в плечах Z\ и z% через 1\, а в плечах z3 и z4 —
через /г. Тогда можно записать, что
A3.16)
где Z\, 22, z?, 'И Zi — полные сопротивления плеч моста в комплекс-
комплексной форме.
Из последних равенств при равновесии моста имеем
— = —, или гхг3 == г2г4.
г г
A3.17)
Так как полное сопротивление каждого плеча в отдельности в
комплексной форме записывается в виде
г = г + jx,
A3.18)
244
то, согласно A3.17)
jxt),
A3.19)
где г — активное сопротивление плеча, х — реактивное сопротивле-
сопротивление плеча.
После соответствующих преобразований из соотношения A3.(9)
получаем
+ ггх3) = хгх3
j (x2ri + r2xi). A3.20)
Чтобы выполнялось последнее равенство, вещественные и мнимые
части должны быть порознь равны цруг другу, т. е.
rtr3 —
Х1Г3
~ Х2Г4,
A3.21)
Рис. 96. Принципиальная схема
моста переменного тока
Рис. 97. Принципиальная схема
моста с переменной индуктив-
индуктивностью:
Г — генератор, И — нулевой инди-
индикатор
Уравнения A3.21) показывают, при каких условиях мост находит-
находится в равновесии. На практике для удобства применяют такие мос-
мостовые схемы, у которых условия равновесия имеют более простой
вид, а именно
Х\Х3 Х2хч = " •
A3.22)
245
Таким образом, как видно из соотношений A3.22), для получе-
получения равновесия моста переменного тока достаточно уравновесить
в отдельности активные и реактивные составляющие сопротивле-
сопротивлений плеч моста.
Мост с переменной индуктивностью. Принципиальная схема мо-
моста, в одном плече которого имеется переменная индуктивность,
показана на рис. 97. Мост переменной индуктивности состоит из
четырех плеч: два плеча обладают только активными сопротивле-
сопротивлениями Г\ и г% при этом сопротивление г% является переменным.
Третье плечо AD имеет переменную индуктивность LN, активное
сопротивление которого обозначается через rjv. В плече АВ имеется
исследуемый образец с обмоткой. Мост подключают к генератору Г.
В процессе 'Измерения определяют значения индуктивности Lx и
активного сопротивления гх. По этим величинам рассчитывают
магнитные характеристики вещества. Переменные сопротивления г
включают между плечами AD и АВ, которые имеют также реактив-
реактивные сопротивления. Из рис. 97 видно, что сопротивление г может
быть включено при помощи ключа К в любое из этих плеч. Запи-
Запишем сопротивление плеч моста в комплексной форме:
плеча АВ zx = r -f rx + j®Lx,
AD Zs =
СВ гх =
« CD z2 = rz.
Равновесие моста, согласно формуле A3.17), будет наблюдать-
наблюдаться в том случае, если выполняется равенство
Zxz2 = zNzx. A3.24)
Применяя формулы A3.23), соотношение A3.24) запишем в виде
(г + rx) r2 + ja>Lxr2 = rNrx + jaLNrv A3.25)
Неизвестные величины Lx и гх легко определить из последних
равенств. Для этого нужно приравнять действительные и мнимые
части. Тогда окончательно получим
A3.26)
Для более точного определения величин Lx и гх измерения,сле-
измерения,следует производить при нескольких значениях напряжений, подавае-
подаваемых на мост. Затем нетрудно рассчитать амплитудную проницае-
проницаемость образца по формуле
- = _L?td^ A327)
246
где cfCp — средний диаметр тороида. Для того чтобы определить
магнитную индукцию исследуемого образца и напряженность маг-
магнитного поля, нужно найти значение тока в намагничивающей об-
обмотке образца. Полный ток в этой обмотке в комплексной форме
записывается в виде
—- A3.28)
Подставив в эту формулу значения гх и Lx, согласно формуле
A3.26), получим выражение для модуля тока
A3.29)
Тогда максимальные значения магнитной индукции и напряжен-
напряженности намагничивающего поля можно рассчитать по следующим
формулам:
о iLx /2
Bm = —^— пи,
Sw
A3.30)
A3.31)
Рис. 98. Принципиальная схема
моста с переменной емкостью
Рассмотренная нами схема мо-
моста с -переменной индуктивностью
дает небольшие ошибки измерения
только в том случае, если индуктив-
индуктивности, включенные в плечи моста,
имеют значение не меньше 10 мгн.
Схема моста с переменной
емкостью. Схема этого моста пока-
показана на рис. 98. Два противополож-
противоположных плеча моста имеют только
активные сопротивления г\ и гг. Два
других плеча моста СВ и AD обла-
обладают реактивными и активными
сопротивлениями. В плече AD
имеется конденсатор CN перемен-
переменной емкости, параллельно которому
включают переменное сопротивле-
сопротивление rN. Сопротивления плеч моста в
комплексной форме имеют вид:
247
плеча ВС zx — rx -f j®Lx,
« CD l=rl A3-32)
« AD zN =
1 + ia>CNrN
Согласно условию равновесия моста, имеем
V*=2A- A3.33)
Подставляя в формулу A3.33) значения сопротивлений плеч
моста в комплексной форме A3.32), получим следующее соотно-
соотношение:
A3.34)
\ + j<aCNrN
Проводя преобразования последнего равенства и приравняв
действительные 'И мнимые части, получим выражения для опреде-
определения неизвестных величин гх и Lx
A3.35)
Lx =
Равновесие моста с переменной емкостью можно получить при
помощи переменных CN и rN, а также за счет изменения сопротив-
сопротивлений г\ и г2. Для расчета магнитной индукции, напряженности
намагничивающего поля и амплитудной проницаемости используют
те же самые формулы A3.27), A3.30) и A3.31).
Модуль полного тока в намагничивающей обмотке определяется
по формуле
i = v A3.36)
2 2
1Г2
Мостовые схемы с переменными индуктивностью и емкостью
применяют, как правило, в области начальной проницаемости^ Для
расширения пределов измерения в сторону больших значений ин-
индукции равновесие моста следует осуществлять по первой гармони-
гармонике. Для этой цели в качестве нулевого индикатора в диагонали мо-
моста используют не телефон, а усилитель с фильтром, настроенный
на первую гармонику. С выхода усилителя сигнал подают на осцил-
осциллограф или индикаторную лампу. Первую гармонику тока рассчи-
рассчитывают по известным значениям величин rx, Lx и гх.
Рассмотренные нами две мостовые схемы применяют при опре-
определении магнитных характеристик в магнитных полях промышлен-
248
ной частоты. Погрешность измерений на этих схемах составляет
3—5%. Наиболее удобны для измерений схемы с переменной емко-
емкостью, которые в настоящее время изготовляют с большой точно-
точностью.
Шестиплечный мост для измерений малых индуктивностей. На
рис. 99 показана принципиальная схема шестиплечного моста, кото-
который применяют для определения магнитных характеристик магни-
томягких материалов в магнитных полях повышенной частоты
A02—2-Ю4 гц). Этот мост дает возможность измерять индуктивно-
Рис. 99. Схема шестиплечного моста Рис. 100. Схема моста, основанная на
методе сравнения индуктивности со
взаимной индуктивностью
сти от 10~2 мгн, при этом равновесие моста устанавливают незави-
независимо как для активных, так и для . реактивных составляющих.
Питание моста осуществляют генератором звуковой частоты Г. Три
плеча моста ВС, CD и DA содержат только активные сопротивления
Г\, г2, г3, а в четвертом плече моста находится исследуемый обра-
образец. Индуктивность и сопротивление этого плеча обозначены через
гх и Lx. Параллельно сопротивлению г2 включают емкость Со и
беэреактивное сопротивление л4, которые соединяются между собой
последовательно. Силу тока можно измерить или термопарой с
милливольтметром, или чувствительным ламповым вольтметром.
Для получения условия равновесия обозначим в комплексной фор-
форме сопротивления плеч моста.
Сопротивление плеча, где имеется образец, будет равно
A3.37)
Сопротивление плеча ВС
Для остальных плеч моста комплексное сопротивление имеет
вид
г4 = г., г0 =
A3.33)
/»С0
249
Обозначим силу тока в плечах моста: в плечах ВС и АВ— Л,
в плече CD — /2, в плече AD — /3 и в плечах DE и ЕС —1\. Приме-
Применяя первый и второй законы Кирхгофа, найдем, при каких отноше-
отношениях сопротивлений в плечах моста будет иметь место равновесие
моста. Как известно, при равновесии моста потенциалы в точках Е
и В будут равны между собой, т. е. падение напряжения в плече
АВ должно быть равно сумме падений напряжений в плечах AD
и DE
A3.39)
Так как VE=VB, то имеем
Кроме того, падение напряжения в плечах DE и ЕС равно па-
падению напряжения в плече CD
(*4 + го) h =
U = h + К-
A3.41)
Решая уравнения A3.39), A3.40) и A'3.41), получим условие
равновесия моста в комплексной форме:
—z1z1).= z1124(z, + z4) + za]. A3:42)
Подставляя в формуле A3.42) значение комплексных сопротив-
сопротивлений элементов моста и приравняв отдельно мнимые и действи-
действительные части, получим
г —
' v
A3.43)
rs) + /ys].
Из A3.43) видно, что уравновесить реактивные составляющие
сопротивлений можно при помощи изменения активных сопротив-
сопротивлений независимо от уравновешивания безреактивных составляю-
составляющих сопротивления. Расчет магнитных характеристик производят
по формулам A3.27), A3.30) и A3.31). Точность измерений индук-
индуктивности и сопротивления в шестиплечном мосте составляет ~1%.
Мостовая схема, основанная на методе сравнения индуктивно-
индуктивности со взаимной индуктивностью. Принципиальная схема этого
моста показана на рис. 100. Исследуемый образец тороидальной
формы с двумя обмотками, индуктивностью Lx <и сопротивлением гх
включен в плечо ВС, где имеется также безреактивный магазин со-
сопротивления г\. В плечах CD и AD имеются безреактивные сопро-
сопротивления, а в плече АВ включена катушка переменной взаимной
индуктивности М. Последовательно с сопротивлением г\ соединяет-
250
ся одна из обмоток образца. Перед началом измерения мост урав-
уравновешивают без исследуемого образца, для чего замыкают ключ К
и изменяют величины сопротивления гх и взаимной индуктивно-
индуктивности М, пока стрелка прибора, включенного в диагональ моста, не
перестанет колебаться. В этот момент замечают значение сопротив-
сопротивления г\ — г\ и взаимной индуктивности М=М'. После этого размы-
размыкают ключ К и включают в плечо моста ВС одну из обмоток образ-
образца и опять уравновешивают мост. В этот момент вновь записывают
значение величин сопротивления г\ = гх" и взаимной индуктивности
М = М", которые будут несколько отличаться от предыдущих злаче-
ний. При этих измерениях сопротивления г2 чл г3 должны оставать-
оставаться постоянными. Неизвестное сопротивление гх будет равно разно-
разности сопротивлений магазина п, когда мост находится в уравнове-
уравновешенном состоянии без образца и с образцом, т. е.
rx = r\ — r\, A3.44)
где г\ — сопротивление магазина без образца, гх" — сопротивление
магазина с образцом.
При первом измерении, когда исследуемый образец в обмотке
отсутствует в момент равновесия моста, справедливо следующее
соотношение:
^- = Is.. A3.45)
го гз
Потенциалы в точках А я С равны между собой, а падение на-
напряжения в плечах ВС и АВ записывают в виде
= ('о +
7и +
A3.46)
где /ц и /21 —токи соответственно в плечах BAD и BCD, ток 1Х —
в питающей цепи, М' — величина взаимной индуктивности без
образца.
Раскрывая скобки в правой части соотношения A3.46) и при-
приравнивая действительные величины, получим
/,/„ = ло/п. A3.47)
Так как /i = /ii+^2i, то при равновесии моста без образца спра-
справедливо следующее соотношение:
V
A3.48)
При измерении с образцом равновесие моста можно записать
[(П + гх) + /colj /2 =¦- (r0 + /coLo) /'„ + jaM'f \. ' A3.49)
251
Здесь обозначение то же самое, что и в первом случае. Прини-
Принимая во внимание, что /i = /ц -J- /2i, /цг0 = 1\2 (п+гг), получаем
М» (l+ ¦*-
A3.50)
Из уравнения A3.50) вычтем уравнение A3.48). Окончательно
получаем соотношение для определения неизвестной индуктивности
A3.51)
или
Рис. 101. Схема установки для изме-
измерения Hi, Ц2 в области частот от
300 гц до 20 кгц:
О — исследуемый образец в виде то-
роида, R\, R% R3 и Rt — активные
переменные сопротивления, Ц и ?2 —
катушки самоиндукции, НУ — низко-
низкочастотный усилитель, Ф — фильтр,
ЭО — электронный осциллограф и
Г — генератор
252
A3.52)
Измеренные значения индук-
индуктивности Lx и сопротивления
гх дают возможность рассчи-
рассчитать магнитные характеристи-
характеристики исследуемого образпа по
формулам A3.27), A3.30) и
A3.31).
Недостатком мостовых ме-
методов исследования магнитных
характеристик в переменных
полях является большая зави-
зависимость результатов измере-
измерения от емкостных и особенно
индуктивных влияний отдель:
ных элементов схемы. Для
уменьшения этого влияния ка-
катушки индуктивности и другие
элементы нужно располагать
по возможности дальше друг
от друга.
Рассмотрим для примера
рабочую мостовую установку
[2, 21], которая позволяет по
измеренным значениям коэф-
коэффициента самоиндукции и со-
сопротивления потерь катушки
определить эффективную про-
проницаемость образца в области
частот от 300 гц до 20 кгц
(рис. 101).
Плечи моста I ц II состоят
только из активных сопротив-
сопротивлений по 50 ом каждый. В ка-
качестве этих сопротивлений можно использовать безреактивные
магазины сопротивлений типа МСРБ-48, которые, как правило,
применяются в схемах переменного тока. Максимальная индуктив-
индуктивность этих магазинов составляет не более 1,5 мкгн, а максималь-
максимальная остаточная емкость 10 мкмкф. В каждое плечо моста включают
по одному магазину, что позволяет практически компенсировать
начальные активные и реактивные составляющие сопротивления.
В качестве переменной индуктивности L2 в плече /// удобно исполь-
использовать катушки переменной индуктивности — вариометры. Они
дают возможность получать величину индуктивности от 10 до
600 мгн при погрешности порядка 1%.
Для сохранения постоянного значения силы тока в измеритель-
измерительной обмотке используют термомиллиамперметр с наружным термо-
термопреобразователем, находящимся в плече IV. В плечо / параллельно
с Ri можно подключить катодный милливольтметр tnV, который
применяется для контроля небольших значений силы тока. При ра-
работе с мостовыми схемами большое значение имеет учет влияния
индуктивностей соединительных проводов. Для устранения этого
недостатка в плечо IV последовательно с обмоткой образца вклю-
включают дополнительную постоянную индуктивность Li='18 мкгн.
При отключенной цепи образца определяется сумма индуктив-
индуктивностей соединительных проводов Ц\ и катушки Lx. Полученные
значения индуктивности вычитают из значения индуктивности, .из-
.измеренной при включенной цепи образца. Этим самым удается найти
неизвестное значение индуктивности. Для уменьшения взаимоин-
взаимоиндукции между катушками индуктивностей и обмоткой образца их
располагают по возможности ,на большом расстоянии друг от
друга.
В качестве источника переменного тока можно использовать
генератор звуковой частоты типа ЗГ-2А. Этот генератор позволяет
получать строго синусоидальный ток, частота которого с помощью
конденсатора переменной емкости может изменяться в пределах от
50 до 2,1-104 гц. Чтобы иметь стабилизированную частоту, генера-
генератор перед началом измерения прогревают в течение 40—60 мин.
В качестве нулевого индикатора используют катодный осцилло-
осциллограф.
Низкочастотный усилитель можно собрать на пентодах 6Ж8,
при этом коэффициент усиления должен быть подобран так, чтобы
можно было получать усиление от 0 до 107.
Питание усилителя осуществляется от стабилизированного уни-
универсального выпрямителя типа ВУС-1 с электронной стабилизацией
выпрямленных напряжений. После усилителя следует поставить
фильтр, который позволяет отделить основную гармонику напряже-
напряжения от высших гармоник и от других 'внешних помех и шумов.
В качестве фильтра в области низких частот C-102—2Л№ гц),
когда мост имеет пониженную чувствительность, можно применять
дополнительный выходной каскад усилителя с сильной отрицатель-
отрицательной обратной связью (RC).
253
Это устройство значительно уменьшает относительное количест-
количество вторых гармоник в выходном сигнале (в 20 раз). При более вы-
высоких частотах B-103—2-Ю4 гц) используют фильтр типа LC, где
L = 25 мкгн остается постоянной, а С берут переменной для на-
настройки фильтра на нужную частоту. В качестве переменной емко-
емкости можно использовать 'магазины емкостей типа МЕ-3 и МЕ-6/1.
Данная установка дает возможность фиксировать раскомпенса-
цию моста, когда на его входе создается напряжение порядка
10~5 в. При расчете комплексных проницаемостей по измеренным
значениям индуктивности и сопротивления потерь большое значение
имеет учет всевозможных погрешностей. Эти погрешности могут
возникнуть вследствие внешних помех, шумов усилителя, от неста-
нестабильности температуры, что приводит к изменению проницаемости
образца и сопротивления его обмотки. Наконец, они появляются
в результате того, что приходится учитывать сопротивление и ин-
индуктивность соединительных проводов и вспомогательных элемен-
элементов схемы моста. Измерение значений величин Lx и Rx по этому
методу производят с точностью до 3—4%. Чтобы получить значения
сопротивления Re и индуктивности Lc, обусловленные наличием
исследуемого образца, из значений Rx и Lx вычитаются соответст-
соответственно значения сопротивления ^о. и..индуктивности La обжшш^кох;
йдшаасиидй^абдааец З И рю
да ч
стоянного ток
по формуле
^о. и..индуктивности La обжшш^кх;
ааец. Значение Ип 'Измеряют ня мосте по-
по, самоиндукцию Lo обмотки рассчитывают
Чяг,
гн,
A3.53)
ср
где до — число витков измерительной обмотки, S — площадь попе-
поперечного сечения образца (-и2), гС9 — среднее значение радиуса то-
роида (образца, м).
По полученным значениям Rc и Lc рассчитывают эффективные
проницаемости образца
2ягго , \
f
A3.54)
Для расчета истинных значений проницаемостей можно вос-
воспользоваться методом номограмм, который был подробна из-
изложен© оригинальных работах Аркадьева [1].
§ 4. ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЯ МЕТОД
ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
В ПЕРЕМЕННЫХ ПОЛЯХ
Точным и простым методом измерения магнитных характери-
характеристик вещества в магнитных полях промышленной частоты является
потенциометрический метод, который основывается на измерениях
254
э.д.с. во вторичной обмотке образца и тока в намагничивающей цепи.
Принципиальная схема установки для измерения магнитной индук-
индукции с потенциометром переменного тока показана на рис. 102. На
образце О есть две обмотки: намагничивающая W\ и измеритель-
измерительная W2. Ток в обмотке Wx регулируют автотрансформатором AT,
на который подается напряжение с разделительного трансформа-
Рис. 102. Принципиальная схема установки с потенциометром переменного
тока:
О — исследуемый образец, W^ — намагничивающей обмотка, №2 — измери-
измерительная обмотка, Т — трансформатор, I, II н /// — обмотки трансформа-
трансформатора, AT — автотрансформатор
тора Т, имеющего три обмотки. Одна из этих обмоток (/) служит
для включения трансформатора в сеть питания, вторая (//) подает
напряжение на потенциометр П и третья (///) используется для
намагничивания образца. В качестве нулевого индикатора можно
применить вибрационный гальванометр типа ВГ или телефон. Для
определения точек основной кривой индукции нужно знать падение
напряжения Vx на эталонном сопротивлении Ro и э.д.с. Е2 в изме-
измерительной обмотке Wi, причем эти величины следует определять
при нескольких значениях тока в намагничивающей цепи. Значение
величин V\ и Ro дает возможность рассчитать величину силы тока
в намагничивающей обмотке Wt. По полученным значениям Е2 во
вторичиой цепи и значениям тока в намагничивающей обмотке об-
образца рассчитывают индукцию образца и напряженность магнит-
магнитного поля, магнитную проницаемость и потери.
Если вторичная обмотка образца незамкнута, то реактивная со-
составляющая полного тока будет находиться в фазе с магнитным
потоком, который существует в исследуемом образце, при этом век-
255
тор потока сдвинут на 90° по отношению к вектору э.д.с. вторичной
обмотки цепи. Реактивную составляющую /ц полного тока опреде-
определяют как его проекцию на направление вектора магнитного потока,
а активную составляющую ia полного тока выражают через проек-
проекцию его на направление, противоположное э.д.с. во вторичной це-
цепи Е2. Магнитную индукцию исследуемого образца рассчитывают
по формуле A2.20). Так как напряженность магнитного поля пред-
представляется в комплексном виде, то действительную и мнимую ча-
части вектора напряженности магнитного поля записывают в виде
Нл = ^ 1/2 а/м.
а:м,
A3.55)
где /—длина средней магнитной линии образца (м), /ц—реак-
/ц—реактивная составляющая полного тока (a), ia — активная составляю-
составляющая полного тока (а).
Комплексную магнитную проницаемость определяют по фор-
формуле
i*-i*i-fr.= 1НВп:и / о3-56)
(Хо ("д + /"мн)
Составляющие комплексной магнитной проницаемости имеют
вид
1*1 =
В„
В
Вт
Вт
Амплитудная магнитная проницаемость равна
Вт
A3.57)
A3.58)
A3.59)
Ошибки при определении магнитных характеристик потенциомет-
рическим методом составляют около 3%.
В настоящее время отечественная промышленность выпускает
несколько типов потенциометров переменного тока. Потенциометр
Р-56 относится к потенциометрам прямоугольно-координатного ти-
типа. Его «спользуют для измерения компенсационным методом
падения напряжений, силы тока, активных и реактивных сопротив-
сопротивлений, сдвига фаз между током и напряжением. При магнитных
измерениях его можно применять для определения первых гармо-
гармоник индукции, напряженности поля, магнитных потерь, амплитуд-
амплитудной и комплексной проницаемости. Этот потенциометр работает в
пределах частот от 40 до 60 гц.
256
На рис. 103 показана принципиальная схема потенциометра,
который позволяет определять магнитные характеристики иа повы-
повышенных частотах. Этот прямоугольно-координатный потенциометр
имеет два реохорда Т\ и г2, которые делятся на четыре части, пред-
представляющие собой четыре квадранта координатной системы.
К скользящим контактам этих реохордов подается измеряемое на-
лЛЛЛЛг-°7"
-ЛЛЛЛЛ-,
А Т
Рис. 103. Принципиальная схема потенциометра переменного
тока, работающего при повышенных частотах:
n и н—реохорды, И — нулевой индикатор, г'п и г"п —сопро-
тивлеиия, шунтирующие реохорды, rg — магазин сопротивле-
| ния, г и гз — сопротивления
пряжение Vx. Сопротивление реохордов равно 0,08 ом, а вся длина
соответствует падению напряжения 40 мв. Реохорды находятся под
j напряжением с равными амплитудами, ;но сдвинутыми по фазе на
v< 90°. В качестве нулевого индикатора И в этом потенциометре ис-
используют телефон. Для этой цели можно также применять магнито-
магнитоэлектрический прибор с ламповым усилителем. Чтобы на реохордах
получить два равных напряжения, но сдвинутых по фазе на 90°,
\ используют воздушный трансформатор Тв. Ток в реохордах потен-
' циометра регулируют магазинами сопротивлений. Настоящий nq-
1 тенциометр работает на частотах в пределах от 50 до 1,5-Ю3 гц.
Формулы для расчета магнитной индукции, напряженности магнит-
магнитного поля, магнитной проницаемости и потерь остаются прежними.
§ 5. ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ
И ПОТЕРЬ НА ЧАСТОТАХ 50 кгц — Ю Мгц
Как мы уже отмечали, наиболее важными характеристиками
1 ферромагнитных материалов в переменных магнитных полях явля-
являются магнитная проницаемость и величина потерь. В этом случае,1
Г. 9 &>к. 262 Ш
как известно, магнитная проницаемость представляется в комплекс-
комплексном виде A3.4).
Соотношение A3.4) строго справедливо только в области сла-
слабых магнитных полей для частот, значительно меньше тех, при ко-
которых имеет место ферромагнитный резонанс. В случае сильных
полей эта зависимость имеет более сложный вид, так как комплекс-
комплексная проницаемость зависит от частоты и напряженности магнитно-
магнитного поля.
Рассмотрим некоторые методы измерения магнитной проницае-
проницаемости в слабых и сильных полях при синусоидальной форме
переменного поля [31]. На рис. 104 изображена принципиальная
¦Он
¦тши1—1
о
о
о
о
Рис. 104. Схема резонансного метода для определения ц-i и цг
в слабых полях:
Г — генератор, Cv — переменная емкость для настройки в резо-
резонанс, Lx — индуктивность катушки образца, Rx — эквивалентное
сопротивление, V — вольтметр, Ср — собственная емкость катуш-
катушки, Z\ и 22 — реактивные сопротивления
схема резонансного метода для определения щ и ц.2 в слабых по-
полях при частотах от 50 кгц до 10 Мгц.
На исследуемый образец, который имеет форму тороида или
рамки, наматывают несколько витков медной проволоки. Колеба-
Колебательный контур связан с генератором Г через большое реактивное
сопротивление zx. При помощи этого сопротивления достигается
слабая связь между колебательным контуром и генератором. Для
измерения напряжения на конденсаторе используют электронный
вольтметр V. Второе реактивное сопротивление г2 служит для раз-
развязки контура от цепи этого вольтметра. В колебательный контур
входят исследуемый образец с обмоткой, обладающей индуктивно-
индуктивностью Lx и сопротивлением Rx, переменная емкость Cv для настрой-
настройки контура в резонанс и собственная емкость Ср катушки и соеди-
соединительных проводов. Определение действительной и мнимой частей
?58
комплексной магнитной проницаемости основывается на связи этих
величин с индуктивностью Lx и сопротивлением Rx. Расчетные фор-
формулы имеют вид
V-i = -—-> A3.60)
A3.61)
где со — угловая частота переменного поля, w — число витков об-
обмотки, 5—сечение образца (м2), I — длина образца по средней
линии (м).
Таким образом, измерив величины Lx и Rx, можно по формулам
A3.60), A3.61) найти значение величин уц и ц2- Индуктивность Lx
определяют по резонансной емкости С/ в тот момент, когда напря-
напряжение на колебательном контуре будет максимальным. Для этого
применяется формула
1
Тангенс угла потерь рассчитывается так:
A3.62)
A3.63)
где ACV называется резонансной шириной. Эта величина
определяется при двух значениях^ Cv, для которых общее сопротив-
сопротивление настроенной цепи в 1/V2 раз меньше максимальной вели-
величины.
При осуществлении этого метода следует иметь в виду источни-
источники ошибок, которые зависят от следующих факторов. Прежде всего
следует измерить или рассчитать собственную емкость Ср. В про-
противном случае возникнет значительная ошибка в измеряемой вели-
величине индуктивности Lx. Наличие собственной емкости Ср позволяет
применять рассматриваемый нами метод только для определенных
значений частот. Кроме того, этот метод может быть применен для
исследования материалов с небольшими потерями, чтобы резонанс-
резонансная кривая не была плоской. Следует также иметь в виду, что на
результаты измерения влияет собственная самоиндукция катушки
и соединительных проводов.
§ 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ
ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПРИ ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ (до 3 10" Мгц)
Комплексную магнитную проницаемость ферромагнитных ве-
веществ при высоких частотах можно измерять с помощью коакси-
коаксиальной линии, в которой находится исследуемый образец. При этих
^• 2»
измерениях определяют фазовую скорость и затухание, т. е. нахо-
находят вещественную и мнимую части вектора распространения
электромагнитных волн. Для этого измеряют добротность резонанс-
резонансной полости, которая является частью линии, и ее резонансная час-
частота в функции постоянного подмагничивающего поля.
Затухание и фа-зовую скорость можно определить двумя мето-
методами: методсм замещения и методом насыщения.
В первом случае ферромагнитный исследуемый образец, являю-
являющийся центральным проводником резонансной полости, заменяют
немагнитным металлом. Этот метод позволяет с большой точно-
точностью измерять затухание. Что касается фазовой скорости, то ее
изменение может возникнуть не только за счет ферромагнитного
образца, но и в результате изменения геометрических размеров
проводящих стенок. Это значит, что замену образца следует прово-
проводить с высокой степенью точности, что практически осуществить
Очень трудно.
При втором методе измерения, параллельно высокочастотному
полю, прикладывается подмагничивающее постоянное поле. Это
вызывает уменьшение затухания электромагнитной волны, а значит
и высокочастотной проницаемости. При поле, соответствующем зна-
значению насыщения ферромагнетика, высокочастотная проницае-
проницаемость стремится к единице. Как видно, второй метод исключает
^замену образца и тем самым значительно повышает точность из-
измерения.
Перед описанием методики измерения приведем основные рас-
расчетные формулы для определения комплексной магнитной прони-
проницаемости по измеренным величинам [29, 30, 32].
Окончательные формулы для определения комплексной прони-
проницаемости имеют вид
A3.64)
а* — I
Где а—«затухание при наличии исследуемого образца в подмагни-
подмагничивающем поле Но, а.» — то же самое в поле, намагничивающем
образец до насыщения, р — значение фазовой скорости.
'¦.'', беличины а и р находят по значению измеряемых величин Q
jri v, для чего используют следующие формулы:
1 '1 »¦ \ A3.65)
р — р« = . У 3.66)
где Q — добротность полости в подмагничивающем поле Яо, Q« —
значение добротности в магнитном поле #„,, которое намагничивает
образец до .насыщения, Av'—Av«,' —изменение резонансной частоты
дри изменении поля от Яо до Н„.
A260
Для расчета постоянных а<х> и р*, при условии, что действие
внешнего проводника не учитывается, применяют формулу
a -R
8J[ '\
а 1п( —
\ а
A3.67)
где р — удельное сопротивление образца, с и Ь — радиусы внут-
внутреннего и внешнего проводников соответственно.
Приведенные формулы используют, если величину Q измеряют
при небольших значениях подмагничивающего поля. При высоких
значениях поля Но, которое создает ток, пропускаемый через внут-
внутренний проводник, последний сильно нагревается. Во избежание
этого поле делают пульсирующим. В этом случае измеряют только
относительную величину Q. В качестве эталонной величины берут
значение добротности (Зсмещ, определяемое при такой величине
подмагничивающего поля (#о)смещ, когда влияние гистерезиса уже
не сказывается. Этим самым обеспечивается воспроизводимость
измеряемой величины Q. При этих условиях формулы A3.65) и
A3.66) принимают вид:
а — ам =
«смещ
A3.68)
A3.69)
где
% =
Q
Усмещ
i = Av' — Av'
смещ'
, = Av' —Av'
смещ'
Здесь б — изменение резонансной частоты при изменении подмаг-
подмагничивающего поля от Но до {Но) смещ. боо — значение б, когда поле
Но равно полю насыщения. Значение величины у рассчитывается
по формуле
Y = — [K0L + B sin2 KoD- 1) sin КоЦ,
A3.70)
где L — длина исследуемого образца, D — расстояние между цент-
центрами образца и резонатора и Ко = 2л —.
с
Таким образом, измерив, как будет описано ниже, величины
Фсмещ, р, v, х и б, можно при помощи формул A3.64) вычислить
комплексную проницаемость исследуемого вещества.
На рис. 105 показана схема установки с разрезом коаксиальной
полости.
261
Длина коаксиального резонатора равна приблизительно поло-
половине длины волны 74,5 см. Резонатор можно укорачивать с двух
сторон. Радиусы проводников имеют следующие размеры: а =
= 1,59 мм и 6 = 15,9 мм. Радиусы внутреннего и внешнего провод-
проводников следует выбирать такими, чтобы основные потери приходи-
приходились на внутренний проводник. При этом значение добротности
резонансной полости должно находиться в нужном интервале зна-
значений. Диаметры иссле-
1 2 дуемого образца и внут-
внутреннего проводника бе-
берут равными. В описы-
описываемой установке длина
образца была равна
177,5 мм, причем его рас-
располагали на расстоянии
50—100 мм от центра
резонатора. Внутренний
проводник подвергался
небольшому натяжению и
крепился к торцовым
пластинкам с помощью
винтов.
Настройка коаксиаль-
коаксиальной полости осущест-
осуществляется при помощи по-
полистироловой цилиндри-
цилиндрической шайбы длиной
30 мм, которая свободно
перемещается вдоль оси
Рис. 105. Схема установки с разрезом коак-
коаксиальной линии:
1 — резонансная полость, 2 — исследуемый
образец, 3 — генератор на 200 мгц, 4 — час-
частотомер, б — хронирующее устройство, б--
приемник, 7 — одноимпульоный вольтметр,
8 — баллистический гальванометр, 9 — бата-
батарея аккумуляторов
р
полости. Эта шайба заполняет все пространство полости между
внутренним и внешним проводниками, не касаясь их поверхности.
Градуировочная кривая зависимости числа оборотов микромет-
микрометрического винта, к которому прикреплена шайба, от частоты имеет
линейный вид в том случае, если шайба двигается вблизи точки,
расположенной на одной четверти длины полости. Для получения
требуемой частоты нужно использовать такой генератор, у которого
частота поддерживается с точностью до 0,001%, а мощность на
выходе до 1%. Это возможно, если настройка генератора в течение
длительного времени не изменяется, а мощность на выходе не пре-
превышает 30 вт.
Для определения Q между генератором и приемником вводятся
некоторые потери, а при расчете используется формула
где V —частота, S.— градуировочная постоянная полости, Rpe3 —
показания прибора на выходе ;в момент резонанса полости, 2ДС —
262
ширина резонансной кривой между дзумя равными показаниями
прибора на выходе.
Беря четыре или пять пар точек резонансной кривой, можно по-
получить различные значения Q, совпадающие до ±0,5%.
Для получения QCMem. через внутренний проводник пропускают
ток 5 а, при этом образец размагничивается переменным током
частотой 50—60 гц, значение которого уменьшается в течение 3 сек
от максимального значения 45 а. Определение величин х и б про-
производят при двух значениях подмагничивающего поля: Но и
(Яо)смещ В фуНКЦИИ ДЛИНЫ ВОЛНЫ.
Из полученных резонансных кривых вычисляют значения х и 6.
Измерения и вычисления выполняют следующим образом. Задают
смещающее поле (Но)смещ определенной величины, кото-
которое некоторое время не снимается, при этом одноимпульсным
вольтметром измеряют передачу УСмещ- Через некоторое время к
полости прилагают импульс напряжения и в то же время измеряют
передачу V, которая соответствует полю Но. После этого образец
размагничивают и опять два раза определяют V, УСМещ. Величины
X, б при любых значениях поля Н вычисляют следующим образом:
X
A3.72)
где Av — изменение резонансной частоты, У'смещ и V — резонанс-
резонансные значения, б — значения У между резонансными величинами.
Так как a<v и VСмещ1У—QcmzbxIQ, то последнюю формулу мож-
можно записать так:
W
W
A3.73)
где
«Гсмещ
ширина резонансной кривой.
Следовательно, если построить зависимость U+(U—l)g2 в
функции |, то получим прямую линию. При этом наклон ее и точка
пересечения с осью ординат будут определять соответственно ве-
величины б и х-
На рис. 106 схематически показана коаксиальная линия для
измерения [Hi и ця при высоких частотах A02—3-Ю3 Мгц) C1].
Измерительная линия в виде полого резонатора длиной 'Д К со-
соединена с генератором Г. В верхней части резонансной полости
находится детекторная головка, имеющая кристаллический детек-
детектор D, который служит для измерения напряжения на верхнем кон-
конце резонатора. Амплитуда и частота генератора в момент включе-
263
п
ния в измерительную цепь резонатора не изменяются. Этого удается
достичь в силу слабой связи между коаксиальным резонатором с
генератором и детектором.
Измерение комплексной проницаемости осуществляют следую-
следующим порядком: определяют резонансную длину 10 пустой линии, а
затем разность Д/о между двумя величинами для пустой линии,
когда напряжение в 1/1^2 раз меньше его максимальной величи-
величины На следующем этапе измерений в коаксиальную линию в об-
область электрического поля,
где напряженность практи-
практически равна нулю, вводят ис-
исследуемый образец в форме
кольца. Затем находят из-
изменение б/f длины, соответ-
соответствующее увеличению на-
напряжения на верхнем конце
резонатора до его макси-
максимальной величины. При на-
наличии в линии образца оп-
определяют резонансную ши-
ширину, выраженную в виде
Aif. Для упрощения расчета
можно измерить величину
6/й для медного кольца (со-
(соответствующую 8tf). Это
выполняется при условии,
когда кольцо из меди имеет
те же размеры, что и кольцо
из исследуемого ферромаг-
ферромагнитного вещества. Для об-
обмка
Рис. 106. Коаксиальная линия
(-т)
для измерения уц и цг при высоких час-
частотах:
О — ферромагнитный образец, Г — гене-
генератор, D — детектор
образцом имеет достаточную
ласти применяемых частот
у медного кольца fii=0, так
как из-за скин-эффекта маг-
магнитное поле проникает толь-
только на небольшую глубину.
Когда добротность линии с
величину, справедливо неравенство
/о -h 6*/
A3.74)
67,
и если относительная расстройка —^ <0, тогда расчет действи-
действительной части проницаемости производят по формуле
14 = 1—??-. О3-75)
264
Мнимую часть комплексной проницаемости определяют из выра-
выражения
F А/,
A3.76)
В области частот ниже
100 Мгц измерение произво-
производят с помощью линии, снаб-
снабженной коаксиальным кон-
конденсатором (рис. 107).
Без образца в момент
резонанса определяют ем-
емкость Со конденсатора, а за-
затем разность ДС0 для двух
значений емкости, при кото-
которых напряжения на линии
отличаются в |/2 раз. Та-
Таким же способом определя-
определяют резонансную ширину
АС/, когда в коаксиальной
линии находится исследуе-
исследуемый образец. Расчет состав-
составляющих частей комплексной
магнитной проницаемости
выполняется по формулам
A3-77)
т)
Рис. 107. Коаксиальная линия
в комбинации с сосредоточенной емко-
емкостью:
Г — генератор, Д — детектор, С — сосре-
сосредоточенная переменная емкость, Я —по-
—подвижной поршень в двух позициях / и
2, на котором находится ферромагнит-
ферромагнитный образец
-ЛСо
2Cfe
A3.78)
265
где 8Cf — разность отсчетов конденсатора, настроенного в резонанс
без образца и с образцом, 6Cft — то же самое, но с медным коль-
кольцом.
При измерении в коаксиальной линии исключаются ошибки,
обусловленные диэлектрическими потерями. Это достигается тем,
что образец помещают на участке электрического поля, где напря-
напряженность близка к нулю. Кроме того, в описанном методе опреде-
определения [ii и [i2 отсутствует паразитная самоиндукция, а тепловые
потери, которые возникают <в результате конечной проводимости,
легко измерить, и они могут быть рассчитаны. Чтобы избежать
ошибок, которые при данном методе измерения не превышают
~1%, добротность линии с образцом должна быть не меньше 10.
Кроме того, относительная расстройка не должна быть слишком
большой, так как в расчетных формулах пренебрегают членами по-
порядка второй степени. Измеряемое значение проницаемостей иссле-
исследуемого вещества зависит от форм и размеров образца, поэтому
следует вводить соответствующие поправки. Ввиду сложности вы-
вычислений этих поправок тороид из исследуемого вещества делают
по возможности небольшой высоты.
