Особенности испытаний и измерений магнитных параметров

Как уже было сказано в заключении к главе 1, одной из проблем системы сертификации магнитных материалов является несовершенство терминологической базы. Проиллюстрировать недостатки терминологии можно на примере термина «магнитный материал». Согласно ГОСТ 19693-74 [54], «магнитный материал – материал, обладающий свойствами ферромагнетика или ферримагнетика». В свою очередь и ферромагнетик, и ферримагнетик по данному документу являются кристаллическими веществами. Однако известно, что наиболее новыми и перспективными магнитными материалами являются аморфные, которые не имеют кристаллического строения.

3.1 Основные параметры магнитных материалов. Термины и определения в области магнитных материалов и измерений

Основным документом, устанавливающим терминологию в области магнитных материалов, является ГОСТ 19693-74 [54]. Дальнейшее изложение, в основном, учитывает требования этого документа, однако в ряде случаев, даны определения, которые, по мнению авторов, более полно отвечают практике измерений, в том числе описанные в научной литературе [55].

Магнетизм, как наука, описывает совокупность явлений, определяемых взаимодействием между электрически заряженными движущимися объектами, между такими объектами и объектами, обладающими магнитным моментом, и между объектами, обладающими магнитным моментом. Для описания магнитного взаимодействия используется понятие магнитное поле – физическое поле, действующее на электрически заряженные движущиеся объекты и на объекты, обладающие магнитным моментом, и создаваемое любым из перечисленных объектов. Для описания магнитного поля в каждой точке пространства необходимо задать две из трех векторных величин:

- магнитный момент M – вектор, характеризующий способность объектов создавать в окружающем пространстве магнитное поле и определяющее поведение таких объектов во внешнем магнитном поле. Для замкнутого контура с током модуль вектора магнитного момента равен произведению силы тока на площадь контура, а направление этого вектора совпадает с нормалью к плоскости контура;

- магнитная индукция B – вектор, характеризующий магнитное поле и определяющий величину и направление сил, действующих в вакууме или материальной среде на электрически заряженные движущиеся объекты и на объекты, обладающие магнитным моментом. Модуль вектора магнитной индукции равен отношению действующей в магнитном поле на движущийся электрический заряд силы (силы Лоренца) к произведению электрического заряда на проекцию его скорости, перпендикулярной магнитному полю.

- напряженность магнитного поля Н – вектор, характеризующий магнитное поле и определяющий величину и направление сил, действующих в вакууме на электрически заряженные движущиеся объекты и на объекты, обладающие магнитным моментом;

Для описания магнитных свойств материалов, состоящих из множества частиц, обладающих магнитным моментом, используется вектор намагниченности I – суммарный магнитный момент, отнесенный к единице объема V:

I = S M / V,                                                                 (3.1)

Взаимосвязь между напряженностью магнитного поля, магнитной индукцией и магнитным моментом определяется соотношением:

,                                                       (3.2)

где m₀ = 4p×10^–7 Гн/м – магнитная постоянная.

Применение магнитных материалов обусловлено их способностью определенным образом изменять свое состояние под действием внешнего магнитного поля. Для описания изменения магнитного состояния используются понятия намагничивание, размагничивание и перемагничивание. Эти процессы описываются значительным числом магнитных параметров, стандартизация которых, в конечном счете, способствует обеспечению единства измерений.

Намагничивание [4] – процесс, в результате которого под воздействием внешнего магнитного поля возрастает среднее по объему значение проекции вектора намагниченности магнитного материала на направление вектора напряженности внешнего магнитного поля. Размагничивание – процесс, в результате которого под воздействием внешнего магнитного поля уменьшается средняя по объему намагниченность магнитного материала. Перемагничивание – процесс, в результате которого под воздействием внешнего магнитного поля направление вектора намагниченности магнитного материала меняется на противоположное.

Кроме того, внешние магнитные поля можно разделить на постоянные и переменные, в том числе импульсные. В этой связи магнитные характеристики и параметры можно разделить на статические и динамические, т.е. полученные при воздействии постоянного внешнего магнитного поля и переменного (в том числе импульсного) внешнего магнитного поля.

Процессы изменения магнитного состояния материала удобно охарактеризовать основными характеристиками магнитного материала - кривой намагничивания и петлей магнитного гистерезиса. Возможно два способа отражения этих процессов – в координатах I(H) (намагниченность = f(напряженность магнитного поля)) или B(H) (магнитная индукция = f(напряженность магнитного поля)). Эти кривые связаны между собой соотношением (3.1). Необходимо отметить, что значительное число параметров магнитных материалов является параметрами, определяемыми кривой намагничивания и петлей гистерезиса, либо в статическом режиме, либо в динамическом, хотя для определения ряда из них построения самих кривых не требуется.

3.1.1 Основные статические параметры магнитных материалов

К статическим характеристикам магнитных материалов относятся, как уже было сказано выше кривая намагничивания и петля гистерезиса.

Различают два типа кривых намагничивания:

- начальную кривую намагничивания – кривую, выражающую зависимость намагниченности или магнитной индукции от напряженности магнитного поля в процессе намагничивания предварительно термически размагниченного магнитного материала при последовательном возрастании напряженности магнитного поля. В литературе часто встречается термин первоначальная кривая намагничивания.

- основную кривую намагничивания – кривую, представляющую собой геометрическое место вершин симметричных петель магнитного гистерезиса, которые получаются при последовательно возрастающих максимальных значениях напряженности магнитного поля.