§ 7. ИЗМЕРЕНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ
ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В ОБЛАСТИ САНТИМЕТРОВЫХ ВОЛН
С ПОМОЩЬЮ ВОЛНОВОДА
В этом параграфе мы остановимся на определении высокочас-
высокочастотной магнитной проницаемости методом измерения импеданса
волновода в области длин волн от 1 до 60 см. Этот метод, предло-
предложенный в работе [33], получил название метода короткого за-
замыкания — холостого хода. Его обычно применяют при
исследовании ферромагнитных материалов с низкой проводимостью
типа ферритов. Однако его можно использовать и для изучения
ферромагнитных металлов, если последние взяты в виде порошка
[13, 34, 35]. Известно, что ферромагнитные соединения типа ферри-
ферритов обладают низкой проводимостью, поэтому высокочастотное
магнитное поле проникает в них значительно глубже, чем в металл.
Магнитную проницаемость \а при высоких частотах можно опреде-
определить по двум параметрам, а именно по волновому сопротивлению
Zt — (— ) 2 среды относительно волнового сопротивления свобод-
свободного пространства и по коэффициенту распространения электро-
электромагнитной волны
где ц и е — абсолютные магнитная и диэлектрическая проницае-
проницаемости.
Блок-схема установки для измерения электрических и магнит-
266
ных характеристик ферромагнитных материалов в области санти-
сантиметровых волн показана на рис. 108.
При исследовании на длинах волн 20—60 см удобно использо-
использовать специальный волновод диаметром внешнего проводника
44,5 мм, а внутреннего — 13,5 мм, при длине щели волновода
Рис. 108. Блок-схема установки для измерения комплексной магнитной
проницаемости в области сантиметровых волн:
/ — блок питания, 2 — генератор, 3 — постоянный аттенюатор, 4 — выход-
выходное контрольное устройство, 5 — переменный аттенюатор, 6 — волновод со
щелью, 7 — исследуемый образец, 8 — нагрузка, 9 — кристаллический
детектор, 10-—шунт, И —гальванометр
\
1100 мм. Внутренний проводник делают из тонкостенной трубки и
поддерживают тремя полистироловыми стержнями, которые нахо-
находятся друг от друга на расстоянии 400 мм. Эти стержни оказывают
незначительное влияние на распространение электромагнитной вол-
волны в цолноводе. Детектор может свободно перемещаться, при этом
положение его каретки отсчитывается с точностью до 0,1 мм двумя
микрометрическими шкалами.
С коаксиальным волноводом через кабель соединяется триод-
ный генератор. При измерении на длинах волн в диапазоне 6—15 см
используют стандартный генератор с отражательным клистроном
(мощность генератора контролируют детектором, который распо-
расположен на входе волновода). Диаметр внешнего проводника волно-
волновода равен 22,25 мм, а диаметр внутреннего проводника — 7,75 мм
при длине щели 160 мм. Внутренний проводник с одной стороны
прикреплен к входу волновода, с другой — скреплен с образцом.
Когда производят измерение на длинных волнах 1,25—3 см, ге-
генератор через короткий коаксиальный кабель питает прямоуголь-
прямоугольный волновод, имеющий сечение 250-130 мм2, Аттенюатор в виде
плоской призмы сделан из диэлектрического материала, обладаю-
обладающего хорошим поглощением, при этом затухание должно быть око-
около 6 дб. Переменный аттенюатор выполнен из материала с боль-
большим сопротивлением и опускается через продольную центральную
щель в волновод. Для прямоугольного волновода величины Z и у
267
зависят от критической длины пустого волновода, которая равна
его двойной ширине, их определяют из соотношений:
A3.79)
A3.80)
Здесь Kh = 2a — критическая длина волны пустого волновода, а
а — ширина волновода, Zo — характеристическое сопротивление
пустого волновода.
Таким образом, если известны Z и у, то можно определить
комплексные величины ц и е. Входные сопротивления волновода
в случае короткого замыкания (Z\) ив случае открытого входа
(Z2) выражены соотношениями
A3.81)
A3.82)
где d — длина образца.
Для коаксиального волновода с
имеем
основным типом колебаний
Zo = VZiZt, A3.83)
К A3.84)
Величину у определяют из формулы A3.80), а полные входные
сопротивления Z\ и Z2 находят из измерений фигур стоячих волн
по формуле
4,2
1 —¦
A3.85)
где nii2 — коэффициент стоячей волны в случае первого и второго
измерений, /^— расстояние от минимума напряжения до входной
грани образца и р\ = фазовая скорость, где Кв — измерен-
К ,.
ная длина волны в волноводе.
Коэффициент стоячей волны рассчитывают по формуле
— 1 | cosec2
A3.86)
268
где Умин — минимальное напряжение, V — напряжение на расстоя-
расстоянии х от. минимума.
Обычно дробь = 2, тогда формула A3.86) принимает бо-
*мин
лее простой вид:
гаа = 1 +cosec2 pj*. A3.87)
Величины / и Кв определяют опытным путем, а произведение
yd — при помощи таблиц комплексного гиперболического тангенса.
После соответствующих преобразований из A3.79) и A3.80)
можно найти формулу для вычисления комплексной диэлектриче-
диэлектрической (е) и магнитной проницаемости (ц), которые имеют вид:
A3.88)
или
__!_.
е =
Vayd
_1_ К8 —у»
A3.89)
A3.90)
где р2 = —^-, X — длина волны в пустом волноводе; К =
критическая длина волны в волноводе.
Расчеты ц и е по формулам A3.89) и A3.90) представляют
значительные трудности.
В работе F] даны упрощенные формулы для определения ука-
указанных величин. Эти формулы можно получить из A3.89) и A3.90),
если предположить, что тангенс угла диэлектрических и магнитных
потерь сравнительно небольшой — меньше 0,1.
Тогда полученные формулы приобретают вид
Pi
г =
«2
Р2
A3.91)
A3.92)
Где р = ^-t а К — длина волны в образце. Величина р опреде-
269
ляется из равенства
-tgft/i
A3.93)
Установка для измерения температурной зависимости комплекс-
комплексной магнитной проницаемости ферритов при помощи коаксиальных
линий описана в работе [45]. Эта установка дает возможность про-
проводить измерения в диапазоне волн 30—3 см в широком темпера-
температурном интервале от 100 до 600° К. В установке используются как
стандартная аппаратура, так и специально сконструированные
узлы: приставка с короткозамыкающим поршнем и устройство для
получения низких и высоких температур.
Заданную температуру получают методом обдува газообразным
азотом исследуемого образца.
Измерять комплексную диэлектрическую и магнитную прони-
проницаемости на сантиметровых волнах можно также с помощью мето-
метода «двух толщин», который используют как в резонаторных, так и
волноводных методах [6, 23, 25]. Если применяют цилиндрический
резонатор, то обычно берут два образца в виде дисков, при этом
толщина одного из них в два разя больше толщины другого. При
измерении определяют положения поршня в момент резонанса для
случаев, когда нет образцов и при наличии их. Принимая во вни-
внимание, что измеряемые образцы имеют малые потери, в работе {S3]
были получены следующие формулы для определения ц и е:
A3.94)
е =
A3.95)
где Z — приведенное волновое сопротивление резонатора.
Метод «двух толщин» можно применить и к короткозамкнутому
волноводу [7]. В этом случае измеряют коэффициенты стоячей вол-
волны nij2 и расстояние /i,2 от минимума стоячей волны до передней
стенки образца и по формуле A3.85) рассчитывают входное сопро-
сопротивление волновода (^1,г).
Для расчета jx и е'используют формулы A3.89) и A3.90).
Коэффициент y вычисляют из уравнения
A3.96)
В другом варианте этого метода [17] измеряют коэффициент
отражения волны для двух образцов и рассчитывают входное со-
270
Ь
противление волновода. Магнитную и диэлектрическую проницае-
проницаемости определяют в этом случае по формулам
е =¦
/я V
(ВЦ
A3.97)
A3.98)
где а — размер широкой стенки прямоугольного волновода. Эти
параметры материала можно определять также по методу трех
реактивных нагрузок, который подробно описан в работе [9], и по
методу короткого замыкания и согласованной нагрузки [23].
§8. ИЗМЕРЕНИЕ КОМПОНЕНТ ТЕНЗОРА
МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ
В этом параграфе мы рассмотрим метод измерения комплекс-
комплексных составляющих тензора магнитной проницаемости и комплекс-
комплексной диэлектрической проницаемости [4, 20, 27, 36, 40]. Знание этих
величин имеет принципиально важное значение для решения мно-
многих задач, стоящих перед современной радиотехникой сверхвысо-
сверхвысоких частот, так как в последнее время находят большое примене-
ние приборы, основанные на использовании намагниченных фер-
ритов.
Если ферромагнитное вещество, например феррит, находится
под одновременным воздействием постоянного магнитного и высоко-
высокочастотного электромагнитного полей, то между векторами магнит-
магнитной индукции b и напряженностью к существует следующая зави-
симость:
A3.99)
б2=\ijiz.
Магнитная проницаемость описывается тензором вида
\i —ik О
О
о
о
где
Л.
нг
A3.100)
A3.101)
A3.102)
271
где Iz — намагниченность среды вдоль направления постоянного
поля, w — угловая частота колебаний, соо — угловая частота ферро-
ферромагнитного резонанса, Hz — напряженность постоянного магнит-
магнитного поля вдоль оси z.
Из приведенных выше формул видно, что составляющие тензо-
тензора комплексной магнитной проницаемости зависят от внешнего
постоянного магнитного поля, намагниченности образца и частоты
электромагнитных колебаний. Для получения расчетных формул
рассматривают бесконечно длинный прямоугольный волновод, в
средней части которого находится пластинка из феррита, и решают
задачу о распространении электромагнитной волны в этом волно-
волноводе. Постоянная распространения волны определяется при помо-
помощи следующего уравнения:
A3.103)
где yi* и Y2* — составляющие постоянных распространения волны
по оси х соответственно в феррите и в воздухе, уу — постоянная
распространения волны в волноводе, yz— постоянная распростра-
распространения по оси z, ti — толщина образца, t2 — расстояние от феррита
до стенок резонатора,
Из формулы A3.103) можно получить два уравнения для опре-
определения действительных и мнимых составляющих проницаемости.
Для этого в A3.103) подставляют комплексное значение входящих
в него величин, а именно \л, Ца, е, k, у\х, у2Х, \у После проведения
соответствующих преобразований получают два независимых урав-
уравнения:
+
tg y,Vi -
I\L
A3Л04>
A3.105)
где А, В, Е и D — некоторые коэффициенты (см. [4]).
Уравнение A3.104) дает возможность определить действитель-
действительные составляющие комплексной проницаемости, а уравнение
272
d
U
I
A3.105)—мнимые составляющие. Для получения расчетных фор-
формул уравнение A3.104) удобно записать в трех видах:
A3.106)
, A3.107)
, A3.108)
где
Ф =-
V2*
Из формул A3.104) и A3.106) можно получить простое выра-
выражение для определения \л±, если считать, что исследуемая пла-
пластинка феррита достаточно тонкая. Тогда при определенных усло-
условиях (А,»3 см) считается, что
^--y;1. A3.109)
В момент, когда резонансная частота равна частоте пустого ре-
зонатора, т. е. — =1, справедлива формула:
, Ь_
* * )
A3.110)
где Ь — длина резонатора, с — ширина резонатора, т, п — число
полуволн на ширине и длине соответственно, Дсо=со—соо — уход
частоты при наличии образца.
Для расчета мнимой составляющей р/' можно получить форму;
лу из уравнения A3.105). Для трехсантиметровых волн в случае
тонких пластинок величины, входящие в формулу A3.105), имеют
следующие значения [4]:
140,
273
следовательно,
2пя3
/2
'о
A3.111)
И-о
где
цом,
Ф
«рез
— — затухание резонатора с образ-
¦срез
— собственное затухание резонатора без образца.
Приведем формулы, позволяющие определить действительную
и мнимую составляющие проницаемости \i:
сае
, A3.112)
A3.113)
Из этих формул видно, что для определения ц, необходимо знать
не только [i_i, но и диэлектрическую проницаемость е.
Формулы для определения е' и е" имеют вид:
/ е' с2 / %У2х (Хо .л , Р±
'itgY2«^ •*
1
к
С2
Но
,2 (ХоН
, 03.114)
A3.115)
Приближенные формулы для расчета |jz ничем не отличаются
от соответствующих формул для расчета щ. Приведенные выше
формулы используются при исследовании тонких пластинок. Для
более толстых пластинок эти формулы дают значительные ошибки.
В этом случае можно пользоваться графическими методами для
определения величин ц, и е, которые подробно описаны в работе[4].
В заключение полезно привести формулы, которые нужны для
расчета составляющих тензора К:
A3.116)
A3.117)
1*0
Таким образом, для определения К' и /(" необходимо использо-
использовать измеренные величины \ц и \л.
274
Из указанных выше формул видно, что для расчета компонент
тензора магнитной проницаемости нужно определить изменение
резонансной частоты резонатора и затухание, которое вносит иссле-
исследуемый образец в резонатор.
Установка для измерения компонент тензора магнитной прони-
проницаемости показана ,на рис. 109. Колебания от клистронного генера-
генератора 1, пройдя аттенюатор 3, поступают в резонатор 4, где нахо-
находится исследуемый образец. Затем детектированные колебания по-
после усиления поступают непосредственно на вертикально отклоняю-
отклоняющие пластины осциллогра-
осциллографа 7. Одновременно часть
энергии с клистронного ге-
генератора идет на волно-
волномер 8 и через усилитель 6
на вертикальные пластины
осциллографа, на экране ко-
которого появляется резонанс-
резонансная кривая с меткой волно-
волномера в виде небольшого пи-
пика. При помощи этой метки
определяют значение резо-
резонансной частоты и ширину
полосы пропускания резо-
резонатора, которые дают воз-
возможность определить до-
добротность нагруженного и
нен а груженного резонатора. Для осуществления частотной моду-
модуляции на отражательный электрод клистрона подается пилообраз-
пилообразное напряжение F0 в, 1500 гц) от генератора 9. С этого же гене-
генератора напряжение подается на горизонтальные пластины осцил-
осциллографа.
Рассмотренный нами метод дает возможность измерять как
действительные, так и мнимые составляющие тензора магнитной
проницаемости. Измерения можно производить в широком диапа-
диапазоне волн @,8—20 см), причем область применения этого метода
в сторону длинных волн ограничивается размерами резонатора и
электромагнита. В области очень коротких волн возникают трудно-
трудности, связанные с применением тонких пластин. Если же использо-
использовать толстые образцы, то появляются затруднения как при расче-
расчетах, так и при осуществлении эксперимента. Следует при этом от-
отметить, что данный метод не требует тщательной обработки образ-
образцов, что, например, необходимо делать в волноводных методах.
Измерения производят при различных значениях подмагничи-
вающего поля, за исключением области, лежащей вблизи ферро-
ферромагнитного резонанса, где' появляются большие потери в образце.
Методы измерения компонент тензора магнитной проницаемости
были предложены и другими авторами. Так, метод, описанный в
работе [37], дает возможность на тонком диске из феррита измерять
275
Рис. 109. Блок-схема установки для из-
измерения компонент тензора магнитной
проницаемости:
/ — клистронный генератор, 2 — феррит-
ная развязка, 3 — аттенюатор, 4 — резо-
резонатор, 5 — детектор, б — усилитель, 7 —
осциллограф, 8 — волномер, 9 — генера-
генератор пилообразных напряжений, ЭМ —
электромагнит
действительные компоненты тензора (\ir и К') и сумму мнимых ком-
компонент. В этом методе образцы располагают перпендикулярно
постоянному магнитному полю, что требует учета размагничиваю-
размагничивающего фактора. Метод Никольского [19] может быть применен для
измерения компонент тензора ц и е в широком диапазоне подмаг-
ничивающего поля, но он не дает возможности измерять мнимые
составляющие тензора ферритов с малыми потерями. Таким же
недостатком обладает и метод Спенсера [38, 39]. В работе Спенсера
получены расчетные формулы при помощи теории возмущения
полного резонатора. Описание установок для измерения комплекс-
комплексной диэлектрической проницаемости и тензора магнитной воспри-
восприимчивости ферритов есть также в работах [14, 15, 37, 41, 42]. Теория
и методика измерения тензоров магнитной и диэлектрической про-
проницаемости в видимой 'И инфракрасной областях спектра подробно
изложены в работах Кринчика[10—12].
§ 9. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ФАРАДЕЯ
Сущность эффекта Фарадея, относящего к магнитооптическим
явлениям, состоит в. том, что при прохождении линейно поляризо-
поляризованного света через намагниченное вещество, например пленку,
происходит вращение плоскости поляризации и одновременно появ-
появляется круговая поляризация волны. Подробно теория этого явле-
явления описана в работах [16, 24, 27].
Если плоская электромагнитная волна проходит сквозь ферро-
ферромагнитное вещество, намагниченное вдоль распространения волны,
то плоскость поляризации волны повернется на некоторый угол.
При этом плоско поляризованная волна в намагниченном вещесг-
ве, которое находится в волноводе, разлагается на две волны с пра-
правой и левой круговой поляризацией, имеющих определенные фа-
фазовые постоянные. Так как эти две волны обладают различными
показателями преломления, то после прохождения среды возникает
волна с плоскостью поляризации, повернутой на некоторый угол
относительно плоскости поляризации падающей волны. Этот угол
определяется соотношением
A3.118)
где / — длина пути волны в ферромагнитном веществе, р± — фазо-
фазовая постоянная.
Для того чтобы найти угол поворота плоскости поляризации,
нужно знать р±, которая зависит от частоты волны и приложенного
магнитного поля. Определение этой постоянной выполняется на
основании знаний постоянных распространения двух эллиптических
поляризованных волн. Для этого совместно решают уравнения
Максвелла и уравнения, которые устанавливают зависимость меж-
276
ду переменной магнитной индукцией и приложенным переменным
полем при одновременном воздействии постоянного магнитного
поля; фазовую постоянную р определяют по формуле
X
и" -Ф- К"
где tgЬт = -?——г, tgbd =
A3.119)
—тангенс угла диэлектриче-
ских потерь, е=е'—/е"— комплексная диэлектрическая проницае-
проницаемость, |д,=ц/—/ц" — комплексная магнитная проницаемость, К=
= К'—\К" — некоторая комплексная величина, зависящая от вели-
величины магнитного поля и основных атомных констант.
Выражение A3.119) можно значительно упростить, если пред-
предположить, что магнитное поле в веществе достаточно мало и часто-
частота достаточно далека от частоты ферромагнитного резонанса и
магнитные потери ничтожно малы, т. е. tg6m=0. Тогда после соот-
соответствующих преобразований выражение A3.119) примет вид
A3.120)
где
Подставляя последнее уравнение в A3.118), получаем соотно-
соотношение для определения угла плоскости поляризации при условии,
что со>сйре3- Окончательно
где v—гиромагнитное отношение электрона, 1г — составляющая
намагниченности в направлении действия постоянного магнитного
поля.
Эффект Фарадея находит применение в технике связи. В элект-
электрической цепи стали применять так называемые г и р а т о р ы. Они
создают фазовый сдвиг на 180° после отражения волны. Примене-
Применение гиратора в электрических цепях дает возможность решать мно-
многие задачи. При помощи его можно построить эквивалентную цепь
ламповому усилителю, создать другие схемы, свойства которых
подобны ламповым приборам. Поэтому исследование эффекта Фа-
277
/2
/7
радея в ферромагнитных материалах, в частности в ферритах, пред-
представляет не только научный, но и большой практический интерес
[3, 5, 18, 26, 34, 35, 43, 44].
Для исследования эффекта Фарадея можно применить установ-
установку, блок-схема которой
показана на рис. ПО.
Для получения высо-
высокочастотных колебаний
используют клистронный
генератор 2 со специаль-
специальным блоком питания /.
Колебания от этого гене-
генератора поступают в вол-
новодный тракт, в начале
которого находится фер-
ритная развязка 3, устра-
устраняющая влияние отражен-
отраженной волны на работу ге-
генератора. Для измерения
коэффициента стоячей
волны КСВ, который ха-
характеризует степень наст-
настройки волноводной линии,
Рис. ПО. Блок-схема установки для иссле-
исследования эффекта Фарадея:
I — питание генератора, 2 — клистронный
генератор, 3 — ферритная развязка, 4 — ат-
аттенюатор, 5 — измеритель КСВ, 6 — усили-
усилитель, 7 — ламповый вольтметр, 8 — согласу-
согласующий трансформатор, 9 — поляризатор,
10 — переходные волноводы, // — круглый
волновод, 12 — исследуемый образец, 13 —
анализатор с лимбом, 14 — детекторная сек-
секция, 15 — усилитель, 16 — микроамперметр,
17 — соленоид
в цепь включают измерительный прибор 5 и усилитель 6. На мини-
минимум КСВ линию настраивают с помощью согласующего трансфер-
матора 8.
Волноводная линия собирается из прямоугольных волноводов
сечением 10X30 мм2, в которых создаются электромагнитные вол-
волны типа Ню- С помощью переходного волновода 10 эти волны
преобразуются в круглом волноводе 11 в колебания типа Яц.
В круглом волноводе, где располагается исследуемый образец 12,
плоскость поляризации волны поворачивается на некоторый угол ф.
Дальше волна, пройдя через переходник 10, поступает в прямо-
прямоугольный волновоД, где она опять трансформируется в волну типа
#ю. Угол поворота плоскости поляризации при данном значении
постоянного поля определяется по максимуму мощности высоко-
высокочастотных колебаний, которые поступают из анализатора 13 в де-
детекторную секцию 14. Для измерения угла ф на анализаторе 13
имеется лимб с делениями. В момент измерения прибор 16 должен
показывать максимальное отклонение. При помощи данной уста-
установки можно производить исследования температурной зависи-
зависимости эффекта Фарадея.
Ч
ЛИТЕРАТУРА
1. Аркадьев В. К. Электромагнитные процессы в металлах, ч. I. M.—Л.,
ГЭИ, 1934; ч. II, 1936.
2. А к у л о в Н. С, К р и н ч и к Г. С. Изв. АН СССР, 16, № 5, 523, 1952.
278
Нуралиева Р. Д. ЖЭТФ, 36, 1022, 1959.
Четкий М. В. Ферриты. Минск, 1960, стр. 578.
Изв. АН СССР, сер. физ., 16, № 4, 510, 1952.
3. Б а б к и н Н. И., Литвинов Г. Д. Радиотехника и электроника 5,
№ 1, 169, 1960.
4. Васильев В. Н. Радиотехника и электроника, Т, № 11, 1444, 1956.
5. Г у р е в и ч А. Г. Ферриты на сверхвысоких частотах. М., ГИФМЛ, 1960.
6. 3 а л ь ц м а н Е. Б. Радиотехника и электроника, 3, № 7, 955, 1958.
7. Зальцман Е. Б. Измерительная техника, № 2, 51, 1957.
8. Кифер И. И., П а н тюш и н В. С. Испытание ферромагнитных мате-
материалов. М—Л., ГЭИ, 1956.
9. К о л л и Я. Н., Поливанов К. М. Изв. АН СССР, 23, № 3, 382,
1954,
10. Крин чи к Г. С. ФММ, 7, 181, 1959; Изв. АН СССР, сер. физ., 21, № 9,
1293, 1957.
11. Кринчик Г. С,
12. Кринчик Г. С,
13. Л а з у к н н В. Н.
14. М а ш Д. И., Н и к о л ь с к и й В. В. ЖТ Ф, 29, № 9, 1070, 1959.
15. М а ш Д. И., С к в о р ц е в В. И. ЖТФ, 32, № 4, 435, 1962
16. М и к а э л я н А. Л. УФН, 51, вып. 2, 205, 1953.
17. Микаэлян А. Л. Радиотехника и электроника, 3, № 7, 957, 1958
18. Непримеров Н. Н. Изв. АН СССР, сер. физ., 18, № з, 368, 1954.
19. Н ико л ь ск и й В. В. Радиотехника и электроника, 1, № 4 447- № 5,
638, 1956.
20. П и л ь щ и к о в А. И., С о л о в ь е в В. И. Вести Моек ун-та, сер. физ.
№ 4, 53, 1961. '
21. Пояркова В. Е. Исследование комплексной проницаемости мягких
магнитных материалов в области звуковых частот. Дисс. МГУ, 1956.
22. Рабкин Л. И. Высокочастотные ферромагнетики. М., Физматгиз, 1960.
23. Сарафанов В. И. Радиотехника и электроника, 1, № 3, 320, 1956
24. Соколов А. В. УФН, 50, вып. 2, 205, 1953.
25. Техника измерения на сантиметровых волнах. М., «Советское радио»,
1949. ,
26. Ф о к с А. Д., М и л л е р С. Е., В е й с М. Т. Свойства ферритов и их
применение в диапазоне СВЧ. М., «Советское радио», 1956.
27. Хоган К- Вопросы радиолокационной техники, вып. 4A6), 1953,
стр. 37.
28. Ш р а м к о в Е. Г. Электрические и магнитные измерения. М.—Л ,
•; ОНТИ, 1937.
¦ 29. «Ферромагнитный резонанс», под ред. С. В. Вонсовского. М., Физматгиз,
1961.
F 30. «Ферромагнитный резонанс». Сб. статей под ред. С. В. Вонсовского М.
ИЛ, 1952.
31. V а п d е г В u r g t С. М., G e v e r s M. and W i j п Н Р Philips. Tech
Rev., 14, 245, 1953.
32. J о h п s о n M. H. and R a d о G. Т. Phys. Rev. 75, 841, 1949
* 33. В i r k s J. B. Proc. Phys. Soc, 60, 282, 1958.
\ 34. С о z z i n i A. Nuovo Cimento, 8, 928, 1951.
35. D i 11 о п J. E. J. Appl. Phys., 29, № 3 1958.
¦ 36. R a d о G. T. Phys. Rev., 89, 529, 1953.
i 37. R о w e n J. H., А и 1 в с k W. Phys. Rev., 96, 1151, 1954.
38. S p e п с e r E. G., LeCraw R. С J. Appl. Phys., 26, 2, 250, 1955.
39. S p e п с e r E. G., L e Craw R. С, А и 11 L. A. J. Appl Phys., 28, 1, 130
1957.
40. Polder D. Phil. Mag., 40, 99, 1949.
41. Carter W. S. Marconi Rev., 22, 134, 154, 1959.
42. Dachert F., Schmouchkovitch A. J. Phys. Rad. 21, No. 3, 57A
1960.
43. Roberts F. F. J. Phys. Rad., 12, 305, 1951.
: 44. R у t e r C, L а с г о i x R., E x t e r m a n n R. Helv. Phys acta. 23 539
1950. ' ' '
45. Давыдов Л. А. ПТЭ, № 4, 196, 1965.
ГЛАВА ЧЕТЫРНАДЦАТАЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ ФЕРРО-
И ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
§ 1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
ФЕРРОМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
Еще в начале этого века Аркадьев [7] высказал мысль, что в
переменных магнитных полях в ферромагнитных телах должен
наблюдаться резонанс элементарных носителей магнитного мо-
момента— естественный ферромагнитный резонанс,
и он же впервые наблюдал подобный ферромагнитный резонанс
в железных и никелевых проволоках. Впервые объяснение этого
явления было дано Дорфманом A3]. В 1935 г. Ландау и Лиф-
шиц [26, 38] разработали общую теорию поведения ферромагнит-
ферромагнитных кристаллов в переменных магнитных полях с учетом струк-
структуры ферромагнитных областей и получили формулу для ферро-
ферромагнитного резонанса. Позже Киттель [40], обобщив результаты
исследования Ландау и Лифшица, учел действие поверхности об-
образца и магнитной анизотропии и получил для резонансной ча-
частоты vo формулу
v0 = Y {[Яг + 4я (iV, - W2)/г + ф1]} Яг +
+ 4я(^-Лд/г + <р2]}2, A4.1)
где у — гиромагнитное отношение элементарных носителей магнит-
магнитного момента, Нг — постоянное магнитное поле, направленное по
оси z, 1г — составляющая намагниченности насыщения вдоль этого
направления, Nx, Ny и №г — размагничивающие факторы вдоль осей
х, у и г; фь фг — члены, учитывающие влияние магнитной анизо-
анизотропии.
В частном случае, когда, например, образец представляет собой
тонкую пластинку и поле направлено параллельно плоскости- пла-
пластинки, Nx=Nz = 0 и Ny=l. Пренебрегая поправками на анизотро-
анизотропию (ф1 = ф2 = 0), формулу A4.1) запишем
A4.2)
280
Если внешнее поле направлено перпендикулярно плоскости пла-
пластинки, то Nx = Ny=0. Резонансная частота определяется в этом
случае так:
A4.3)
Для образца в форме шара имеем
v0 = yHz.
A4.4)
Поправочные члены ф1 и ф2 в общем случае имеют сложный
вид D, 5], но для кристаллов кубической формы, если плоскость xz
совпадает с плоскостью [001], эти члены определяют по следующим
простым формулам:
cos 46; (p2=|j-C + cos46),
A4.5)
где 6 —угол между полем Н и направлением [001], а К\ — постоян-
постоянная анизотропии.
Формулы A4.5) дают возможность определить константу ани-
анизотропии.
Ферромагнитный резонанс во внешнем магнитном поле в ни-
никеле и железо-кремневых сплавах изучал Завойский [18], который
создал высокочувствительную установку, основанную на методе
вариации потерь в контуре. Почти одновременно этот эффект в
ферромагнитных металлах обнаружил Гриффите [41]. Он применял
для этой цели волновод с полым резонатором. В дальнейшем это
явление было исследовано в других металлах и в ферромагнитных
полупроводниках —ферритах [31, 42—46]. В этих и многих других
работах определяли ширину резонансной линии и ее изменение
с температурой и рассчитывали гиромагнитное отношение у или
значение фактора Ланде g. Оказалось, что между значениями g,
определенными из опытов по ферромагнитному резонансу и из
гиромагнитных опытов, есть расхождение. В последнее время фер-
ферромагнитный резонанс исследовали в ферромагнетиках нового
типа, ферритах со структурой граната D7, 78]. У ферритов-гранатов
обнаружена самая узкая ширина резонансной линии («8 а/м).
Ферромагнитный резонанс можно исследовать при помощи ре-
резонансной полости, в которую помещают исследуемый металл в
форме пластинки или образец из его порошка. При этом произ-
производят измерение добротности полости. На рис. 111 показана прин-
принципиальная схема установки для исследования ферромагнитного
резонанса, которая была применена в работе [44].
Источником высокочастотных колебаний является клистронный
генератор /. Прямоугольные колебания подают на отражатель, ко-
который модулирует высокочастотные колебания. Калиброванный
аттенюатор 3 регулирует амплитуду этих колебаний, которые ча-
частично отражаются резонансной полостью, расположенной на одном
конце волновода. Отраженная мощность микроволнового излуче-
281
ния поступает в кристаллический детектор 12 через направленный
ответвитель 4 и выпрямляется. Затем выпрямленный сигнал прохо-
проходит через узкополосный усилитель 14 и синхронизированный де-
детектор.
При отражении высокочастотных колебаний от резонансной по-
полости образуются стоячие волны, коэффициент которых можно
Рис. 111. Блок-схема установки для изучения ферромагнитного
резонанса:
1 — клистрон, 2 — генератор прямоугольных колебаний, 3 —
калиброванный аттенюатор, 4 — направленный ответвитель,
5 — индикатор стоячей волны, 6 — слюдяное окошко, 7 —
трубка, соединяющаяся с насосом, 8 — охлаждающая водяная
рубашка, 9 — полюсные наконечники электромагнита, 10 —
резонансная полость, // — печь, 12 — кристаллический детек-
детектор, 13— аттенюатор, 14 — узкополосный усилитель, 15 — син-
синхронизированный усилитель, 16 — спектральный анализатор,
17 — катодный осциллограф, 18 — исследуемый образец
измерить при помощи индикатора стоячих волн. Для определения
частотных характеристик кристаллического детектора 12 и усили-
усилителя 15 используют калиброванный аттенюатор 3. В случае необ-
необходимости высокочастотные колебания можно направить в спек-
спектральный анализатор 16, где с помощью волномера измеряется
частота. Резонансная полость 10 прямоугольного сечения является
частью волновода. С одной стороны она заканчивается пластиной
из ферромагнитного материала, а с другой — связана с окоп/ком
волновода, через который можно возбуждать колебания опреде-
определенного типа. Следует отметить, что размеры диафрагмы (окошка)
выбирают таким образом, чтобы резонансная полость имела сла-
слабую связь с волноводом. Отраженная мощность излучения должна
составлять 10—20% падающей мощности.
Резонансную полость с образцом помещают в пространство
между полюсами 9 электромагнита, создающего постоянное маг-
магнитное поле напряженностью до 1,6» 1СР а/м. Ширина зазора между
полюсами электромагнита позволяет поместить там резонансную
полость вместе с печью 11 для проведения исследования при раз-
различных температурах. Температуру измеряют с помощью платино-
282
платино-родиевой термопары, один конец которой прикреплен к тор-
торцовой стенке резонансной полости. Для предохранения стенок поло-
полости от окисления в ней создан вакуум порядка 10~2—10~3 ммрт. ст.
Волновод охлаждается проточной водой, которая протекает че-
через охладительную рубашку.
При проведении эксперимента необходимо особое внимание
уделить изготовлению образца из исследуемого материала. При
этом следует помнить, что образцы не должны иметь внутренних
напряжений и поверхностных загрязнений, так как глубина про-
проникновения высокочастотного электромагнитного поля равна при-
приблизительно 10~3—Ю-4 мм. Для изготовления образцов можно
использовать электролитическую фольгу толщиной 0,1 мм. После
того как из фольги будут вырезаны образцы нужных размеров, их
припаивают золотом к держателю из меди, имеющему вид диска,
и подвергают температурному отжигу в течение часа при 1100°К-
Затем образец вместе с печью медленно охлаждается до комнат-
комнатной температуры. Чтобы поверхность образца была гладкой, ее
полируют. После всех этих операций образец припаивают серебром
к концу волновода. Следует помнить, что припой не должен про-
проникать на внутреннюю поверхность стенок волновода. Поэтому
пайку следует проводить аккуратно и желательно в атмосфере
очищенного водорода. Чтобы убедиться в правильности проведен-
проведенной пайки, нужно провести исследование с другой полостью, в ко-
которой образец плотно прижимается к узкому краю стенки волно-
волновода. При измерениях частота медленно изменяется до тех пор,
пока минимальное отражение в направленный ответвитель не по-
покажет на резонанс в полости. Коэффициент стоячей волны напря-
напряжения в момент резонанса выражается так:
Qe
Qe
где
1
A4.6)
Qu Смед Сфер К
потери в медной и ферромагнитной стенках,
Умед Уфер
Qe — внешняя добротность, которая определена как отношение
запасенной энергии к энергии, расходуемой на внешней нагрузке,
Qu — добротность ненагруженной полости.
Для вычисления коэффициента стоячей волны можно также
использовать формулу
± «fr A47)
где Рг — отраженная мощность на выходе направленного ответ-
вителя.
При применении последней формулы не нужно знать зависи-
зависимость р в функции постоянного магнитного поля Но при различ-
различных температурах. В этом случае при каждом цикле измерения р
измеряется индикатором стоячей волны только при двух значе-
значениях Но. В других точках определяют только Рг. Нахождение
283
коэффициента стоячей волны р последним методом дает более
точные результаты, особенно вблизи максимума поглощения, где р
становится очень большим. Полную добротность полости опреде-
определяют по измерению зависимости коэффициента стоячей волны
напряжения от частоты. Применяя соотношение A4.6) и формулу
-i- = —+ — A4.8)
Q Qu Qe' К
можно найти Qu и Qe.
Добротность <2мед вычисляют из геометрических размеров резо-
резонансной полости и из данных проводимости меди. Тогда, используя
формулу A4.6), можно рассчитать <2феР, а для вычисления прони-
проницаемости цд применить формулу
A4.9)
Сфер
где Qo — добротность стенки при условии, что ее проницаемость
равна единице.
Вычисление цд по формуле A4.9) дает значение этой величины,
которое отличается от истинного раза в три и более, что связано
с большой ошибкой в определении QMeK (до 30%). Такая погреш-
погрешность является результатом различных дефектов на поверхности
образца, потерь в местах припоя и в зажимных соединениях. Чтобы
избежать этих ошибок, обычно берут два значения проницаемости
Цд и ц'я, которые соответствуют двум значениям магнитного поля
Но и Н'о, и для них определяют коэффициенты стоячей волны
Р и р'. Тогда из соотношений A4.6) и A4.9) можно получить вы-
выражение следующего вида:
2
A4.10)
За эталонное значение ц'я берут предельное значение прони-
проницаемости для больших значений магнитных полей Но. Ошибка, при
определении абсолютных значений цд этим методом довольно ве-
велика и может достигнуть 20—25%.
Установка, показанная на рис. 111,.. не дает возможности вести
измерения при различных частотах и, как уже отмечалось выше,
имеет сравнительно невысокую точность измерения.
Лазукин [27] для изучения ферромагнитного резонанса при-
применил метод, основанный на использовании стоячих волн внутри
коаксиального волновода, куда помещают исследуемый образец.
Этот метод в некоторой мере устраняет отмеченные выше недо-
недостатки. У коаксиального волновода отсутствует излучение электро-
электромагнитной волны во внешнее пространство и его можно использо-
использовать в широком диапазоне частот. Измерительная линия в этой
284
установке состояла из латунной трубки с внутренним диаметром
16 мм. Вдоль оси этой трубки расположен стержень диаметром
5 мм. Один конец трубки соединен с генератором сантиметровых
волн, на другом ее конце находится исследуемый образец, кото-
который вставлен внутрь линии. Генератор подключали к измеритель-
измерительной линии с помощью коаксиального кабеля или специальной ге-
генераторной головки.
Для получения лучшей стабильности частоты осуществлялась
двойная стабилизация питающего напряжения: ферромагнитным
и электронным стабилизаторами. Это давало возможность поддер-
поддерживать частоту клистрона с точностью до 0,1%'. Чтобы нагрузка
в линии не влияла на режим работы генератора, между нагрузкой
и генератором вводили поглощающее сопротивление, которое обес-
обеспечивало нужную развязку. Измерительная линия на протяжении
200 мм имела узкую щель, через которую в полость вводили зонд,
укрепленный на каретке. Каретка могла свободно перемещаться
вдоль щели с помощью микрометрического винта. Положение ка-
каретки и зонда отсчитывали с точностью до 0,01 мм.
Энергия резонатора отсасывалась прямоугольной петлей и по-
подавалась на высокочастотный кристаллический детектор, который
был соединен с высокочувствительным гальванометром. При по-
погружении зонда в измерительную полость изменение интен-
интенсивности колебаний не наблюдалось до 0,5 мм глубины погруже-
погружения, а форма волны заметно искажалась только при погружении
зонда на 1—1,5 мм.
Исследуемое вещество применяли в виде порошков и лент. Из
мелкодисперсного порошка — ферромагнетика и диэлектрика при-
приготовляли смесь, из которой затем изготовляли нужной формы
образец. Размеры зерен порошка не превышали 5 мк, а объемная
концентрация ферромагнитной компоненты составляла 60—70%.
Такие условия обеспечивали изоляцию зерен друг от друга.
Для определения комплексной магнитной проницаемости изме-
измеряли коэффициент стоячей волны р, смещение узлов А/, длину
волны I и толщину образца d. Измерение длины волны произво-
производили по двум узлам стоячей волны напряжения. Положение узла
отмечали как среднее между двумя положениями зонда по обе
стороны узла в тот момент, когда ток через детектор имел одина-
одинаковое значение. Два последовательных положения минимума поз-
позволяют определить смещение узлов стоячей волны А/. Если коэф-
коэффициент стоячей волны р нельзя измерить непосредственно как
отношение 'мвн , то он рассчитывается по формуле
sin-
2пх
¦ — cos ¦
2пх
A4.11)
285
где ix и /„ин — сила тока, измеренная в минимуме и на расстоя-
расстоянии х от узла.
Исследование резонансного поглощения производили в следую-
следующем порядке. Прежде всего образец помещали в измерительную
линию около поршня и вместе с ней располагали между полюсами
электромагнита. Не меняя частоту генератора, измеряли смещение
узлов А/ и коэффициент р при нескольких значениях напряженно-
напряженности магнитного поля. Затем образец перемещали на расстояние
четверти волны от поршня, опять устанавливали в прежнее поло-
положение между полюсами электромагнита и производили те же из-
измерения.
Для расчета комплексной магнитной проницаемости используют
формулу
A4.12)
где коэффициенты А\ и Л 2 являются сложными функциями вели-
величин р, Al,dn%o [27].
По формуле A4.12) можно точно определить ц. Однако для
вычисления этой величины по данной формуле необходимо много
времени. Можно получить приближенное, но более простое выра-
выражение для определения ц, разлагая в A4.12) Arcth \—t~) B РЯД
и ограничась первым членом разложения. В этом случае действи-
действительная и мнимая части комплексной проницаемости записыва-
записываются так:
A4.13)
A*4.14)
2nd 1 + Pf tg8 —^- (
L ' "o
После дальнейшего упрощения получим
2nd
A4.15)
Эксперимент показывает, что кривые, полученные по точной
формуле A4.12) и по приближенным A4.15), дают одно и то же
значение резонансного поля.
280
В заключение рассмотрим высокочувствительную схему, осно-
основанную на использовании разделительного кольца [28]. Эта схема
позволяет наблюдать ферромагнитный резонанс на частоте
9,2-Ю-3 Мгц. На рис. 112 показана блок-схема установки.
Как видно из рисунка, мощ-
мощность микроволнового излучения
от клистронного генератора / по-
подается через плечо / на раздели-
разделительное кольцо 2. В кольце мощ-
мощность делится на две части, кото-
которые поступают в плечи // и IV.
В плече // имеется волновод с
поршнем, к которому прикрепля-
прикрепляли исследуемый образец. Отра-
Отраженная мощность в плече // де-
делится между плечами / и ///.
В плечах /// находится детектор.
Ферритовые вентили 12, находя-
находящиеся в плечах I—III—IV, раз-
развязывают генератор от раздели-
разделительного кольца и не дают воз-
возможности пропускать отражен-
отраженную мощность от трактов /// и
IV. Для получения постоянного
магнитного поля напряженностью
до 1Об а/м используют электро-
электромагнит, полюсные наконечники
которого имеют диаметр 160 мм.
Кривые резонансного погло-
поглощения наблюдают на экране ос-
осциллографа, развертка луча ко-
которого синхронизирована с часто-
частотой модулирующего поля, созда-
создаваемой катушками 15. Исследуе-
Исследуемые образцы можно использо-
использовать или в виде полушара (мо-
(монокристаллы) диаметром от 2 до
5 мм или в форме шариков (по- ' *—J
ликристаллы) диаметром от 1 до 3 мм. Эта установка позволяет
исследовать ферромагнитный резонанс как при комнатных, так и
при низких температурах.
Как мы уже отмечали, ширина резонансной кривой поглоще-
поглощения показывает зависимость поглощаемой мощности в исследуемом
образце от величины постоянного магнитного поля. Эту величину
определяют ядерным или парамагнитным датчиком, который поме-
помещают в магнитном поле рядом с образцом. На кривой поглощения,
наблюдаемой на экране осциллографа, есть метка датчика, соот-
соответствующая кривой поглощения ядерного или парамагнитного
287
Рис. 112. Блок-схема установки с
разделительным кольцом для иссле-
исследования ферромагнитного резонан-
резонанса:
/ — генератор, 2 — разделительное
кольцо, которое заменяет двойной
тройник, 3— отрезок волновода с
поршнем и образцом, 4 — датчик
измерителя поля, 5 — детектор,
6 — протонный измеритель напря-
напряженности поля, 7 — усилитель низ-
низкой частоты, 8 — осциллограф,
9 — электромагнит, 10 — волномер,
11 — согласователи, 12 — феррито-
ферритовые вентили, 13 — держатель об-
образца, 14 — исследуемый образец,
15 — модулирующие катушки
;
резонанса. Эта метка и дает возможность измерить ширину кри-
кривой поглощения.
В работе [6] разработан метод определения ширины линии по
изменению частоты высокочастотных колебаний. Для этой цели
применяют эхорезонатор, метка от которого находится также на
кривой поглощения. Этот способ измерения ширины линии в основ-
основном применяют для измерения очень узких кривых поглощения.
§ 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО
ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
Электронный парамагнитный резонанс был открыт Завойским
[15—18]. Вслед за этим началось усиленное исследование парамаг-
парамагнитного резонанса и к настоящему времени есть большое количе-
количество работ, посвященных изучению этого явления.
Исследование парамагнитного резонансного поглощения имеет
большое значение для изучения строения твердого тела. На осно-
основании экспериментальных данных можно получить весьма ценные
сведения о силах и взаимодействиях в твердом теле, об электрон-
электронной структуре и отдельных энергетических уровнях, о релакса-
релаксационных процессах. Парамагнитный резонанс имеет место в том
случае, когда при наложении переменного магнитного поля час-
частоты v, перпендикулярного полю Но, будет выполняться условие
hv=gfiH0. Как уже говорилось выше, при изучении поведения ве-
вещества в переменных магнитных полях основной характеристикой
является комплексная магнитная восприимчивость %=%'—1%". При
теоретическом и экспериментальном исследовании парамагнитного
резонанса обычно устанавливают зависимость коэффициентов
%' и %" от частоты переменного магнитного поля и напряженности
постоянного поля [1, 2, 23, 25, 30]. В большинстве случаев опре-
определяют зависимость %" от величины поля Но при v = const. Вычис-
Вычисление коэффициента %" можно сделать по формуле
(У-Ур)г
20"
A4.16)
где
Хо — статическая восприимчивость, Av — ширина линии поглощения
на высоких частотах, v — частота переменного поля, Но— значение
напряженности внутреннего магнитного поля. ч
Иногда для расчета %" пользуются более простой формулой,
которая отличается от A4.16) вторым экспоненциальным членом.
В настоящее время для исследования парамагнитного резо-
резонанса используют методику, которая основана на определении из-
288
менения какого-либо параметра электрической схемы. При иссле-
исследовании в радиочастотном диапазоне A06—109 гц) изучаемое
вещество помещают в катушку самоиндукции, которая является
частью контура электронного автогенератора. Измерение в этой
области частот, как правило, проводят при помощи метода реакции
на генератор, предложенный Завойским, и по методу определения
изменения добротности колебательного контура. Если исследова-
исследование проводят в микроволновом диапазоне A010—10й гц), то иссле-
исследуемое вещество помещают в резонансную полость, которая рас-
расположена между полюсами электромагнита таким образом, чтобы
переменное и постоянное магнитные поля, действующие на это
вещество, были ориентированы взаимно перпендикулярно.
В процессе измерения частоту электромагнитных колебаний
в полости поддерживают постоянной, изменяется напряженность
постоянного магнитного поля. При измерении в этом диапазоне
частот применяют два основных метода. Первый метод — метод
проходящей волны — основывается на детектировании пара-
парамагнитного поглощения по изменению мощности, проходящей че-
через резонансную полость. Второй метод—метод отраженной
волны — основан на измерении мощности, отраженной от полости.
Когда имеется широкая линия поглощения, измерение можно
выполнять при данной напряженности постоянного поля, причем
генератор настраивают в резонанс полости. Выходящая мощность
из полости подается на детектор, после чего выпрямленный сигнал
вызывает отклонение подвижной части гальванометра.
Если нужно исследовать не слишком широкую линию парамаг-
парамагнитного поглощения, можно использовать метод, который был
впервые применен Завойским [15]. В этом методе осуществляется
модуляция постоянного магнитного поля полем звуковой частоты.
Модуляция мощности получается в том случае, если амплитуда
модуляции захватывает область парамагнитного резонанса. Мощ-
Мощность усиливается и подается на осциллограф, горизонтальная
развертка которого синхронизирована с полем модуляции. При та-
таком способе изучения парамагнитного резонанса на экране осцил-
осциллографа будет изображена зависимость %"(Но)- При детальном
исследовании спектра удобнее использовать малую амплитуду мо-
модуляции по сравнению с шириной изучаемой линии. Тогда при
медленном изменении напряженности поля Но получается кривая
зависимости — от Но, которую записывает самописец (еамопишу*
dH0
щий потенциометр).
При создании экспериментальной установки для исследования
электронного парамагнитного резонанса следует выбрать такой
метод, который дает возможность наиболее детально изучить ли-
линии поглощения. Ширина линии поглощения в случае электронного
парамагнитного резонанса зависит от многих факторов. Естествен-
Естественная ширина линии, которая пропорциональна кубу частоты и равна
в микроволновой области около К)-4 гц, возникает в результате
Ю Зак. 262
289
конечного времени нахождения атома в данном состоянии. Эта
ширина обычно намного меньше наблюдаемой на опыте. Прежде
всего линия расширяется за счет спин-решеточной релаксации,
возникающей в результате взаимодействия парамагнитного иона
с тепловыми колебаниями решетки. Теория спин-решеточной ре-
релаксации подробно рассмотрена в работах [49—51]. Расширение
"линии в результате этого взаимодействия можно значительно
уменьшить, если исследование выполнять при низких температурах
от4до20°К.
Спин-спиновое взаимодействие вызывает также уширение ли-
линии. Это происходит потому, что каждый магнитный момент, пре-
цессируя вокруг направления поля, создает дополнительное магнит-
магнитное поле вблизи соседнего парамагнитного иона [52, 53].
Кроме того, составляющая вектора магнитного момента, взаи-
взаимодействуя с другими спинами, которые прецессируют с такой же
частотой, индуцирует переходы. Для уменьшения этого уширения
следует разбавить исследуемую парамагнитную соль диамагнит-
диамагнитным веществом, например двойным сульфатом титановых солей.
"На ширину линии поглощения большое влияние оказывает также
Обменное взаимодействие; которое, как известно, может возник-
возникнуть в том случае, когда парамагнитные ионы расположены близко
друг от друга. Это взаимодействие существует у большинства не-
'разведенных парамагнитных солей; Если есть неэквивалентные
ионы, то уменьшить уширение линии можно также методом раз-
разведения. ¦
\ ... Уширение линии вызывается эффектом насыщения, который
'возникает в том случае, когда мощность имеет такую величину,
что тепловое равновесие системы не восстанавливается обычными
релаксационными процессами. При парамагнитном резонансе этот
эффект возникает только при больших мощностях.
На ширину линии влияет также неоднородность магнитного
поля. Поэтому для получения магнитных полей с большой одно-
однородностью предпринимают специальные меры, как, например, шли-
шлифовка, и полировка полюсных наконечников, изготовление борти-
бортиков^ расположенных по краям зазора. При исследовании электрон-
"ного парамагнитного резонанса иногда необходимо иметь однород-
однородные магнитные поля с точностью до третьего знака A0-3а/л<).
1 Теоретическую предельную чувствительность спектрометров
•определяют: минимальным значением мнимой части восприимчи-
восприимчивости х", которое может быть зафиксировано. Это значение оцени-
оценивают из. выражения
A4.17)
..:: ' . . : -мин ¦-nQ.il V :2Р„ /
где Qo-^1 добротность резонатора при отсутствий потерь образца,
'-t[-^ фактор Заполнения, зависящий от конфигурации поля в резо-
''¦¦'¦"i"'1"—-отношения ;объем а образца к объему резонатора,
Af — ширина полосы, Ро— мощность генератора и G — коэффи-
коэффициент шума детектирующей системы.
Если принять, что G=\, то в 3-сантиметровом диапазоне с
Ро = 100 вт при Af=l гц Q=5-103 теоретическое минимальное зна-
значение х"мин будет равно ~10~14 при комнатной температуре.
Однако фактически получаемая в спектрометрах чувствительность
значительно ниже указанной величины.
Первое время при исследовании широких и интенсивных линий
поглощения применяли спектроскопы, основанные на измерении
сигнала по постоянному току.
В этом случае используется I 7
чувствительный гальванометр,
на который подают выпрям-
выпрямленный сигнал. Величину пара-
парамагнитного поглощения опре-
определяют для различных значе-
значений напряженности постоян-
постоянного магнитного поля, и кри-
кривая поглощения строится «по
точкам» [54].
Блок-схема простейшего
радиоспектроскопа для иссле-
исследования парамагнитного, резо-
резонансного поглощения, основан-
основанного на методе проходящей
волны, показана на рис. 113
[20, 71].
Мощность от клистронного
генератора /, пройдя феррйто-
вую развязку 2, попадает в ре-
резонатор 3, где находится иссле-
исследуемый образец 9. Сигнал, по-
получаемый с выхода резонатора, детектируется, а затем усиливает-
усиливается и подается на вертикальные пластины осциллографа 6. При ис-
исследовании парамагнитного резонанса, когда нужно обнаружить
новую линию в спектре, обычно меняется величина напряженности
постоянного магнитного поля, а частота высокочастотного поля
остается постоянной. Поэтому перед началом измерения волнрвод-
ную линию настраивают на одну частоту. На отражательный клист-
клистрон, как видно из схемы, подают модулирующее напряжение с ча-
частотой 50 гц, при этом за один период, этого напряжения область
генерации проходят дважды; Получаемый;сигнал, который исполь-
используют для согласования генератора; с ¦ воя дев одной, линией, ^усили-
^усиливается и подается на вход.осциллографа. ;•• г-;:.-.;. -v
Сигнал на выходе всей линии] имеет форму резонансной кривой
резонатора. Настройку резонатора на частоту генератора выпол-
выполняют при помощи этого сигнала;: Кроме,того, его используют для
согласования выходного плеча волноводнрй линии,-Следует, одна-
50 гц
Рис. 113. Блок-схема микроволнового
спектроскопа с низкочастотно* моду-
модуляцией магнитного поля:
/ — генератор, . 2— феррнтовая раз-
развязка, 3 — резонатор, 4.-г- детектор,
5 — усилитель низкой частоты, 6 —
осциллограф, 7 — электромагнит, 8—
модулирующие катушки, 9 — иссле-
исследуемый образец, 10 — фазовраща-
фазовращатель, // — контроль частоты
10*
291
ко, отметить, что спектроскопы подобного типа обладают невысокой
чувствительностью. У них существуют довольно большие низко-
низкочастотные шумы, и из-за широкой полосы пропускания отношение
сигнал/шум имеет небольшую величину.
На методе проходящей волны основан радиоспектроскоп ЭПА-2,
в котором применена высокочастотная модуляция и система авто-
автоматической подстройки частоты (блок-схема этого радиоспектро-
радиоспектроскопа показана на рис. 114). Высокочастотную энергию
,т осциллографу
Рнс. 114. Блок-схема радиоспектроскопа:
/ — клнстронный генератор, 2 — волноводы, 3 к 10 — ферритовые
вентнлн, 4 — аттенюатор, 5 н 8 — согласующие трансформаторы,
6 — резонатор, 7—модуляционная петля, 9 — детектор, )/ — син-
синхронный детектор, 12 — усилитель постоянного тока, 13 — самопи-
самопишущий потенциометр, 14 — усилитель сигнала АПЧ, 15 — детектор,
16 — генератор, 17-—модулятор, 18—стабилизированный источник
питания электромагнита и генератор развертки магнитного поля,
19 — электромагнит
(9300 мгц), излучаемую клистронным генератором 1 при помощи
волноводов 2, подают в резонатор (поглощающую ячейку) 6, в ко-
котором находится исследуемое вещество. Резонатор расположен
между полюсами электромагнита 19, создающего постоянное маг-
магнитное поле, перпендикулярное высокочастотному полю в резона-
резонаторе. При напряженности постоянного магнитного поля, удовле-
удовлетворяющей резонансным условиям, поглощение высокочастотной
энергии парамагнитным веществом возрастает и величина Доброт-
Добротности резонатора уменьшается, что вызывает изменение проходя-
проходящей на детектор 9 мощности СВЧ.
На сильное магнитное поле при помощи петли индуктивности 7,
расположенной в резонаторе и питаемой от модулятора 17, накла-
накладывается переменное поле небольшой амплитуды частоты 910 кгц.
292
Благодаря этому на детекторе 9 появляется сигнал ЭПР синусои-
синусоидальной формы этой же частоты, амплитуда которого пропорцио-
пропорциональна крутизне линии поглощения в точке, соответствующей дан-
данному мгновенному значению Н. Далее сигнал ЭПР усиливается
узкополосным усилителем 12 и детектируется синхронным детек-
детектором И, управляемым опорным напряжением от модулятора 17.
На выходе синхронного детектора получается сигнал постоянного
напряжения, пропорциональный первой производной линии погло-
поглощения в точке, соответствующей данному Н. Это напряжение уси-
усиливают A2) и подают на самопишущий потенциометр ЭПП-09 A3).
При помощи генератора развертки 18 постоянное поле Н медленно
изменяется, проходя через все точки линии поглощения, в резуль-
результате самописец регистрирует первую производную линии поглоще-
поглощения ЭПР.
. Для существенного повышения стабильности работы в спектро-
спектрометре применена система автоматической подстройки частоты кли-
клистрона по рабочему резонатору (система АПЧ). При помощи ге-
генератора АПЧ 16 на отражатель клистрона подают переменное
напряжение небольшой амплитуды частоты 600 кгц. Это напря-
напряжение создает частотную модуляцию СВЧ колебаний, генерируе-
генерируемых клистроном. При расстройке частоты клистрона относительно
собственной частоты резонатора на выходе появляется амплитуд-
амплитудная модуляция СВЧ колебаний частоты 600 кгц (сигнал АПЧ).
Фаза сигнала АПЧ зависит от знака расстройки, а амплитуда
пропорциональна величине расстройки. На детекторе 9 выделяется
сигнал АПЧ частоты 600 кгц, который усиливается при помощи
резонансного усилителя 14 и подается на фазочувствительный (син-
(синхронный) детектор 15, управляемый опорным напряжением от ге-
генератора 16. В синхронном детекторе вырабатывается управляю-
управляющий сигнал, который подается на отражатель клистрона и под-
подстраивает частоту клистрона на частоту рабочего резонатора.
В волноводном тракте спектрометра применены ферритовый
вентиль 5 для развязки клистронного генератора от резонатора, атте-
аттенюатор 4 для регулирования мощности СВЧ, подаваемой в резо-
резонатор, и трансформаторы полных сопротивлений 5 и 8 для согла-
согласования входа и выхода резонатора с волноводным трактом.
Конструктивно спектрометр выполнен в виде единого корпуса
каркасного типа, в отсеки которого вставлены отдельные блоки.
Расположение блоков в корпусе позволяет, не вынимая их, про-
производить изменение режимвв работы основных элементов схемы
и делать замену большинства радиодеталей в случае мелкого ре-
ремонта. Прибор надежен в работе и прост в эксплуатации. По
сравнению с радиоспектрометрами аналогичного типа он имеет не-
небольшой вес, малые габариты.
Блок-схема другого простого спектроскопа была описана Ма-
ненковым и Прохоровым [29]. Этот спектроскоп, работающий по
принципу отраженной волны, используют также при исследовании
достаточно интенсивных линий поглощения (рис. 115).
293
От клистронного генератора 2 мощность через аттенюатор 4 и
фазовращатель 5 подается на разделительное кольцо 6, где она
разветвляется в плечи Б к Г. В одном плече имеется шлейф 9 и
объемный резонатор 10, который приходит в возбуждение от при-
приходящего излучения. В этом резонаторе возбуждается высоко-
/
2
Рис. 115. Блок-схема микроволнового спектроскопа, работающего по
методу отраженной волны:
/ — источник стабилизированного напряжения, 2 — клистронный ге-
генератор, 3— волномер, 4 — аттенюатор, 5 — фазовращатель, 6 — гиб-
гибридное кольцо, 7 —поршень, 8 — кристаллический детектор, 9 —
шлейф, 10 — резонатор, // — исследуемый образец, 12 — усилитель
низкой частоты, 13 — развертка, 14 — электромагнит, 15—осцилло-
15—осциллограф, КМ — модулирующие катушки
частотное магнитное поле, в пучность которого помещают иссле-
исследуемый образец. Часть мощности, которая попадает в резонатор,
отражается обратно и разветвляется в плечи А и В. В плече В
имеется кристаллический детектор 8, который является входной
цепью усилителя низкой частоты 12. Резонатор с образцом распо-
располагается между полюсами электромагнита, создающего сильное
постоянное магнитное поле, перпендикулярно которому наклады-
накладывают переменное магнитное поле с частотой в 50 гц и меняющейся
амплитудой. Это переменное магнитное поле создают при помощи
катушек КМ.
Переменное магнитное поле позволяет наблюдать на экране
осциллографа сигнал парамагнитного резонанса. В момент про-
прохождения поля через резонансное значение величина мощности,
294
отраженной от резонатора, изменяется, что приводит, и к измене-
изменению мощности, падающей на кристаллический детектор. После
прохождения сигнала через детектор выделяется низкочастотный
импульс, который подается на вертикальные пластины осцилло-
осциллографа. На горизонтальные пластины подается напряжение раз-
развертки. Если резонатор настроен на частоту спектральной линии
поглощения, то величина сигнала будет пропорциональна мощ-
мощности, которая поглощается веществом.
Для рассматриваемого нами радиоспектроскопа максимальное
значение ^сигнала наблюдается, при отражении 25% мощности из-
излучения, падающей на объемный резонатор. Для уменьшения
шумов кристаллического детектора применяют балансировку вы-
высокочастотной мощности при помощи плеча Г разделительного
кольца. В это плечо помещают аттенюатор, а также короткозамы-
кающий поршень. Подбирая амплитуду и фазу волны, отражаемой
от этого плеча, можно получить такое положение, когда эта вол-
волна, попадая в плечо В, складывается с волной, отраженной от
объемного резонатора, при этом суммарное напряжение на кри-
кристаллическом детекторе становится близким к нулю.
При поглощении веществом энергии в резонаторе появляется
сигнал разбаланса, который детектируется кристаллическим детек-
детектором. Так как детектор работает при малых значениях мощности,
то при балансной схеме имеется значительное повышение отноше-
отношения сигнал/шум. Применение балансной схемы дает возможность
получить отношение сигнал/шум в несколько раз больше по сравне-
сравнению с небалансной схемой. Это объясняется тем, что с уменьше-
уменьшением мощности, падающей на детектор, шумы его уменьшаются
значительно быстрее, чем снижается величина сигнала.
Получение высокой чувствительности у спектроскопов данного
типа ограничивается наличием низкочастотных шумов кристалли-
кристаллического детектора. Для устранения этого недостатка в работе [551
описан спектроскоп, в котором был применен боллометр. Этот
спектроскоп дает возможность изучать слабые линии парамагнит-
парамагнитного резонанса в разреженных газах. Для наблюдения слабых
сигналов можно также использовать методику синхронного детек-
детектирования. В этом случае сигнал фиксируют с помощью автома-
автоматического самопишущего потенциометра, например ЭПП-09.
Для повышения чувствительности радиоспектроскопов приме-
применяют также супергетеродинный метод измерения. Блок-схема ра-
радиоспектроскопа с супергетеродинным приемником показана на
рис. 116.
Как видно из блок-схемы, супергетеродинный спектроскоп от-
отличается от вышеописанного тем, что в нем на кристаллический
детектор кроме мощности от измерительного клистрона с частотой
fi подают дополнительно мощность от вспомогательного клистро-
клистрона 16 с частотой f2 и вводят усиление на промежуточной частоте
fnp=fi—/2. причем /Пр берут обычно несколько десятков мегагерц,
так как в этой области частот плотность шумов детектора значи-
295
тельно меньше, чем в области звуковых частот. Это условие дает
возможность резко повысить чувствительность спектроскопа. Кроме
того, в этой схеме используют второе разделительное кольцо 6,
применяемое для построения балансного смесителя. При помощи
7
1
-
2
16
-
1
¦*50гц
Рис. 116. Блок-схема микроволнового спектроскопа, работающего по
супергетеродннному методу:
/ — источник стабилизированного напряжения, 2 — клнстронный ге-
генератор, 3 — волномер, 4 — аттенюатор, 5 — фазовращатель, 6 — гиб-
гибридное кольцо, 7 — поршень, 8 — кристаллический детектор, 9 —
шлейф, 10 — резонатор, // — образец, 12—усилитель низкой час-
частоты, 13 — развертка, 14 — электромагнит, 15 — осциллограф, 16 —
клистронный генератор, 17 — усилитель промежуточной частоты,
18 — второй детектор
этого смесителя уменьшаются шумы, которые возникают от гете-
гетеродинного клистрона.
Рассматриваемый нами спектроскоп работает на частоте
9350 Мгц. В этом спектроскопе задающим генератором и гетеро-
гетеродином являются обычные клистроны, питающиеся от выпрямителя
с электронной стабилизацией напряжения. Чтобы обеспечить луч-
лучшую стабильность частоты, клистроны помещают в масляную
ванну, которая охлаждается водой. Таким образом удается исклю-
исключить влияние тепловых флуктуации окружающей среды на резо-
резонаторы клистрона. Частоту генератора измеряют прецизионным
объемным волнометром. Резонатор 10, выполненный в форме пря-
прямоугольной трубы с внутренними размерами 10X23 мм2, имеет
добротность Q«3500, связан с волноводной линией через отвер-
отверстие диаметром 5 мм, которое имеется в стенке резонатора. Это
отверстие делают в том месте, где магнитная компонента радио-
радиочастотного поля имеет максимальное значение.
296
Если нужно исследовать образцы в виде монокристалла, то их
приклеивают к головке иглы, которая проходит через отверстие
в резонаторе. Такое устройство позволяет поворачивать образец 11
относительно постоянного и переменного магнитных полей на нуж-
нужный угол, который отсчитывается по лимбу, прикрепленному к игле.
В качестве смесителя в этой схеме используют германиевые детек-
торы типа ДГ-СЗ. В плечах Б и Г смесительные детекторы 8 вклю-
включаются с разной полярностью, при этом их выходы соединяются
параллельно и их подают
в одну точку на вход
усилителя промежуточной
частоты 17. Усилитель
промежуточной частоты,
настроенный на частоту
75 Мгц, обладает плоской
кривой пропускания ши-
шириной около 3 Мгц. Фак-
Фактор шума усилителя про-
промежуточной частоты из-
измеряют обычным методом
с применением шумового
диода, а коэффициент
усиления равен около
Рис. 117. Блок-схема спектроскопа для ис-
исследования широких линий парамагнитного
резонанса:
/ — генератор, 2 — аттенюаторы, 3 — усили-
усилитель сигнала катушки измерителя поля, 4 —
катушка измерителя, 5 — усилитель на
2 Мгц, 6 — усилитель на 500 гц, 7 — детек-
детекторы, 8—резонатор с образцом, 9— ком-
компенсирующий резонатор, 10 — балансный
трансформатор, // — осциллограф, 12 — ге-
генератор на 1 мгц
5-Ю3.
Настройка спектро-
спектроскопа осуществляется при
помощи микроампермет-
микроамперметра, который включают в
цепь второго детектора.
Чтобы увеличить чувстви-
чувствительность этого спектро-
спектроскопа, который имеет эф-
эффективную полосу приемника около 28 кгц, следует применить
цилиндрический резонатор с большой добротностью. Кроме того,
нужно уменьшить полосу пропускания приемника, так как извест-
известно, что эффективное выходное напряжение шума пропорционально
корню квадратному из величины полосы; Для того чтобы это полу-
получить, используют синхронный детектор, при помощи которого мож-
можно уменьшить полосу пропускания до нескольких долей герца, при
этом применяют малую глубину модуляции магнитного поля с
медленным прохождением его через линию поглощения. Суперге-
Супергетеродинные радиоспектроскопы с синхронным детектором описаны
также в работах [29, 56].
Для исследования широких линий поглощения применяют спек-
спектроскопы с балансной схемой, одна из которых показана на
рис. 117- Излучение генератора 1 падает на Г-образное волновод-
ное соединение, которое делит изучаемую мощность на две равные
части, одна из которых проходит через резонатор 8 с образцом,
297
а другая через компенсирующий резонатор 9. После детектирова-
детектирования обе половины смешиваются в противофазе на балансном транс-
трансформаторе 10. Осуществление баланса достигается при помощи
аттенюатора 2. Такая конструкция спектроскопа дает возможность
подавать на вход усилителя сигнал, который обусловлен погло-
поглощением только в одном из резонаторов.
На отражатель клистрона можно подавать напряжение моду-
модуляции до 40 в. Сигнал, пройдя усилитель 5 на 2 Мгц, модулируется
частотой 50 гц и опять усиливается. Модуляция магнитного поля
в этой схеме не применяется, а медленное изменение напряжен-
напряженности магнитного поля происходит при помощи мотора.
Напряжение, подаваемое на горизонтальные пластины осцил-
осциллографа, пропорционально магнитному полю электромагнита так,
что на экране осциллографа наблюдается линия поглощения. Этот
спектроскоп имеет высокую чувствительность и дает правильную
форму широких линий, что достигается уменьшением шумов низ-
низкой частоты и наличием небольшой полосы пропускания детекти-
детектирующей и регистрирующей систем. " ¦
Другой спектроскоп для исследования широких линий описан
в работе [58]. В этом спектроскопе вместо частотной модуляции
применяют амплитудную модуляцию мощности клистрона. Моду-
Модуляция осуществляется на частоте 6 кгц. Излучение от генератора
подают на балансный мост спектрографа, при этом с помощью
одного плеча моста можно регулировать работу установки так,
чтобы сигнал соответствовал либо кривой поглощения, либо кри-
кривой дисперсии.
На физическом факультете МГУ создан автодинный радио-
радиоспектроскоп для наблюдения электронного парамагнитного резо-
резонанса в трехсантиметровом диапазоне. В данной установке [8] был
использован генератор трехсантиметрового диапазона на лампе
бегущей волны с внешней обратной связью. Цепь обратной связи
состоит из ферритной развязки, которая препятствует возникнове-
возникновению паразитной обратной связи переменного аттенюатора, пере-
переходной детекторной головки резонатора с образцом и фазовраща-
фазовращателя. Схема самовозбуждается в том случае, если коэффициент
усиления лампы будет превышать коэффициент затухания цепи
Обратной связи. Генератор, используемый в этой установке, обла-
обладает рядом преимуществ по сравнению с отражательным клистро-
клистроном. Эти преимущества состоят в следующем: добротность коле-
колебательного контура достигает большой величины, при этом на кон-
контуре практически нет рассеивания мощности электронного пучка;
Кроме того, здесь значительно проще выполнить стабилизацию
напряжения. ' ч
Исследуемый образец помещают в резонатор, который распо-
расположен между полюсами электромагнита, создающего магнитные
поля напряженностью до 3-105 а/м. Магнитное поле модулируется
частотой 50 гц. В цепь обратной связи включают детекторную го-
головку, с которой снимается сигнал парамагнитного резонанса:
298
Вык.1
\Вых.Е
Этот сигнал, пройдя усилитель низкой частоты, виден на экране
осциллографа. Чувствительность данной установки составляет
2 • 10~8 моля дифенилпикрилгидрозила (дфпг) при отношении
сигнал/шум не менее 5. Если используют супергетеродинную схе-
схему, то можно сильно повысить чувствительность этого радиоспек-
радиоспектроскопа.
Для наблюдения электронного парамагнитного резонанса в
трехсантиметровом диапазоне используют также высокочувстви-
высокочувствительный радиоспектроскоп
с двойной модуляцией маг-
магнитного поля [35, 57, 59].
В таких спектроскопах осу-
осуществляется дополнитель-
дополнительная модуляция на высокой
частоте, что приводит к
уменьшению низкочастотных
шумов, так как спектраль-
спектральная плотность шумов кри-
сталлического детектора об-
обратно пропорциональна ча-
частоте. Предельная чувстви-
чувствительность спектроскопов с
двойной модуляцией может
быть порядка 10~13 молей
Дфпг.
Блок:схема одного из
спектроскопов подобного ти-
типа показана на рис. 118 [35];
Исследуемое вещество
помещают в цилиндриче-
цилиндрический резонатор //, который
имеет следующие размеры:
Рис. 118. Микроволновый спектроскоп
с двойной модуляцией поля и с авто-
автоматической подстройкой частоты:
/ — высокочастотный генератор (v =
=975 кгц), 2 — синхронный детектор
(у=975 кгц), 3— усилитель сигнала
АПЧ (v=630 кгц), 4 — усилитель посто-
постоянного тока, 5 — усилитель (v=975 кгц),
6—фазочувствительиый детектор АПЧ,
7 — кристаллический детектор СВЧ, 8 —
клистрон-генератор (Я=3,2 см), 9 — фер-
рнтовая развязка, 10 — переменный ат-
аттенюатор, 11 — резонатор с образцом,
/2 —генератор АПЧ (v=630 кгц), 13 —
катушки модуляции, 14 — электромагнит
диаметр 45 мм и высота
32 мм. Отверстие связи в резонаторе имеет диаметр б мм. Для по-
получения высокочастотного поля напряженностью 1,6-102 а/м ис-
используют ток в 40 а. Как показал опыт, амплитуда высокочастотно-
высокочастотного поля уменьшается по оси резонатора на 10% на расстоянии
11 мм от центра резонатора. Резонатор изолируют от остальных
деталей установки при помощи лакоткани. .
Как мы уже отмечали, в данном спектроскопе имеется двойная
модуляция магнитного поля. Низкочастотную модуляцию в 50 гц
создают катушки 13, расположенные на полюсных наконечниках
электромагнита 14. Высокочастотная модуляция магнитного поля
создается током высокой частоты, подводимым к резонатору. Этот
ток обтекает щель резонатора, и внутри последнего создается вы-
высокочастотное магнитное поле.
Сигнал электронного парамагнитного резонанса усиливается
резонансным усилителем 5, настроенным на частоту 975 кгц, при-
299
чем максимальный коэффициент усиления равен 10. Если необхо-
необходимо наблюдать сигнал на осциллографе, то выходное напряжение
синхронного детектора снимается с клемм-выход.
Сигнал синхронного детектора 2 подается на усилитель по-
постоянного тока 4, который применяют в том случае, если нужно
регистрировать на осциллографе быстро меняющийся во времени
спектр резонанса. При подобных измерениях осциллограф под-
подключают к клеммам-выход. При медленной записи линии электрон-
электронного парамагнитного резонанса к клеммам-вход следует подклю-
подключить электронный потенциометр, вход которого следует зашунти-
ровать сопротивлением в 30 ом. Для подстройки частоты СВЧ
колебаний под резонансную частоту рабочего резонатора приме-
применяют систему автоматической подстройки частоты, которая состоит
из генератора 12, фазочувствительного детектора 6 и усилителя 3.
Напряжение АПЧ подают от генератора на отражатель клистро-
клистрона 8. Это напряжение создает высокочастотную модуляцию СВЧ
колебаний.
В момент расстройки частоты колебаний клистрона по отноше-
отношению к резонатору появляется сигнал автоматической подстройки
частоты, фаза которого зависит от знака расстройки, а ампли-
амплитуда пропорциональна величине расстройки. Сигнал автоматиче-
автоматической подстройки частоты усиливается, а затем, пройдя фазочув-
ствительный детектор 6, попадает на отражательный электрод
клистрона и частота СВЧ колебаний подстраивается под резонанс-
резонансную частоту рабочего резонатора.
Для обеспечения стабильной работы генератора рекомендуется
использовать стандартные блоки питания.
Описанный нами спектрометр дает возможность быстро выпол-
выполнять измерения. Он отличается хорошей стабильностью, сравни-
сравнительной простотой и надежностью в работе. На спектрометр прак-
практически не оказывают никакого влияния механические вибрации
и колебания температуры окружающей среды. Чувствительность
спектрометра составляет 4-10~10 моля дфпг.
Электронный парамагнитный резонанс можно наблюдать гете-
гетеродинным методом биения [32]. В этом методе электронный гене-
генератор собирают на триоде 6С5 и соединяют с колебательным кон-
контуром, в катушке которого находится исследуемый образец.
Катушка вместе с образцом расположена между полюсами элек-
электромагнита. Изменение энергии высокочастотного поля приводит
к изменению на некоторую величину генерируемой частоты, ко-
которая определяется частотомером.
В области частот до 500 Мгц парамагнитное поглощение иссле-
исследуют методом сеточного тока, который впервые был предложен
Завойским [15] и впоследствии неоднократно применялся другими
советскими учеными [3, 23, 33]. Этот метод основан на высокой
чувствительности сеточного тока к нагрузке контура генератора.
Исследуемый образец парамагнетика помещают в катушку само-
самоиндукции колебательного контура генератора. Катушку включают
300
в цепь сетки генератора, где находится также баллистический
гальванометр. Сеточный ток генератора измеряют специальным
мостиком методом компенсации. Переменное магнитное поле, соз-
создаваемое в катушке самоиндукции, ориентируется перпендикуляр-
перпендикулярно постоянному полю электромагнита. Данный метод имеет суще-
существенные недостатки: во-первых, затруднительно измерение абсо-
абсолютного значения коэффициента парамагнитного поглощения %",
во-вторых, нельзя проводить исследование в широком температур-
температурном интервале, так как чувствительность генератора зависит от
изменения температуры.
Галкин и Кичигин [9] создали установку для изучения пара-
парамагнитного резонанса в широком температурном интервале, кото-
которая основана на вышеописанном методе Завойского. В этой уста-
установке катушка самоиндукции удалена от генератора на значитель-
значительное расстояние B50 мм). Кроме того, она соединена с лампой
через линию, выполненную из нейзильбера, который является
плохим проводником тепла. Это устройство значительно умень-
уменьшает теплообмен между окружающей средой и исследуемым об-
образцом. Конденсатор колебательного контура расположен внутри
корпуса генератора и находится всегда при комнатной темпера-
температуре. Сигналы парамагнитного резонанса поступают через широ-
широкополосный усилитель на горизонтальные пластины катодного
осциллографа.
В последнее время для исследования узких линий парамагнит-
парамагнитного резонанса был использован метод «спиновое эхо», который
до этого применялся только для изучения ядерного резонанса [1].
Здесь мы рассмотрели в основном такие типы спектроскопов,
которые применяются для исследования парамагнитного резонанса
в твердых телах, и не касались спектроскопов для изучения резо-
резонанса в газах. В газовых спектроскопах, которые фиксируют по-
поглощение энергии, обусловленное взаимодействием электрической
компоненты высокочастотного поля с электрическим дипольным
моментом, можно изменять непрерывно в определенном диапазоне
длину волны. Подробное описание таких спектроскопов есть в ра-
работах [60—62]. Другие виды спектроскопов, их отдельные узлы и
детали рассмотрены также в работах [5, 10, 12, 19, 21, 22, 24, 34,
36, 37, 39, 63—68, 70]. По парамагнитному резонансу существует
несколько обзорных статей [4, 11, 14, 69].
ЛИТЕРАТУРА
1. Альтшулер С. А., Козырев Б. М. Электронный парамагнитный
резонанс. М., Фнзматгиз, 1961.
2. Альтшулер С. А. ЖЭТФ, 20, 1047, 1950.
3. Альтшулер С. А., 3 а в о й с к и й Е. К., Козырев Б. М. ЖЭТФ,
14, вып. 1, 10, 1944.
4. Альтшулер С. А., Козырев Б. М. УФН, 63, вып. 3, 533, 1957.
5. Аввакумов В. И., Гарифьянов Н. С, Козырев Б. М., Тиш-
к о в П. Г. ЖЭТФ, 37, вып. 6, 1564, 1959.
301
6. Антоньянц В. Я. Радиотехника и электроника, 5, № 1, 167, 1960.
1 7. Аркадьев В. К. Электромагнитные процессы в металлах. М.—Л., ГЭИ,
ч. I, 1934; ч. II, 1936.
8. Ахманов С. А., Гвоздовер С. Д., Константинов Ю. С,
Трофимеико И. Т. ПТЭ, № 2, 38, 1959.
9. Галкин А. А., К и ч и г н н Д. А. ПТЭ, № 3, 71, 1958.
10. Горд и В., Смит В., Трамбаруло Р. Радиоспектроскопия. М.,
ГИТТЛ, 1955.
11. Г о р т е р К- УФН, 53, вып. 4, 546, 1954.
'12. Гинзтон Э. Л. Измерения на сантиметровых волнах М. ИЛ, 1960.
13. Д о р ф м а н Я. Г. Zs. Phys., 17, 98, 1923.