Различают три режима измерения кривой намагничивания, различающиеся по характеру изменения во времени напряженности магнитного поля при построении кривой: коммутационный, ступенчатый и непрерывный. При коммутационном режиме каждая точка кривой намагничивания определяется путем коммутации намагничивающего поля, т.е. смены его направления на противоположное. Получение всей кривой по точкам производится при возрастании амплитуды знакопеременного поля. При ступенчатом и непрерывном режиме измерение осуществляется в условиях ступенчатого или непрерывного возрастания напряженности поля, соответственно.

Из этих определений следует, что в начальный момент времени намагниченность или магнитная индукции испытуемого образца должна быть равна нулю, т.е. образец должен быть размагничен. Различают три способа получения размагниченного состояния[5]:

- размагничивание постоянным полем – посредством помещения магнетика в постоянное внешнее магнитное поле с вектором напряженности, антипараллельным вектору намагниченности в исходном состоянии (так получают статически размагниченное состояние);

- размагничивание переменным полем – посредством помещения магнетика в переменное внешнее магнитное поле, амплитуда напряженности которого плавно уменьшается до нуля (так получают динамически размагниченное состояние);

- размагничивание нагревом выше температуры Кюри с последующим охлаждением в отсутствие внешнего магнитного поля (так получают термически размагниченное состояние).

Основная кривая намагничивания и её параметры (см. рисунок 3.1). Данная кривая строится на предварительно термически или динамически размагниченных образцах путем приложения увеличивающегося постоянного магнитного поля до достижения состояния технического магнитного насыщения. Техническое магнитное насыщение – это однородно намагниченное состояние магнетика, находящегося при отличной от абсолютного нуля температуре, характеризующееся тем, что векторы намагниченности всех магнитных подрешеток коллинеарны вектору напряженности внешнего магнитного поля, а результирующий вектор намагниченности совпадает с последним по направлению. Необходимо отметить, что данный термин не получил широкого распространения, т.к. часто его просто называют магнитным насыщением. Вместе с тем «настоящее» магнитное насыщение достигается только при абсолютном нуле.

Намагниченность насыщения – намагниченность магнитного материала в состоянии насыщения. Эта величина обозначается I_S. В координатах B(H) существует понятие индукция насыщения B_S – значение индукции магнитного материала, определяемое экстраполяцией из области напряженностей магнитных полей, соответствующих состоянию магнитного насыщения. Значение напряженности магнитного поля, в котором достигается состояние технического насыщения, называют полем насыщения Н_S. Отметим, что определение данного параметра отсутствует в ГОСТ 19693—74 [54 ].

Вышеописанные параметры основной кривой намагничивания являются наиболее распространенными и часто используемыми параметрами магнитных материалов, как магнитомягких, так и магнитотвердых.

Кроме того, по основной кривой намагничивания по индукции (основная кривая индукции) определяются такие параметры как магнитная проницаемость. Магнитная проницаемость m – отношение магнитной индукции В к напряженности магнитного поля Н: , где m₀ – магнитная постоянная (m₀ = 4p×10^-7 Гн/м). Часто используют абсолютную магнитную проницаемость– .

Рисунок 3.1 – Кривые намагничивания

Особое внимание уделяется начальной и максимальной магнитным проницаемостям как наиболее часто применяемым для магнитомягких материалов.

Начальная магнитная проницаемость – значение магнитной проницаемости на начальной или основной кривой намагничивания по индукции при стремлении напряженности магнитного поля к нулю, деленное на магнитную постоянную. Или, другими словами, начальная проницаемость - скалярная величина, равная тангенсу угла наклона начальной кривой намагничивания по магнитной индукции при напряженности магнитного поля равной нулю, т.е. тангенсу угла , как показано на рисунке 3.1.

                                               (3.3)

Максимальная магнитная проницаемость – максимальное значение магнитной проницаемости как функции напряженности магнитного поля на основной кривой намагничивания по индукции. Или, другими словами, максимальная проницаемость – скалярная величина, равная максимальному тангенсу угла наклона кривой намагничивания по магнитной индукции, т.е. тангенсу угла a_max:

.                                                          (3.4)

Две другие величины тоже достаточно часто встречаются в научной литературе, однако ГОСТ 19693—74 [54] не содержит какого-либо упоминания о них. По кривой намагничивания в координатах m₀I(H) (см. рисунок 3.1) определяются начальная c_нач и максимальная c_max восприимчивости.

Начальная магнитная восприимчивость – значение магнитной восприимчивости на кривой намагничивания по намагниченности при стремлении напряженности магнитного поля к нулю, деленное на магнитную постоянную. Или, другими словами, начальная восприимчивость – скалярная величина, равная тангенсу угла наклона начальной кривой намагничивания по намагниченности при напряженности магнитного поля равной нулю, т.е. тангенсу угла , как показано на рисунке 3.1:

                                               (3.5)

Максимальная магнитная восприимчивость – максимальное значение магнитной восприимчивости как функции напряженности магнитного поля на основной кривой намагничивания по намагниченности. Или, другими словами, максимальная восприимчивость – скалярная величина, равная максимальному тангенсу угла наклона кривой намагничивания по намагниченности, т.е. тангенсу угла b_max:

.                                                          (3.6)

Полевые и температурные зависимости магнитной проницаемости и магнитной восприимчивости являются важными характеристиками магнитных материалов.

Петля гистерезиса и её параметры. Согласно ГОСТ 19693–74 [54 ], магнитный гистерезис – неоднозначная зависимость магнитной индукции (намагниченности) магнитного материала от напряженности внешнего магнитного поля при его квазистатическом изменении. На наш взгляд, более удачным представляется другое определение: Магнитный гистерезис – это неоднозначная зависимость магнитной индукции (намагниченности) магнитного материала от напряженности внешнего магнитного поля при его циклическом изменении (т.е. изменении, при котором увеличение поля сменяется его уменьшением до исходного значения).

Различают петли гистерезиса по индукции и по намагниченности (см. рисунок 3.2):

Петля магнитного гистерезиса по намагниченности – замкнутая кривая, выражающая зависимость намагниченности материала от амплитуды напряженности магнитного поля при периодическом достаточно медленном изменении последнего;

Петля магнитного гистерезиса по индукции – замкнутая кривая, выражающая зависимость магнитной индукции материала от амплитуды напряженности магнитного поля при периодическом достаточно медленном изменении последнего.

Рисунок 3.2 – Петли магнитного гистерезиса

Петля магнитного гистерезиса, построенная при максимальном поле, равном или большем поля насыщения, называется предельной. Если максимальное поле меньше поля насыщения, то петля гистерезиса называется частной.

Основными параметрами предельных петель гистерезиса являются:

- остаточная намагниченность I_r и коэрцитивная сила по намагниченности _IH_C для петли магнитного гистерезиса по намагниченности. Остаточная намагниченность – намагниченность, сохраняющаяся в магнитном материале после намагничивания его до намагниченности насыщения и уменьшения напряженности магнитного поля в нем до нуля. Коэрцитивная сила по намагниченности – величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения намагниченности от остаточной намагниченности до нуля. Очевидно, что по петле гистерезиса можно определить и намагниченность насыщения, и поле насыщения (на рисунке 3.2 показана точка на петле гистерезиса, отвечающая полю насыщения отрицательного знака, чтобы не загромождать рисунок).

- остаточная индукция B_r и коэрцитивная сила по индукции _BH_C для петли магнитного гистерезиса по индукции. Остаточная индукция – индукция, сохраняющаяся в магнитном материале после намагничивания его до намагниченности технического насыщения и уменьшения напряженности магнитного поля в нем до нуля. Коэрцитивная сила по индукции – величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения магнитной индукции от остаточной индукции до нуля. Очевидно, что по данной петле (см. рисунок 3.2) достаточно затруднительно определить поле и индукцию насыщения.

Отметим, что встречаются и другие обозначения коэрцитивной силы – по намагниченности Н_cI или ; по индукции Н_сВ или .

Выше описанные характеристики кривых намагничивания и петель гистерезиса являются наиболее общеупотребимыми, хотя одни чаще используются для магнитомягких материалов, другие преимущественно для магнитотвердых материалов.

Перемагничивание магнитного материала по петле гистерезиса происходит за счет энергии источника магнитного поля, переходящей в теплоту и нагревающей материал. Энергия, затраченная на перемагничивание единицы объема магнитного материала и равная площади гистерезисной петли по индукции, называется потерями энергии в единице объема за один цикл перемагничивания: . После деления на плотность материала γ и умножения на частоту перемагничивания f получим величину удельных магнитных потерь (удельную мощность потерь на перемагничивание):

                                             (3.7)

По петле гистерезиса по индукции определяют такие важные параметры, как коэффициенты прямоугольности и выпуклости петли гистерезиса, максимальное энергетическое произведение, в качестве характеристики магнитотвердых материалов используется часть петли гистерезиса по индукции во втором квадранте – кривая размагничивания по индукции («спинка» петли гистерезиса).

Коэффициент прямоугольности – отношение остаточной индукции B_r к максимальной индукции B_m на данной симметричной петле гистерезиса

                                                      (3.8)

Кривая размагничивания по индукции – часть нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса по индукции между точкой, для которой равно нулю значение напряженности магнитного поля, и точкой, для которой равно нулю значение магнитной индукции. Часто используется сленговый термин – спинка петли гистерезиса – из-за того, что данная кривая представляет собой часть петли гистерезиса во II квадранте (см. рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 – Кривая размагничивания по индукции В(Н) и кривая энергетического произведения ВН(В)

Кривую размагничивания по индукции легко перестроить в кривую энергетического произведения (ВН) = f(B) (см. рисунок 3.3). На этой кривой легко определить максимальное энергетическое произведение (BH)_max. Кривая размагничивания является основной характеристикой магнитотвердых материалов для постоянных магнитов. Каждой точке кривой размагничивания соответствует определенное значение удельной магнитной энергии w – половины произведения индукции и напряженности поля, соответствующих заданной точке на кривой размагничивания магнитотвердого материала . Удельная энергия является плотностью потенциальной энергии, с которой связано значение напряженности магнитного поля, которое может создать данный магнит в заданном объеме пространства.

Очевидно, что максимальное энергетическое произведение зависит от выпуклости спинки петли гистерезиса, поэтому в качестве статической характеристики магнитотвердых материалов используется коэффициент выпуклости петли гистерезиса. Коэффициент выпуклости петли гистерезиса – отношение максимального энергетического произведения (ВН)_max к произведению остаточной магнитной индукции B_r и коэрцитивной силы по индукции _BH_C :

                                                    (3.9)

(термин не содержится в ГОСТ 19693 [54]).