14. 3 а в о й с к и й Е. К., А л ь т ш у л е р С. А., К о з ы р е в Б. М. Изв. АН
СССР, сер. физ., 20, № 11, 1199, 1956.
15. 3 а в о й с к и й Е. К- J. Phys. USSR, 9, No. 3, 245, 1945.
16. Завойский Е. К. ЖЭТФ, lfi, 603, 1946.
17. Завойский Е. К. ЖЭТФ, 15, вып. 6, 252, 1945.
18. Завойский Е. К. J. Phys. USSR, 10, 197, 1946.
19. Зверев Г. М. ПТЭ, № 5, 109, 1961.
20. И н г р а м Д. Спектроскопия на высоких и сверхвысоких частотах. М.,
ИЛ, 1959.
21. Кайтмазов С. Д., Прохоров А. М. ПТЭ, № 5, 107, 1959.
22. К о л б а с о в В. А., Мухина М. М., Назаров В. П. ПТЭ, № 2,
107, 1962.
23. Козырев Б. М.,.Сал.ихов С. Г. ЖЭТФ, 19, вып. 3, 185, 1949.
24. Козырев Б. М. Изв. АН СССР, сер. физ., 16, № 5, 533, 1952.
2б. К о з ы р е в Б. М., С а л и х о в С. Г., Ш а м о н и и Ю. Я. ЖЭТФ, 22,
вып. 1, 56, 1952.
26. L а п d a u L. D., L i v s с h i z E. M. Sow. Phys. USSR, 8< No. 2, 153,
1935.
27. Л азукин В. Н. Изв. АН СССР, сер. физ., 16, № 4, 510, 1952.
28. Л а з у к и н В. Н. ЖЭТФ, 36, выт 3, 682, 1959.
29. М а н е н к о в А. А., П р о х о р о в А. М. Радиотехника н электроника, 1,
№ 4, 469, 1956.
30. Не примеров Н. Н. Изв. АН СССР, сер. физ., 18, № з, 360, 1954.
31. Пильщиков А. И. Изв. АН СССР, 20, № 11, 1284, 1956.
32. Ривкинд А. И. Изв. АН СССР, сер. физ!, 16, № 5, 541, 1952.
33. С а л и х о в С. Г. ЖЭТФ, 17, вып. 12, 1070, 1947.
34. Семенов А. Г. Изв. АН СССР, сер. физ., 23, № 10, 1267, 1959.
35. С е м е ня в А. Г., Б у б н о в Н. Н. ПТЭ, № 1, 92, 1959.
36. Стренберг В. Радиоспектроскопия. М., ИЛ, 1956.
37. Т и ш к о в П. Г. ЖЭТФ, 32, вып. 3, 620, 1947.
38. Ферромагнитный резонанс, под ред. С. В. Вонсовского. М.—Л., Физмат-
гиз, 1961.
39. Ш а м ф а р о в Я- Л. ПТЭ, № 6, 59,1959.
40. К i 11 е 1 С. Phys. Rev., 73, 155,1948.
41. Griffiths J. H. Nature, 158, 670, 1946.
42. Yager W. A., Bozorth R.M. Phys. Rev.,72, 80, 1947.
43. К i p F., A r n о 1 d R. D. Phys. Rev., 75, 1556, 1949.
44. Blombergen N. Phys. Rev., 78, 572, 1950.
45. О k a m u г а Т., К о j i m a V. Phys. Rev., 85, 690, 1952.
46. Hewitt W. H. Phys. Rev., 73, 1118, 1948.
47. Dillon J. Phys. Rev., 105, No. 2, 759, 1957.
4&'Calhoum'В. А., О vermeyer I., Smith W. Phys. Rev., 107, No. 4,
993, 1957.
49. Waller I. Zs. Phys., 79, 370, 1932.
¦'¦ 50. Van Vleck J. Phys. Rev., 57, 570, 1940.
51. К г о п i g R. Physica, 6, 33, 1939.
52. V a n V1 e с k J. Phys. Rev., 74, 1168, 1948.
': 53. Pryce M. H., Stevens K. W. Proc. Phys. Soc, 63A, 36, 1950.
54. Cummer о w R. L., Ho 11 id а у D. Phys. Rev., 70, 433, 1946.
I
#
55 Be ringer R. Castle G. Phys. Rev., 78, 581, 1950.
56 Hirson J M, Fraenkel G. K. Rev. Sci. Instr., 26, No. 1, 34, 1955.
57. Smaller B. Phys. Rev., 83, 812, 1951.
58. Port ies A.M. Phys. Rev., 91, 1071,1953.
59 Smaller В., Vasaitis E. L. Rev. Sci. Instr., 24, No. 10, 991, 1953.
60' Gleeton С E., Williams N. H. Phys. Rev., 45, 234, 1934.
61 В 1 e а п е у В., R e n г о s e R. P. Nature, 157, 339, 1946.
62 Hughes R. H., Wilson E. B. Phys. Rev., 71, 562, 1947.
63. F e h e r G., К i P A. Phys. Rev., 98, No. 2, 337, 1955.
64. В 1 e a n e у В. I. Phys. Chem., 57, No. 5, 508, 1953.
65. L u t z e E. Zs. angew. Phys., 8, Nr. 2, 61, 1956.
66 H u k u d а К., Н о г a i K., M i d u n о Z. Met. Fac. Sci. Kyusyu. Univ.,
B2, No. 1, 18, 1956.
67. Ф р а й т З. Чехосл. физ. жури., 7, № 2, 222, 1957.
68. U n t e г b e г g e г R. R. Electronics, 32, Nr. 11, 142, 1959.
69. С е м е н о в А. Г. ПТЭ, № 5, 5, 1962. п м и
70 Зверев Г. М., Крыиецкий И. Б., Литвак Д. М., Чер-
Чернов ii В Шевченко А. К. ПТЭ, № 5, 132, 1962.
71'Чечерников В. И., Кашлинский А. И. Вестн. Моск. ун-та, сер.
физ., № 5, 49, 1963.
¦'\
ГЛАВА ПЯТНАДЦАТАЯ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ
СВОЙСТВ АТОМА И АТОМНОГО ЯДРА
§ 1. ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ
ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Известно, что частицы, входящие в состав атома любого веще-
вещества, обладают не только массой и зарядом, но также механиче-
механическим и магнитным моментами. Измерение этих величин производят
двумя методами. В первом методе узкий пучок частиц направлен
в неоднородное магнитное поле, которое ориентировано перпенди-
перпендикулярно к его направлению. При этом пучок отклоняется от своей
первоначальной траектории на некоторое расстояние d, опреде-
определяемое формулой
dH
dx
A5.1)
где М — постоянный магнитный момент частицы, Е — кинетическая
dH
энергия частицы, градиент магнитного поля, vx — скорость
частицы, приобретенная ею вдоль оси х, I — расстояние, на кото-
котором частицы подвергаются действию магнитного поля.
Как показывает опыт, пучок частиц в магнитном поле расщеп-
расщепляется на несколько пучков, соответствующих числу проекций
магнитного момента атома на направление поля. Величина откло-
отклонения зависит от величины магнитного момента. Данный метод
определения магнитного момента применим только к незаряжен-
незаряженным частицам, так как в противном случае появляется дополни-
дополнительное отклонение, обусловленное электрическим зарядом ча-
частицы. Расчеты показывают, что ошибки, связанные с этим эффек-
эффектом, численно равны величине самого магнитного момента.
Второй метод измерения магнитного момента элементарных
частиц состоит в том, что эту величину рассчитывают на основании
известного квантового числа / и измеряемого коэффициента у
(гиромагнитное отношение). В этом методе на летящие частицы
304
кроме постоянного поля действует переменное магнитное поле, ко-
которое вызывает переориентацию спинов. Измерить подобным мето-
методом магнитный момент электрона можно только в связанном со-
состоянии, например измеряя магнитный момент у атомов щелочных
металлов, которые, как известно, обладают одним валентным
электроном.
Установки для определения магнитйого момента состоят из
двух электромагнитов, которые создают сильное неоднородное
поле с большим градиентом. Магнитные поля этих электромагни-
электромагнитов обращены друг к другу разноименными полюсами так, что от-
отклонение пучка атомов взаимно компенсируется. В пространстве
между электромагнитами находится третий магнит, создающий по-
постоянное однородное магнитное поле, и катушка, которая создает
переменное магнитное поле, направленное перпендикулярно полю
последнего магнита.
Если частота прецессии частиц и частота переменного поля сов-
совпадают, происходит переориентация магнитного момента по отно-
отношению к полю, что приводит к нарушению компенсации отклоне-
отклонения пучка. Зная частоту прецессии частиц, можно определить
коэффициент v по формуле
2я
и затем найти проекцию магнитного момента на направление
поля.
Для щелочных металлов магнитный момент атома обусловлен
в основном моментом электрона. При помощи описанных опытов
было показано, что магнитный момент электрона равен одному
магнетону Бора.
В работе [20] была предпринята попытка измерить коэффи-
коэффициент y У совершенно свободных электронов. Это делали методом
сравнения спиновой частоты с орбитальной частотой прецессии
электронов в одном и том же магнитном поле. Высокая точность
измерения получается здесь только в том случае, если скорость
электронов небольшая.
Определение магнитного момента нейтрона производят по спо-
способу, предложенному Блохом [20]. Этот метод основан на том, что,
если пропускать нейтроны через ферромагнитное вещество, рас-
рассеяние их будет зависеть от величины ориентации их магнитного
момента по отношению к намагниченности ферромагнетика.
Для неполяризованного пучка нейтронов, движущихся по нор-
нормали к поверхности ферромагнитной пластинки, намагниченной
перпендикулярно направлению пучка, пластинка будет выполнять
роль поляризатора. Если до прохождения пластинки в пучке нахо-
находилось равное число нейтронов с параллельной и антипараллельной
ориентацией, то после прохождения пластинки число нейтронов с
антипараллельной ориентацией становится меньше. На пути таких
нейтронов ставят вторую ферромагнитную пластинку, которая яв-
305
ляется анализатором. При этом интенсивность пучка будет зави-
зависеть от того, как расположены намагниченные поляризатор и ана-
анализатор относительно друг друга. В пространстве между поляриза-
поляризатором и анализатором с помощью катушки или электромагнита
создается постоянное магнитное поле и перпендикулярное ему вы-
высокочастотное поле. Нейтроны, пройдя через поляризатор, попада-
попадают под действие высокочастотного поля частоты v0, в результате
чего часть нейтронов переориентируется. Это приводит к тому, что
после прохождения пучка через анализатор интенсивность пучка
изменяется. Эффект изменения интенсивности имеет наибольшую
величину, когда выполняется равенство
, _ УнЯ
2я '
v = ¦
A5.2)
где Yh—отношение магнитного момента нейтрона к его механиче-
механическому моменту, Н — напряженность постоянного магнитного поля.
Принципиальная схема установки для измерения магнитного
момента нейтрона дана на рис. 119. Нейтроны проходят через кад-
кадмиевую диафрагму, выполнен-
выполненную в форме трубки, которая
выделяет узкий пучок нейтро-
нейтронов. На пути их ставят три
электромагнита А, В и С.
В электромагнитах А и В меж-
между полюсами расположены
бруски, изготовленные из же-
железа «армко», которые играют
роль поляризатора и анализа-
анализатора. Между этими электро-
электромагнитами находится электро-
электромагнит С, создающий постоян-
постоянное магнитное поле G-105 а/м),
направленное перпендикуляр-
перпендикулярно траектории движения нейтронов. Между полюсами этого элект-
электромагнита помещена катушка К длиной 10 см, создающая высоко-
высокочастотное переменное магнитное поле #v величиной в 800 а/м.
Для получения резкого максимума лучше использовать катуш-
катушки большой длины. После прохождения этой системы нейтроны
проходят вторую кадмиевую диафрагму и попадают в пропорцио-
пропорциональный счетчик. Измерение проводят следующим образом: в сред-
средний электромагнит вместе с высокочастотной катушкой помещают
образец, например ампулу с водой, и определяют резонансную ча-
частоту для протонов. После этого помещают другую катушку, нерез
которую пропускают пучок нейтронов.
Многочисленными опытами было показано, что
Рис. 119. Принципиальная схема уста-
установки для измерения магнитного мо-
момента нейтрона:
А, В, С — электромагниты, К — ка-
катушка, создающая высокочастотное
магнитное поле, BFz — счетчик
Ун
Yp
— 0v68479± 0,0002.
A5.3)
306
Магнитный момент нейтрона определяют по формуле .
И„ = ?Л- A5-4)
где /н — механический момент нейтрона, который равен '/г-
Магнитный момент нейтрона, определенный по формуле A5.4),
оказывается равным цн=—1,9103±0,0012 ядерных магнетонов.
Знак «минус» показывает, что магнитный момент и механиче-
механический момент нейтрона ориентированы в противоположных направ-
направлениях.
Измерение магнитного момента атомов проводят методом моле-
молекулярных пучков, который впервые был предложен советскими
физиками Капицей и Семеновым [6].
Экспериментально осуществили метод молекулярных пучков
Штерн и Герлах [22]; в их опытах молекулярный пучок состоял из.
атомов серебра, который при прохождений через неоднородное
магнитное поле расщепляется на две части. Пб величине отклоне-
отклонения пучков был рассчитан магнитный момент. Эксперимент осуще-
осуществлялся следующим образом. Узкий направленный молекулярный
пучок испытывает действие неоднородного магнитного поля, ориен-
ориентированного перпендикулярно направлению движения пучка. В ре-
результате пондеромоторного действия поля молекулярный пучок
расщепляется на несколько пучков. Поэтому после выхода пучка
из пространства магнитного поля* пучок оставляет на экране не-
несколько следов, которые соответствуют каждому отдельному пуч-
пучку. Отклонение пучков зависит от величины магнитного поля, гра-
градиента поля и кинетической энергии летящих частиц.
Метод молекулярных пучков может быть применен только для1
измерения магнитных моментов ядер тех атомов И молекул, у ко-
которых момент электронных оболочек равен или близок к нулю.
В работе [23] метод, подобный методу Штерна и Герлаха, был ис-
использован для измерения магнитного момента ядер, в частности
магнитного момента протона. В одной из этих установок исполь-
использовали полюсные наконечники, форма которых показана на рис.
17, м. Они давали возможность получать магнитное поле с большим
градиентом, причем отклонение молекул водорода составляло
0,044 мм. Исследуемый молекулярный Пучок попадал в щель де-
детектора, где находился манометр Пирони для контроля Давления
газа в этом сосуде. В детекторе натянута никелевая ленточка се-
сечением 3-Х50 мк2 и длиной 10 мм, при изменении ее сопротивления
гальванометр отклонялся. Для юстировки установки имелись спе-
специальные окна. .. ! .
При определении магнитного момента протона, необходимо
учитывать, что молекулы водорода могут находиться в двух сос-
состояниях— дрто- и пари-. В первом состоянии у молекулы водорб-
да результирующий ядерный спин равен единице, а механический
момент может принимать значения /—1, 3, 5 и т. д. Для молекулы
водорода, находящейся в состоянии пара-, ядерный спин равен
нулю, а механический момент принимает значение 0, 2, 4 и т. д.,
307
поэтому магнитный момент такой молекулы возникает только за
счет ее вращения.
Современная теория дает возможность рассчитать для любой
температуры число молекул с / = 0, 1 = 2, а также число молекул,
которые имеют моменты 0 \ip, 2 \ip и т. д. В качестве объекта изу-
изучения в описываемой установке использовали специально приго-
приготовленный чистый ncpc-водород и определяли интенсивность пучка
в различных его точках. Полученную зависимость сравнивали с вы-
вычисленной и определяли \jlp, который оказался равен 0,85 \лв- После
этого брали обыкновенный водород, который, как известно, пред-
представляет собой смесь орто- и пара-водорода, при этом точно было
известно процентное содержание каждой модификации. Для этого
водорода определяли кривую распределения интенсивности в пуч-
пучке и выделяли ту интенсивность, которая относится к молекуле
ncpa-водорода. Таким же образом находят кривую распределения
интенсивности в пучке орто-водорода. Сравнение кривых пара- и
орто-молекулы водорода показывает, что они резко отличаются
друг от друга. В результате проведенных исследований удалось
определить, что магнитный момент протона равен приблизительно
2,5 (iB.
Метод молекулярных пучков, описанный выше, не может быть
применен для исследования тех атомов и молекул, у которых элек-
электронный момент значительно больше ядерного магнитного момен-
момента. В этом методе отклоняющая сила очень мала, так что наблю-
наблюдается небольшое расщепление молекулярного пучка.
Для преодоления этих трудностей Раби [24] предложил спо-
способ слабых полей, который позволяет измерять только меха-
механический момент ядра. При этом методе атом исследуемого веще-
вещества находится в слабом постоянном магнитном поле, так что связь
между электронным моментом атома / и его ядерным моментом /
не нарушается. Атом прецессирует вокруг направления этого поля
как единое целое и пучок расщепляется на B/+1)B/+1) ком-
компоненты, в то время как в сильном поле пучок расщепляется на
2/+1 компоненты. При этом методе сила, отклоняющая атомы,
пропорциональна произведению градиента магнитного поля на
проекцию результирующего атомного магнитного момента, а не
ядерного момента.
Как мы уже отмечали, метод слабых полей позволяет опреде-
определять только механический момент ядра. Для вычисления его нуж-
нужно знать число компонент, на которые расщепляется пучок. Для
определения числа компонент молекулярного пучка нужно иметь
ясное расщепление. Это можно получить при большом значении
dH „
-j— для заданного магнитного поля Я, так как сила, которая от-
отклоняет молекулярный пучок в неоднородном магнитном поле,
dH
пропорциональна произведению на проекцию результирую-
результирующего атомного момента. Кроме того, необходимо по возможности
308
удлинить путь частиц в магнитном поле и вне поля и иметь моно-
хроматизированный пучок частиц по скоростям, так как частицы
с разными скоростями отклоняются в магнитном поле по-разному,,
а это приводит к размытой картине расщепления.
В экспериментальной установке для определения / методом
слабых полей молекулярный пучок проходит коллиматорную-
щель, которая придает пучку определенную форму. После этого-
пучок на своем пути попадает поочередно в неоднородные магнит-
магнитные поля трех электромагнитов с градиентами, направленными,
перпендикулярно к пучку. Между первыми двумя магнитами нахо-
находится так называемая селекторная диафрагма. Из размытого пуч-
пучка, образованного в результате расщепления в поле первого маг-
магнита, выделяется узкий монохроматизированный пучок по скоро-
скоростям. Частицы этого пучка, отличающиеся по скоростям приблизи-
приблизительно на 10%, расщепляются в слабом неоднородном поле на
B/+1)B/+1) компоненты.
Для фиксирования следов компонент пучка используют элек-
электрический детектор. На протяжении одного миллиметра ширины
расщепленного пучка в этих опытах было снято около 20 экспери-
экспериментальных точек. Исследование пучка, состоящего из атомов
натрия, показало, что на кривой относительной интенсивности пучка
было 8 максимумов
BУ+1)B/+1) = 8. A5.5)
Так как для нормальных атомов натрия / = —, то получаем,
что /=—. Таким образом, рассмотренный нами метод слабых по-
полей дает возможность определять только спин атома, знание вели-
величины которого необходимо для изучения магнитных свойств ядер,
В дальнейшем метод слабых полей был видоизменен и получил
название м етод а нулевых мо м ентов. Этот метод основан на
том, что проекция М магнитного момента атома на направление
магнитного поля может принимать нулевые значения. Следователь-
Следовательно, в молекулярном пучке есть не отклоненные полем компоненты.
Раби [6] предложил не измерять число компонент в пучке, а сле-
следить за появлением компоненты с нулевой проекцией при измене-
изменении напряженности магнитного поля. При этом методе использует-
используется весь молекулярный пучок, а не его часть, поэтому здесь нет на-
надобности осуществлять монохроматизацию частиц по скоростям.
Интенсивность исследуемого пучка в этом методе значительно
больше, чем в методе слабых полей. В методе нулевых моментов
измеряют зависимость интенсивности неотклоненного пучка от на-
напряженности магнитного поля.
Чтобы иметь линейную зависимость между силой тока и полем,
а также градиентом поля и величиной тока, магнитное поле соз-
создается постоянным током, проходящим через медные трубки, рас-
расположенные параллельно пучку. При этом направление тока в
309
трубках было взаимно противоположное. Метод нулевых моментов
можно с успехом применять в том случае, если исследуемый эле-
элемент не имеет изотопов. При исследовании смеси изотопов, которые
обладают различными ядерными моментами, получается сложная
зависимость интенсивности неотклоненного пучка атомов от силы
тока в электромагните. Этот метод позволяет так же, как и метод
•слабых полей, определить только спин ядра, значение величины
которого дает возможность рассчитать магнитный момент ядра.
Метод молекулярных пучков
d, d2 1 3 ¦_ 2 сыграл в свое время большую
' pi i^""""^^JZH^"/"//"^ m роль для решения важных
ь\ \у/////////////^^^///////////////л LJ проблем в физике.
Позже для исследования
магнитных свойств ядер был
введен метод радиочастотной
магнитной спектроскопии, ко-
Рис. 120. Принципиальная схема
установки Раби:
О — источник, rfi и di — диафрагмы,
D — детектор, 1, 2 и 3 — электромаг-
электромагниты
торый разработал Раби и его
сотрудники [8, 19, 25, 26]. Этот
¦метод подвергался неоднократному усовершенствованию и в на-
настоящее время используется для измерения магнитных моментов
отдельных изотопов в смеси изотопов [27—29]. В этом методе под
действием вращающего магнитного поля происходит переориента-
переориентация магнитного момента (частота вращения поля совпадает с ча-
частотой прецессии момента), при этом изменяется проекция магнит-
лого момента частицы на направление постоянного магнитного
поля и происходит поглощение или испускание энергии.
Схематическое устройство установки Раби показано на рис. 120.
Исследуемые частицы вылетают из источника О и, пройдя через
диафрагмы d\ и d2, попадают вдетектор D. В качестве источника
обычно используют небольшую печь, которая сделана из исследуе-
исследуемого материала. Температуру печи поддерживают такой, чтобы
давление окружающего пара достигало нескольких десятков мил-
миллиметров ртутного столба. От источника молекулы попадают в
узкие коллиматорные щели, ширина которых составляет несколь-
несколько сотых долей миллиметра. Диафрагмы dt и d2 изолируют основ-
основную часть установки от той ее части, где находится источник час-
частиц О. Интенсивность исследуемого пучка определяют числом мо-
молекул, приходящихся на единицу площади детектора D. Она про-
пропорциональна давлению в источнике, его площади и обратно про-
пропорциональна квадрату расстояния от источника. Магниты / и 2
создают сильное неоднородное магнитное поле, градиенты кото-
которых направлены в противоположных направлениях. Поле магнита
1 вызывает отклонение молекулярного пучка, которое опредедяет-
ся по формуле
A5.6)
310
а поле магнита 2
dH\ С2
)
A5.7)
где \xz — проекция магнитного момента на направление магнитного
поля, С\ и С2— множители, зависящие от геометрии аппаратуры,
Е — кинетическая энергия частицы.
В момент компенсации, т. е. когда i\ — h число молекул, кото-
которые достигают детектора, будет такое же, как при выключенных
магнитных полях. Наконечники электромагнита сделаны в форме
коаксиальных круговых цилиндров, которые пересекаются в двух,
точках, расположенных на расстоянии 2а, диаметра основания
малого цилиндра '. Такая конструкция позволяет получать магнит-
магнитное поле, которое по своей топографии точно совпадает с полем,
создаваемым двумя параллельными токами, текущими по прово-
проводам в противоположных направлениях. Поэтому при расчете сле-
следует иметь в виду, что поле в зазоре будет такое же, как для ука-
указанных выше токов [30]. При z=l,2 а градиент остается почти
постоянным в области — 0,7 а<у<+0,7 а, при этом справедливо
1 4Н i
соотношение =<—.
И dz a
Для электромагнита, изготовляемого из железа «армко», при
силе тока 200 а удалось получить поля напряженностью около
106 а/м. Если значение а = — см, то градиент магнитного поля
о
достигал порядка б-105 а/м/мм.
dz
В данной установке щели источника и коллиматора были ши-
шириной 0,01 мм. Магнитное поле, создаваемое магнитом /, протя-
протяженностью 250 мм, начиналось на расстоянии 100 мм от щели ис-
источника, а поле магнита 2 протяженностью 300 мм начиналось от
первой щели на расстоянии 520 мм. Расстояние между печью и
детектором было равно 920 мм. При этих условиях отношение гео-
метрических факторов было равно —- = 1,11.
С2
В пространстве между полями электромагнитов / и 2 проис-
происходит переориентация магнитных моментов. Переменное магнит-
магнитное поле создается током высокой частоты, который протекает по
двум медным трубкам, имеющим форму шпильки. Эти трубки рас-
расположены в межполюсном пространстве электромагнита 3 и ориен-
ориентированы таким образом, что высокочастотное поле направлено
перпендикулярно однородному магнитному полю. Для расчета
1 Подробнее см. работу Я. Г. Дорфман,
ядра. М.—Л., ГИТТЛ, 1948.
Магнитные свойства атомного
311
магнитного момента ядра необходимо знать частоту переменного
магнитного поля, которая должна быть измерена с большой точ-
точностью.
Измерение интенсивности молекулярных пучков осуществляет-
осуществляется при помощи манометра Пирони, ионизационных и поверхност-
поверхностно-ионизационных манометров. Первые два типа используют для
1
I—
Y/////A
i
dH
/ dy
У///Л
1////////////Л
&
*
У///У/
С
У////Л
ЛЛЛ ) '
^////Л
с
Г///////
А'
К///////
в
Г////Л
,>>>,,i У
/////Л S
2
. 3
V.1
Рис. 121. Схема установки для измерения ядерных магнитных моментов
отдельных изотопов:
/ — источник атомов, 2 — масс-спектрометр, 3—ионизационная камера,
4 — электронный умножитель
исследования пучков молекул легких газов, а последние — для изу-
изучения тяжелых элементов. Подробное описание вышеуказанных
манометров есть в работе [8].
Таким образом, когда молекула исследуемого вещества с маг-
магнитным моментом ц попадает в однородное магнитное поле магни-
магнита 3, она начинает прецессировать вокруг направления этого поля
с ларморовой частотой. При наличии переменного поля возникают
переходы между уровнями сверхтонкой структуры для данного
мультиплета: частота поля совпадает с частотой перехода vo =
=уц0Нс. Слагающая магнитного момента молекулы изменяется, и
меняется величина ее отклонения в неоднородном магнитном поле
магнита 2. При нарушении равенства отклонения 1\ и 12 в детек-
детектор попадает значительно меньше частиц, чем в отсутствие радио-
радиочастотного магнитного поля. Если изменять величину однородного
магнитного поля при фиксированном значении переменного поля
или, наоборот, изменять значение частоты переменного поля, остав-
оставляя постоянным однородное поле, можно найти значение частоты
переменного магнитного поля, соответствующее минимальному
значению интенсивности [28, 29, 31, 32].
312
На рис. 121 изображена принципиальная схема установки для
измерения магнитных моментов изотопов в смеси изотопов. Эта
схема основана на методе Раби.
Атомный пучок проходит через магнитное поле электромагни-
электромагнитов Л, В и С. В высокочастотном поле катушки К, которая рас-
располагается между полюсами электромагнита С, часть атомов ис-
испытывает переориентировку. Другая часть атомов попадает в спе-
специальную ионизационную камеру 3, где под действием потока
электронов атомы превращаются в ионы. Затем пучок ионов в
масс-спектрометре 2 разбивается на отдельные пучки. Интенсив-
Интенсивность каждого пучка измеряют электронным умножителем, кото-
который дает возможность считать отдельные ионы.
§ 2. ИЗМЕРЕНИЕ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО
МОМЕНТА В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ
После успешных экспериментов с атомными и молекулярными
пучками появились работы, в которых сообщалось о результатах
исследования резонанса ядерных магнитных моментов в конден-
конденсированных веществах методами радиочастотной спектроскопии.
Вначале был обнаружен резонанс протонов в твердом парафине
[33]. В этих опытах исследуемый образец парафина располагают
в пучности магнитного поля резонатора, который питается от радио-
радиочастотного генератора. Для наблюдения ядерного магнитного ре-
резонансного поглощения образец подвергается одновременно дей-
действию постоянного магнитного и переменного радиочастотного-
полей, которые ориентируются по отношению друг к другу под
прямым углом. В момент резонанса энергию переменного поля
поглощают парафином, что приводит к уменьшению добротности
резонатора и нарушению баланса моста. Регистрирующее устрой-
устройство, состоящее из усилителя, детектора и микроамперметра,
фиксирует сигнал, появляющийся при разбалансе моста.
Для нахождения линии резонансного поглощения медленно
изменяли магнитное поле. Так была определена величина магнит-
магнитного момента протона, которая оказалась близкой к величине,
полученной ранее с помощью метода молекулярных пучков.
Магнитный момент протона рассчитывали из условия резонан-
резонанса, т. е. при выполнении соотношения
Av0 = 4-#0> A5.8)
где / — спин ядра, vo — частота переменного магнитного поля.
В дальнейших исследованиях ядерный резонанс наблюдали в
монокристаллических образцах. При этом было установлено, что
ширина и высота линии зависят от угла между внешним полем и
осями кристалла [34—36]. Одновременно с этими экспериментами
313
ядерное резонансное поглощение исследовали несколько другим
методом, получившим название ядерной индукции [37]. В этих
опытах применяли дополнительную катушку, в которой появилась
э. д. с, возникающая в результате прецессии результирующего
вектора ядерной намагниченности. Для наблюдения сигнала про-
протонного резонанса осуществлялась модуляция магнитного поля
промышленной частотой и использовался осциллограф. В другой
установке [38] метод ядерной, индукции был применен для опреде-
определения спина и магнитного момента трития, для чего использовали
воду, содержащую 80% трития. Этим же методом был измерен
магнитный момент дейтрона [39].
При резонансных методах исследования обычно проводят не
абсолютное измерение магнитного момента ядра, а относительное.
При этом измеряют резонансные частоты для двух ядер, спины
которых известны, й из отношения этих частот находят отношение
магнитных моментов ядер. В этих измерениях магнитный момент
одного из ядер должен быть известен. Сравнение резонансных час-
частот исследуемого и эталонного веществ можно сделать несколь-
несколькими способами. Один из них состоит в том, что исследуемый и
эталонный образцы помещают по очереди в катушку и для каж-
каждого из них измеряют резонансную частоту. Иногда эти образцы
располагают рядом друг с другом и резонансные частоты измеря-
измеряются двумя разными приборами. ¦ " :
В некоторых случаях изготовляют, две взаимно перпендикуляр-
перпендикулярные катушки, в которые помещают исследуемый. и эталонный об-
образцы. Сигнал ядерного магнитного резонаиСа записывают при по-
тиощи одной или двух независимых радиочастотных установок.
При этом измерения выполняют последовательно для каждого об-
образца. Следует иметь в виду, что точное определение отношения
резонансных частот выполняется, если введены поправки на воз-
тиожное отклонение величины напряженности магнитного поля, а
также поправки на диамагнетизм и парамагнетизм образца.
В качестве эталонного ядра может быть взят протон, магнит-
магнитный момент которого в настоящее время известен с большой точ-
точностью. Для успешного наблюдения ядерного магнитного резонан-
резонанса исследуемое вещество берут в жидком состоянии, Так как у твер-
твердых образцов в большинстве случаев имеются широкие резонанс-
резонансные линий, а у газообразных-1-узкие и слабые. Определение маг-
магнитного момента ядра способом сравнения частот применяют в том
случае, если известен спин ядра /, определенный предварительным
методом молекулярных пучков F] или по сверхтонкому расщеп-
расщеплению спектральных линий. В том случае, когда спин ядра одного
из веществ неизвестен, его можно определить методом ядерного
магнитного резонанса на той же радиочастотной установке, на ко-
которой исследуют ядерное резонансное поглощение. Для этого из-
измеряют отношения максимальных амплитуд резонансных сигналов
для двух ядер и, зная спин одного из них, рассчитывают спин ядра
другого вещества.
314
§ 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЯДЕРНОГО РЕЗОНАНСА.
ИНДУКЦИОННЫМ МЕТОДОМ
Как мы уже отмечали, для изучения ядерного резонансного
поглощения был разработан метод ядерной индукции [18, 37, 40],.
основанный на измерении э. д. с. индукции, возникающей в катушке,
которая находится на исследуемом образце. Блок-схема установки
для наблюдения ядерной индукции показана на рис. 122. На ис-
исследуемом образце находятся две катушки. Одна из катушек со-
соединена с приемником и располагается таким образом, что ее ось
образует прямой угол с постоянным и переменным магнитными
полями. В этой катушке индуцируется э. д. с.
Е = — 2 •
' cos ort + х" sin
где х' и X"— составляющие комплексной ядерной магнитной вос-
восприимчивости, #i — амплитуда переменного магнитного поля, К —
коэффициент заполнения,
п — произведение числа
витков на площадь одно-
одного витка.
При прецессии резуль-
результирующий вектор ядерной
намагниченности может
быть разложен на две со-
составляющие: дисперсион-
дисперсионную составляющую U,
которая пропорциональ-
пропорциональна действительной части
комплексной ядерной вос-
восприимчивости х , и состав-
составляющую поглощения V,
пропорциональную мни-
мнимой части х"• Магнитный
поток, создаваемый х" в
катушке приемника, едви-
л
нут по фазе на "J" по от-
Рис. 122. Блок-схема установки для иссче-
доваиия ядерного резонанса по методу ядер»
; .ной индукции:
/ — магнит, 2 — модулирующие катушки*
3 — генератор высокой частоты, 4 — усили-
усилитель высокой частоты, 5 — детектор, 6—уси-
6—усилитель низкой частоты, 7 — фазовращатель,
8 — осциллограф, 9 — катушки приемника,
10 — катушки генератора, // — генератор
низкой частоты
ношению к первичному
потоку, а поток, создаваемый наведенным сигналом катушки при-
приемника, совпадает с ним по фазе. Каждая из этих компонент созда-
создает свой магнитный поток. Так как сигнал дисперсии сдвинут по
фазе по отношению к сигналу, наведенному в катушке приемника,
то он создает фазовую модуляцию-последнего, а сигнал поглощения
315
модулирует его по амплитуде. Осуществив детектирование и уси-
усиление сигнала по высокой частоте, можно выделить амплитудную
модуляцию, которая дает возможность оценить величину %".
Катушка передатчика 10, ось которой перпендикулярна пло-
плоскости чертежа, питается от высокочастотного генератора. Эта ка-
катушка расположена перпендикулярно по отношению к катушке
приемника 9, что значительно уменьшает влияние переменного
поля на обмотку катушки приемника, и в последней индуцируется
только э. д. с, обусловленная прецессией результирующего вектора
ядерной намагниченности. Так как установить катушки строго пер-
перпендикулярно практически невозможно, то для изменения связи
между катушками используют специальное приспособление в виде
полукруглой медной пластинки, которая, отклоняя магнитный по-
поток в ту или другую сторону, нарушает симметрию магнитного
потока. Систему катушек монтируют так, чтобы обеспечивалась
¦большая механическая жесткость, во избежание появления упру-
упругих колебаний, которые могут навести в катушке приемника доба-
добавочное переменное напряжение. Кроме того, эти катушки окружают
металлическим экраном для защиты от посторонних высокочастот-
высокочастотных полей, и подводку к катушкам делают по возможности корот-
короткой. Настройку катушки приемника осуществляют при помощи
конденсаторов переменной емкости, которые вместе с этой катуш-
катушкой образуют входной контур высокочастотного усилителя.
Получаемый сигнал ядерной индукции детектируется и усили-
усиливается, а затем подается на вход осциллографа 8. Для модуляции
постоянного магнитного поля используют катушки 2, которые со-
соединены с генератором низкой частоты //. Этот же генератор слу-
служит для синхронизации развертки осциллографа и для получения
стандартного сигнала.
Как уже было отмечено выше, в первых исследованиях по ин-
индукционному методу [37, 41] асимметрия магнитного потока созда-
создавалась с помощью медной пластинки, которая расположена у кон-
конца катушки передатчика. Вращая эту пластинку, можно регулиро-
регулировать магнитный поток через катушку приемника. Однако, как
показал эксперимент, такая пластинка не может обеспечить конт-
контроль потока, так как сама пластинка является в то же время так-
также источником некоторого потока, сдвинутого по отношению к
первичному на 90°.
В установке [42] применена дополнительная регулировка маг-
магнитного потока с помощью цепи RC, которая компенсирует напря-
напряжение в катушке приемника, обусловленное наведенным потоком.
В некоторых схемах [43] компенсация синфазной компоненты осу-
осуществляется методом наклона оси катушки передатчика по отно-
отношению к оси катушки приемника, а компенсацию э. д. с, сдвинутой
по фазе, выполняют при помощи дополнительного витка. Эти регу-
регулирующие устройства позволяют компенсировать или синфазную
компоненту сигнала, или компоненту, сдвинутую по фазе. Соответ-
Соответственно этому наблюдают сигнал, пропорциональный величине %'
316
или х'7, причем максимум сигнала будет в момент резонанса, т. е.
когда
И — hw°
где со — угловая частота ларморовой прецессии.
Метод ядерной индукции дает возможность определять гиро-
гиромагнитное отношение, константы квадрупольных связей, а также
довольно точно измерять время релаксации [44].
Для исследования ядерного магнитного резонанса в конденси-
конденсированных веществах применяют также импульсные методы. В прин-
принципе импульсные методы, к которым относятся метод «спиновой
нутации» и метод «спинового эха», отличаются от индукционного
метода тем, что в них переменное магнитное поле действует на
исследуемый образец не непрерывно, а в течение короткого про-
промежутка времени.
Метод «спиновой нутации» описан в работах [14, 45, 46]. В этих
установках модулируется не постоянное магнитное поле, а ампли-
амплитуда радиочастотных колебаний. Сигнал ядерного резонанса полу-
получают более интенсивным, чем при методе ядерной индукции. Он
наблюдается при неустановившихся условиях, и поэтому поглоще-
поглощение энергии происходит раньше, чем наступит насыщение. В опи-
описываемом методе используются более широкие линии пропускания,
что облегчает нахождение новых линий. Метод «спиновой нутации»
позволяет непосредственно измерять время релаксации.
Другой импульсный метод — метод «спинового эха» — подробно
описан в работах [47, 48, 70, 71]. Сущность метода «спинового эха»
состоит в следующем: на исследуемый образец накладываются два
импульса переменного поля, которые следуют один за другим
через определенный промежуток времени. При наложении первого
импульса ориентация вектора ядерной намагниченности изменяет-
изменяется, и он становится перпендикулярен внешнему полю. После вы-
выключения переменного поля вектор будет прецессировать вокруг
направления постоянного поля. Так как это магнитное поле неод-
неоднородно для различных элементарных объемов, то вектор намаг-
намагниченности со временем прецессирует не в фазе. Если через неко-
некоторый промежуток времени, меньший, чем время затухания сиг-
сигнала первого импульса, подать второй импульс магнитного поля,
то вектор ядерной намагниченности вновь повернется и начнет
опять прецессировать в фазе. Через некоторое время появится
сигнал ядерной индукции, так называемый «спин-эхо» сигнал.
Этот метод применяется для нахождения новых линий резо-
резонансных спектров и для измерения времени релаксации. Следует
указать на некоторые преимущества этого метода по сравнению с
другими, а именно: сигнал ядерного резонанса можно наблюдать
и в том случае, если частота колебаний несколько сдвинута от ре-
резонансной частоты. Кроме того, в этом методе исключаются раз-
различные шумы и помехи, так как сигнал наблюдается при высоко-
высокочастотном переменном поле.
317
§ 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО
РЕЗОНАНСНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ
Простейшая установка для наблюдения ядерного магнитного
резонанса описана в работе [49]. Стеклянная ампула с исследуе-
исследуемым веществом, например водой, запаивается и помещается вместе
с катушкой настроенного контура в однородное постоянное маг-
магнитное поле. Катушка соединяется с генератором высокой частоты.