Также к статическим параметрам магнитных материалов относят параметры магнитной аккомодации. Аккомодацией называют явление временного изменения магнитных параметров после воздействия внешних факторов – температуры, механических воздействий, внешнего магнитного поля, и т.д.

3.1.2 Основные динамические параметры магнитных материалов

Особенности намагничивания и перемагничивания магнитных материалов в периодических и импульсных магнитных полях в значительной мере обусловлены явлениями, не проявляющимися в условиях статического или квазистатического намагничивания и перемагничивания. К данным явлениям можно отнести вихревые токи, неоднородность проникновения магнитного поля разной частоты в магнитный материал и т.д.

По мере повышения частоты переменного магнитного поля глубина его проникновения в металл уменьшается. Например, для железа при частоте 10⁸ Гц она составляет около 1 мкм. Намагниченность ферромагнитного образца под влиянием внешнего переменного поля всегда устанавливается с некоторым опаздыванием во времени. Чем выше скорость изменения напряженности магнитного поля, тем большим становится относительное запаздывание намагниченности и значительнее изменяется форма петли гистерезиса. Основными причинами запаздывания являются:

- вихревые токи (токи Фуко). Величина токов зависит от скорости изменения напряженности магнитного поля , размеров образца, доменной структуры, магнитной проницаемости и электрической проводимости;

- магнитное последействие (магнитная вязкость). Это явление обусловлено влиянием на диффузию атомов или вакансий деформации кристаллической решетки ферромагнетика под действием внешнего магнитного поля (явление магнитострикции) и наличием тепловых флуктуаций, влияющих на движение границ доменов.

Вследствие этого кривые намагничивания и петли гистерезиса, снятые в переменных полях и называемые динамическими, отличаются от статических для того же материала и зависят от частоты переменного поля и толщины образцов (см. рисунок 3.4). Зависимость от толщины образцов сохраняется даже при замкнутом контуре, например, если образец имеет форму тора, то вид кривой намагничивания зависит от его сечения (см. рисунок 3.4, а).

а)	б)
а) толщины образцов: 1 – 8 мкм; 2 – 50 мкм; 3 – 370 мкм;
б) частоты: 1 – 5 кГц; 2 – 25 кГц; 3 – 100 кГц.
Рисунок 3.4 – Кривые динамического намагничивания кольцевых магнитопроводов из пластин разной толщины при частоте 124 кГц (а) и динамические петли перемагничивания магнитопровода из пластин толщиной 50 мкм при различных частотах для молибденового пермаллоя.

Если к ферромагнетику приложить внешнее магнитное поле Н, для упрощения будем считать его синусоидальным  (Н_m - амплитуда напряженности магнитного поля), то в нем генерируется магнитная индукция B(t), зависимость которой от магнитного поля нелинейная. Функцию B(t) можно разложить в ряд Фурье:

          (3.10)

Член ряда  называют основной (первой) гармоникой, а остальные члены ,…,  – высшими гармониками.

Для симметричной петли гистерезиса члены ряда B₀ и все четные гармоники В₂, В₄ … равны нулю. При малых полях и больших частотах петля гистерезиса стремится к эллипсу, поэтому магнитную индукцию можно считать синусоидальной функцией:

,                                                  (3.11)

где B_m – амплитуда магнитной индукции,

d - угол сдвига фаз между магнитным полем и индукцией.

Выражение (3.7) можно записать следующим образом:

, где ;                 (3.12)

Основной динамической кривой намагничивания называют геометрическое место вершин динамических петель намагничивания. В зависимости от измеренных параметров кривых магнитной индукции и напряженности поля и вида функций В(t) и Н(t) различают несколько наиболее часто используемых разновидностей основной кривой намагничивания:

В_m = f(Н_m) — зависимость амплитуды магнитной индукции от амплитуды напряженности магнитного поля. Основным параметром этой зависимости является амплитудная или полная магнитная проницаемость m_п = В_m/ Н_m, определяемая при любом характере изменения функций В(t) и Н(t). Кроме того, используются консервативная, или квазиупругая, проницаемость  и консумптивная, или вязкая, проницаемость . Очевидно, что .

B₁ = f(H₁) — зависимость амплитуды основной гармоники магнитной индукции от амплитуды основной гармоники напряженности поля. В этом случае по амплитудным значениям B₁ и H₁ определяется модуль комплексной магнитной проницаемости |m| = B₁/ H₁ (см. ниже);

В_m = f(Н_д) — зависимость амплитуды магнитной индукции при синусоидальном характере ее изменения от действующего значения напряженности магнитного поля;

В_m =  – зависимость амплитуды магнитной индукции от мгновенного значения напряженности магнитного поля, соответствующего значению В_m.

B₁ = f(H₁) – зависимость амплитуды основной гармоники магнитной индукции от амплитуды основной гармоники напряженности поля. В этом случае по амплитудным значениям B₁ и H₁ определяется модуль комплексной магнитной проницаемости | | = B₁/ H₁ (см. ниже) и угол потерь sind = W/(B₁^.H₁).

Использование рядов Фурье не всегда удобно и чаще используют описание гармонических колебаний магнитного поля и магнитной индукции в комплексном виде:

,                              (3.13)

Поскольку такая запись удобна для решения ряда задач, вводится понятие комплексной магнитной проницаемости  и её модуля | |:

; | | =  (3.14)

Согласно ГОСТ 19693 [54] комплексная магнитная проницаемость – отношение комплексных величин магнитной индукции и напряженности магнитного поля в материале, деленное на магнитную постоянную. Считается, что:

- при этом напряженность магнитного поля изменяется во времени синусоидально, а для магнитной индукции берется составляющая, изменяющаяся во времени синусоидально с той же частотой, что и напряженность магнитного поля.