Для модуляции постоянного магнитного поля применяются вспо-
вспомогательные катушки, создающие поле звуковой частоты (около
25 гц) и амплитудой в несколько ампер/метр. В момент резонанса
происходит поглощение энергии высокочастотных колебаний про-
протонами исследуемого вещества. Это вызывает изменение доброт-
добротности и полного сопротивления настроенного контура, что приво-
приводит в свою очередь к изменению высокочастотного напряжения в
этом контуре. Получаемый сигнал детектируется и усиливается, а
затем подается на электронный осциллограф, где наблюдается
сигнал ядерного магнитного поглощения. В схемах подобного типа
обычно изменяется величина постоянного магнитного поля, а час-
частота переменного поля остается постоянной.
Рассмотрим радиочастотный моет, который применили для
своих исследований Бломберген, Перселл и Паунд [50]г Схема их
установки показана на рис. 123.
Два одинаково настроенных контура питаются от одного и того
же генератора 2. В катушке К одного из них находится исследуе-
исследуемый образец О, который вместе с катушкой помещается между
полюсами электромагнита /. Эта катушка наматывается из медной
проволоки диаметром 1,2 мм. Внутренний диаметр катушки равен
0,7 мм, а длина ее составляет 15 мм. Сигналы этих двух контуров
перед усилителем высокой частоты накладываются в противопо-
противоположных фазах. Это обеспечивается благодаря тому, что между
точками А и В имеется отрезок коаксиального кабеля, равный по
величине половине длины волны. Если нет резонанса, то сигна-
сигналы, проходящие в точку А от двух этих контуров, будут полностью
компенсироваться. При резонансе появляется сигнал разбаланса,
который наблюдается с помощью осциллографа 5.
Конденсаторы С3 настраиваются таким образом, чтобы усили-
усилитель высокой частоты имел минимальный шум-фактор. Осущест-
Осуществляются независимое регулирование и балансировка моста как по
фазе, так и по амплитуде. Для этой цели служат конденсатор С4
и конденсатор Сь сдвоенный с конденсатором С6. Максимальная
емкость каждого конденсатора в отдельности равна 5 пф. При из-
изменении емкости конденсатора Gi достигается балансировка моста
как по амплитуде, так и по фазе, так как волновое сопротивление
коаксиального кабеля R2 небольшое -и поэтому конденсатор свя-
связи Сз фактически параллельно присоединен - к цепи. Сдвоенные
конденсаторы С! и С6 дают возможность, даменять связь-контура
318
с генератором, при этом настройка контура не изменяется. Для
наблюдения сигнала ядерного магнитного резонансного поглоще-
поглощения применяется электронный осциллограф. Когда интенсивность
шумов сравнима с интенсивностью сигнала и когда необходимо
увеличить отношение сигнал/шум, используется фазочувствитель-
Рис. 123. Принципиальная схема установки для исследования магнитного
резонансного поглощения с помощью радиочастотного моста:
/ — электромагнит, 2 — генератор, 3 — усилитель высокой частоты и де-
детектор, 4 — усилитель низкой частоты, 5 — осциллограф, 6 — фазочувстии-
тельнын- усилитель, 7 — фазовращатель, 8 — генератор низкой частоты,-
9 — модулирующие катушки, О — исследуемый образец, К —катушка об-
образца
ный усилитель или синхронный детектор. Сигнал наблюдается по
стрелочному прибору, который стоит на выходе. При таких изме-
измерениях применяется небольшая амплитуда модуляции, которая
значительно меньше ширины линии поглощения.
В настоящее время имеется несколько типов фазочувствитель-
ных усилителей A8]. Простейший из них состоит из одного пен-
пентода. Сигнал ядерного резонансного поглощения подается на одну
из его сеток, а на другую сетку подается синусоидальный сигнал
модуляции от генератора звуковой частоты. Результирующий сиг-
сигнал, снимаемый с анода лампы, пропорционален произведению
этих двух сигналов. Эта схема обладает тем недостатком, что сиг-
сигнал на выходе получается нестабильным, так как коэффициент
усиления пентода зависит от колебаний температуры и напряже-
напряжения. Для устранения этого недостатка применяется пушпульная
схема E1]. В других схемах улучшения отношения сигнал/шум
достигается путем применения детектора с генерацией звуковых
частот [52].
319
Если в мостиковых схемах для наблюдения линии ядерного
резонансного поглощения используется не фазочувствительный
усилитель, а электронный осциллограф, то осуществляется модуля-
модуляция постоянного поля амплитудой такой величины, которая значи-
значительно больше ширины линии поглощения.
На рис. 124 показаны некоторые схемы мостов, которые исполь-
используются для изучения ядерного резонансного поглощения.
Схема 2 с детектированием выходного сигнала обладает боль-
большой устойчивостью в работе [53]. В этой схеме исследуемый обра-
образец находится в катушке колебательного контура, которая питается
от генератора через большое сопротивление R\. Второе плечо мо-
моста, состоящее из постоянного конденсатора С2 и конденсатора
переменной емкости С3', используется для компенсации шумов и
других помех. Схема имеет два диода D\ и D2, которые включены
навстречу друг другу. Они выпрямляют напряжение, поступающее
с колебательного контура и с образца из второго компенсирую-
компенсирующего плеча. Имея ряд преимуществ перед другими схемами (ком-
(компактность, почти полное отсутствие микрофонного эффекта), она,
однако, может использоваться только в том случае, когда мнимая
часть комплексной ядерной восприимчивости имеет сравнительно
большую величину.
Иногда применяются несимметричные мосты 3, которые описа-
описаны в работах [2, 54, 55]. В некоторых других типах мостов, напри-
например 4 и 5, вместо полуволновой линии применяется специальный
трансформатор [44], обмотки которого наматываются в противо-
противоположных направлениях. Трансформатор располагается как на
выходе, так и на входе моста.
Без полуволновой линии схема моста становится более симмет-
симметричной, что значительно уменьшает влияние на работу моста час-
частотной модуляции, которая имеется в выходном сигнале генера-
генератора. Кроме того, на такой мост оказывают меньшее влияние раз-
различные механические деформации.
Имеются также схемы Г-образных мостов, с которыми можно
познакомиться в работах [56, 57]. Лоу и Бернал [18] разработали
высокочастотный симметричный мост, нечувствительный к микро-
микрофонному эффекту (рис. 125). Катушка L\ и конденсатор С\ обра-
образуют резонансный контур /, который содержит исследуемый обра-
образец, а катушка L2 и конденсатор С2 образуют холостой резонанс-
резонансный контур 2. Эти контуры по возможности максимально согласо-
согласовываются друг с другом. Z-з и С3 являются первичной катушкой
и емкостью выходного трансформатора. Контуры / и 2 соединя-
соединяются с высокочастотным источником через диоды Du D2, D3 и D4.
Если к мосту в точке А приложить большое высокочастотное
напряжение, то в обоих контурах возбудятся колебания, при этом
падение напряжения на диодах будет небольшое, поскольку им-
педансы контуров намного больше, чем импедансы диодов. При
согласовании контуров и диодов на первичной обмотке выходного
трансформатора (точки В и С) не возникает напряжения. Когда
320
А Выход
Выход
в_л. г
Выход
'С'
Выход
Вход С уя ° Выход
Г
С,
Вхлд
с,
с2
Выход
Рис. 124. Схемы радиочастотных мостов:
1 — схема с использованием полуволновой линии, 2 — схема с детектиро-
детектированием выходного сигнала, 3 — несимметричный мост, 4 и 5 схемы с
использованием трансформаторов, 6 и 7—схемы Г-образиых мостов, 8 —
схема моста для низких частот (а —контур с образцом, б — коитур без
образца)
Юх/4 Зак. 262
321
напряжение на контурах становится меньше десятых долей воль-
вольта, диоды работают в режиме с высоким импедансом; точки В и
С оказываются отключенными от входа и друг от друга. На пер-
первичной обмотке выходного трансформатора и на холостом контуре
возникает напряжение сигнала.
Мостовые методы исследования ядерного магнитного резонанс-
резонансного поглощения используют в основном для изучения различных
В.М.
Рис. 125. Схема Г-обраэного высо-
высокочастотного симметричного мо-
моста:
Di, D2, D3, D4 —диоды, Ri я R2 —
потенциометры, L\ — катушка об-
образца, L2 — катушка без образца,
В. М. — вход моста, В. С. — выход
сигнала, Z-з и Lt — катушки,
С\, С2, С3, С4 — емкости
образцов. Если нужно найти неизвестные линии в спектре, можно
применить метод генератора слабых колебаний, или, как его еще
называют, автодинный метод, который позволяет избежать
насыщения образца. Кроме того, этот метод обладает большой
чувствительностью, а применение больших амплитуд значительно
увеличивает отношение сигнал/шум. В этом методе катушка,ч соз-
создающая радиочастотное магнитное поле, образует вместе с парал-
параллельно подсоединённым конденсатором колебательный контур ге-
генератора. В момент резонанса уменьшается активное сопротивле-
сопротивление, включенное параллельно входному сопротивлению лампы, при
этом также уменьшается амплитуда колебаний. Схема, основанная
322
на методе генератора слабых колебаний, обладает большой чув-
чувствительностью к изменениям сопротивления, возникающим в мо-
момент ядерного резонанса. Различные схемы генераторов слабых
колебаний описаны во многих работах [12, 18, 58—61].
Одна из этих схем показана на рис. 126. В этой установке при-
применяется усиление сигнала на высокой частф-е перед детектирова-
детектированием. Исследуемый образец помещается в катушку L, которая
К усилителя
• низкой
частоты
Рис. 126. Схема генератора слабых колеба-
колебаний для наблюдения ядерного магнитного
резонанса
вместе с конденсатором С составляет колебательный контур гене-
генератора. Для усиления радиочастотного напряжения служит лампа
V2, а диод Уз выполняет роль детектора. Сигнал низкой частоты
усиливается и подается на осциллограф. Напряжение контура при
помощи обратной связи может поддерживаться в течение длитель-
длительного времени постоянным, около 0,1 в.
При наблюдении линии ядерного магнитного поглощения мед-
медленно изменяется величина магнитного поля, а частота перемен-
переменного поля остается постоянной. Эта схема позволяет проводить
измерения в широком диапазоне частот от 1 до 40 Мгц. Метод ге-
генератора слабых колебаний дает возможность наблюдать сигнал,
пропорциональный поглощению.
Существуют другие методы, с помощью которых можно опре-
определить величину магнитного момента протона в ядерных магнето-
магнетонах или в магнетонах Бора. При определении момента протона в
ядерных магнетонах измеряется частота протонного магнитного
резонанса и частота орбитального вращения протона, которая на-
называется также циклотронной резонансной частотой. Из-
Измерение этих частот выполняется в одном и том же постоянном
магнитном поле [18, 21].
Циклотронная резонансная частота равна
где тр — масса протона, е — заряд электрона,
магнитное поле.
A5.10)
#о — постоянное
323
Из соотношения A5.8) можно получить выражение для частоты
магнитного резонанса протонов, считая при этом что / = 7г- Тогда
имеем
A5.11)
Vn = -
где ц„ — магнитный момент протона.
Разделив соотношение A5.11) на A5.10), получаем
A5.12)
где |ля — ядерный магнетон.
Таким образом, отношение двух частот равно магнитному мо-
моменту протона, выраженному в ядерных магнетонах. Измерение
частоты ядерного магнитного резонанса можно осуществить с по-
помощью описанных выше мостовых методов. Что касается цикло-
циклотронной частоты, то ее измеряют или омегатроном, или циклотро-
циклотроном с замедлением. При измерении этой частоты первым способом
между полюсами электромагнита помещают камеру с молекула-
молекулами газообразного водорода. При столкновении электронов с этими
молекулами образуются протоны. Радиочастотное электрическое
поле резонансной частоты ориентировано перпендикулярно к маг-
магнитному полю. При радиусе траектории движения в 10 мм прото-
протоны попадают в коллектор, сила тока которого является индикато-
индикатором резонанса. При этих измерениях омегатрон и устройство для
определения частоты протонного магнитного резонанса помещают
поочередно в зазор электромагнита, что обеспечивает проведение
эксперимента в одном и том же магнитном поле.
Эксперименты с омегатроном позволили определить магнитный
момент протона, который оказался 'равным [31]
и = B,79276 ± 0,00006) ця.
A5.13)
Во втором методе частоту орбитального вращения протона из-
измеряют с помощью циклотрона, который по своим размерам значи-
значительно меньше обычного циклотрона. Диаметр дуантов такого
циклотрона равен всего 85 мм. Циклотрон помещают между полю-
полюсами электромагнита, который создает сильное однородное маг-
магнитное поле. Пучок протонов ускоряется до определенной энергии
B-Ю4 эв) и, пройдя через трубку длиной один метр, попадает в
камеру циклотрона. В момент резонанса скорость протонов умень-
уменьшается, и они попадают в коллектор.
Полученные этим методом [32, 63] значения магнитного момента
протона хорошо совпадают с результатами опытов с примене-
применением омегатрона.
Если надо определить магнитный момент протона в магнето-
324
где т — масса электрона.
Разделив A5.11) на A5.14), получаем
*-?. (И.15)
где \1В — магнетон Бора.
В этом случае, так же как и при определении момента протона
в ядерных магнетонах, отношение двух частот дает величину маг-
магнитного момента протона, выраженного в магнетонах Бора.
В работе [64] резонансную частоту ve определяли следующим
способом. Прямоугольный резонатор располагали в постоянном
магнитном поле вдоль его оси.
Пучок электронов двигался па-
параллельно магнитному полю, с.
При возбуждении в резонаторе
высокочастотных колебаний с ча-
частотой, равной циклотронной ча-
частоте электронов, движение элек-
электронов изменялось. В момент ре-
резонанса электроны не проходят
через вторую щель резонатора.
Это отмечается по току коллек-
коллектора, который находится за вто-
второй щелью.
Установка для наблюдения
ядерного магнитного резонансно-
го поглощения была разработана *%jn ^"ГядерГго
Гвоздовером и другими [4, 5]. Их резонанса в слабых н сильных вы-
установка позволяет наблюдать сокочастотных полях
сигналы ядерного резонанса как
в слабых, так и в сильных высокочастотных полях. Принципиаль-
Принципиальная схема установки показана на рис. 127. Она состоит из двух
перпендикулярных катушек L, и L2, которые обладают определен-
определенным активным сопротивлением и индуктивностью. Исследуемый
образец размером 5—8 мм помещают в катушку L2, соединенную с
усилителем. Катушки L2 и L, имели диаметры 10 и 24 мм, число
витков — соответственно 10 и 12.
Катушка L\ состояла из двух катушек Гельмгольца, что обес-
обеспечивало создание более однородного магнитного поля и создава-
создавало удобство для смены образцов. Смена образцов практически не
влияла на балансировку моста. Положение катушек Lx и L2 изме-
изменялось при помощи специального приспособления. После того как
11 Зак. 262 325
катушки устанавливали в нужном положении и закрепляли, их
расположение больше не менялось в течение всего эксперимента.
Конденсатор переменной емкости Ci = 7-h90 мкмкф образует
вместе с катушкой Lx последовательный колебательный контур.
При помощи этого конденсатора можно изменять величину и фазу
тока, который протекает через катушку L\. Выходное напряжение
регулируется конденсаторами С3 = 30; С4 = 3-=-50; С5=2,5; С6 = 5;
С7 = 5-ь60 мкмкф и сопротивлением /?4 = 23 кож, которые образуют
две параллельные цепи. Компенсация остаточного напряжения в
этой схеме выполняется при помощи изменения положения кату-
катушек L\ и L2 и специальной электрической цепью. Для этого исполь-
используют конденсаторы С4 и С7. Схема питается напряжением Е, кото-
которое подают от высокочастотного генератора. Данная схема позво-
позволяет отдельно наблюдать сигналы поглощения и дисперсии. Для
этого вводят опорное напряжение, получаемое при нарушении ба-
баланса моста, при котором справедливы условия
©Л1>0, ©Li —
A5.16)
где М — вектор намагничивания.
Поперечные составляющие вектора намагничивания, ориенти-
ориентированные перпендикулярно постоянному магнитному полю, в мо-
момент резонанса наводят в катушках L\ и L2 добавочную э. д. с.
При совпадении фаз опорного напряжения и напряжения, соответ-
соответствующего дисперсии или поглощению, и опорного на экране ос-
осциллографа будет наблюдаться сигнал дисперсии или поглощения.
При помощи этой схемы можно исследовать ядерный магнитный
резонанс на частотах 8—12,6 Мгц. С другими установками для
исследования ядерного магнитного резонанса можно ознакомиться
в работах [3, 10, 11, 13, 15,65].
§ 5. МАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ
ОРИЕНТИРОВАННЫХ ЯДЕР
Эксперименты с ориентированными ядрами могут дать сведе-
сведения о спиновой зависимости ядерных сил, о спинах и магнитных
моментах ядер, о магнитных моментах радиоактивных изотопов.
Кроме того, при помощи ориентированных ядер можно изучать
многие вбпросы, связанные с физикой твердого тела.
В настоящее время ориентированные ядра получают магнитны-
магнитными и оптическими методами. Мы остановимся только на магнитных
методах получения ориентированных ядер.
Степень ориентации ядер характеризуют величины ядерной
поляризации /i и ядерной квадруполяризации /2:
A5.17)
т
lBI-\)
A5.18)
326
где m — проекция ядерного спина на ось квантования и / — макси-
максимальная проекция. Иногда вводятся параметры более высокого
порядка /3, ft, h, которые имеют значительно более сложную зави-
зависимость от т и /.
Для ориентированных ядер значения f\ и f2 не равны нулю, а
их максимальные значения соответствуют единице. Наиболее
простым методом получения ориентированных ядер является метод
[66], при котором к исследуемому образцу прикладывается сильное
магнитное поле при очень низких температурах (Г=0,01°К). Так,
для получения fi = 3Ai, например у изотопа лития Lil, необходимо
приложить магнитное поле величиной в 107 а/м.
Квадрупольный метод ориентации ядер, предложенный Паун-
дом [67], применяют в том случае, когда ядра некоторых веществ
имеют аномальное расщепление энергетических уровней в электри-
электрическом поле (при этом fi = 0, а f2=^=0). В этом случае получаем
ядра, которые называются выстроенными. В методе Паунда
ядра исследуемого вещества, обладающие квадрупольным момен~
том, помещают во внешнее аксиально-симметричное электрическое
поле, при этом происходит расщепление энергетических уровней
ядер. Для большинства ядер это расщепление незначительно. Од-
Однако для некоторых веществ, как например для галогенов и их
соединений СН3Вг, С2Н2Вг2 и др., это расщепление аномально ве-
велико.
При экспериментальном осуществлении этого метода моно-
монокристалл вещества приводят в хороший тепловой контакт с охлаж-
охлажденной парамагнитной солью. В области достаточно низкой тем-
температуры можно получить значительную степень ориентации ядер.
Ориентированные ядра получают также при помощи парамаг-
парамагнитных солей, ионы которых обладают большим внутренним по-
полем.
Для парамагнитных солей применяют метод Блини и метод
Гортера—Розе [17, 68]. Известно, что ионы парамагнитных солей
обладают ядерным спином в отсутствие внешнего магнитного поля,
при этом разным проекциям ядерного спина на ось симметрии,
которая является осью квантования для спинов оболочки ядра,
будут соответствовать разные энергии. При достаточно низких тем-
температурах можно получить, что fi = 0, f2=^=0.
В методе Блини берут монокристалл вещества, содержащий
парамагнитные ионы, ядра которых обладают спинами. Монокри-
Монокристалл охлаждают до температуры жидкого гелия и помещают в
сильное магнитное поле порядка 106 а/м. Затем этот контакт на-
нарушается, и монокристалл адиабатически размагничивается до
нулевого значения поля. Таким способом удается получить значи-
значительную степень поляризации ядер. Метод Гортера—Розе в прин-
принципе отличается от предыдущего метода только тем^. что в нем
адиабатическое размагничивание осуществляется не;до: нулевого
значения поля, а до поля порядка нескольких тысяч а/м. Конеч-
11*
27
ная температура в этом методе несколько выше, чем в методе
Блини, поэтому параметры fi = 0, ^?=0, причем последний имеет
несколько меньшее значение, чем в предыдущем методе.
Рассмотренные выше методы получения поляризованных ядер
обладают двумя существенными недостатками. Они применимы
только к определенным элементам, как, например, к ядрам галоге-
галогенов, кобальта, меди, марганца и некоторых редкоземельных эле-
элементов. Кроме того, эти методы требуют применения сверхнизких
температур порядка 0,01°К, что создает дополнительные трудности
при проведении опытов.
В 1953 г. Оверхаузер [69] предложил новый метод получения
поляризованных ядер в металлах (эффект Оверхаузера), при этом
поляризация ядер достигается без применения сверхнизких темпе-
температур. Образец находится под одновременным воздействием
постоянного и переменного полей такой частоты, при которой имеет
место резонанс спинов электронов проводимости. При насыщении
электронного парамагнитного резонансного поглощения интенсив-
интенсивность сигнала ядерного резонанса резко увеличивается, что объ-
объясняется взаимодействием магнитных моментов электрона и ядра.
В работе [69] произведен расчет степени ядерной поляризации,
которая в стационарном состоянии зависит от степени насыщения
электронного резонанса, величины постоянного магнитного поля и
от температуры.
На экспериментальном осуществлении метода Оверхаузера мы
подробнее остановимся ниже.
Получать поляризованные ядра в ферромагнитных металлах
можно по методу Хуцишвили [16, 17]. Для этой цели ферромагне-
ферромагнетик охлаждают до сверхнизкой температуры и помещают в маг-
магнитное поле, величина которого должна быть больше поля насы-
насыщения. При таких условиях происходит полная поляризация спи-
спинов оболочек, что приводит к созданию сильного внутреннего
магнитного поля, которое вызывает значительную поляризацию
ядер.
Завойский [7] предложил метод получения поляризованного
пучка протонов. Через тонкую ферромагнитную пленку, которая
намагничена до насыщения, пропускают пучок протонов. Протоны
захватывают поляризованные электроны ферромагнетика. При
этом возникают атомы водорода, поляризованные по спину элек-
электрона. Если затем эти атомы водорода ионизировать, то возник-
возникшие протоны будут частично поляризованы. Степень поляризации
зависит от скорости движения протонов и от типа ферромагнети-
ферромагнетика. Поэтому, изучая поляризацию протонов таким способом, мож-
можно выяснить вопросы, касающиеся природы ферромагнетизма.-"
На рис. 128 представлена схема установки для наблюдения
эффекта Оверхаузера, описанная Кондорским и Бекешко [1, 9].
Как бьувд отмечено выше, поляризацию ядер можно получать
при условии насыщения электронного резонансного поглощения,
которое '«Мзано с электронами проводимости, при этом должно
328
10
существовать взаимодействие между электронными и ядерными
спинами. В данном случае существуют две возможности для на-
наблюдения увеличения ядерной поляризации металлов: при помощи
наблюдения амплитуды сигнала ядерного магнитного резонанса и
по сдвигу электронного резонанса. Описываемая нами установка
основана на первом способе наблюдения, при этом измерение про-
водилив слабом постоянном
магнитном поле, что значи-
значительно упрощало конструк-
конструкцию установки.
Высокочастотное магнит-
магнитное поле создавали при по-
помощи генератора / с неза-
независимым возбуждением. Ге-
Генератор состоял из шести
ступеней, четыре из которых
были предварительными.
Первая ступень, собранная
на лампе 6Ж8, генерирова-
генерировала частоту в пределах от
3,1 103 до 3,6-103 кгц, а сле-
следующая ступень использова-
использовалась для удвоения частоты.
Третья и четвертая ступени
генератора, собранные на
лампах 6П9, также удваи-
Рис. 128. Блок-схема установки Коидор-
ского и Бекешко для исследования эф-
эффекта Оверхаузера:
/ — высокочастотный генератор на 77—
85 Мгц, Z —генератор на 49—89 кгц,
3 — двойной Г-образный мост, 4 — уси-
усилитель иа частоты 40—80 кгц, 5 — пре-
преобразователь и детектор, 6 — усилитель
низкой частоты, 7 — катушки Гельмголь-
ца, 8 — генератор низкой частоты, 9 —
катушки модуляции, 10 — осциллограф,
/ / — волномер, 12 — миллиамперметр,
13 — амперметр в цепи катушек Гельм-
гольца, 14 — исследуемый образец, 15 —
катушка образца, R и Б — реостат и ба-
батарея аккумуляторов в цепи катушек
Гельмгольца
вали частоту. В предпослед-
предпоследней ступени использовалась
лампа типа ГУ-32, которая
служила для умножения ча-
частоты. Последняя ступень
генератора—усилитель мощ-
мощности, собранный на лампе
ГУ-29. Эта лампа удобна в эксплуатации в том смысле, что она
имеет достаточный коэффициент усиления с полезной мощностью
около 800 вт.
Для настройки генератора использовали волномер типа 51-3,
генератор стандартных сигналов ГСС-6 и ламповый вольтметр
ВКС-7. Ступени генератора помещали d специальные отсеки для
того, чтобы экранировать их друг от друга. В первых четырех сту-
ступенях контуры наматывали на керамические каркасы. Весь гене-
генератор помещали в латунный кожух, при этом контурная катушка
последней ступени выводилась в специальную латунную головку.
Эту головку изготовляли в виде параллелепипеда, в который по-
помещали высокочастотную катушку и катушку ядерного резонанса
с исследуемым образцом.
Степень поляризации ядер определяли по методу измерения
величины сигнала ядерного резонанса. Измерение проводили в
329
слабых магнитных полях порядка 103 а/м. Для формирования
сигнала ядерного магнитного резонанса, как уже отмечалось, ис-
использовали двойной Г-образный мост 3; так как баланс этого мо-
моста в сильной степени зависит от частоты, в установке была обес-
обеспечена высокая ее стабилизация. Для этой цели анодное напряже-
напряжение генератора подавали от сухих батарей.
Катушку ядерного магнитного резонанса, которая являлась
частью двойного моста, соединяли с этим мостом при помощи
коаксиального кабеля. Для балансировки моста по фазе и ампли-
амплитуде, которая осуществляется независимо друг от друга, исполь-
использовали конденсаторы переменной емкости. Уменьшение паразитных
шумов осуществлялось тщательной экранировкой моста. Исследуе-
Исследуемый образец 14 помещали в катушку 15 высокочастотного генера-
генератора, имеющую два витка.
В схему моста включали катушку ядерного резонанса, состоя-
состоящую из двух секций, расположенных между собой параллельно, по
300 витков каждая. Выход моста соединяли с выходом усилителя 4,
который имел полосу пропускания 40—80 кгц. Усилитель, состоя-
состоящий из трех каскадов, собирали на лампах 6Ж1П. Выход усили-
усилителя соединяли с входом преобразователя частоты 5, собранного
на лампе 6А7. Сигнал с частотой 49,89 кгц преобразовывали в сиг-
сигнал с частотой 465 кгц. Затем следовал каскад усиления промежу-
промежуточной частоты, собранный на лампе 6КЗ. Следующую ступень
установки — диодный детектор — собирали на лампе 6Б8 и соеди-
соединяли с входом усилителя низкой частоты 6 типа 28-И. После этого
сигнал с выхода усилителя низкой частоты подавали на верти-
вертикальные пластины осциллографа 10.
К горизонтальным пластинам осциллографа прикладывали
напряжение с частотой, равной 200 кгц, которая получалась от
специального генератора 8. Постоянное магнитное поле напряжен-
напряженностью 24 • 102 а/м создавалось при помощи катушек Гельмголь-
ца 7, имеющих диаметр 200 мм. Эти кольца наматывали медной
проволокой диаметром 1,2 мм, они имели по 210 витков. Напряжен-
Напряженность магнитного поля в средней части между катушками рассчи-
рассчитывали по формуле
а/м,
A5.19)
R V MR*.
где w — число витков кольца, i — сила тока, R — радиус кольца,
b — ширина кольца.
Для получения указанной выше напряженности магнитного по-
поля через катушки Гельмгольца пропускали ток силой 1,5 а. Для
изготовления образцов диаметром около 15 мк, что необходимо
для уменьшения скин-эффекта, в кварцевую пробирку диаметром
25 мм с двумя выводами диаметром по 5 мм помещали кусочки
металла вместе с маслом. Пространство в трубке над металлом
заполняли аргоном. Сверху кварцевую трубку закрывали резино-
резиновой пробкой, которая имела отверстие для прохождения мешалки.
330
Эта мешалка вращалась при помощи небольшого мотора. Трубку
вместе с металлом нагревали выше точки плавления исследуемого
металла до температуры 500° К. Металл расплавлялся и перемеши-
перемешивался мешалкой. После этого нагревание прекращали, а переме-
перемешивание во время охлаждения продолжалось. Таким способом
были получены частицы размером до 200 мк. Затем эти частицы
подвергались дальнейшему дроблению в поле звуковой частоты.
Для этого применяли стержневый магнитострикционный вибратор,
выполненный в виде никелевого цилиндра длиной 300 мм, диамет-
. ром 20 мм и толщиной стенок 2 мм. Сверху этот цилиндр закры-
закрывался латунной пробкой, которая имела форму усеченного конуса.
Эту часть вибратора вводили в рабочий сосуд, где находилось
масло с металлом. Здесь применяли частоту в 8 и 23 кгц. Эта опе-
операция продолжалась в течение нескольких часов. После этого по-
полученную смесь пропускали через сито. Таким методом удалось
получить частицы размером менее 15 мк. Они помещались в тонко-
тонкостенные стеклянные ампулы, которые запаивали.
Сигнал ядерного магнитного резонанса в литии небольшой,
поэтому авторы применили специальную методику для его наблю-
наблюдения. Прежде всего подсчитывались напряженность постоянного
магнитного поля и частота ларморовой прецессии электронов. На
эту частоту настраивали генератор. Силу тока в кольцах Гельм-
Гельмгольца регулировали по заданным частотам электронного и ядер-
ядерного резонанса и затем окончательно устанавливали напряжен-
напряженность магнитного поля, при которой наблюдался сигнал на экране
осциллографа.
Генератор высокой частоты настраивали по ступеням, начиная
с задающего генератора, при этом частоту каждой ступени конт-
контролировали при помощи волномера.
Настройка двойного моста прежде всего осуществлялась путем
точного измерения индуктивности и добротности контурной катуш-
катушки. После этого мост окончательно балансировался. Для того чтобы
избежать влияния высокочастотного генератора на измеритель-
измерительный мост, осуществлялась экранировка.
Эта установка позволяет исследовать поляризацию ядер при
различных температурах, от температуры кипения жидкого азота
до ~400°К. Для этой цели изготовляли специальный сосуд из пе-
пенопласта, куда помещали измерительную катушку с образцом.
Этот сосуд располагался в магнитном поле колец Гельмгольца.
Так как с изменением температуры меняется сопротивление катуш-
катушки моста и при этом происходит нарушение его баланса, то при
каждой температуре приходится вновь производить балансировку
моста.
Как мы уже говорили,-исследование поляризации ядер выпол-
выполняется по методу определения амплитуды сигнала ядерного маг-
магнитного резонансного поглощения, который пропорционален ком-
компоненте ядерной магнитной восприимчивости %" и который в свою
очередь зависит от поляризации ядер. Расчеты показали, что на-
331
пряжение сигнала ядерного магнитного резонанса, возникающее
на выходе моста, имеет порядок 10~8 в. Для наблюдения этого
сигнала должны быть строго перпендикулярны магнитные поля, а
высокочастотное поле должно иметь необходимую мощность.
В установке Кондорского и Бекешко эти условия пол-
полностью выполнялись. Перед началом измерения определяют
оптимальное значение напряжения, прикладываемого к катушке
Г-образного моста, при котором существует наибольшее отноше-
отношение сигнал/шум. Напряжение на этой катушке устанавливают при
помощи изменения входного напряжения. При различных значе-
значениях напряжения, сохраняя постоянными степень усиления и мощ-
мощность высокочастотного генератора, наблюдают амплитуду сигнала
ядерного магнитного резонанса. Дальнейший эксперимент прово-
проводят при оптимальном значении напряжения на катушке моста.
Расчет ядерного гиромагнитного отношения для металла, в дан-
данном случае для Li7, выполняется по формуле
2яу
Для этого, как видно, требуется знать величину напряженности
постоянного магнитного поля и частоту переменного магнитного
поля.
Для наблюдения динамической поляризации ядер в растворах
парамагнитных солей можно использовать спектрометр, который
описан в работе [72]. Блок-схема установки (рис. 129) содержит
источник постоянного магнитного поля, систему детектирования
сигнала ЯМР, пропорционального поляризации ядер, и систему
для насыщения ЭПР. Основным элементом спектрометра яв-
является двухчастотная измерительная головка /, выполненная в
виде медного цилиндра. Этот цилиндр выполняет также роль экра-
экрана. Головка содержит две катушки К\ и Кг, через зазор между
которыми продувают воздух, термостатирующий образец. Одну из
катушек используют для создания высокочастотного магнитного
поля Hie, которое насыщает ЭПР. Эту катушку наматывают из
посеребренного A мм) медного провода на тонкостенный цилиндр
из фторопласта. Она наматывается таким образом, чтобы по _ воз-
возможности создавалось однородное магнитное поле. С помощью
катушки К\ перекрывают диапазон частот от 30 до 120 Мгц. Ка-
Катушка служит для детектирования сигнала ЯМР. Для ослабления
напряжения высокой частоты, возникающего на зажимах /G из-за
сильной связи с К\, применяется LC-фильтр. Резонансная головка
имеет также схему согласования катушки К\ с кабелем РК-50 и
схему измерения амплитуды высокочастотного поля. Последняя
схема содержит емкостной делитель напряжения, амплитудный
детектор и ламповый вольтметр постоянного тока с большим вход-
входным сопротивлением. Этот вольтметр измеряет на насыщающей
катушке К\ напряжение Ve, которому пропорционально при данной
частоте высокочастотного генератора // напряженность поля Н\е.
332
Коэффициент пропорциональности определяют экспериментально
или вычисляют. Постоянное магнитное поле создают катушки
Гельмгольца 2, а для линейной развертки магнитного поля исполь-
используют вспомогательные катушки 3, которые питаются от схемы 7.
Амплитуду развертки можем плавно менять. Низкочастот-
Рис. 129. Блок-схема установки:
/ — двухчастотная резонансная головка, 2 — основные катуш-
катушки Гельмгольца, 3 —катушки линейной развертки поля, 4 —
модуляционные катушки, 5 — калибровочные катушки, 6 — ста-
стабилизатор тока, 7—блок линейной развертки, « — аккумуля-
аккумуляторы, 9 и 10 — звуковые генераторы, //— высокочастотный
генератор, 12 — волномер, 13 — ламповый вольтметр, 14 и 15 —
генераторы, 16 — волномер, 17— осциллограф, 18 — синхрон-
синхронный усилитель, 19— самопишущий потенциометр, 20 — термо-
термостат, 21 — вентилятор, 22 — воздушный фильтр
модуляция магнитного поля, и калибровка ширины линии
ЯМР осушествляется при. помощи катушек 4 и 5.
Для насыщения спектра ЯМР применяют два высокочастотных
генератора, работающие в диапазоне 30—70 мгц и 70—120 мгц
Эти генераторы дают возможность регулировать выходную мощ-
мощность в широких пределах при постоянной частоте. Напряжение
333
Ve регулируют изменением смещения выходного усилителя мощ-
мощности.
Для детектирования сигналов ЯМР используют генератор сла-
слабых колебаний 15, приспособленный для работы в слабых полях.
Этот генератор удобен для измерения ядерной поляризации
при разных значениях напряженности постоянного магнитного
поля, он может быть также использован для измерения ширины
линии ЭПР и записи сверхмощной структуры спектра ЭПР по сиг-
сигналам динамической поляризации ядер. Если нужна более высокая
чувствительность и стабильность по частоте, применяют Q-метр с
умножителем добротности.
Сигналы ЯМР усиливаются на частоте модуляции синхронным
усилителем 18 и регистрируются самописцем 19. Синхронный уси-
литель состоит из узкополосного усилителя, синхронного детек-
детектора и блока формирования опорного напряжения, который пре-
преобразует синусоидальное опорное напряжение модуляционного
генератора в напряжение прямоугольной формы. Для обеспечения
линейности системы детектирования ЯМР перед синхронным уси-
усилителем включены калибровочные делители напряжения.
На ленте самописца регистрируются производные сигналов по-
поглощения или испускания, которые пропорциональны ядерной на-
намагниченности.
Данная установка позволяет измерять коэффициенты увеличе-
увеличения поляризации ядер в зависимости от величины насыщающего
ЭПР поля Hie, ядерные и электронные времена релаксации и ис-
исследовать сверхтонкую структуру спектров ЭПР.
§ 6. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ
МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ЯДРАХ
В настоящее время эффективные поля на ядрах можно опреде-
определить несколькими методами: изучением анизотропии у~излУчения
поляризованных ядер, путем измерения ядерной удельной тепло-
теплоемкости, с помощью эффекта Мессбауэра, а также при изучении
электронного и ядерного магнитных резонансов.
Рассмотрим только те установки, которые основаны на измере-
измерениях ядерной удельной теплоемкости и эффекта Мессбауэра.
Известно, что суммарная величина теплоемкости металлов мо-
может быть представлена в виде многочлена.
ся,
A5.20)
где Ср — теплоемкость упругих колебаний решетки, См — магнит-
магнитный член, обусловленный спин-волновым взаимодействием, Сэ —
теплоемкость, связанная со взаимодействием электронов проводи-
проводимости, и Ся — ядерная теплоемкость, обусловленная магнитным и
квадрупольным сверхтонким взаимодействиями.
334
Члены в соотношении A5.20) имеют различную температурную
зависимость, что дает возможность определить некоторые из них.
Для этого экспериментально в широком температурном интервале
определяют температурную зависимость теплоемкости. В области
сверхнизких температур теплоемкость в основном определяют
электронным и ядерным взаимодействием, при этом
С = Са + Ся = уТ + ОГ 2. A5.21)
Экспериментально можно определить коэффициенты у и а. Ко-
Коэффициент y позволяет судить о взаимодействии электронов прово-
проводимости с решеткой, определяя величину «эффективной» массы
электрона по формуле
2 J_
"„ з /г. мдж
моль-град
где Vm — молярный объем, п — число свободных электронов на
атом, а ц=-—, где т* — «эффективная» масса электрона, am —
m
масса свободного электрона. Ядерная удельная теплоемкость свя-
связана с эффективным магнитным полем соотношением
A5.22)
где / и ця— соответственно спин и магнитный момент ядра, а ^ —
универсальная газовая постоянная.
Таким образом, определив ядерную теплоемкость, можно оце-
оценить величину эффективного магнитного поля на ядре.
Стеценко и Авксентьев [73] создали на физическом факультете
МГУ установку для измерения теплоемкости металлов и сплавов
в интервале температур 0,2—1,5°К (на рис. 130 показаны блок-
схема установки и разрез стеклянного калориметра с образцом).
Исследуемый образец 10 массой 20—25 г, имеющий форму ци-
цилиндра, помещают в ампулу /, где он центрируется при помощи
кварцевых капилляров 13. На наружной поверхности образца на-
находится нагревательная обмотка 12 из манганиновой проволоки.
В качестве термометра используют угольное радиосопротивление,
а охлаждающей солью служат хромокалиевые квасцы, спрессован-
спрессованные в цилиндрические блоки 6. Теплообмен между солью и образ-
образцом осуществляется хладопроводом 7 и сверхпроводящими, пере-
переходами 9. Соль размагничивают электромагнитом ФЛ-1, который
создает магнитное поле до 9-Ю5 а/м. Образец находится в массив-
массивном железном экране, что уменьшает его нагревание при изме-
изменении магнитного поля. Исходная температура перед размагни-
размагничиванием 1,35° К, она достигается откачкой паров гелия мощным
форвакуумным насосом.