- предполагается, что пространственные векторы, характеризующие напряженность магнитного поля и индукции, параллельны.

Кроме того, в качестве параметров магнитных материалов в динамическом режиме используется тангенс угла магнитных потерь tgd – отношение мнимой части к действительной части комплексной магнитной проницаемости. Исходя из формулы (3.12), очевидно:

 и                                                (3.15)

Особое значение имеет параметр динамической петли гистерезиса – магнитные потери на перемагничивание, которые обычно выражают в виде удельных, приведенных на единицу массы, магнитных потерь. Магнитные потери W – мощность, поглощаемая в единице объема магнитного материала и рассеиваемая в виде тепла при воздействии на материал меняющегося во времени магнитного поля:

                   (3.16)

По динамической петле магнитного гистерезиса, если она имеет форму эллипса и измерена на образце, имеющем форму тора (см. рисунок 3.5), можно определить все основные параметры.

Если петля имеет форму эллипса, то потери на перемагничивание, которые равны площади магнитного гистерезиса S:

,                                                  (3.17)

а с учетом определений для m₁ и m₂ и формулы (3.12) получаем

.                                        (3.18)

Рисунок 3.5 – Эллиптическая петля гистерезиса и её параметры

Из эллиптической петли гистерезиса мы получаем ряд характерных точек – максимальное магнитное поле Н_max и максимальную магнитную индукцию B_max. Отметим, что максимальное значение магнитной индукции B_max достигается не при максимальном магнитном поле, а при поле Н = Н_max cosd. А максимальному значению магнитного поля Н_max соответствует значение индукции = B_max cosd. Для эллипса точки остаточной индукции и коэрцитивной силы также связаны с углом потерь:

B_r = B_max sind, Н_с = Н_max sind                                          (3.19).

Таким образом по динамической эллиптической петле гистерезиса можно определить значения B_r, Н_с, B_max, , Н_max, а по ним рассчитать величины магнитных проницаемостей, потери на перемагничивание и тангенс угла потерь:

; ; = ; . (3.20)

Современная техника широко использует магнитные материалы в импульсных полях. Форма импульсов магнитной индукции сильно отличается от формы импульсов напряженности магнитного поля. Отношение приращения индукции DВ к приращению напряженности поля DН в течение импульсного цикла для замкнутого магнитопровода с однородной напряженностью поля в нем называется импульсной проницаемостью ферромагнетика

.                                                  (3.21)

В заключение к разделу 3.1 отметим, что существуют магнитные параметры и характеристики магнитных материалов, характеризующие какие-либо физические явления и процессы, не связанные с кривыми намагничивания и перемагничивания. К таким характеристикам относятся параметры температурной стабильности магнитных свойств, например, температурный коэффициент магнитной проницаемости ТКμ (встречается обозначение a_m). Данный коэффициент может быть выражен в следующих формах:

       ,                 (3.22)

где  - проницаемость при температуре 20 ^оС;

 и  - проницаемости при температурах Т₁ и Т₂, соответственно.

Тогда коэффициент a_m отражает изменение магнитной проницаемости в температурном интервале от Т₁ до Т₂.

В случае ряда магнитных материалов в качестве нормируемого параметра, характеризующего температурную стабильность материала, используется температура Кюри T_c – температура при которой материал теряет ферромагнитные свойства и переходит в парамагнитное состояние. Если говорить в терминах процессов намагничивания-перемагничивания при этой температуре материал термически размагничивается.

Важны для магнитного материала характеристики и параметры, отражающие явление магнитострикции – изменение формы и размеров ферромагнетика под действием внешнего магнитного поля. В качестве характеристик материала рассматривают полевые, температурные зависимости магнитострикции, зависимости её от намагниченности материала, от кристаллографических направлений и т.д. Однако, в качестве нормируемых параметров используется в основном магнитострикция насыщения λ_s – значение продольной магнитострикции, когда намагниченность в магнитном материале достигает технического насыщения. Продольная магнитострикция – относительное изменение линейного размера образца из магнитного материала в направлении намагничивания при переходе из размагниченного состояния в состояние насыщения.

В следующем разделе рассмотрим основные нормируемые характеристики и параметры магнитных материалов, преимущественно магнитные.

3.2 Нормируемые параметры магнитных материалов

Как уже известно из курса «Технология изготовления магнитных материалов», магнитные материалы можно разделить на магнитомягкие и магнитотвердые. Согласно ГОСТ 19693 [54] магнитомягкий материал – магнитный материал с коэрцитивной силой по индукции не более 4 кА/м; а магнитотвердый материал – магнитный материал с коэрцитивной силой по индукции не менее 4 кА/м. Отметим, что данная граница деления магнитных материалов (4 кА/м) достаточно условна.

3.2.1. Нормируемые параметры магнитомягких материалов

Магнитомягкие материалы имеют общие области применения – в сердечниках трансформаторов, дросселей, реле, головках магнитной записи, магнитных экранах, магнитных усилителях, феррозондах и других электротехнических и электронных устройствах.

Общность применения влечет за собой единство требований к магнитным свойствам. Комплекс нормируемых магнитных характеристик и требований к ним для кристаллических магнитомягких сплавов содержится в действующем ГОСТ 10160-75 [56].