Основной частью установки для точного измерения температу-
температуры является /?С-генератор, частота работы которого зависит от
3?5
13-
8
Рис. 130. a—Блок-схема установки для измерения
теплоемкости металлов и сплавов:
] и 7 — потенциометры, 2 — блок коммутации, 3 — пе-
пересчетные схемы, 4 — генератор, 5 и 6 — ВСП (пере-
(пересчетная схема), 8 — образец с нагревателем, 9—тер-
9—термометр, 10 и 12 — микроамперметры, И и 13 — эта-
эталонные катушки сопротивления, 14 — пусковой
включатель блока коммутации
б — Схема устройства калориметра:
/ — стеклянная ампула, 2 — змеевик для напускания
и откачки гелия, 3 — стеклянный шлиф, 4 — молибде-
молибденовые токопроводы, 5 —держатель блока соли, 6 —
блок парамагнитной солн, 7 — хладопровод, S —дер-
—держатель образца, 9 — сверхпроводящие переходы,
Ю — образец, 11 — термометр, 12 — нагреватель,
13 — центрирующие кварцевые «усы»
температуры образца 10. В цепочку обратной связи генератора
введен термометр //, находящийся в хорошем тепловом контакте
с образцом. Чувствительность схемы к изменению температуры в
основном определяется цепочкой обратной связи. В данной уста-
установке при изменении температуры в пределах 1,5—0,2°К сопротив-
сопротивление изменяется от 800 до 34 • 104 ом. Для такого широкого изме-
изменения сопротивления в установке есть две цепочки обратной свя-
связи, одну из которых используют для самых низких температур, а
другую — для более высоких.
С выхода усилителя сигнал, уровень которого на термометре
сопротивления всегда меньше 100 мв, идет на блок формирования
импульса, где синусоидальный сигнал преобразуется в сигнал отри-
отрицательной полярности. Затем отрицательные импульсы поступают
на пересчетные схемы ПС-10 000. Для автоматизации процесса
измерения применяют специальный блок коммутаций, состоящий
из мультивибратора, кипп-реле, усилителя, кольцевой схемы, соб-
собранной на тиратронах, и системы электромагнитных реле. Приме-
Примененная в установке схема коммутации дает возможность измерять
температуру через заданные интервалы времени, длительность ко-
которых измеряется при помощи пересчетных схем. Температуру
контролируют также потенциометром марки УПЛ-60. Градуи-
Градуировку угольного термометра проводят по давлению насыщающих
паров Не и по парамагнитной восприимчивости хромокалиевых
квасцов, у которых магнитная восприимчивость в интервале тем-
температур 1,2—4,2°К следует закону Кюри—Вейсса.
Погрешность измерения теплоемкости, по мнению авторов, со-
составляет 5%.
Измерение эффективных полей и а ядрах при помощи эффекта
Мессбауэра. В экспериментах по наблюдениям эффекта Мессбауэ-
ра для компенсации энергетического сдвига между линиями испу-
испускания и поглощения у-лучей излучающие и поглощающие ядра
двигаются относительно друг друга с некоторой скоростью, при
этом в зависимости от скорости измеряют интенсивность прошед-
прошедших через поглотитель у-лучей. По методу измерения интенсив-
интенсивности установки можно разделить на две основные группы. К пер-
первой относятся установки, в которых источник движется с постоян-
постоянной скоростью. При их помощи можно подробно исследовать не-
небольшие участки спектра у-лучей. Ко второй группе относятся
установки с непрерывно изменяющейся скоростью источника. Весь
спектр снимают одновременно, при этом крайне неудобно исследо-
исследовать его отдельные участки. Переменную скорость движения мож-
можно создавать механическим, гидравлическим или электрическим
способами. Более высокую точность регулировки скорости дает
электрический способ.
Рассмотрим спектрометр (рис. 131), который дает возможность
проводить измерения как с постоянной скоростью, так и с постоян-
постоянным ускорением [74].
Датчик стабильных частот 3, состоящий из кварцевого генера-
337
тора и пересчетного устройства, включает девять последовательно
соединенных счетных триггеров. С датчика импульсы напряжения
поступают на формирователь временных сигналов 4 (ФВС), кото-
который вырабатывает импульсы напряжения, соответствующие пря-
Рис. 131. Блок-схема спектрометра:
/ — анализатор, 2 — переходный блок, 3 — датчик частот, 4 —
блок формирования временных сигналов, 5 — блок формирова-
формирования опорного сигнала скорости, 6 — одноканалышй анализатор
импульсов, 7 и 8 — усилители, 9 — детектор, 10 — пересчетные
устройства, И — источник, Я — поглотитель
мому и обратному ходу подвижной системы вибратора, когда спек-
спектрометр работает в режиме постоянной скорости, и рабочему и
«мертвому» состояниям спектрометров в режиме постоянного
ускорения. Если спектрометр работает в режиме постоянной ско-
скорости, то формирователь временных сигналов распределяет им-
импульсы с одноканального анализатора 6 на пересчетное устрой-
устройство 10. Дальше импульсы напряжения поступают на блок форми-
, рования опорного сигнала скорости 5, на выходе которого полу-
получается прямоугольный импульс со стабильными верхним и нижним
уровнями и постоянной составляющей, близкой к нулю. Это на-
напряжение подается через многоступенчатый декадный усилитель
;338
на систему вибратора с обратной связью. При работе в режиме
постоянного ускорения прямоугольное напряжение интегрируется
с помощью усилителя 8, а затем также идет на вибратор с обрат-
обратной связью, который содержит собственно вибратор, усилитель
напряжения и усилитель мощности. Собственно вибратор состоит
из двух одинаковых магнитных систем, в кольцевых зазорах кото-
которых подвешены катушки, жестко соединенные между собой алю-
алюминиевым штоком. Одна из катушек является управляющей, а
вторая — датчиком скорости. Снимаемый сигнал со второй катушки
сравнивают с опорным сигналом, а разность между ними усили-
усиливается по напряжению и подается на управляющую катушку. Бо-
Более подробно вибратор с обратной связью описан в работах
[75, 76].
В качестве детектора излучения в данной установке использу-
используют пропорциональный счетчик 9 (СРМ-1) и сцинтиляционный дат-
датчик УСД-1 с кристаллом ГС, импульсы которых усиливаются типо-
типовым усилителем УИС-2 G). О работе спектрометра судят по сте-
степени взаимной симметрии резонансных спектров, определенных при
разной полярности.
Основными параметрами спектрометра являются: погрешность
градуировки в режиме постоянной скорости 0,3%, в режиме по-
постоянного ускорения 1%, долговременная нестабильность градуи-
градуировки 0,2%, диапазон скоростей до 100 мм/сек.
При описании данного спектрометра мы только остановились
на основных его блоках, не рассматривая подробно их схемы и
принцип работы. Все это подробно изложено в оригинальной ра-
работе [74].
Мессбауэровский спектрометр с переменной скоростью движе-
движения, собранный из стандартных приборов рис. 132, предложен в
работе [77].
На генератор 10 механических колебаний ГМК.-1, который име-
имеет источник Со57, подается от генератора 9 синусоидальное напря-
напряжение частотой 50—500 гц. Для регистрации у-квантов исполь-
используют резонансный счетчик / с кристаллом Nal толщиной 0,5 мм.
Усиленные импульсы (усилитель 8) подаются на одноканальный
анализатор 7 и смешиваются в смесителе 6 со случайными импуль-
импульсами нерезонансного канала. Со смесителя импульсы идут на вход
амплитудного модулятора 12, где модулируются синусоидальным
напряжением, поступающим с измерительной катушки генерато-
генератора 10. Мгновенные значения этого напряжения пропорциональны
значениям скорости движения источника. С выхода амплитудного
модулятора импульсы поступают на 200-канальный анализатор, а
на вход управления памятью анализатора подаются импульсы с
нерезонансного канала.
В первой половине памяти анализатора (каналы 1—99) реги-
регистрируются импульсы от резонансного счетчика 1, а во второй (ка-
(каналы 100—199)—импульсы нерезонансного канала, при этом ско-
339
рости счета импульсов в обоих каналах подбирают приблизитель-
приблизительно равными. В каждой половине памяти имелось почти арксинусо-
идальное распределение импульсов. Номер канала был пропорцио-
пропорционален скорости движения источника, а центры распределения
соответствовали нулевой скорости. Нормировка спектра получа-
получалась при делении числа отсчетов в
каждом канале первой подгруппы
на число отсчетов в соответству-
соответствующем канале второй подгруппы
памяти. Регулируя частоту или ам-
амплитуду выходного напряжения ге-
генератора 9, можно изменять интер-
интервал скорости. Число каналов, по
которым распределяется спектр,
зависело от напряжения, поступа-
поступающего с генератора 10.
Важной частью установки слу-
служит блок амплитудного модулято-
модулятора 12 с усилителем постоянного на-
напряжения. От работы этих узлов
зависит точность измерения скоро-
скорости, уровень шумов и стабильность
коэффициента усиления. Их схемы
и подробное описание даны в рабо-
работе [77]. Калибровка и проверка ли-
линейности шкалы установки произво-
производятся при измерении спектров погло-
поглощения с источником Со57 в Pt тол-
толщиной 9 мк и поглотителями, хими-
химический сдвиг для которых известен.
При помощи этой установки был
снят спектр резонансного поглоще-
поглощения железа в Fe2O3 и некоторых
комплексных соединений при 298° К.
Достоинства этого спектрометра состоят в том, что его основ-
основные узлы, за исключением блока амплитудной модуляции с уси-
усилителем, собраны из стандартных приборов.
§ 7. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ
СТРУКТУРЫ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МЕТАЛЛОВ
ПРИ ПОМОЩИ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ
ПОЗИТРОНОВ
Эффекты, сопровождающие аннигиляцию позитронов, могут
быть использованы для изучения электронной структуры твердых
тел. Здесь прежде всего можно изучать вопросы, связанные с то-
топологией поверхности Ферми металлов и со спиновой поляриза-
поляризацией различных электронных групп ферромагнитных металлов.
340
Рис. 132. Мессбауэровский спек-
спектрометр с переменной скоро-
скоростью движения:
/ — резонансный счетчик, 2 —
иерезонансный счетчик, 3— ди-
дискриминатор, 4 — формирова-
формирователь, 5 — анализатор 200-ка-
нальный, 6 — смеситель, 7 —
одноканальный анализатор, 8 и
// — усилители, 9 — ЛС-генера-
тор, 10 — генератор механиче-
механических колебаний (ГМК-1), 12—
амплитудный модулятор, S —
источник, Р — поглотитель
Возможность таких исследований появляется вследствие следую-
следующих причин. Позитроны, попавшие в твердое тело, к моменту
аннигиляции успевают почти полностью потерять свою первона-
первоначальную кинетическую энергию. Эти позитроны вследствие куло-
новского отталкивания ядром локализуются в междоузлиях ре-
решетки. Эти два обстоятельства приводят к тому, что свойства
аннигиляционного излучения оказываются связанными только со
Рис. 133. Принципиальная схема установки для изучения
аннигилиции позитронов [78]:
/ — полюса электромагнитов, 2 — детекторы излучения, 3 —
схема совпадения, 4— источник позитронов, 5 — свинцовые
блоки, 6 — исследуемый образец
свойствами валентных электронов. В случае аннигиляции позитро-
позитронов в ферромагнитных металлах аннигиляционные эффекты могут
зависеть от взаимной ориентации направления спинов позитронов
и намагниченности образца.
Обычно в опытах по аннигиляции в качестве источника пози-
позитронов используют радиоактивные изотопы. В результате (^-рас-
(^-распада этих изотопов образуются продольно поляризованные
позитроны, имеющие степень поляризации, равную /—\,где (v)—
средняя скорость рождающихся позитронов. Таким образом,
в опытах по исследованию аннигиляции позитронов в ферромаг-
ферромагнитных металлах реализуется система, состоящая из поляризо-
поляризованных позитронов и поляризованных электронов. Наиболее
вероятным процессом аннигиляции является двухквантовая анни-
аннигиляция. Однако вследствие закона сохранения зарядовой четности,
превращение электрон-позитроннои пары в четное число у-квантов
может происходить только- при спин-синглетных состояниях этой
пары. Поэтому если в какой-то зоне электроны поляризованы, то,
меняя направление намагниченности образца, можно регулировать
вероятность аннигиляции поляризованных позитронов с электро-
электронами этой зоны.
341
На рис. 133 представлена принципиальная схема установки,
использованная в МГУ Седовым, Соломатиной и Кондрашевой[78]
для измерения величины
л =— Aо. щ
(индексы + и — указывают на направление магнитного поля от-
относительно направления поляризации позитронов).
В качестве источников позитронов использовали радиоактив-
радиоактивный изотоп Na22 с активностью примерно 10 мкюри.
Детекторами излучения служат сцинтилляционные счетчики,
состоящие из кристаллов Csl, диаметром 80 мм и ФЭУ-24. Фото-
Фотоумножитель тщательно экранируют от влияния магнитного поля.
С этой целью электромагнит был окружен железными плитами,
а детекторы располагались в толстостенных железных трубах.
Величина магнитного поля составляла 6,4 • 1№ а/м. Рабочая поверх-
поверхность образцов представляла собой прямоугольник размерами
18x25 мм2. Результаты измерения выводили из регистрации
109 сигналов, создаваемых парами аннигиляционных квантов.
Чтобы избежать различных ошибок, обусловленных аппаратур-
аппаратурными эффектами, вначале производили контрольные измерения на
медном образце. Согласно произведенным измерениям было опре-
определено, что у железа и никеля величина К порядка Ю-4.
Эти результаты позволили авторам сделать вывод, что у этих
металлов S-электроны намагничены противоположно d-электронам.
ЛИТЕРАТУРА
1. БекешкоН. А., КондорскийЕ. И. ЖЭТФ, 32, вып. 3, 611, 1957.
2. Быков М. А. Измерительная техника, № 3, 49, 1956.
3. Быстрое В. Ф., Д ека б р у к Л. Л., Ким я но в Ю. Н., Степа-
нянц А. У., Утя иска я Э. 3. ПТЭ, № 1, 1122, 1961.
4. Гвоздовер С. Д., Невская Н. М. ЖЭТФ, 25, вып. 4, 435, 1953.
5. Гвоздовер С. Д., М а г а з а н и н А. А. ЖЭТФ, 20, вып. 8, 705, 1950.
6. Дорфман Я. Г. Магнитные свойства атомного ядра. М.—Л., ГИТТЛ,
1948.
7. Завойский Е. К. ЖЭТФ, 32, вып. 2, 408, 1957.
8. Келлог Дж. Б. М., Мил л ман С. УФН, 34, вып. 1, 72, 1948.
9. Кондорский Е. И., Бекешко Н. А. Научн. докл. высш. школы,
сер. физ.-мат. наук, № 2, 204, 1958.
10. Поп л Д., Ш ней дер В., Бернстейн Г. Спектры ядерного маг-
магнитного резонанса высокого разрешения. М., ИЛ, 1962.
И. Л ем а но в В. В. ПТЭ, № 1, 126, 1961.
12. Померанцев Н. М. Изв. АН СССР, сер. физ., 20, № 11, 1238, 1956.
13. П о м е р а н ц е в Н. М., К в и л и д з е В. И. ПТЭ, № 2, 56, 1957. *
.14. Померанцев Н. М. УФН, 65, вып. 1, 87, 1958.
15. С а м и т о в Ю. Ю. ПТЭ, № 5, 100, 1961.
16. X у ц и ш в и л и Г. Р. ЖЭТФ, 29, 894, 1955.
17. Хуцишвили Г. Р. УФН, 53, вып. 3, 381, 1954.
18. Эндрю Э. Ядерный магнитный резонанс. М., ИЛ, 1957.
19. Э с т е р м а н И. УФН, 32, вып. 1, 89, 1947.
342
20. В 1 о с h F. Physica, 19, 831, 1953.
21. Alvarez L. W., В 1 о с h F. Phys. Rev., 57, 111, 1940.
22. G e r 1 а с h W., S t e r n O. Ann. Phys., 74, 673, 1924.
23. Estermann I., S t e r n O. Zs. Phys., 85, 17, 1933.
24. Breit G., Rabi I. I. Phys. Rev., 38, 2082, 1931.
25. R a b i I. I., Millmann S., Kusch P., Z а с h a r i a s J. R. Phys
Rev.. 53, 318, 1938.
26. R a b i I. I., M i 11 m a n n S., К u s с h P. Phys. Rev., 55, 526, 1939.
27. Davis L., N а у 1 e D., Zacharias J. R. Phys. Rev., 76, 1068, 1949.
28. E i s i n g e r J. Т. В e d e r s о n В., F e 1 d В. Т. Phys. Rev., 86, 73, 1952.
29. Lew H. Phys. Rev., 91, 619, 1953.
30. D i с k e R. H. Rev. Sci. Instr., 17, 268, 1946.
31. S о m m e r H., T h о m a s H., H i p p 1 e J. Phys. Rev., 82, 697, 1951.
32. В 1 о с h E., J e f f r i e s CD. Phys. Rev., 80, 305, 1950.
33. P u г с e 11 E. M., T о г г е у Н. С, Pound R. V. Phys. Rev. 69, 37,
1946.
34. P u г с e 1 1 E. M., В 1 о m b e г g e n N, Paund R. V. Phys. Rev., 70, 988,
1946.
35. P u г с e 11 E. M. Physica, 17 282, 1951.
36. P о u 1 i s N J. Physica, 17, 392, 1951.
37. В 1 о с h F., Hansen W., Packard M. Phys. Rev., 69, 680, 1940.
38. В loch F., Grave A., Packard M., Spence R. Phys. Rev., 71,
373, 1947.
39. В loch F., Levin thai E., Packard M. Phys. Rev., 72, 1125, 1947.
40. В 1 о с h F. Phys. Blat., 9, Nr. 10, 442, 1953.
41. Bloch F., Hansen W., Packard M. Phys. Rev., 70, 474, 1946.
42. L e v i n t h a 1 E. Phys. Rev., 78, 204, 1950.
43. Weaver H. Phys. Rev., 89, 923, 1953.
44. Pake G. J. Chem. Phys., 16, 327, 1948.
45. Torrey H. Phys. Rev., 75, 1926, 1949.
46. Torrey H. Phys. Rev., 76, 1059, 1949.
47. H a h n E. Phys. Rev., 76, 461, 1949.
48. H a h n E. Phys. Rev., 77, 746, 1950.
49. R о 11 i n B. Nature, 158, 669, 1946.
50. Blombe rgen N., P u г с e 11 E, Pound R. Phys. Rev., 73, 679, 1948.
51. Cox H. Rev. Sci. Instr., 24, 307, 1953.
52. Schneider E. Proc. Phys. Soc, 61, 569, 1948.
53. T h о m a s E.Hunton R. Rev. Sci. Instr., 20, 516, 1949.
54. Anderson H. Phys. Rev., 76, 1460, 1949.
55. S о u t i f M., С a b i 11 a r d R. Physica, 17, 420, 1951.
56. G rivet P., S out if M., В u у 1 e M. Compt. Rend., 229, 113, 1949.
57. Waring C, Spencer R., С u s t e r R. Rev. Sci. Instr., 23, 497, 1952.
58. Grivet P., Soutif M., Cabillard R. Compt. Rend., 229, 27, 1949.
59. Gutowsky H, Meyer L, Meclure R. Rev. Sci. Instr., 24, No. 8,
644, 1953.
60. Roberts A. Rev. Sci. Instr., 18, 845, 1947.
61. Pound R. Phys. Rev., 72, 527, 1947.
62. Williams D. Physica, 17, 454, 1951.
63. Jeffries С Phys. Rev., 81, 1040, 1951.
64. С a r d n e r J., P u г с e 11 E. Phys. Rev., 76, 1262, 1949.
65. Fric C, Hahn H. С. г. Acad. sci., 250, No. 8, 1471, 1960.
66. К u г t i N., S i m о n F. Proc. Roy. Soc, 149, 152, 1952.
67. Pound R. Phys. Rev., 76, 1410, 1949.
68. Ros M. Phys. Rev., 75, 213, 1949.
69. Overhauser A. Phys. Rev., 92, No. 2, 411, 1953.
70. P f e i f e r H. Exptl. Techn. Phys., 4, No. 6, 248, 1956.
71. S chw arz J. Reb. Sci. Instr., 28, No. 10, 780, 1957.
72. Степанов А. П., Стоцкий В. М., Филатов А. И. ПТЭ, № 1,
129, 1966.
73. С те цен ко П. Н., Авксентьев Ю. И. ПТЭ, № 6, 178, 1965.
343
74. В е й ц Б. Н., Г у р е в и ч Г. Г., Л и с и н Ю. Д. ПТЭ, № 2, 56, 1967.
75. Л и п к и н Дж., Шехнир Б., Штрикман С, Тревес Д. При-
Приборы для научных исследований, № 10, 85, 1964.
76. V о v b о г g L. Nuel. Instr. and Methods, 34, No. 3, 307, 1965.
77. В а л о в П. М., Соколова В. К., Виленский А. Г., Ванш-
т е й н Э. Е. ПТЭ, № 5, 161, 1965.
78. С е д о в Л. В., С о л о м а т и н а Л. В., К о н д р а ш е в а А. А. ЖЭТФ,
54 вып. 6, 1626, 1968.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Некоторые физические свойства элементов
Таблица 1
Элемент
Сим-
Символ
Атом-
. ный
номер
Атомный
вес
Плотность
при 293°К
хю>
кг/л»3
Т°К—273°
Электросопро-
Электросопротивление,
Q
OM-MXlO
2,655**
5,9***
1.8-1012
26**
106,8***
5,5**
140,5*
53,4***
89,000***
Модуль
упоугости,
103 н/м*
10
37
—
—
4,6
50
—
—
:
Тип пространственной
решетки
Азот . . .
Актиний .
Алюминий
Америций .
Аргон . .
Астатин
Барий .
Бериллий
Бор . .
Бром . .
Ванадий
Висмут . .
Водород .
Вольфрам .
Гадолиний
Галлий . .
Гафний . .
Гелий . .
Германий .
N
Ас
А1
Am
Аг
At
Ва
Be*
В
Br
V
Bi
н
w
Gd
Ga
Hf
He
Ge
7
89
13
95
18
85
56
4
5
35
23
83
1
74
64
31
72
2
32
14,008
227,05
26,97
241
39,944
211
137,36
9,02
10,82
79,916
50,95
209,00
1,0080
183,92
156,9
69,72
178,6
4,003
72,60
0,00116
2,699
0,00166
3,5~
1,82
2,3
3,12
6,0
9,80
0,000084
19,3
7,98
5,91
11,4
0,000166
5,36
-210,0
1600
660,2
—189,4
704
1280
2300
-7,2
1735
271,3
-259,4
3410
1312
29,78
1700
-271,4
958
-195,8
2060
—185,8
1640
2770
58
3400
1420
-252,7
5930
2800
2070
—268,9
— гексагональная
кубическая гранецентри-
рованная
кубическая гранецентри-
рованная
кубическая объемноцент-
рированная
гексагональная плотноупа-
кованная
ромбическая
ромбическая
кубическая объемноцент-
рированная
ромбоэдрическая
гексагональная
кубическая объемноцент-
рированная
гексагональная плотноупа-
кованная
ромбическая базоцентри-
рованная
гексагональная плотноупа-
кованная
гексагональная плотноупа
кованная
кубическая, типа алмаза
¦¦t-ЧШЩЩ-
Гольмий .
Диспрозий
Европий .
Железо . .
Золото . .
Индий . .
Иод .
Иридий
Иттербий
Иттрий .
Кадмий..
Калий .
Кальций
Кислород
Кобальт
Кремний
Криптон
Ксенон .
Кюрий
Лантан
Литий
Но
Dy
Ей
Fe
Аи
In
I
Ir
Yb
Y
Cd
К
Ca
О
Co
Si
Kr
Xe
Cm
La
Li
67
66
63
26
79
49
53
77
70
39
48
19
20
8
27
14
36,
54
96
57
3
164,94
162,46
152,0
55,85
197,2
114,76
126,92
193,1
173,04
88,92
112,41
39,096
40, П8
16,0000
58,94
28,06
83,7
131,3
242
138,92
6,940
—
8,56
5,24
7,87
19,32
7,31
4,93
22,5
7,01
5,51
8,65
0,86
1,55
0,00133
8,9
2,33
0,00349
0,00550
6,15
0,53
1461
1407
826
1539
1063,0
156,4
114
2454
824
1509
320,9
63
850
—218,8
1495
1430
—157
-112
826
186
2490
2330
1430
2740
2970
—
183
5300
1320
2630
765
770
1440
-183.0
2900
2300
—152
—108,0
—
1370
87*
56*
81*
9,71**
2,19***
8,37***
1,3-1015**
5,3**
27*
64,9*
6,83***
6,15***
3,43***
6,24**
Ю5***
59**
8,55***
—
—
—
28,5
12
—
75
—
—
8
—
3
30
16
—
—
гексагональная плотноупа-
кованная
гексагональная плотноупа-
кованная
кубическая объемноцент-
рированная
кубическая объемноцент-
рнрованная
кубическая гранецентриро-
ванная
тетрагональная гранецен-
трированная
ромбическая
кубическая гранецентри-
рованная
кубическая гранецентри-
рованная
гексагональная плотноупа-
кованная
гексагональная плотноупа-
кованная
кубическая объемноцент-
рированная
кубическая гранецентри-
рованная
кубическая
гексагональная плотноупа-
кованная
кубическая, типа алмаза
кубическая гранецентри-
рованная
кубическая гранецентри-
рованная
гексагональная плотноупа-
кованная
кубическая объемноцент-
рированная
Продолжение табл. I
Элемент
Лютеций . . .
Магний . . . ,
Марганец . . .
Медь
Молибден . . .
Мышьяк . . .
Натрий . . . .
Неодим . . . ,
Неон
Нептуний . . .
Никель . . . .
Ниобий . . . .
Олово . . . ,
Осмий . . . ,
Палладий . . .
Платина . . .
Плутоний . . .
Полоний . .
Празеодим .
Прометий . .
Протактиний
Радий . . .
Радон . . .
Рений . . .
Родий . . .
Ртуть ....
Рубидий . .
. Рутений . .
Самарий . .
Свинец . . .
Селен . . .
Сера (желтая)
Серебро . .
Скандий . .
Стронций . .
Сурьма . . .
Таллий . . .
Тантал . . .
Теллур . . .
Тербий . . .
Технеций . .
Сим-
Символ
Lu
Mg
Mn
Си
Mo
As
Na
Nd
Ne
Np
Ni
Nb
Sn
Os
Pd
Pt
Pu
Atom-
ИЫЙ
номер
71
12
25
29
42
33
11
60
10
93
28
41
50
76
46
78
94
Атомный
вес
174,99
24,32
54,93
63,54
95,95
74,91
22,997
144,27
20,183
237
58,69
92,91
118,70
190,2
106,7
195,23
239
Плотность
прн 293°К
ХЮ\
кг/л»3
9,74
1,74
7,43
8,96
10,2
5,73
0,97
7,05
0,00084
8,90
8,57
7,298
22,5
12,0
21,45
Т°К—273°
точка
плавления
1652
650
1245
1083,0
2625
814
97,7
1024
—248,6
1455
2415
231,9
2700
1554
1773,5
точка
кипения
3000
1110
2150
2600
4800
610
892
3210
-246,0
2730
2270
5500
4000
4410
Электросопро-
Электросопротивление,
Q
оммх.10
79*
4,46**
185*
1,673**
5,17***
35
4,2***
64,3*
6,84**
13,1**
11,5**
9,5**
10,8**
9,83***
Модуль
упругости,
103 н/м'
—
6,5
23
16
50
—
30
—
6
80
17
21
Тип пространственной
решетки
Ро
Рг
Pm
Ра
Ra
Rn
Re
Rh
Hg
Rb
Ru
Sm
Pb
Se
S
Ag
Sc
Sr
Sb
Tl
Та
Те
Tb
Тс
84
59
61
91
88
86
75
45
80
37
44
62
82
34
16
47
21
38
51
81
73
52
65
43
210
140,92
147
231
226,05
222
186,31
102,91
200,61
85,48
101,7
150,43
207,21
78,96
32,066
107,880
45,10
87,63
121,76
204,39
180,88
127,61
159,2
99
6,63
5,0
4,40
20
12,44
13,55
1,53
12,2
7.7
11,34
4,81
2,07
1049
2,5
2,6
6.62
11,85
16,6
6,24
8,33
—
600
940
3000
700
—71
3170
1966
—38,87
39
2500
1060
327,4
220
119,0
960,5
1530
770
630,5
300
2996
450
1364
2700
3017
—61,8
4500
357
680
4900
1670
1740
680
444,6
2210
3000
1380
1440
1460
—
1390
2480
—
68*
4,5**
94,1***
12,5**
7,6***
88*
20,65**
2-1023**
1,59**
66,3*
23**
39,0***
18***
12,4**
2-19'**
135,5**
гексагональная плотноупа-
плотноупакованная
гексагональная плотноупа-
кованная
кубическая (сложная)
кубическая гранецентри-
рованная
кубическая объемноцент-
рированная
ромбоэдрическая
кубическая объемноцент-
рированная
гексагональная плотноупа-
кованная
кубическая гранецеитри-
рованная
кубическая гранецентриро-
ванная
кубическая объемноцент-
рированная
тетрагональная объемно-
центрированная
гексагональная плотноупа-
кованная
кубическая гранецентри-
рованная
кубическая гранецентри-
рованная
42
60
2,6
11
11,3
27
6
моноклиническая
гексагональная плотноупа-
кованная
гексагональная плотноупа-
кованная
кубическая гранецентри-
рованная
ромбоэдрическая
кубическая объемноцент-
рированная
гексагональная плотноупа-
кованная
ромбоэдрическая
кубическая гранецеитри-
рованная
гексагональная
ромбическая гранецентри-
рованная
кубическая гранецентри-
рованная
гексагональная плотноупа-
кованная
кубическая гранецентри-
рованная
ромбоэдрическая
гексагональная плотноупа-
кованная
кубическая объемноцент-
рированная
гексагональная
гексагональная плотноупа-
кованная
со
СП
о
Продолжение табл. I
Элемент
Сим-
Символ
Атом-
Атомный
номер
Атомный
вес
Плотность
при 293°К
Х1О3,
кг/м1
Т К—273е
точка
плавления
точка
кипения
Электросопро-
Электросопротивление,
о
ом-мх\0
Модуль
упругости,
103 н/м2
Тип пространственной
решетки
Титан
Торий
Тулий
Углерод (графит)
Уран
Фосфор (желтый)
Фтор
Хлор
Хром
Цезий
Церий
Цинк
Цирконий . . . ,
Эрбий . . . . .
Ti
Th
Tu
С
и
р
F
С1
Сг
Cs
Се
Zn
Zr
Er
22
90
69
6
92
15
9
17
24
55
58
30
40
68
47,90
232,12
169,4
12,010
238,07
30,98
19,00
35,457
52,01
132,91
140,13
65,38
91,22
167,2
4,54
11,5
9,35
2,22
18,7
1,82
7,19
1,9
6,9
7,133
6,5
9,16
1820
1800
1545
3700
ИЗО
44,1
—223
101
1890
28
804
419,46
1750
1720
4830
280
—188,2
—34,7
2500
690
3476
906
19**
79*
1375***
60**
10" B84°К)
13*
18,83***
78**
5,916**
41,0***
16,8
0,7
36
11
гексагональная плотноупа-
кованная
кубическая гранецентри-
рованная
гексагональная плотноупа-
кованная
гексагональная
ромбическая
кубическая
тетрагональная
кубическая объемноцент-
рированная
кубическая объемноцент-
рированная
кубическая объемноцент-
рированная
гексагональная плотноупа-
кованная
гексагональная плотноупа-
кованная
гексагональная плотноупа-
кованная
Примечание: * —298СК1 **—293°К, *** — 273°К.
Таблица II
z
1
?,
3
4
5
6
7
8
9
10
II'
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
со 26
S 27
Эле-
Элемент
н
Не
Li
Be
В
С
N
0
F
Ne
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
К
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Is
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2s
—
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2P
—
—
1
2
3
4
5
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
3s
—
—
—
.
—
—
—
—
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Строение электронных оболочек
Зр
—
—
—
—
—
—
—
_
—
1
2
3
4
5
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
3d
_
—
—
—
—
—
—
—
—
_
—
—
—
—.
—
—
—
—
—
1
2
3
5
5
6
7
4s
_
—
_
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
1
2
2
2
2
1
2
2
2
4р
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
id
—
.
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
атомо в
4/
—¦
—
—
—
—
—
—¦
—
—
—
—
•—¦
—
—
—
—
—-
—
—
—
—
—¦
—
—
5s
—
i
—
—
—
—
—
—
—
—
•—•
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
5р
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
Ы
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—•
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
5/
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
6s
—
—
—
—
6р
—
—
—
—
— —
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—•
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—.
—
—
—
—
—
—
—
—
—•
—•
—
.—.
.—.
—
—
—
—_
—
—
—•
—
—
—
—
¦—
—
—
—
—•
7s
—
—
—
—
—•
—
—
—•
—•
—
—
——
—
—
—
—•
—
—
¦—
—-
—
—
—
—
—
Орбиты,
опреде-
определяющие
моменты
isi
2s1
2р
2р3
2р4
2р5
3s1
1
ч
1
Зр
Зр'*
4s1
~~
3d1
3d
3d3
3d54sJ
3d'
3d6
3d'
Орбиты,
опреде-
определяющие
моменты
3
<§¦
3
S?
3
а
¦а
от
¦а
со
со
a
5
to
Эле-
Элемент
N
т
a.
f
1
1
1
1
1
1
1 1
1
1
1
ЮЮЮЛЛ
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
1
04 |
1 1
—«м со ^«ю coco coco coco cocococo<O
-—
«222222222222222222
сосо<осо<осососо<ососососо^ососо<ососо
-——
СОСОСО COCO COCO COCO COCO COCO COCO COCO CO CO
a
c-
¦<?
JC
DP
3rtc
3 С
- а!
3CV
3 •-
1" T
"f
1" ¦*
: «las
I
a
i
i
1
1
1
1
1
1
Vo-It
J 1 1
1 1 1
MM
1 1 1
1
1
1
1
i
1
1 1 1
22222222
CO(OCOCO<OCOCO<O
22222222
COCOCDCOCOCOCOCO
(M(MC4(M(M(M(M(M
totototototototo
a CO ¦*
352
#
Ю I Ю1ЙЮ
I I I ! I I II I I I II II I I
I II I II I I I II I II I I
I I I I I I I I I II II II I I
— (M(M(M(M(M(M(M(M(M(M(M(N(M(M(M(M
(M (M(M (M(M (M
I I
— I I II I-
CO CO CO CO CO CO
COCOCOCOCO<OCO<O(O(O(OCOCOCOCOCOCO
CO CO CO CO CO CO
cococococococococococococococococo
CO CO CO CO CO CO
(M(M (M(M(M (M
cococococococococococococococococo
CO CO CO CO CO CO
CM CMN<N<M(M
(M(M(M(MCM(M
353
со
СП
Продолжение табл. И
z
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
Эле-
Элемент
Pt
Аи
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Em
Fr
Ra
Ac
Th
Pa
U
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
Is
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2 •
2
2
2
2
2
2
2s
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
-
cococococococococo
6
6
6
6
totototototototo
3s
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
3p
6
6
6
6
6
6
6
6
6
to to to to
6
6
6
6
6
6
6
6
3d
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
4s
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
cococococococococo
со со со со
cocococococococo
и
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
if
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
15
14
14
5s
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
COCOCOCOCOCOCOCO
Ы
9
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
—
—
2
3
4
6
7
7
8
10
6s
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
1
2
3
4
5
6
to to to to
totototototototo
Gd
—
1
2
1
1
1
1
1
7s
—*
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Орбиты,
опреде-
определяющие
моменты
6s1
бр1
6p,3
ft
5/46*
sp
5/'
5/'6*
5/W
5/1»
US-
Некоторые свойства материалов с высокой проницаемостью
Таблица III*
Наименование
Состав, %,
остальное Fe
и примеси
Термическая
обработка,
Г°К-273
Т Т r if л fj ш |,лп
Пйчальная
проницае-
проницаемость
120
150
10 000
500
2500
4000
2000
3000
4800
1200
8000
20 000
100 000
20 000
800
800
650
400
850
3000
70
НО
90
60
Макси-
Максимальная
проницае-
проницаемость
2 000
5 000
200 000
7 000
25 000
70 000
35 000
35 000
25 000
250 000
100 000
100 000
1 000 000
100 000
5 000
4 500
10 000
2 000
4 000
55 000
250
600
100
65
100—1000
Коэрци-
Коэрцитивная
сила,
103
Х~~а/м
4я
1,8
1,0
0,05
0,5
0,3
0,05
0,1
0,1
0,08
0,03
0,05
0,05
0,002
0,05
2,0
2,0
1,0
1,2
0,6
2,0
0,04
10
0,7
6,0
6,0
1—200
Е*~
§ f-f
?*i ™ 1
5§2
21 200
21 500
21 500
19 700
2 000
16 000
16 000
14 500
11 000
8 600
13 000
10 800
8 700
7 900
6 500
24 500
24 000
24 200
15 500
12 500
2 000
8 000
17 900
6 100
16 000
6 000
Потери на
гистерезис
при насы-
насыщении,
ю-!
дж/м*
5 000
300
3 500
1 200
220
800
400
120
580
200
8
12 000
6000
3300
2500
1500
2000
2000
300—450
Точка
Кюри,
г°к—
273
770
770
770
690
500
.
600
200
460
400
980
980
970
715
650
400
1120
358
500
300
Элек-
тросо-
против-
ление,
10~8
ом-м
10
10
10
60
45
45
80
85
58
20
16
55
60
62
7
26 ,
20
19
16
140
9
7
40
70
_
Плот-
Плотность,
кг/м3
Сталь мягкая
Железо техническое .
Железо чистое ....
Кремнистое железо . .
Термоперм
45-Пермаллой
Гиперник
Монимакс
Синимакс
Мегаперм 6510 ....
68-Пермаллой ....
78-Пермаллой ....
4-79-Пермаллой ....
Супермаллой .....
Муметалл
Пермендюр
Ванадиевый пермендюр
Гиперко
45-25-Перминвар . . .
7-70-Перминвар ....
Термаллой
Алперм
Кобальт
Никель
50-Изоперм
36-Изоперм
Сплав Гейслера . . . ,
0,2С
0,2 (примеси)
0,05 (примеси)
4 Si
30 Ni
45 Ni
50 Ni
ЗМо, 47 Ni
3Si, 43 Ni
65Ni, H Mn
68 Ni
78,5 Ni
4Mo, 79 Ni
5Mo, 79 Ni
5Cu, 2Cr, 77Ni
50 Co
1,8 V, 49 Co
0,5 Cr, 35 Co
26 Co, 45 Ni
7 Co, 70 Ni
67Ni, 30Cu,2Fe
16A1
99Co
99Ni
50Ni
9Cu, 36 Ni
10Al,I5Mn,75Cii
950
950
1480(H2), 880
800
1000
1050
1200 (H2)
1125 (H8)
1125 (Ha)
1000 (O. M.)
1050,600 C.)
1100 (K. O.)
1300 (K. O.)
1175 (H2)
800
800
850
1000,400
1000,425
600 C.)
1000
1000
1100 (X. П.
600C.), 200
7,8
7,88
7,88
7,65
8,17
8,25
8,27
7,7
8,45
8,60
8,72
8,77
8,58
8,3
8,2
8,0
8,6
6,5
8,9
8,90
8,25
8,2
* В табл. Ill и IV приняты следующие обозначения: 3. — закалка в воде, 3. В. — закалка на воздухе, О. П.—охлажде-
w ние вместе с печью, К. О.—охлаждение с контролируемой скоростью, О. М. — охлаждение в магнитном поле, О.—отпуск,
о? X. П. — холодная прокатка, В. — волочение, Пр.—прессование, Н2 — отжиг в водороде.
со
Таблица IV
Свойства некоторых промышленных материалов для постоянных магнитов
^именование
Состав, % (вес), ос-
остальное Fe
нс.
103
Х~4зГ
X
а/м
вг.
хкг
X
4 тл
§ х
Способ изготов-
изготовления
Термическая обра-
обработка (Т°К—273)
Механи-
Механические
свойства
Плот-
Плотность,
103
кг/м*
Углеродистая сталь . . .
Вольфрамовая сталь . .
Вольфрамовая сталь . .
Хромистая сталь ....
Хромистая сталь ....
Хромистая сталь . . .
Кобальтовая сталь C% Со]
Кобальтовая сталь C% Со'
Кобальтовая сталь F% Со'
Кобальтовая сталь (9% Со'
Кобальтовая сталь
A5% Со) ...
0,9С, 1Мп
0.7С, 0,2Mn, 5W
0,4 С, 6W
0.6С, 1 Сг
0,9С, О.ЗМп, 3,5Сг!
1.05С, бСг
I.0C, ЗСо, 4Сг,
0,4 Мо
1,05С, ЗСо, 9Сг,
1,5 Мо
1.05С, 6Со, 9Сг,
1,5Мо
1,05 С, 9 Со, 9Сг,
1,5 Мо
1.05С, 15Со, 9Сг,
1,5Мо
50
70
65
45
65
70
80
130
145
160
180
10000
10300
10500
9000
9700
9800
10000
7200
7500
7800
8200
0
о
о
0
0
0
0
0
0
0
0
2
3
3
2
з
3
,4
,35
,45
,5
,6
горячая прокат-
прокатка, обработка
резанием, штам-
штамповка
3. 800
3. 850
3. В. 750,
3. 800
3. 800
3. 830
3. В. 750;
3. 840
3. 860
О. П. 780;
3. В. 1000
О. П. 780;
3. В. 1000
3. В. 1150;
О. П. 780;
3. В. 1000
3. В. 1150;
О. П. 780;
3. В. 1000
твердый,
прочный
7,8
8,1
8,1
7,8
7,7
7,75
7,8
7,7
7,75
7,9
C Кобальтовая сталь
A7% Со) . . .
со
ю Кобальтовая сталь
S C5% Со) ...
Кобальтовая сталь
C6% Со) ...
0,75 С, 17 Со, 2,5 Сг,
8W
0,85 С, 35 Со, 6Сг
4W
0,7 С, 36 Со, 4Сг
5W
150
250
240
9500
9500
9500
Алии (МК) .
Алннко 1 ,
Алнико 2 .
Алнико 4 .
Алнико 5 .
Алкомакс 4
Алнико 6 .
Алнико 12 . . .
Викаллой 1 . .
0,65
1,0
1,0
3. 930
3. В. 1150;
О. П. 780;
3. 950
3. 930
25 Ni, 13 А1, 4 Си
5Со, 20Ni, 12А1
12,5Со, 17Ni, 10 AI
6 Си
5Со, 28Ni, 12 А1
24Со, 14 Ni, 8A1,
ЗСи
25Со, 13Ni, 8A1,
ЗСи, 2,7Nb
24Со. 15Ni, 8A1,
ЗСи, 1,25 Ti
35Со, l8Ni, 6A1,
8Ti
52Со, 10 V
500
440
540
700
640
760
730
950
300
6000
7200
7200
5500
13100
11800
10700
5800
8800
1,3
1,4
1,6
1,3
5,5
4.7
3.8
1,5
1,0
литье и штам-
штамповка
литье и штам-
штамповка
холодная про-
прокатка, обработ-
обработка резанием,
штамповка
3. 1200; О. 700
3. 1200;
О. 600
3. 1200; О. 650
О. М. 1300;
О. 600
О. М. 1300;
О. 600
О. М. 1300;
О. 600
3. В. 1200;
3. 650
О, 600
твердый,
хрупкий
8,35
8,15
8,2
7,0
6,9
7,1
7,0
7,3
7.35
7,4
7,2
8.2
Продолжение табл. IV
Наименование
Состав, % (вес), осталь-
остальное Fe
нс, х
4л
а/м
В-10-'тл
Способ изготов-
Термическая обра-
обработка (Т°К-273)
Механи-
Механические
свойства
Плот-
Плотность
10'
кг/л3
Викаллой 2
Кунифе 1 (магнетофлекс)
Кунифе 2 . . ^ . . . .
Кунико 1
Кунико 2
Платина—железо . . . .
Платина—кобальт . . .
Сильманал
Пермет . .1
Индаллой . . •
Вектолит
Каслон ,
Тромолит
Гайфлюкс
52 Со, 14 Y
20 Ni, 61 Си
2,5 Со, 20 Ni, 50 Си
29 Со, 21 Ni, 50Си
41 Со, 24Ni, 35 Си
78 Pt
23 Со, 77 Pt
9Мп, 4А1, 87 Ag
30Со, 25Ni, 45Си
12 Со, 17 Мо
30Fe2O3, 44Fe3O4,
26 Со2О3
17 Со. 27 О2
НСо, 24Ni, 11 А1,
3,5 Си
510
590
260
700
450
1570
2600
6000
800
240
900
700
615
3900
10 000
5800
7300
3400
5300
5800
4500
550
2500
9000
1600
1100
3700
6600
3,5
1,9
0,8
0,9
1,0
3,0
3,8
0,08
0,5
0,9
0,5
0,2
0,7
1,0
холодная про-
прокатка , волоче-
волочение, обработка
резанием, штам-
штамповка
холодная про-
прокатка, обработ-
обработка резанием,
штамповка
холодная про-
прокатка, обработка
резанием
холодная про-
прокатка, обработ-
обработка резанием,
штамповка
спекание, штам-
штамповка
прессование
получение по-
порога
В. О. 600
3. 1070;О. 700
В. О. 600
3. 1080; О. 625
3. 1300;
3. 1200; О. 650
О. 250
3. В. 1100
О. М. 1000
О. М. 1000
нет
Пр.
вязкий
ков-
ковкий, вяз-
вязкий
ковкий,
вязкий
8,1
8,6
8,6
8,3
10
11
хрупкий
мягкий
3
>3,2
— и—,?¦¦
Составы и магнитные свойства металлокерамических и металлопластических магнитов
Т а'б л и ц а V
Материал
Алии
Алиико
Магнико
Кунифе
Кунифе
Кунико
Кунико
Со—Pt
Ag—Мп—А1
Алии
Алнико
Fe—Co
Вщстолит „ -
' -ФёррокЬяур
Номинальный состав, %
13 А1, 25 Ni, 62 Fe
10 Al, 17 Ni, 12 Co,
6 Cu, 54,5 Fe
8 Al, 15 Ni, 24 Co,
3 Cu, 50 Fe
60 Cu, 20 Ni, 20 Fe
60 Cu, 20 Ni, 20 Fe
48 Cu, 23 Ni, 29 Co
35 Cu, 24 Ni, 41 Co
23 Co, 77 Pt
68,8 Ag, 8,8 Mn, 4,4 Al
18 Fe
15 Al, 24 Ni, 4 Cu,
57 Fe
9 Al, 20 Ni, 15 Co,
4 Cu, 52 Fe
30 Fe2O3, 44 Fe3O4,
"^ 2&GozOs
, 86 Fe2O3
. о
5300
6000
10500
5400
2700
3200
4700
4300
450
3300
3900
4800
6900
1600
2000
нс, x
103
4Л
500
550
560
390
360
730
550
4700
5000
450
530
480
580
900
1500
(BH)
8Л
макс , —4 .
10 джм*
36
50
115
45
19
32
43
16
26
34
59
20
32
5,8
5,2
5,6
3,2
—
2,4
3,7
—
3,2
4,0
4,2
4,3
—
—
Плотность
6,7
5,2
7,0
8,6
7,7
7,9
7,7
14,5
8,5
5,1
5,4
4,3
4,5
3,0
4,5
Механические
свойства
твердый,
хрупкий
мягкий, отно-
относительно плас-
пластичный
-В- 4ЛХЮ-7
D
тл/м,'а
3350
270
3800
330
7400
390
3900
290
1800
260
1700
470
2800
390
2000
200
2300
280
3100
280
4350
430
1030
800
Таблица VI
Атом -ая восприимчивость диамагнитных металлов нри 293° К
Металл
V10*
Металл
V10*
Медь . .
Серебро
Золото .
Бериллий
Цинк . .
Кадмий .
Ртуть . .
Бор . .
Галлий .
—5,4
—21,56
—29,59
-9,02
—10,26
—19,6
—33,8
—6,7
—16,8
Индий . .
Таллий а
Германий
Свинец .
Мышьяк .
Сурьма .
Висмут .
Селей . .
Теллур .
—12,36
—49,05
—8,9
—24,86
-5,5
—107
—265
—26,5
—40,8
Таблица VII
парамагнитных металлоа при комнатной температуре
Литий . . .
Натрий . .
Калий . ¦ •
Рубидий . .
Цезий . . .
Магний • •
Кальций . .
Барнй . . •
Стронций .
Алюминий .
Скандий . .
Иттрий . .
а-Лантаи . .
•у-Церий . .
о-Празеодим
а-Неодим .
а-Самарий .
Европий . _.
а-Гадолиний
а-Тербий . .
Диспрозий .
Гольмий . •
Эрбий . . •
Тулий . . •
а-Иттербнй .
1 Титан . • •
Цирконий .
Гафний . .
Ванадий . .
Ниобий . •
Тантал . . .
Молибден .
Вольфрам .
Уран . . .
Марганец .
Рений . • •
. Технеций. .
Рутений . .
Родий . •
Палладий .
Осмий . .
Иоидий .
Металл
V10'
Температурная зависимость
восприимчивости и «нак ее
температурной производной
dXA/dT
25,2
15,6
21,5
19,2
29,9.
6
44
20
92
16,7
280
186
101
2 430
5 320
5650
1275
33100
356 000
193 000'
99 800^
70 200
44 100
26100
71.
156
119
75
255
209
152
82
55
620
527
68,
270
44
101
558
9,
35
189
практически отсутствует
слабая
закон Кюри—Вейсса
в ограниченном интерва-
интервале температур)
закон Кюри—Вейсса
Таблица VIII
Снисок основных антиферромагннтных веществ
Вещество
Сг
МпО
FeO
СоО
№О
MnS
MnSe
МпТе
CrSb
МпОг
VA
СггО3
a-Fe2O3
FeCO3
MnF2
FeF2
CrC!2
FeCI2
CoC!a
NiCla
VC13
СиС1г-2НгО
CrK(SO4)ij-12H2O
FeNH4(SO4I!.12H!!O
Mn(NH4I!(SO4J.6H2O
CuKJ(SO4)!!.6H1!O
7>.,OK
420
122
198
291
647
165
247
307
700
92
173
320
950
57
72
79
70
24
25
50
30
4,3
0,004
0,043
0,12
0,05
610
570
280
2470
528
740
.
2000
14
113
117
Х(мол)
макс-103
1,8
6
8
5,3
6,0
19
4,6
1,9
2,8
1,0
48
22
22
2-10"
103
Кристаллическая
структура
NaCl
NaCl
NaCl
NaCl
NaCl
NaCl
NiAs
NiAs
рутил
гексагональная
гексагональная
гексагональная
рутил
рутил
ромбоэдрическая
кубическая
Преиму-
Преимущественное
направле-
направление
[100]
[100]
[100]
[100J
с
с
а, в
а, в
[100]
361
Таблица IX
Зеркальные гальванометры постоянного тока отечественного производства
Тип прибора
М 21
М 21/1
М 21/2
М 21/3
М 21/4
М 21/5
М 21/6
М 107/1
М 107/3
М 107/4
М-107/5
М 25/3
М 25/4
М 25/5
М 25/6
М 25/7
М 25/11
М 25/12
М 25/13
ГЗС-47
ГЗС-47/1
ГЗС-47/2
гвнут" ом
400
800
80
8
100
9
22
280
1000
20
25
25
14
90
280
600
2000
30
380
2900
500
500
500
гвнеш, ом
11000
60 000
1800
45
0
2 300
35
0
750
20—70
2000
150 000
250
0
250
0
150
3
33
450
2000
4000
15 000
52
1000
10 000
20 000
10 000
7000
Ci а/мм/м
л:-10-9
0,6
0,11
0,2
2,3
7,2
0,35
3
10
1,3 ,
5
0,8
0,02
0,4
1,4
0,6
1,8
1
3,5
7,5
2
0,9
0,7
0,35
3,5
0,8
0,25
0,1
0,3
0,5
Cv v/мм/м
х- Ю-5
7
7
0,12
0,06
0,13
0,09
1,2
0,3
1,7
3
0,1
0,03
0,17
0,045
0,18
0,09
0,35
1,1
2,1
3,3
6
Са к/мм/м
л;. 10-9
8
3,5
—
—
—
—
—
—
—
27
7
21
Сф еб/мм
1j«-jc- 10—6
7_ сек
4
8
22
24
24
24
9
9
6
6
7
11
21
21
8
8
6
6
7
7
7
7
7
18
20
ч 20
13
7
6
362
Продолжение табл. IX
Тип прибора
ГЗС-47/3
ГЗС-47/4
ГЗС-47/5
ГЗС-47/6
ГЗБ-47/1
ГЗБ-47/2
ГЗ-1
М 17/1
М 12
М 13
М 14
М 15
М 16
М 17
М 18
№ 19
М/10
1 об.
М/11
2 об.
М/12
1 об.
М/13
2 об.
М/14 2x100
гвнут" ом
500
500
40
500
80
—
40
20—110
12
20
25
35
70
150
350
850
1300
2500
15
300
20
15
4000
гвнеш' 0Л
5000
2500
350
2000
1500
100
200—1110
40
0
100
0
250
0—5
630
60
1600
4000
10 000
25 000
63 000
160 000
4,0
0
1600
250
0—6
100
0—5
63 000'
1600
Ci а/мм/м
*ю-9
1
3
5
8
5
20
10—1
3,2
10
2,4
7,5
0,5
1,5
2
5,5
1,2
0,8
0,5
0,3
0,1
0,02
1,8
6
0,3
0,4
1,4
1,4
5
0,06
1
Cv v/мм/м
х-10—5
0,17
0,12
0,3
0,18
0,12
0,04
1,2
0,5
2
3
5
7,5
6,5
3
Са к/мм/м
х- Ю-9
0,1
0,07
0,1
0,03
0,17
0,08
1,6
Сф вб/мм
Im-x-IQ—6
t
1
0,7
0,8
0,3
1,4
0,7
То,сек
4
3
4
1,5
25
25
2-7,5
5
4
10
4
4
4
4
4
6
13
20
18
18
5
363
Таблица X
Значение термоэлектрической силы стандартных термопар в зависимости
, от температур*
'^ Платино-родий A0%) — платина
273
—20
—10
о(-)
0(+)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
ПО
120
130
140
150
160
170
180
190
200
0
-о,
—о,
0
0
о,
0,
о,
о,
о,
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
109
155
057
115
176
237
301
366
432
500
569
640
,712
,786
,861
,937
,014
,093
,173
,254
,337
,42С
1
—0,
—о,
0,
о,
0,
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1 1
1
060
006
006
063
121
182
243
307
373
439
507
576
647
,719
,794
,869
,945
,022
,101
,181
,262
,345
,429
-о,
—0,
0,
0,
0
0
0
о
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
2
066
011
011
069
127
188
250
314
379
446
514
583
,654
,727
,801
,876
,952
,030
,109
,189
,271
,354
,436
-0,
-0,
0,
0,
0,
0,
0
о
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
( 1
3
1
071
017
017
074
133
194
256
320
386
452
520
590
,662
,734
,809
,884
,960
,038
,117
,197
,279
,36?
,447
—о,
-о,
о,
о,
о,
0
о
о
о
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
4
077
022
022
080
139
200
263
327
392
459
,527
,597
,669
,742
,816
,891
,968
,046
,12Е
,20Е
,287
,37С
,45Е
-о,
-о,
о,
о,
о,
о,
о,
0
о
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
> 1
5
082
028
028
086
145
206
269
333
399
466
534
604
,676
749
,824
,899
,976
,054
,133
,214
,296
,37?
,464
-о,
-о,
0,
о,
о,
0
0
0
0
о
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
[ 1
6
087
033
034
092
151
212
275
340
406
473
541
611
,683
756
,831
,907
,983
,061
,141
,222
,304
,387
,475
7
-0,093
-0,039
0,040
0,098
0,157
0,218
0,282
0,346
0,412
0,480
0,548
0,618
0,690
0,764
0,839
0,914
0,991
1,069
1,149
1.23С
1,315
' 1.39Е
. 1,481
-о,
-о,
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
> 1
1
8
098
044
045
103
164
225
288
353
419
486
555
626
,698
771
,846
,922
,99?
,077
,157
,23*
,32С
,4о:
9
-о,
-о,
0,
0,
0,
0,
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
i
1
) 1
i 1
,490' 1
104
050
051
109
170
231
294
359
425
493
562
633
705
779
,854
,929
,006
,085
,165
,246
,329
,412
,499
* Термоэлектрическая сила дана в предположении, что побочный спай нахо-
находится при комнатной температуре B93°К), выражена в милливольтах, температу-
температура—в градусах Иёждуиародиой шкалы.
364
Продолжение табл. X
273
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
500
(
1,
1,
1,
1,
1,
1,
2,
2,
2,
2
2
2
2
2
2
2
2
3
3
3
3
. 3
3
3
3
3
3
4
4
4
)
507
595
683
771
860
949
039
129
219
310
401
493
585
677
770
863
957
051
145
240
,335
,431
,527
,623
,720
,817
,915
,013
,111
,210
1
1,
1,
1,
1,
1,
1,
2,
2,
2,
2,
2,
2
2
2
2
2
2
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
4
4
1
4
516
604
692
780
869
958
048
138
228
319
410
502
594
686
779
872
966
060
155
250
345
441
537
633
730
827
925
023
,121
,220
5
1,
1,
1,
1,
1,
1,
2,
2,
2,
2,
2
2
2
2
2
2
2
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
4
4
4
525
613
701
789
878
967
057
147
237
328
419
511
603
696
789
882
976
070
164
259
354
450
,546
,642
,739
,837
,935
,033
,131
,230
1
1
1,
1,
1
1,
2,
2,
2,
2
2
2
2
2
2
2
2
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
¦ 4
4
4
i
533
621
709
798
887
976
066
156
246
337
429
521
613
705
798
891
985
079
174
.269
,364
,460
,556
,652
,749
,846
,945
,042
,141
,240
4
1,542
1,630
1,718
1,807
1,896
1,985
2,075
2,165
2,255
2,346
2,438
2,530
2,622
2,714
2,807
2,901
2,995
3,089
3,183
3,278
3,373
3,469
3,565
3,662
3,759
3,856
3,954
4,052
4,151
4,250
5
1,551
1,639
1,727
1,816
1,905
1,994
2,084
2,174
2,264
2,356
2,447
2,539
2,631
2,724
2,817
2,910
3,004
3,098
3,193
3,288
3,383
3,479
3,575
3,672
3,769
3,866
3,964
4,062
4,161
4,260
б
1,560
1,648
1,736
1,824
1,913
2,003
2,093
2,183
2,274
2,365
2,456
2,548
2,640
2,733
2,826
2,919
3,013
3,107
3,202
3,297
3,393
3,489
3,585
3,681
3,778
3,876
3,974
4,072
4,170
4,269
1
7
1,569
1,657
1,745
1,833
1,922
2,012
2,102
2,192
2,283
2,374
2,465
2,557
2,649
2,742
2,835
2,929
3,023
3,117
3,212
3,307
3,402
3,498
3,594
3,694
3,788
3,886
3,984
4,082
4,180
4,279
8
1,577
1,665
1,754
1,842
1,931
2,021
2,111
2,201
2,292
2,383
2,475
2,567
2,659
3,751
2,844
2,938
3,032
3,126
3,221
3,316
3,412
3,508
3,604
3,701
3,798
3,895
3,993
4,091
4,190
4,289
9
1,586
1,674
1,762
1,851
1,940
2,030
2,120
2,210
2,301
2,392
2,484
2,576
2,668
2,761
2,854
2,948
3,042
3,136
3,231
3,326
3,421
3,517
3,613
3,710
3,807
3,905
4,003
4,101
4,200
4,299
363
Продолжение табл. X
273
510
520
530
540
550
560
570
580
590
600
610
620
630
640
650
660
670
680
690
700
710
720
730
740
750
760
770
780
790
800
4
4
4
4
4
4
4
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
6
6
6
6,
6,
6,
6,
6,
6,
6,
7,
7,
.7,
0
,309
,409
,509
,609
,710
,811
,913
,015
,117
,220
,321
,423
525
627
730
833
937
041
145
250
355
461
567
673
780
887
995
103
211
320
4
4
4
4
4
4
4
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
6
6
6
6,
6,
6,
6,
6,
6,
7,
7,
7,
7,
1
,319
,419
,519
,619
,720
,821
,923
,025
,127
,230
331
433
535
637
740
843
947
051
156
261
366
472
578
684
791
898
006
114
222
331
4
4
4
4
4
4
4
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
6
6
6
6,
6,
6,
6,
6,
6,
7,
7,
7,
7,
2
,329
,429
,529
,629
,73С
,831
,933
,035
,138
,240
,341
,443
,545
648
751
854
958
062
166
271
376
482
588
694
801
909
017
125
233
342
4
4
4
4
4
4
4
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
6
6
6
6,
6,
6,
. 6,
6,
6,
7,
7,
7,
7,
3
,339
,439
,539
,639
,740
,842
,944
,046
,147
250
352
454
556
658
761
864
968
072
177
282
387
493
599
705
812
919
027
135
244
353
4
4
4
4
4
4
4
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
6
6
6
6,
6,
4
,349
,449
,549
,649
,750
,852
,954
,056
,158
,260
362
464
566
668
771
875
979
083
187
292
397
503
6,609
6,
6,
6,
6,
7,
7,
7,
716
853
930
038
146
255
364
5
4,359
4,459
4,559
4,660
4,761
4,862
4,964
5,066
5,169
5,271
5,372
5,474
5,576
5,679
5,782
5,885
5,989
6,093
6,198
6,303
6,408
6,514
6,620
6,727
6,834
6,941
7,049
7,157
7,266
7,375
6
4,369
4,469
4,569
4,670
4,771
4,872
4,974
5,076
5,179
5,281
5,382
5,484
5,586
5,689
5,792
5,895
5,999
6,103
6,208
6,313
6,419
6,525
6,631
6.737
6,844
6,952
7,060
7,168
7,276
7,385
7
4,379
4,479
4,579
4,680
4,781
4,882
4,984
5,086
5,189
5,291
5,392
5,494
5,596
5,698
5,802
5,906
6,010
6,114
6,219
6,324
6,429
6,535
6,641
6,748
6,855
6,963
7,071
7,179
7,287
7,396
8
4,389
4,489
4,584
4,690
4,791
4,893
4,995
5,097
5,199
5,301
5,403
5,505
5,606
5,709
5,812
5,916
6,020
6,124
6,229
6,334
6,440
6,546
6,552
6,759
6,866
6,973
7,081
7,189
7,298
7,407
9
4,399
4,499
4,599
4,700
4,801
4,903
5,005
5,107
5,210
5,311
5,413
5,515
5,617
5,720
5,823
5,927
6,031
6,135
6,340
6,345
6,450
6,556
6,662
6,769
6,876
6,984
,7,092
7,200
7,309
7,418
7»К-
273
810
820
830
840
850
860
870
880
890
900
910
920
930
940
950
96Э
970
983
990
1000
1010
1020
1030
1040
1050
Ю60
1070
1080
logo
1100
0
7,429
7,539
7,649
7,759
7,870
7,981
8,093
8,205
8,317
8,430
8,543
8,656
8,769
8,882
8,996
9,110
9,225
9,340
9,455
9,570
9,686
9,802
9,918
10,034
10,151
10,268
10,386
10,504
10,622
10,740
¦
7,440
7,550
7,660
7,770
7,881
7,992
8,104
8,216
8,328
8,441
8,554
8,667
8,780
8,893
9,007
9,122
9,237
9,352
9,467
9,582
9,698
9,814
9,930
10,046
10,163
10,280
10,398
10,516
10,634
10,752
2
7,451
7,561
7,671
7,781
7,892
8,003
8,115
8,227
8,340
8,453
8,566
8,679
8,792
8,905
9,019
9,133
9,248
9,363
9,478
9,593
9,709
9,825
9,941
10,057
10,174
10,292
10,410
10,528
10,646
10,764
3
7,
7,
7,
7,
7,
8,
8,
8,
8,
8,
8,
8,
8,
8
9,
9
9
9
9
9
9
9
9
10
10
10
10
. 10
10
10
462
572
682
792
903
015
127
239
351
464
577
690
803
916
030
145
260
375
490
605
,721
,837
,953
,069
,186
,303
,421
,539
,657
,777
4
7,
7,
7,
7,
7,
8,
8,
8,
8,
8.
8,
8,
8,
8
9,
9
9
9
9
9
9
9
9
10
10
10
10
10
10
10
473
583
693
803
914
026
138
250
362
475
588
701
814
928
042
156
271
386
501
616
732
,848
,964
,081
,198
,315
,433
,551
,669
,789
Б
7,
7,
7,
7,
7,
8,
8,
8,
8,
8,
8,
8,
8
8
9
9
9
9
9
9
9
9
9
10
10
10
10
10
10
10
484
594
704
815
926
037
149
261
374
487
590
713
826
939
053
168
283
398
513
628
744
,860
,976
,093
,210
,327
,445
,563
,681
,801
6
7,
7,
7,
7,
7,
8,
8,
8,
8,
8,
8
8
8
8
9
9
9
9
9
9
9
9
9
10
10
10
10
10
10
10
Продолжение табу
495
605
715
826
937
048
160
272
385
498
611
724
837
950
064
179
294
409
524
640
756
,872
,988
,104
,221
,339
,457
,575
,693
,813
7
7,506
7,616
7,726
7,837
7,948
8,059
8,171
8,283
8,396
8,509
8,622
8,735
8,848
8,962
9,076
9,191
9,306
9,421
9,536
9,651
9,767
9,883
9,999
10,116
10,233
10,351
10,469
10,587
10,705
10,825
?
7,
7,
7,
7,
7,
8,
8,
8
8
8
8
8
8
8
9
9
9
9
9
9
9
9
10
10
10
10
10
10
10
10
517
627.
737
848
959
071
183
295
407
520
663
746
859
973
087
202
317
432
547
663
,779
,895
,011
,128
,245
,362
,480
,598
,716
,838
. X
9
7,528
7,638
7,748
7,859
7,970
8,082
8,194
8,306
8,419
8,532
8,645
8,758
8,871
8,985
9,099
9,214
9,329
9,444
9,559
9,675
9,790
9,906
10,022
10,139
10,256
10,374
10,492
10,610
10,728
10,850
367
г°к-
273
1110
1120
ИЗО
1140
1150
1160
1170
1180
1190
1200
1210
1220
1230
1240
1250
1260
1270
1280
1290
1300
Продолжение табл. X
10,862
,10,984kl0
11,106
11,227
11,348
11,468
П.589!
11,710
11,830
11,950
12,069
12,189
12,309
12,429
12,549
12,669
12,789
12,909
13,029
10,874
,996
11,118
11,239
11,360
11,480
11,601
11,722
11,842
11,962
12,081
12,201
12,321
12,441
12,561
12,681
12,801
12,921
13,041
10,886
11,008
11,130
11,251
11,372
11,492
11,613|
11,734
11,854
11,974
12,093|
12,213
12,333
12,453
12,573
12,693
12,813
12,933
13,053
10,899
11,021
11,142
11,263
11,384
11,504
11,625
11,746
11,866
11,986
12,105
12,225
12,345
12,465
12,585
12,705
12,825
12,945
13,065
10,911
11,033
11,154
11,275
11,396
11,516
11,637
11,758
11,878
11,998
12,117
12,237
12,357
12,477
12,597
12,717
12,837
12,957
13,077,
10,923
11,045
11,167
11,288
11,408
11,529
11,650
11,770
11,890
12,010
12,129
12,249
12,369
12,489
12,609|
12,729
12,849
12,969
13,090
10,935
11,057
11,179
11,300
11,420
11,541
11,662
11,782
11,902
12,021
10,947
11,069
11,191
11,312
11,432
11,553
11,674
11,794
11,914
12,033
12,141
12,26
12,38
12,501
12,621
12,741
12,861
12,981
13,102
13,150
13,162
1310
1320
1330
1340
1350
1360
1370
1380
1390
1400
13,270
13,391
13,512
13,633
13.755J
13,877
13,999
14,122
14,246
14,370
13,282
13,403
13,524
13,645
13,767
13,889
14,011
14,134
14,258
14,382
13,174
13,294
13,41
13,536
13,657
13,779!
13,901
14,024
14,147
14,271
14,393
13,186
13,306
13,427
13,548
13,670
13,792
13,914
14,036
14,159
14,283
14,405
13,198
13,318
13,439
13,560
13,682
13,804
13,926
14,048
14,172
14,296
14,4161
13,210
13,331
13,452
13,57!
13,694
13,816
13,938
14,061
14,184
14,308
14,428
13,222
13,343
13,464
13,585
13,706
13,828
13,950
14,073
14,196
14,320
14,440
12,153
12,273
12,393
12,513
12,633
12,753
12,873
12,993
13,114
10,960
11,082
11,203
11,324
11,444
11,565
11,686
11,806
11,926
12,045
12,165
12,285
12,405
12,525
12,645
12,765
12,885
13,005
13,126
10,972
11,094
11,215
11,336
11,456
11,577
11,698
11,818
11,938
12,057
12,177
12,297
12,417
12,537
12,657
12,777
12,897
13,017
13,138
13,234
13,355
13,476]
13,597
13,718]
13,840
13,962
14,085|
14,209
14,333
14,451
13,246 13,258
13,367
13,488
13,609
13,731
13,853
13,974
14,097J
14,221
14,345
14,463
13,379
13,500
13,621
13,743
13,865
13,987
14,110
14,234
14,358
14,474
Продолжение табл. X
Г°К-
273
1410
1420
1430
1440
1450
1460
1470
1480
1490
1500
1510
1520
1530
1540
1550
1560
1570
1580
1590
1600
0
14,
14,
14,
14,
14,
15,
15,
15,
15,
15
15
15
15
16
16
16
16
16
16
16
486
603
720
838
956
074
192
311
430
550
670
790
,910
,030
,151
,272
,393
,51Е
,637
,76С
1
14,
14,
14,
14,
14,
15,
15,
15,
15
15
15
15
15
16
16
16
16
16
' 16
)
498
615
732
850
968
086
204
323
442
562
682
,802
922
,042
,163
,284
,405
,527
,64?
2
14,
14,
14,
14,
14,
15,
15,
15
15
15
15
15
15
16
16
16
16
16
16
509
626
744
862
980
098
216
335
454
574
694
814
,934
,054
,175
,296
,417
,539
,662
3
14,
14,
14,
14,
Н,
15,
15
15
15
15
15
15
15
16
16
16
16
16
16
521
638
755
873
991
109
228
347
466
586
706
,826
,946
,066
,187
,308
,430
,552
,674
4
14,
14,
14,
14,
15,
15,
15,
15,
15
15
15
15
15
16
16
16
16
16
16
533
650
767
885
003
121
240
359
478
598
718
838
,958
,078
,199
,320
,442
,564
,686
5
14,
14,
14,
Н,
15,
15,
15,
15,
15,
15
15
15
15
16
16
16
16
16
16
545
662
779
897
015
133
252
371
490
610
730
850
,970
,091
,212
,333
,454
,576
,69?
б
14,
14,
14,
14,
15,
15,
16.
15,
15
15
15
15
15
16
16
16
16
> 16
16
556
673
791
909
027
145
263
382
502
622
742
862
,982
,103
,224
,345
,466
,58«
,711
7
14,
14,
14,
14,
15,
15,
15,
15,
15.
15
15
15
15
16
16
16
16
16
16
568
685
803
921
039
157
275
394
514
634
754
874
994
,115
,236
,357
,478
,600
,722
8
14,
14,
14,
14,
15,
15,
15,
15
15
15
15
15
16
16
16
16
16
16
16
580
697
814
932
050
168
287
406
526
646
766
886
,006
,127
,248
,369
,491
,613
,73Е
9
14,
14,
14,
14,
15,
15,
15,
15
15
15
15
15
16
16
16
16
16
16
16
1
i
592
708
826
944
062
180
299
418
538
658
778
,898
,018
,139
,260
,381
,503
,625
,748
Хромель—алюмель
Та б лиц,а XI
г°к-
273
—50
—40
—30
—20
— 10
О(-)
0(+)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
.110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
0
—1,86
—1,50
—1,14
—0,77
—0,39
0
0
0,40
0,80
1,20
1,61
2,02
2,43
2,85
3,26
3,68
4,10
4,51
4,92
5,33
5,73
6,13
6,53
6,93
7,33
7,73
8,13
8,53
8,93
9,34
1
1,54
—1,18
—0,81
—0,43
—0,04
0,04
0,44
0,84
1,24
1,65
2,06
2,47
2,89
3,30
3,72
4,14
4,55
4,96
5,37
5,77
6,17
6,57
6,97
7,37
7,77
8,17
8,57
8,97
9,38
2
1,57
—1,21
—0,84
—0,47
—0,08
0,08
0,4#
0,88
1,28
1,69
2,10
2,51
2,93
3,34
3,76
4,18
4,59
5,00
5,41
5,81
6,21
6,61
7,01
7,41
7,81
8,21
8,61
9,01
9,42
3
—1,60
-1,25
—0,88
—0,51
|—0,12
0,12
0,52
0,92
1,32
1,73
2,14
2,56
2,97
3,39
3,81
4,22
4,63
5,04
5,45
5,85
6,25
6,65
7,05
7,45
7,85
8,25
8,65
9,05
9,46
4
— 1,64
—1,28
—0,92
—0,55
—0,16
0,16
0,56
0,96
1,36
1,77
2,18
2,60
3,01
3,43
3,85
4,26
4,67
5,08
5,49
5,89
6,29
6,69
7,09
7,49
7,89
8,29
8,69
9,09
9,50
5
1
—1,68
—1,32
—0,96
—0,59
—0,20
0,20
0,60
1,00
1.41
1,82
2,23
2,64
3,06
3,47
3,89
4,31
4,72
5,13
5,53
5,93
6,33
6,73
7,13
7,53
7,93
8,33
8,73
9,14
9,54
G
j
—1,72
—1,36
—0,99
—0,62
—0,23
0,24
0,64
1,04
1,45
1,86
2,27
2,68
3,10
3,51
3,93
4,35
4,76
5,17
5,57
5,97
6,37
6,77
7,17
7,57
7,97
8,37
8,77
9,18
9,58
7
—1,75
—1,40
—1,03
—0,66
—0,27
0,28
0,68
1,08
1,49
1,90
2,31
2,72
3,14
3,55
3,97
4,39
4,80
5,21
5,61
6,01
6,41
6,81
7,21
7,61
8,01
8,41
8,81
9,22
9,62
i
8
—1,79
—1,43
—1,07
—0,70
—0,31
0,32
0,72
1,12
1,53
1,94
2,35
2,77
3,18
3,60
4,02
4,43
4,84
5,25
5,65
6,05
6,45
6,85
7,25
7,65
8,05
8,45,
8,85
9,26
9,66 i
1
9
— 1,82
—1,46
— 1,10
—0,74
—0,35
0,36
0,76
1,16
1,57
1,98
2,39
2,81
3,22
3,64
4,06
4,47
4,88
5,29
5,69
6,09
6,49
6,89
7,29
7,69
8,09
8,49
8,89
9,30
9,70
370
т к-
273
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
500
510
520
530
540
0
9,74
10,15
10,56
10,97
11,38
11,80
12,21
12,62
13,04
13,45
13,87
14,29
14,71
15,13
15,55
15,97
16,39
16,82
17,24
17,66
18,"оТ
18,50
18,93
19,36
19,78
20,21
20,64
21,07
21,49
21,9$
22,34
1
9,78
10,19
10,60
11,01
11,42
11,84
12,25
12,66
13,08
13,49
13,91
14,33
14,75
15,17
15,59
16,01
16,43
16,86
17,28
17,70
18,1?
18,54
18,97
19,40
19,82
20,25
20,68
21,11
21,53
21,96
22,38
2
9,82
10,23
10,64
11,05
11,46
11,88
12,29
12,70
13,12
13,53
13,95
14,37
14,79
15,21
15,63
16,05
16,48
16,90
17,32
17,74
18,16
18,59
19,02
19,44
19,87
20,30
20,73
21,15
21,58
22,00
22,42
3
9,86
10,27
10,68
11,09
11,51
11,92
12,33
12,75
13,16
13,58
14,00
14,42
14,84
15,26
15,68
16,10
16,52
16,95
17,37
17,78
18,21
18,63
19,06
19,49
19,91
20,34
20,77
'21,20
21,62
22,05
22,47
4
9,90
10,31
10,72
11,13
11,55
11,96
12,37
12,79
13,20
13,62
14,04
14,46
14,88
15,30
15,72
16,14
16,56
16,99
17,41
17,83
18,25
18,67
19,10
19,53
19,95
20,38
20,81
21,24
21,66
22,09
22,51
5
9,95
10,35
10,77
11,18
11,59
12,01
12,42
12,83
13,25
13,66
14,08
14,50
14,92
15,34
15,76
16,18
16,61
17,03
17,45
17,87
18,29
18,72
19,15
19,57
20,00
20,43
20,86
21,28
21,71
22,13
22.56
Продолжение табл
6
9,99
10,40
10,81
11,22
11,63
12,05
12,46
12,87
13,29
13,70
14,12
14,54
14,96
15,38
15,80
16,22
16,65
17,07
17,49
17,91
18,33
18,76
19,19
19,61
20,04
20,47
20,90
21,32
21,75
22,17
22,60
i
7
10,03
10,44
10,85
11,26
11,67
12,09
12,50
12,91
13,33
13,74
14,16
14,58
15,00
15,42
15,84
16,26
16,69
17,11
17,53
17,95
18,37
18,80
19,23
19,65
20,08
20,51
20,94
2i,36
21,79
22,21
22,64
8
10,07
10,48
10,89
11,30
11,72
12,13
12,54
12,96
13,37
13,79
14,21
14,63
15,05
15,47
15,89
IB, 31
16,73
17,16
17,58
18,00
18,42
18,84
19,27
19,70
20,12
20,55
20,98
21,41
21,83
22,26
22,68
XI
9
10,11
10,52
10,93
11,34
11,76
12,17
12,58
13,00
13,41
13.83
14,25
14,67
15,09
15,51
15,93
16,35
16, Г
17,20
17,62
18,04
18,46
18,89
19,32
19,74
20,17
20,60
21,03
21,45
21,88
22,30
22,73
Продолжение табл. XI
273
550
560 .
570
580
590
600
610
620
630
640
650
660
670
680
690
700
710
720
730
740
.750
760-
770
fftfi
790
800
810
820
830
«40
860
22
23
23
24
24
24
25
25
26
26
27
27
27
28
28
29
29
29
30
30,
31,
31,
32,
32,
32,
33,
33.