Согласно ГОСТ 10160-75 [56], по основным свойствам и назначению магнитомягкие кристаллические сплавы делятся на 8 групп (см. таблицу 3.1). При проведении испытаний магнитомягких материалов используется ГОСТ 8.377-80 [57], а также ГОСТ 12635-67 [58].

Применительно к области использования сплавов в электротехнике (для изготовления сердечников трансформаторов, а также статоров и роторов электродвигателей) применяются также стандарты ГОСТ 21427.1-83 [59] и ГОСТ 21427.2-83 [60], которые нормируют параметры электротехнических сталей (см. таблицу 3.2). При проведении испытаний электротехнических сталей используется ГОСТ 12119-98 [61-69].

Отметим, что для проектирования электрических машин и аппаратов недостаточно иметь значения основных магнитных характеристик магнитомягких материалов. Могут потребоваться характеристики, описанные в п. 3.1.

Таблица 3.1 – Классификация магнитомягких сплавов

Группа сплавов	Основа сплава	Марка сплава	Основные нормируемые параметры	Назначение
1	2	3	4	5
С наивысшей магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях	Fe-Ni	79НМ, 80НХС, 81НМА, 83НФ	, , Нс, Вs	Сердечники малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле, дефектоскопов, головок магнитной записи, магнитные экраны
С высокой магнитной проницаемостью и повышенным удельным электрическим сопротивлением		50НХС	, , ρ, Нс, BS	Сердечники аппаратуры связи, дросселей, импульсных трансформаторов
С высокой магнитной проницаемостью и повышенной индукцией насыщения		45Н, 50Н	, , Нс, BS	Витые и штампованные сер-дечники междуламповых и малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей
С прямоугольной петлей гистерезиса		50НП, 68НМП, 34НКМП, 35НКХСП, 40НКМП, 79НМП, 77НМДП	, Br/BS, Нс, BS	Сердечники магнитных уси-лителей, бесконтактных реле, контактных выпрямителей, дросселей модуляторов, импульсных трансформато-ров, магнитных элементов, счетно-решающих устройств
С высокой индукцией насыщения	Fе-Со	27КХ, 49КФ, 49К2Ф, 49К2ФА	BS, Tc, Нс	Сердечники и полюсные наконечники обычных и сверхпроводящих магнитов, электромагнитов, малогаба-ритных силовых трансфор-маторов, дросселей, магнит-ных усилителей, экранов, роторов и статоров электри-ческих машин
С низкой остаточной индукцией	Fе-Ni-Со, Fе-Ni	47НК, 64Н, 40НКМ	Br/Bs, , / , ТКμ	Сердечники импульсных и широкополосных трансформаторов, катушек постоянной индуктивности
С высокой маг-нитной проницае-мостью и при однополярном намагничивании и анизотропией магнитных свойств	Fе-Ni	68НМ, 79НЗМ	μимп	Сердечники импульсных трансформаторов, работающих в режиме перемагничивания однополярными импульсами, пороговые устройства (токовые переключатели)

Продолжение таблицы 3.1

1	2	3	4	5
Магнитомягкие сплавы со специальными свойствами
С повышенной деформацион-ной стабиль-ностью и износостой-костью	Fе-Si-Аl, Fе-Аl, Fе-Ni	10СЮ-ВИ, 10СЮ-МП, 16ЮХ-ВИ, 16ЮИХ-ВИ, 81НМА	HV, σB, , ρ	Сердечники магнитных головок записи и воспроизведения звука, кода, видеоизображения
С заданным температурным коэффициентом линейного расширения	Fе-Ni	52Н, 52Н-ВИ, 47НД, 47НД-ВИ	ТКЛР, Нс, Bs	Магнитные элементы герметизированных магнитных контактов (герконы)
С высокой коррозионной стойкостью	Fе-Ni-Сo, Fe-Cr	36КНМ, 16Х, 00Х13	Скорость коррозии, В(Н), Hc	Магнитопроводы систем управления, якорей электромагнитов, статоров и роторов электрических машин, магнитопроводов пневматических и гидравлических клапанов
С высокой магнитострик-цией	Ni, Fе-Со, Fе-Аl	Никель НП-2-Т, 49К2Ф, 9Ю-ВИ	λs, Hc	Сердечники магнитострик-ционных преобразователей в ультразвуковой и гидроакус-тической аппаратуре, телефон-ных мембран, в электромеха-нических фильтрах, линиях задержки
Термомагнит-ные сплавы	Fе-Ni	31НХЗГ2, 31НХЗГ, 32НХЗ, ЗЗНХЗ, НЗЗЮ1, ЗОНТ, 36Н11Х, 32Н6ХЮ, ТКМ-09-01, ТКМ-015-1, ТКМ-015-2	В(Т), ТКμ	Компенсационные магнитные шунты измерительных приборов и электровакуумных приборов
Для работы на сверхвысоких частотах	Fе-Аl-Сг	7ЮХ-ВИ	Повышен-ное поверх-ностное со-противле-ние в диа-пазоне длин волн	Для устройств СВЧ (волноводов, аттенюаторов, термических измерителей мощности)

Примечание:

ρ – удельное электрическое сопротивление, Ом×м;

HV – твердость по Виккерсу, МПа;

σ_B – временное сопротивление, МПа;

ТКЛР – температурный коэффициент линейного расширения, К^–1.