34,
34»
)
77
20
62
05
48
90
33
75
Щ
60
03
45
87
29
72
14
56
98
40
82'
23
65
07
48
90
31
71
12
S3
35,36
22
23
23
24
24
24
25
25
26
26
27
27
27
28
28
29
29
30
30
30
31
31
32
32
^32
33
33
34
34
М
35
1
,81
,24
,66
,09
,52
,94
,37
,79
,22
,64
,07
,49
,91
,33
,76
,18
,60
,02
,44
,86
,27
,69
,11
52
94
35
75
16
57
98
,39
22
23
23
24
24
24
25
25
26
26
27
27
27
28
28
29
29
30
30
30
31
31
32
32
32
33
33,
34,
34,
35,
35,
г
,86
,28
,71
,14
,56
,99
41
,84
,26
,69
П
,53
95
38
80
22
64
06
48
90
31
73
15
56
98
39
79
20
61
02
43
3
22,90
23,33
23,75
24,18
24,61
25,03
25,46
25,88
26,31
26,73
27,16
27,58
28,00
28,42
28,85
29,27
29,69
30,11
30,53
30,94
31,36
31,78
32,19
32,61
33,02
33,43
33,83
34,24
34,65
35,06
35,47
4
i
22,94
23,37
23,79
24,22
24,65
25,07
25,50
25,92
26,35
26,77
27,20
27,62
28,04
28,46
28,89
29,31
29,73
30,15
30,57
30,98
31,40
31,82
32,23
32,65
33,06
33,47
33,87
34,28
34,69
35,10
35,51
5
22,99
23,41
23,84
24,27
24,69
25,12
25,54
25,97
26,39
26/82
27,24
27,66
28,08
28,51
28,93
29,35
29,77
30,19
30,61
31,03
31,44
31,86
32,28
32,69
33,11
33,51
33,92
34,33
34,74
35,15
35,55
6
23,03
23,45
23,88
24,31
24,73
25,16
25,58
26,01
26,43
26,86
27,28
27,70
28,12
28,55
28,97
29,39
29,81
30,23
30,65
31,07
31,48
31,90
32,32
32,73
33,15
33,55
33,96
34,37
34,78
35,19
35,59
7
23,07
23,49
23,92
24,35
24,77
25,20
25,62
26,05
26,47
26,90
27,32
27,74
28,16
28,59
29,01
29,43
29,85
30,27
30,69*
31,11
31,52
31,94
32,36
32,77
33,19
33,59'
34,00
34,41
34,82
35,23
35,63
8
23,11
23,54
23,96
24,39
24,82
25,24
25,67
26,09
26,52
26,94
27,37
27,79
28,21
28,63
29,06
29,48
29,90
30,32
30,74
31,15
31,57
31,99
32,40 •
32,82
33,23
33,63
34,04
34,45
34,86
35,27
35,67
23
23
24
24
24
?5
25
26
26
26
27
27
28
28
29
29
29
30
30
31
31
32
32
32
33
33,
34,
34,
34,
35,
35.
,16
58
,01
44
86
28
71
14
56
99
41
83
25
68
10
52
94
36
78
19
61
03
44
86
27
67
08
49
90
31
71
2
j-oK_
273
860
870
880
890
900
910
920
930
940
950
960
970
980
990
\/ 1000
1010
1020
1030
1040
1050
1060
1070
1080
1090
1100
1110
1120
ИЗО
1140
1150
1160
1170
1180
1190
1200
0
35,75
36,16
36,56
36,96
«7,36
37,76
38,16
38,56
38,96
39,35
39,75
40,14
40,53
40,92
41,31
41,70
42,08
42,47
42,86
43,24
43,62
44,00
44,38
44,76
45,14
45,52
45,89
46,27
46,64
47,01
47,38
47,75
48,12
48,48
48,85
1
35,79
36,20
36,60
37,00
37,40
37,80
38,20
38,60
39,00
39,39
39,79
40,18
40,57
40,96
41,35
41,74
42,12
42,51
42,90
43,28
43,66
44,04
44,42
44,80
45,18
45,56
45,93
46,31
46,68
47,05
47,42
47,79
48,16
48,52
2
35,83
36,24
36,64
37,04
37,44
37,84
38,24
38,64
39,04
39,43
39,83
40,22
40,61
41,00
41,39
41,78
42.16
42,55
42,94
43,32
43,70
44,08
44,46
44,84
45,22
45,59
45,97
46,34
46,71
47,08
47,45
47,82
48,19
48,55
3
35,87
36,28
36,68
37,08
37,48
37,88
38,28
38,68
39,08
39,47
39,87
40,26
40,65
41,04
41,43
41,81
42,20
42,59
42,97
43,35
43,73
44,11
44,49
44,87
45,25
45,63
46,00
46,38
46,75
47,12
47,49
47,86
48,23
48,59
4
35,91
36,32
36,72
37,12
37,52
37,92
38,32
38,72
39,12
39,51
39,91
40,30
40,69
41,08
41,47
41,85
42,24
42,63
43,01
43,39
43,77
44,15
44,53
44,91
45,29
45,67
46,04
46,42
46,79
47,16
47,53
47,90
48,26
48,63
5
35,96
36,36
36,76
37,16
37,56
37,96
38,36
38,76
39,16
39,55
39,95
40,34
40,73
41,12
41,51
41,89
42,28
42,67
43,05
43,43
43,81
44,19
44,57
44,95
45,33
45,71
46,08
46,46
46,83
47,20
47,57
47,94
48,30
48,67
Продолжение табл
6
36,00
36,40
36,80
37,20
37,60
38,00
38,40
38,80
39,19
39,59
39,98
40,37
40,76
41,15
41,54
41,93
42,31
42,70
43,09
43,47
43,85
44,23
44,61
44,99
45,37
45,74
46,12
46,49
46,86
47,23
47,60
47,97
48,34
48,70
7
36,04
36,44
36,84
37,24
37,64
38,04
38,44
38,84
39,23
39,63
40,02
40,41
40,80
41,19
41,58
41,97
42,35
42,74
43,13
43,51
43,89
44,27
44,65
45,03
45,41
45,78
46,16
46,53
46,93
47,27
47,64
48,01
48,37
48,74
8
36,08
36,48
36,88
37,28
37,68
38,08
38,48
38,88
39,27
39,67
40,06
40,45
40,84
41,23
41,62
42,00
42,39
42,78
43,16
43,54
43,92
44,30
44,68
45,06
45,44
45,82
46,19
46,57
46,94
47,31
47,68
48,05
48,41
48,78
. XI
9
36,12
36,52
36,92
37,32
37,72
38,12
38,52
38,92
39,31
39,71
40,10
40,49
40,88
41,27
41,66
42,04
42,43
42,82
43,20
43,58
43,96
44,34
44,72
45,10
45,48
45,85
46,23
46,60
46,97
47,34
47,71
48,08
48,44
48,81
Ji
Таблица XII
г°к-
273
¦ ¦
*—9
—50
—40
—30
—20
—10
оы
<Ч+)
ю
^20
30
40
50
60
70
80
90
100
ПО
120
130
140
150
160
170
180
190
200
?10
220
0
-3,11
—2,50
—1,89
-1,27
—0,64
0
0
0,65
1,31
1,97
2,65
3,34
4,03
4,73
5,45
6,17
6,90
7,64
8,39
9,14
9,91
10,68
11,46
'12,25
13,04
13,83
14,65
15,50
16,34
1
—2,56
—1,95
—1,33
—0,70
—0,06
0,07
0,72
1,38
2,04
2,72
3,41
4,10
4,80
5,52
6,24
6,97
7,72
8,47
9,22
9,99
10,76
11,54
12,33
13,12
13,91
14,73
15,58
16,42
2
—2,62
—2,01
—1,39
—0,77
—0,13
0,i3
0,78
1,44
2,11
2,79
3,48
4,17
4,87
5,59
6,32
7,05
7,79
8,54
9,29
10,06
10,84
11,62
12,41
13,20
13,99
14,82
15,66
16,51
1 Хромель—i
3
—2,68
-2,07
— 1,46
—0,83
-0,19
0,20
0,85
1,51
2,17
2,86
3,55
4,24
4,95
5,67
6,39
7,12
7,87
8,62
9,37
10,14
10,91
11,70
12,49
13,28
14,08
14,90
15,75
16,59
4
—2,74
—2,13
—1,52
—0,89
—0,26
0,26
0,91
1,57
2,24
2,93
3,62
4,31
5,02
5,74
6,46
7,20
7,94
8,69
9,45
10,22
10,99
11,78
12,57
13,36
14.16
14,99
15,83
16,68
сопель
5
—2,81
—2,20
—1,58
-0,96
—0,32
0,33
6,98
1,64
2,31
3,00
3,69
4,38
5,09
5,81
6,54
7,27
8,02
8,77
9,53
10,30
11,07
11,86
12,65
13,4*4
14,24
15,07
15,92
16,76
i
б
—2,87
—2,26
—1,64
—1,02
—0,38
0,39
1,05
1,71
2,38
3,06
3,75
4,45
5,16
5,88
6,61
7,34
8,09
8,84
9,60
10,37
11,15
11,93
12,72
13,51
14,32
15,16
16,00
16,85
7
—2,93
—2,32
— 1,70
— 1,08
—0,45
0,46
1,11
1,77
2,45
3,13
3,82
4,52
5,23
5,95
6,68
7,42
8,17
8,92
9,68
10,45
11,23
12,01
12,80
13,59
14,40
15,24
16,09
16,93
8
—2,99
—2,38
-1,77
-1,14
—0,51
0,52
1,18
1,84
2,51
3,20
3,89
4,59
5,31
6,03
6,75
7,49
8,24
8,99
9,76
10,53
11,30
12,09
12,88
13,67
14,49
15,33.
16,17
17,02
9
—3,05
—2,44
—1,83
-1,21
—0,58
0,59
1,24
1,90
2,58
3,27
3,96
4,66
5,38
6,10
6,83
7,57
8,32
9,07
9,83
10,60
11,38
12,17
12,96
13,75
14,57
15,41
16,26
17,10
374
Г'К-
273
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
. -^370
~90
\ ' 400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
500
0
17,19
18,03
18,88
19,72
20,57
21,41
22,26
23,10
23,95
24,79
25,63
26,47
27,31
28,16
29,00
^29^85
30,69
31,53!
32,38
33,24
34,09
34,95
35,81
36,67
37,54
38,41
39,28
40,15
1
17,27
18,11
18,96
19,80
20,65
21,49
22,34
23,18
24,03
24,87
25,71
26,55
27,40
28,24
29,09
29,93
30,77
31,62
32,47
33,32
34,18
35,03
35,90
36,76
37,63
38,50
39,37
40,24
2
17,35
18,20
19,04
19,89
20,73
21,58
22,42
23,27
24,11
24,96
25,79
26,64
27,48
28,33
29,17
30,02
30,86
31,70
32,55
33,41
34,26
35,12
35,98
36,84
37,71
38,58
39,45
40,32
3
17,44
18,28
19,13
19,97
20,82
21,66
22,51
23,35
24,20
25,04
25,88
26,72
27,56
28,41
29,26
30,10
30,94
31,79
32,64
33,49
34,35
35,21
36,07
36,93
37,80
•38,67
39,54
40,41
4
17,52
18,37
19,21
20,06
20,90
21,75
22,59
23,44
24,29
25,13
25,97
26,81
27,65
28,49
29,34
30,19
31,02
31,87
32,72
33,58
34,43
35,29
36,15
37,02
37,89
38,76
39,63
40,50
5
17,61
18,45
19,30
20,14
20,99
21,83
22,68
23,52
24,37
25,21
26,05
26,89
27,73
28,58
29,43
30,27
31,11
31,96
32,81
33,66
34,52
35,38
36,24
37,11
37,98
38,85
39,72
40,59
Продолжение табл
6
17,69
18,54
19,38
20,23
21,07
21,92
22,76
23,61
24,45
25,29
26,13
26,97
27,82
28,66
29,51
30,35
31,19
32,04
32,89
33,75
34,61
35,47
36,33
37,19
38,06
38,93
39,80
40,67
7
17,78
18,62
19,47
20,31
?1,16
22,00
22,85
23,69
24,54
25,38
26,22
27,06
27,91
28,75
29,60
30,44
31,28
32,13
32,98
33,83
34,69
35,55
36,41
37,28
38,15
39,02
39,89
40,76
8
17,86
18,71
19,55
20,40
21,24
22,09
22,93
23,78
24,62
25,46
26,30
27,14
27,99
28,83
29,68
30,52
31,36
32,21
33,07
33,92
34,78
35,64
36,50
37,37
38,24
39,11
39,98
40,85
XII
9
17,95
18,7S
19,64
20,48
21,33
22,17
23,02
23,86
24,71
25,55
26,39
27,23
28,08
28,92
29,76
30,61
31,45
32,30
33,15
34,00
34,86
35,72
36,58
37,45
38,32
39,19
40,06
40,93
37S
гск—
273
510
520
530
540
550
560
570
580
590
600
, 610
^ 620
630
640
650
660
670
680
690
700
710
720
Щ)
740
750
760
0
41,02
41,90
42,78
43,66
44,54
45,43
46,32
47,21
48,10
49,00,
49,88
51,64
52,51
53,39
54,26
55,13
56,01
56,88
57,75
58,62
59-, 49
60,35
61,22
62,09
62,95
63,81
64,68
65.54
618,40
i
41,11
42,00
42,87
43,75
44,63
45,52
46,41
47,30
48,19
49,09
49,97
> 50,85
51,73
52,60
53,48
54,35
55,22
56,10
56,97
57,84
58,71
59,58
60,41
61,31
62,18
63,04
63,90
64,77
65,63
—
2
41,20
42,08
42,96
43,84
44,72
45,61
46,50
47,39
48,28
49,18
50,06
50,94
51,81
52,69
53,56
54,43
55,31
56,18
57,05
57,92
58,79
59,66
60,52
61,39
62,26
63,12
63,98
64,85
65,71
—
3
41,28
42,16
43,04
43,92
44,81
45,70
46,59
47,48
48,37
49,26
50,14
51,02
51,90
52,77
53,65
54,52
55,39
56,27
57,14
58,01
58,88
59,75
60,61
61,48
62,35
63,21
64,07
64,94
65,80
—
4
41,37
42,25
43,13
44,01
44,90
45,79
46,68
47,57
48,46
49,35
50,23
51,11
51,99
52,86
53,74
54,61
55,48
56,36
57,23
58,10
58,97
59,83
60,70
61,57
62,43
63,29
64,16
65,02
65,88
—
5
41,46
42,34
43,22
44,10
44,98
45,88
46,77
47,66
48,55
49,44
50,32
51,20
52,08
52,95
53,83
54,70
55,57
56,45
57,32
58,19
59,06
59,92
60,79
61,66
62,52
63,38
64,25
65,11
65,97
Продолжение табл
6
41,55
42,43
43,31
44,19
45,07
45,96
46,85
47,74
48,64
49,53
50,41
51,29
52,16
53,04
53,91
54,78
55,66
56,53
57,40
58,27
59,14
60,01
60,87
61,74
62,61
63,47
64,33
65,20
66,06
—
7
41,64
42,52
43,40
44,28
45,16
46,05
46,94
47,83
48,73
49,62
50,50
51,38
52,25
53,13
54,00
54,87
55,75
56,62
57,49
58,36
59,23
60,09
60,96
61,83
62,69
63,55
64,42
65,28
66,14
—
8
41,72
42,60
43,48
44,36
45,25
46,14
47,03
47,92
48,82
49,70
50,58
51,46
52,34
53,21
54,09
54,96
55,83
56,71
57,58
58,45
59,32
60,18
61,05
61,92
62,78
63,64
64,51
65,37
66,23
—
. XII
9
41,81
42,69
43,57
44,45
45,34
46,23
47,12
48,01
48,91
49,79
50,67
51,55
52,42
53,30
54,17
55,04
55,92
56,79
57,66
58,53
59,40
60,26
61,13
62,00
62,86
63,72
64.59
65,45
66,31
—
Медь—копель
Таблица ХШ
:Р
J.
Г«К-27С
—50
—40
—30
—20
—10
О(-)
0(+)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
ПО
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
—2
1
]
—0
—0
0
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
9
9
ю,
ю,
11,
12,
12,
13,
14,
14,
0
,10
,69
,28
,86
,43
0
0
,44
,89
,35
,81
,28
,76
,24
,74
,24
.75
,27
,79
,33
87
42
98
54
12
70
29
93
57
21
84
48
12
76
—1
—1
—0
—0
—0
0
0
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
8
8
9
9
ю,
ю,
11,
12,
12,
13,
14,
14,
1
,73
,32
,90
,47
,04
,04
,49
,94
,40
,86
,33
,81
,29
,79
,29
,80
32
84
38
93
48
04
60
18
76
35
99
63
27
90
54
18
82
—1
—1
—0
—0
-0
0
0
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
8
8
9
9
ю,
11,
И,
12,
12,
13,
14,
14,
2
,77
,36
,94
,52
,09
,09
,53
,98
,44
,90
,38
,86
,34
,84
,34
,85
,37
,90
44
98
53
09
66
24
82
42
С6
70
34
97
61
25
89
—1
—1
—0
—0
-0
0
0
1
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
7
7
8
8
9
9
ю,
И,
И,
12,
13,
13,
14,
14,
3
,81
,40
,99
,56
,13
,13
,58
,03
,49
,95
,42
,90
,39
,89
,39
,91
43
95
49
04
59
15
71
29
88
48
12,
76
40
03
67
31
.
—1
—1
—1
—0
—0
0
0
1
1
2
2
2
3
3
4
4
5
6
6
7
7
8
8
9
9,
10,
11,
И,
12,
13,
13,
14,
15,
4
,8?
,44
,03
,60
,17
,18
,62
,07
,53
,00
,47
,95
,44
,94
,44
,96
48
01
55
09
64
20
77
35
94
55
Р
§3
46
10
74
38
02
—1
—1
-1
-0
—0
0
0
1
1
2
2
3
3
3
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
10
ю,
И,
11,
12,
13,
13,
14,
15
5
,90
,49
,07
,65
,?2
,22
,67
,12
,58
,05
,52
,00
,49
,99
,50
,01
53
06
60
15
70
26
83
41
00
61
25
89
53
16
80
44
08
—1
—1
—1
—0
—0
0
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
10
ю,
11,
11.
12,
13,
13,
14,
15,
б
,94
,53
,11
,69
,26
,26
,71
,17
,63
,09
,57
,05
,54
,04
,55
,06
58
11
65
20
76
32
89
47
05
67
31
95
59
22
86
50
14
—1
—1
—1
—0
—0
0
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
10
ю,
11,
12,
12,
13,
13,
14,
15,
7
,98
,57
,15
,73
,30
,31
,76
,21
,67
,14
,62
,10
,59
,09
,60
,11
62
17
71
26
81
37
95
53
11
74
38
02
65
29
93
57
21
-2
—1
— 1
—0
—0
0
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
9
9
10
10
11,
12,
12,
13,
13,
14,
15,
8
,02
,61
,20
,77
,34
,35
,80
,26
,72
,19
,67
,14
,64
,14
,65
,17
69
22
76
31
87
43
00
58
17
80
44
08
71
35
99
63
27
2
—1
—1
—0
—0
0
0
1
1
1 2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
9
9
10
ю,
11
12,
12,
13,
14,
И,
15,
9'
,06
,65
,24
,82
,39
,40
,85
,30
,76
,23
.72
,19
,69
,19
,70
,22
74
28
82
37
92
48
06
64
23
87
51
15
78
42
06
70
34
377 ф
Продолжение табл. XIII
Таблица XIV
Г-К-273
280
290
300
310
320
330
340
350.
360
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
500
510
520
530
540
550.
560
570
580
590
6Э0
0
15,40
16,04
16,68
17,32
17,96
18,60
19,24
19,88
20,53
21,19
21,85
22,51
23,18
23,85
24,53
25,21
25,90
26,60
27,30
28,00
28,71
29,43
30,15
30,88
31,61
32,34
33,07
33,81
34,54
35,28
36,02
36,75
37,47
1
15,46
16,10
16,74
17,38
18,02
18,66
19,30
19,94
20,59
21,25
21,91
22,57
23,25
23,91
24,60
25,28
25,97
26,67
27,37
28,07-
28,78
29,50
30,22
30,95
31,68
32,41
33,14
33,88
34,61
35,35
36,09
36,82
—
2
15,53
16,17
16,81
17,45
18,09
18,73
19,37
20,01
20,65
21,31
21,98
22,64
23,32
23,98
24,67
25,35
26,04
26,74
27,44
28,14
28,85
29,57
30,30
31,03
31,76
32,49
33,22
33,96
34,69
35,43
36,17
36,89
—
3
15,59
16,23
16,87
17,51
18,15
18,79
19,43
20,07
20,71
21,37
22,04
22,70
23,38
24,04
24,74
25,42
26,11
26,81
27,51
28,21
28,93
29,65
30,37
31,10
31,83
32,56
33,29
34,03
34,76
35,50
36,24
36,97
—
4
15,66
16,30
16,94
17,58
18,22
18,86
19,50
20,14
20,78
21,44
22,11
22,77
23,45
24,11
24,81
25,49
26,18
26,88
27,58
28,28
29,00
29,72
30,44
31,17
31,90
32,63
33,37
34,10
34,84
35,58
36,31
37,04
—
5
15,72
16,36
17,00
17,64
18,28
18,92
19,56
20,20
20,84
21,50
22,17
22,84
23,51
24,18
24,88
25,56
26,25
26,95
27,65
28,35
29,08
29,79
30,52
31,25
31,98
32,71
33,44
34,18
34,91
35,65
36,39
37,11
—
6
15,78
16,42
17,06
17,70
18,34
18,98
19,62
20,26
20,91
21,57
22,24
22,90
23,58
24,25
24,95
25,63
26,31
27,02
27,72
28,42
29,15
29,86
30,59
31,32
32,05
32,78
33,51
34,25
34,98
35,72
36,46
37,18
—
7
15,85
16,49
17,13
17,77
18,41
19,05
19,69
20,33
20,98
21,64
22,31
22,97
23,65
24,32
25,01
25,70
26,38
27,09
27,79
28,49
29,22
29,93
30,66
31,39
32,12
32,85
33,59
34,32
35,06
35,80
36,53
37,25
—
8
15,91
16,55
17,19
17,83
18,47
19,11
19,75
2Т.39
21,05
21,71
22,38
23,04
23,71
24,39
25,08
25,77
26,45
27,16
27,86
28,57
29,29
30,01
30,73
31,46
32,19
32,92
33,66
34,39
35,13
35,87
36,60
37,33
—
9
15,98
16,62
17,26
17,90
18,54
19,18
19,82
20,46
21,12
21,78
22,44
23,11
23,78
24,46
25,16
?5,83
26,53
27,23
27,93
28,64
29,36
30,08
30,81
31,54
32,27
33,00
33,74
34,47
35,21
35,95
36,68
37,40
—
Медь—константан
•Г
ГСК-273
—200 ^Ъ
— 190 i''~
—180Ц *>
-170#>
—160 j \>
—150 \Ц
—140 ^
-120)^
—110 j!»)
—100 AVI
—90 V"
-80 \Щ
уд I*-*
—60 A''
-50 ггУ
—40 X^7
—30 X
-20 ^
-10 ^
0 q^W
mv
—5,539
—5,378
—5,204
—5,016
—4,815
—4,602
—4,376
—4,137
—3,886
—3,623
—3,349
—3,063
—2,765
—2,456
—2,137
—1,807
—1,466
—1,114
—0,752
—0,381
0,000
Г°К-273
0
10
20
30
40 -v-
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
mv
0,000
0,389
0,787
1,194
1,610
2,034
2,467
2,908
3,356
3,812
4,276
4,747
5,225
5,710
6,202
6,700
7,205
7,716
8,233
8,756
9,285
7-°K-273
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
370
380
390
400
9,285
9,820
10,360
10,905
11,455
12,010
12,571
13,136
13,706
14,280
14,859
15,443
16,030
16,621
17,216
17,815
18,418
19,025
19,635
20,248
20,865
378
379
Таблица XV
Международная система еднннц (СИ)
Наименование величины
Единицы измерения
Междуна-
Международное обо-
обозначение
единицы
Русское
обозначе-
обозначение еднииц
Размер производных
единиц
Основные единицы
Длина
Масса
Время
Температура термоди-
термодинамическая
Сила электрического
тока
Сила света
метр
килограмм
секунда
градус Кельвина
ампер
свеча
т
kg
s
°К
А
cd
м
кг
сек
°К
А
ев
Плоский угол
Телесный угол
Площадь
Объем
Частота
Объемная масса (плот-
(плотность)
Скорость
Угловая скорость
Ускорение
Угловое ускорение
Сила
Давление (механичес-
(механическое напряжение)
Динамическая вяз-
вязкость
Кинематическая вяз-
вязкость
Работа, энергия, ко-
количество теплоты
Мощность
Количество электри-
электричества
Электрическое напря-
напряжение, разность по-
потенциалов, электро-
электродвижущая сила
Напряженность элек-
электрического поля
Электрическое сопро-
сопротивление
380
Дополнительные единицы
радиан
стерадиан
rod
sr
рад
стер
Производные единицы
квадратный метр
кубический метр
герц
килограмм иа ку-
кубический метр
метр в секунду
радиан в секунду
метр на секунду в
квадрате
радиан на секунду
в квадрате
ньютон
ньютон на квад-
квадратный метр
ньютон-секунда на
квадратный метр
квадратный метр
на секунду
джоуль
ватт
кулон
вольт
вольт на метр
ом
т2
т3
Hz
kg/m3
m/s
rad/s
m/s2
rad/s2
N
N/m2
Ns/m2
m?/s
I
W
С
V
Vim
Q
M2
M3
щ ,
кг/м3
я/сек
рад/сек
м/сек2
рад/сек2
н
н/м2
н-сек/м2
м2/сек
дж
вт
к
в
в/м
ом
A мJ
A мK
A):A«ж)
(\кг):AмK
Aл«):A сек)
Aрад):A сек)
(\м):(\сек?
(I рад):(I секJ
(\кг)-(\м):Aсек?
Aн):AмJ
(\н)-Aсек):(\мJ
(\Mf:(lceK) ¦
A «)¦(!•*)
A дж)-(\сек)
(\а)-(\сек)
Aвт):(\а)
. Продолжение табл. XV
Наименование величины
Электрическая емкость
Поток магнитной ин-
индукции
Индуктивность
Магнитная индукция
Напряженность маг-
магнитного поля
Магнитодвижущая си-
ЛЯ
Ла
Световой поток
Яркость
Освещенность
Единицы измерения
фарада
вебер
геири
тесла
ампер на метр
ампер
люмен
свеча на квадрат-
квадратный метр или
нит
люкс
Междуна-
Международное обо-
обозначение
единицы
F
Wb
н
Т
А/т
А
Lm
cd/m2
или nt
и
Русское
обозначе-
обозначение единиц
Ф
вб
гн
тл
а/м
а
лм
св/м2
или нт
лк
Размер производных
единиц
A к)-A ом)
1 \ 1
A вб)-A а)
(le6):(lMf
(la)
A ев)-(стер)
(\св):(\мJ
A лм):(\ мJ
Химическое соединение
Таблица XVI
МпС12
МЯЛО,
Мп2Р2О7
MnSO4-4H2O . . . .
Fe2SO4(NH4J-6H2O .
NiSO4-7H2O . . . .
. . . .
! • 6H2O
HgCo(CNSL
291
289,1
295,5
292
290
288
294,6
291
293
Удельная вос-
восприимчивость
ю-6
122
103,1
101,5
66,8
32,3
16,1
6,06
10,5
16,5
Таблица XVII
Перевода единиц магнитных величин из систем СГСМ, СГС и СГСЭ
в единицы международной системы СИ
Наименование величины
Напряженность магнитного поля
Магнитодвижущая сила
Магнитный поток
Магнитная индукция
Магнитный момент
Намагниченность, интенсивность
намагничивания
Магнитная постоянная
Абсолютная магнитная прони-
проницаемость
Магнитная проницаемость (отно-
(относительная)
Магнитная восприимчивость
Удельная магнитная восприим-
восприимчивость
Магнитное сопротивление
Магнитная проводимость
Коэффициент размагничивания
Магнитная энергия
Объемная плотность магнитной
энергии
Суммарные потерн на перемаг-
ннчнванне
Удельные потери на перемагнн-
чнванне
Сопротивление потерь
Тангенс угла потерь
Коэффициент потерь на гнсте-
резнс
Буквенное
обозначе-
обозначение вели-
величины
Я
Ф
В
¦м
I
Но
На
X
X
Ям
GM
gu
N
WM
wM
P
P
r.
R
tgfi
9r
Наименование и обозначе-
обозначение единицы в системах
СГСМ, СГС,
СГСЭ
эрстед
гильберт (гб)
максвелл
(МКС)
гаусс (гс)
си
ампер на
метр (а/м)
ампер (а)
вебер (вб)
тесла (тл)
наименования не имеет "
наименования не имеет
(а/м)
наименования не имеет
наименования не имеет
отвлеченная единица в
системах СГСМ и СГСЭ
наименования не имеет
отвлеченная единица
наименования не имеет
отвлеченная единица в
системах СГСМ, СГСЭ
и СИ
наименования не имеет
1/см3
1/м3
(в системах СГСМ и СГСЭ)
ед. СГС/см3\
(в системе СГС)
наименования не имеет
гб/мкс
а/вб
наименования не имеет
мке/гб
вб/а
наименования не имеет
отвлеченная единица
эрг | джоуль
наименования не имеет
эрг/см3 | дж/м3
наименования не имеет
(ватт)
эрг/сек
вт
наименования не имеет
эрг /сек | вт/кг
наименования не имеет
отвлеченная единица
наименования не имеет
отвлеченная единица
наименования не имеет
1/з I
м/а
Коэффициент,
на который
следует умно-
умножить значение
в единицах
СГСМ, СГС,
СГСЭ, чтобы
получить зна-
значение в еди-
единицах СИ
103/4 Л
10/4 Я
10"8
ю-4
ю-3'
ю-3
4 Л-Ю-7
гн/м
1
4л
4 я/103
109/4 л
4Я-10-
1/4 л
10-7
ю-1 .
ю-7
ю-4
ю-» *
1
4л/Ю3
382
Продолжение табл. XVII
Наименование величины
Коэффициент потерь на вихре-
вихревые токи
Коэффициент дополнительных
потерь
Индуктивность, взаимная индук-
индуктивность
Буквенное
обозначе-
обозначение вели-
величины
9Ь
Ре
М
Наименование и обозначение
единицы в системах
СГСМ, СГС,
СГСЭ
си
наименования не имеет
отвлеченная единица
1/гц
1/гц
наименования не имеет
отвлеченная единица
см
гн
Коэффициент,
иа который
следует умно-
умножить значение
в единицах
СГСМ, СГС.
СГСЭ, чтобы
получить зна-
значение в едини-
единицах СИ
1
1
Ю-»
Таблица XVIII
Определения единиц основных магнитных величии
Единица напряженнос-
напряженности магнитного поля
Ампер на метр—напряженность магнитного поля в сво-
свободном пространстве в центре линейного кругового тока
силой в один ампер при диаметре кругового тока в один
метр
Единица магнитодви-
магнитодвижущей силы
Ампер—магнитодвижущая сила вдоль замкнутого конту-
контура, сцепленного с контуром постоянного тока силой один
ампер
Единица магнитного
потока
Вебер—магнитный поток, при убывании которого до ну-
нуля в цепн катушки возбуждения проходит количество
электричества в один кулон, если сопротивление цепи
один ом
Единица магнитной нн-
дукцин
Тесла—магнитная индукция, прн которой через попереч-
поперечное сечение площадью однн квадратный метр проходит
магнитный поток однн вебер
Абсолютная магнитная
проницаемость
Генрн на метр—абсолютная магнитная проницаемость
среды, в которой напряженность магнитного поля в один
ампер на метр создает магнитную индукцию в одну теслу
Ампер—квадратный метр—это магнитный момент элек-
электрического тока силой в однн ампер, проходящего по
контуру площадью в один квадратный метр
Единица магнитного
момента
LUttiypy плищадыи в идин квадратный Mcip
.Ампер на метр—намагниченность, прн которой вещество
'бъемом однн кубический метр имеет магнитный момент
Единица ьамагннчен-
ностн
объемом однн кубический метр
однн ампер—квадратный метр
Единица магнитного со-
сопротивления
Ампер на вебер—магнитное сопротивление магнитной
цепн, в которой магнитодвижущая снла в однн ампер соз-
создает Магнитный поток в однн вебер
383
ЛИТЕРАТУРА
1. Бозорт Р. Ферромагнетизм. М., ИЛ, 1956 (табл. I, III, IV).
2. Д о р ф м а н Я. Г. Магнитные свойства и строение вещества. М, ГИТТЛ,
1955 (табл. II).
3. Займовский А. С, Чудновский Л. А. Магнитные материалы.
М.—Л., ГЭИ, 1957 (табл. V).
4. Вонсовский С В. Современное учение о магнетизме. М.—Л., ГИТТЛ,
1952 (табл. VI).
5. Вонсовский С. В., Из юмов Ю. А. УФН, XXVII, вып. 3, 1962.
6. Чечерников В. И., Поп И., Наумкин О. П., Терехова В. Ф.
ЖЭТФ, 44, вып. 1, 387, 1963 (табл. VII).
7. Савицкий Е. М., Т е р е х о в а В. Ф., Буров И. В., М а р к о в а И. А.,
Наумкин О П Сплавы редкоземельных металлов. М., Изд-во АН СССР,
1962 (табл. I, VII).
8. Антиферромагнетизм. Сб. статей. М„ ИЛ, 1956 (табл. VIII).
9. М е й е р Э., М е р д е р К. Зеркальные гальванометры и приборы со све-
световым указателем. М.—Л., ГЭИ, 1959 (табл. IX).
10. Попов М. М. Термометрия и калориметрия. Изд-во МГУ, 1954
(табл. X—XIV).
Примечание. В скобках даны номера таблиц приложения данной книги.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1. Общие сведения из теории ферромагнетизма
§ 1. Основные магнитные характеристики вещества в постоянном
магнитном ноле Щ
§ 2. Размагничивающее поле образца и размагничивающий фактор Ц
§ 3. Образцы и размагничивание образцов 12
§ 4. Основные методы исследования магнитных свойств вещества . 14
Глава II. Методы получения магнитного поля 17
§ 1. Различные системы электромагнитов 18
§ 2. Намагничивающие соленоиды 23
§ 3. Получение импульсных магнитных полей 30
§ 4. Сверхпроводящие • соленоиды н магниты ....... 32
§ 5. Получение неоднородных магнитных полей 35
§ 6. Стабилизация магнитного поля 37
Глава III. Методы измерения напряженности магнитного поля ... 45
§ 1. Баллистический метод 45
§ 2. Использование магнитных зондов для измерения напряженно-
напряженности магнитного поля 48
§ 3. Метод ядерного магнитного резонанса. Ядерные магнитометры 53
§ 4. Электродинамический метод измерения напряженности магнит-
магнитного поля 58
§ 5. Магнитные потенциалметры 59
§ 6. Магнитный'полемер 61
§ 7. Использование эффекта Холла для измерения напряженности
постоянного и переменного магнитных полей 62
§ 8. Другие методы измерения напряженности магнитного поля . 65
Глава IV. Баллистический метод исследования ферромагнитных веществ 70
§ 1. Теория баллистического гальванометра 70
§ 2. Определение основной кривой индукции и петли гистерезиса . 74
§ 3. Использование баллистического метода для определения раз-
размагничивающего фактора 81
§ 4. Флюксметр . 83
Глава V. Магнитометрический метод 86.
§ 1. Устройство и принцип действия магнитометра 86
§ 2. Астатический магнитометр 87
§ 3. Астатический магнитометр для исследования слабомагиитных
веществ . * 91
§ 4. Вибрационный магнитометр 94
§ 5. Астатический магнитометр с двумя катушками %
Глава VI. Методы исследования ферромагнитных веществ при насыщении 99
§ 1. Индукционный метод Вейсса и Форрера 99
§ 2. Индукционный метод Кондорского—Федотова 101
385
§ 3. Динамический метод Сексмита 104
§ 4. Измерение намагниченности маятниковым методом .... 107
§ 5. Измерение намагниченности в сильных импульсных полях . . 108
§ 6. Определение спонтанной намагниченности и ферромагнитной точ-
точки Кюри 113
Глава VII. Методы исследования слабомагинтных веществ 117
§ 1. Основные методы измерения магнитной восприимчивости . . 120
§ 2. Метод Фарадея—Сексмита 122
§ 3. Установки с использованием маятниковых весов 126
§ 4. Крутильные весы 131
§ 5. Рычажные весы 135
§ 6. Метод длинного цилиндрического образца (метод Гуи) . . . 138
§ 7. Частотные методы измерения восприимчивости слабомагнитных
тел 139
§ 8. Измерение восприимчивости методом неподвижно укрепленного
образца 142
§ 9. Методы измерения магнитной восприимчивости жидкостей и газов 143
§ 10. Методы измерения магнитной анизотропии слабомагнитных
веществ 146
§ И. Градуировка магнитных весов 151
Глава VIII. Основные методы измерения магннтострнкцнн 156
§ 1. Тензометрический метод измерения магнитострикции .... 157
§ 2. Метод выносных проволочных тензодатчиков 159
§ 3. Экспериментальная установка завода «Эталон» 163
§ 4. Метод механооптического рычага 168
§ 5. Интерференционный метод 171
§ 6. Измерение магнитострикции в сверхсильных импульсных магнит-
магнитных полях 176
§ 7. Емкостный метод измерения магнитострикции 178
Глава IX. Исследование магнитной анизотропии ферромагнитных веществ 185
§ 1. Способы определения констант магнитной анизотропии. Анизометр 185
§ 2. Измерение магнитной анизотропии в сильных импульсных маг-
магнитных полях 190
§ 3. Основные методы измерения дифференциальной магнитной вос-
восприимчивости 192
Глава X. Магнитная вязкость и методы ее исследования 196
Глава XI. Методы исследования гальвано- и термомагнитиых эффектов 202
§ 1. Исследование эффекта Холла 202
§ 2. Фотоэлектрооптический усилитель 206
§ 3. Измерение эффекта Холла на переменном токе 210
§ 4. Исследование гальваномагнитного эффекта в ферромагнетиках 212
§ 5. Изучение термомагнитных эффектов в ферромагнетиках . . . 214
Глава XII. Некоторые промышленные методы измерений магнитных ха-
характеристик 216
§ 1. Метод пермеаметра 216
§ 2. Измерение потерь на вихревые токи и гистерезис 224
§ 3. Феррометр 235
§ 4. Определение остаточной индукции и коэрцитивной силы . . 236
Глава XIII. Исследования магнитных свойств вещества в переменных
магнитных полях 240
§ 1. Магнитные характеристики вещества в переменных магнитных
полях 240
§ 2. Метод вольтметра и амперметра 243
§ 3. Мостовые методы измерения магнитных характеристик . . . 244
§ 4. Потенциометрический метод измерения магнитных характеристик
в перемеииых полях 254
§ 5. Измерение магнитной проницаемости и потерь на частотах
50 кгц— 10 Мгц 257
§ 6. Исследование проницаемости ферромагнитных материалов при
высоких частотах (до 3-103 Мгц) 259
386
§ 7. Измерение проницаемости ферромагнитных материалов в области
сантиметровых волн с помощью волновода 266
§ 8. Измерение компонент тензора магнитной проницаемости . . . 271
§ 9. Исследование эффекта Фарадея 276
Глава XIV. Исследование ферро- н парамагннтвого резонанса .... 280
§ 1. Методы исследования ферромагнитного резонанса 280
§ 2. Экспериментальные методы исследования электронного парамаг-
парамагнитного резонанса 288
Глава XV. Экспериментальные методы исследования магнитных свойств
атома и атомного ядра 304
§ 1. Исследования магнитных свойств элементарных частиц . . . 304
§ 2. Измерение ядерного магнитного момента в конденсированных
средах 313
§ 3. Исследование ядерного резонанса индукционным методом . . 315
§ 4. Экспериментальные установки для исследования ядерного маг-
магнитного резонансного поглощения 318
§ 5. Магнитные методы получения ориентированных ядер .... 326
§ 6. Методы измерения эффективных магнитных полей на ядрах . . 334
§ 7. Исследование электронной структуры ферромагнитных металлов
при помощи поляризованных позитронов 340
Приложение 345
Чечерииков Виктор Иванович
МАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Тематический план 1969 г. № 169
Редакторы Коробцова Н. А., Карасева Г. М.
Переплет художника Самариной Л. М.
Технический редактор Георгиева Г. И.
Корректоры Стерина Н. П., Костылева Л. А.
Сдаио в набор 23.1 1969 г. Подписано к печати 9.IX 1969 г.
Л-80 081 Формат 60x90'/i6 Бумага тип. № 1
Физ. печ. л. 24.25 Уч.-нзд. л. 26.82 Изд. № 284
Зак. 262 Тираж 6600 экз. Цена 1 р. 14 к.
Издательство Московского университета
Москва, Ленинские горы, Административный корпус
Типография Изд-ва МГУ. Москва, Ленинские горы