Таблица 3.2 – Нормируемые параметры электротехнических сталей

3.2.2. Нормируемые параметры магнитотвердых материалов

Магнитотвердые материалы делят на три большие группы:

- материалы для постоянных магнитов;

- материалы для роторов гистерезисных двигателей;

- материалы для магнитной записи.

Данные группы отличаются набором нормируемых характеристик, хотя многие материалы используются. Например, и как материалы для постоянных магнитов, и как материалы для роторов гистерезисных двигателей. Нормативная документация на материалы для роторов гистерезисных двигателей и для магнитной записи отсутствует. С этой точки зрения материала для постоянных магнитов являются наиболее проработанными и описанными, хотя и в этой области существуют значительные проблемы (например, отсутствует нормативная документация на наиболее перспективные материалы на основе Nd-Fe-B). В связи с этим в таблице 3.3 для двух последних групп будут приведены нормируемые параметры по данным технических условий.

В следующем подразделе обсудим средства измерения магнитных величин.

Таблица 3.3 – Нормируемые параметры магнитотвердых материалов

Группа материалов	Погруппы сплавов	Нормативный документ	Нормируемые параметры
Материалы для постоянных магнитов	Деформируемые сплавы на основе Fe-Co-Cr	ГОСТ 24897-81 [70]	, Br, (BH)max
	Литые сплавы на основе Fe-Ni-Al-Cu-(Co) (ЮНД и ЮНДК)	ГОСТ 17809-72 [33]	, Br, (BH)max, B/H в точке (BH)max
	Спеченные материалы на основе Sm-Co	ГОСТ 21559-76 [71]	, Br, (BH)max,
	Магнитотвердые ферриты	ГОСТ 24063-80 [72]	, Br, (BH)max,
Материалы для роторов гистерезисных двигателей[6]	Материалы для шихтованных роторов на основе Fe-Co-V	-	Значения магнитных параметров на предельной петле гистерезиса: , Br, Br.
	Материалы для шихтованных ро-торов на основе Fe-Co-Ni-V	-	Значения магнитных параметров в поле максимальной проницае-мости: H, B, , Br, Br/B, Ph; Значения магнитных параметров при индукции Bmax=1 Тл: , Br, Ph, Ph/Hmax,
	Материалы для шихтованных ро-торов на основе Fe-Co-Cr-V	-	Значения магнитных параметров в поле максимальной проницае-мости: H, B, , Br, Br/B, Ph; Значения магнитных параметров на предельной петле гистерезиса: , Br, Br. ; Значения магнитных параметров при индукции Bmax=1 Тл: , Br, Ph, Ph/Hmax,
	Материалы для сплошных рото-ров Fe-Cr-W	-	Значения магнитных параметров в поле максимальной проницае-мости: H, B, , Br, Ph/H
	Материалы для сплошных рото-ров Fe-Co-W-Mo	-
Материалы для магнитозаписи	Ферропорошки	-	, , размер магнитных микрочастиц и его однородность
	Металлические ленты	–	, , Вr, Кп, Bs

3.3 Средства измерения магнитных величин

Основным нормативным документом, содержащим классификацию и определения средств измерения магнитных величин, является ГОСТ 20906-75 [73]. Он содержит общую классификацию и определения о мерах, измерительных преобразователях и магнитоизмерительных приборах магнитных величин.

Напомним, что к элементарным средствам измерения относятся измерительные преобразователи и меры. Рассмотрим их применительно к магнитным величинам.

Мера магнитной величины – мера, предназначенная для воспроизведения магнитной величины. Различают меры магнитной индукции, магнитного потока и магнитного момента (см. рисунок 3.6). Обособленно в качестве мер можно рассматривать стандартные образцы свойств магнитных материалов, которые будут рассмотрены в отдельном подразделе.

Мера магнитной индукции может иметь два исполнения – индуктивная мера с катушками и мера с постоянным магнитом (магнитами). Индуктивная мера магнитной индукции - мера магнитной индукции, представляющая собой катушку или несколько катушек с одной или с несколькими гальванически связанными между собой обмотками и воспроизводящая магнитную индукцию при пропускании по ее обмотке (обмоткам) электрического тока. Ее разновидностью является мера магнитной индукции с электромагнитом – индуктивная мера магнитной индукции, представляющая собой магнитную цепь, содержащую магнитопровод и охватывающую его обмотку. Однако, вместо электромагнита можно использовать и магнитотвердый материал, так получают мера магнитной индукции с постоянным магнитом (магнитами) – мера магнитной индукции, представляющая собой магнитную цепь, содержащую постоянный магнит (магниты) и воспроизводящая в воздушном зазоре магнитную индукцию

Мера магнитного потока представляет из себя взаимоиндуктивную меру или меру с измерительной катушкой. Взаимоиндуктивная мера магнитного потока – мера магнитного потока, состоящая из двух гальванически несвязанных между собой обмоток, воспроизводящая магнитный поток, сцепляющийся с одной из обмоток, когда по другой обмотке протекает электрический ток. Мера магнитного потока с измерительной катушкой – мера магнитного потока, состоящая из меры магнитной индукции и измерительной катушки, помещенной в создаваемое этой мерой магнитное поле

Мера магнитного момента может быть катушечной или сделанной из магнетика. Катушечная мера магнитного момента – мера магнитного момента в виде катушки, воспроизводящая магнитный момент при пропускании по ее обмотке электрического тока. Мера магнитного момента из магнетика – мера магнитного момента в виде тела, устойчиво сохраняющего свою намагниченность, в какой-то мере это стандартный образец (СО) магнитного свойства магнитного материала.

В данный момент времени существуют несколько государственных первичных эталонов (ГПЭ) магнитных величин. Рассмотрим для примера два из них.

Первый из них воспроизводит единицу магнитной индукции постоянного поля в диапазоне от 0,05 до 2 Тл. Данный эталон состоит из эталонного измерителя магнитной индукции, основанного на явлении ядерного магнитного резонанса, электромагнита со сложной системой воздушных зазоров, в которых создаются однородные магнитные поля, стабилизированного источника питания электромагнита и устройства для стабилизации магнитного поля в рабочих зазорах электромагнита [74]. Таким образом, данный государственный первичный эталон представляет собой меру магнитной индукции с электромагнитом. Этот эталон обеспечивает воспроизведение единицы магнитной индукции со средним квадратичным отклонением S₀ результата измерений не более 1^.10^-6 Тл при неисключенной систематической погрешности Q₀ = 3^.10^-6 Тл.

Методом прямого сличения с государственным первичным эталоном поверяют образцовые катушечные меры магнитной индукции 2-го разряда с доверительной вероятностью 0,02 %. При сличении используют образцовые тесламетры 1-го разряда. Образцовые меры магнитной индукции 3-го разряда с доверительной вероятностью 0,02 % в виде катушек, постоянных магнитов и электромагнитов поверяют методом прямых измерений с помощью образцовых тесламетров 2-го разряда. Рабочие меры магнитной индукции также выпускают в трех исполнениях с допускаемой относительной погрешностью 0,2-1,5 %.

Второй государственный первичный эталон является комплексным, так как воспроизводит и хранит несколько магнитных величин, перечисление и характеристики которых приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.4 – Характеристики государственного первичного эталона

по ГОСТ 8.090-91[75 ]

Данный эталон состоит из расчетной катушки магнитных величин; цезий-гелиевого тесламетра-компаратора; квантовой меры постоянного тока; квантового компаратора переменного поля и индукционного компаратора. Таким образом, этот эталон является катушечным. Методом прямого сличения с данным ГПЭ поверяют государственные рабочие эталоны единиц магнитной индукции постоянного (1^.10^–8–5^.10^–4 Тл) и переменного (1^.10^–9–1^.10^–3 Тл)  полей, а также единицы магнитного потока (1^.10^–5–1^.10^–2 Вб).

Методами прямого сличения и прямых измерений далее поверяют:

- образцовые меры 1-го разряда – магнитной индукции переменного поля и магнитного потока;

- образцовые меры 2-го разряда – магнитной индукции постоянного поля; магнитной индукции переменного поля и магнитного потока из магнитного материала (1^.10^–7–1^.10^–2 Вб);

- Образцовые меры 3-го разряда – магнитной индукции постоянного поля и магнитной индукции переменного поля;

- Рабочие меры - магнитной индукции постоянного поля (1^.10^–8–5^.10^–2 Тл); магнитной индукции переменного поля (1^.10^–8–5^.10^–2 Тл, 0–20000 Гц), магнитного момента (1^.10^–5–1^.10³ А^.м², 0–20000 Гц).

Второй группой элементарных средств измерения являются магнитоизмерительные преобразователи - измерительные преобразователи, входной величиной которых является магнитная величина. Магнитоизмерительный преобразователи можно классифицировать по трем признакам (см. рисунок 3.7):

- по типу преобразования, т.е. по природе преобразования входного сигнала в выходной. Различают три типа преобразователей. Магнитоэлектрический преобразователь – магнитоизмерительный преобразователь, у которого выходная величина – электрическая, функционально связанная с входной магнитной величиной. Магнитомеханический преобразователь – магнитоизмерительный преобразователь, у которого выходная величина – механическая, функционально связанная с входной магнитной величиной. Магнитооптический преобразователь – магнитоизмерительный преобразователь, оптические свойства чувствительного элемента которого функционально связаны с входной магнитной величиной. Самыми распространенными являются магнитоэлектрические преобразователи.

- по зависимости выходного сигнала от направления вектора входной величины. Различают векторный и скалярный преобразователи – у векторного преобразователя значение выходного сигнала зависит от расположения чувствительного элемента преобразователя по отношению к направлению вектора входной величины, у скалярного – не зависит.

- по приложению внешней энергии – активный и пассивный магнитоизмерительные преобразователи. Активный магнитоизмерительный преобразователь управляется внешним источником энергии, пассивный не требует внешнего источника.

Самыми распространенными являются магнитоэлектрические преобразователи, которые можно сгруппировать по физическому принципу преобразования:

1) Индукционные магнитоэлектрические преобразователи – основанные на использовании явления электромагнитной индукции. Эта группа включает в себя индукционно-периодические и индукционно-импульсные преобразователи – выходной величиной у этих преобразователей является э.д.с., входной величиной – магнитная величина, постоянная или изменяющаяся во времени (в случае импульсного преобразователя определяется импульс э.д.с.). Часто к индукционным преобразователям относят и ферромодуляционные магнитоэлектрические преобразователи –преобразователи, действие которых основано на использовании модуляции магнитного состояния ферромагнитных сердечников (сердечника), возбуждаемых вспомогательным переменным магнитным полем или переменным магнитным полем с наложением постоянного поля. Часто этот тип преобразователей называют феррозондами, но данный термин не рекомендован нормативными документами.