СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ОБРЫВА ФЕРРОМАГНИТНОЙ НИТИ В ЛОКАЛИЗОВАННОМ СВЕРХСИЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ Российский патент 2012 года по МПК G01N33/20 G01N27/72 

Изобретение относится к области магнетизма ферромагнетиков и может быть использовано для регистрации структурного изменения ферроматериала в сверхсильном магнитном поле.

Известно, что ферромагнетики характеризуются параметрами магнитной вязкости и магнитной восприимчивости. Последняя изменяется при изменении внешнего магнитного поля в соответствии с так называемой кривой Столетова. В частности, в отсутствии магнитного поля магнитная восприимчивость χ характеризуется некоторой величиной, много большей единицы, называемой начальной магнитной восприимчивостью χ_НАЧ. По мере увеличения внешнего магнитного поля магнитная восприимчивость растет, доходит до максимума χ^∗, а затем спадает. Зависимость магнитной индукции В от напряженности внешнего магнитного поля Н, действующего в ферромагнетике, представляет собой известную кривую гистерезиса и, в частности, имеет область парапроцесса - индукции насыщения, в которой индукция практически не растет с ростом напряженности магнитного поля, то есть не возрастает намагниченность ферромагнетика J=[χ(Н)+1]_∗µо Н, где µ=χ(Н)+1 - относительная магнитная проницаемость ферромагнетика. В=µо µ Н, где µо=1,256.10^-6 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума. Таким образом, неизменность величины намагниченности J при магнитном насыщении ферромагнетика означает, что величина [χ(Н)+1]_∗Н≈const. При существенном увеличении напряженности магнитного поля Н значение магнитной восприимчивости ферромагнетика χ(Н)→0, поскольку χ(Н)=(const/Н)-1, в частности, при Н=const. Значение указанной константы имеет порядок величины const≈(2…4)χ^∗ Н^∗, где Н^∗ - значение напряженности магнитного поля, при котором достигается максимальное значение магнитной восприимчивости χ^∗. Иначе говоря, при Н=(2…4)χ^∗ Н^∗ ферромагнетик становится парамагнетиком с близкой к нулю магнитной восприимчивостью и соответственно разрушенной доменной структурой, характерной для диа- и парамагнетиков [1-3].

Сверхсильные магнитные поля создаются различными способами [4-10], одним из которых является способ взрывающихся одновитковых проволочек. Генерация сверхсильного магнитного поля с напряженностью 1 МЭ=8.10⁷ А/м сопровождается существенными повреждениями материала катушек и даже их разрушением, то есть магнитные системы становятся пригодными только для однократного применения. Простейший способ получения сверхсильного магнитного поля - разряд батареи импульсных конденсаторов через одновитковый соленоид. Таким способом получают магнитные поля до 4 МЭ, то есть более 3.10⁸ А/м. Поле в 4 МЭ обладает плотностью энергии, сравнимой с энергией связи атома в твердых телах (для металлов имеет величину несколько эВ/атом). В зоне действия такого поля происходит, как правило, полное разрушение (превращения в пар) материала катушки. Известно, что при воздействии на ферромагнетики сверхсильных магнитных полей такого уровня влияет на перестройку атомных структур, приводящую к появлению новых, необычных состояний вещества, включая и возможность их разрушения.

Целью изобретения является регистрация разрушения ферромагнитного материала в сверхсильных локализованных в пространстве магнитных полях, в частности, обрыва нагруженной нити из ферромагнитного вещества, помещенной в такое поле.

Указанная цель достигается в заявляемом способе регистрации разрыва ферромагнитной нити в локализованном сверхсильном магнитном поле, основанном на использовании взрывомагнитного генератора формирования магнитного поля на основе витка взрывающейся проволоки, отличающемся тем, что внутрь витка взрывающейся проволоки вводят центрально-симметрично нагруженную ферромагнитную нить из ферромагнитного материала, например, тонкую проволоку из редкоземельных металлов или их соединений, которую растягивают приложенной к ней нагрузкой.

Достижение цели изобретения объясняется структурными изменениями атомно-молекулярной структуры напряженных ферромагнитных нитей из ферромагнитного материала в сверхсильном локализованном в пространстве магнитном поле.

Способ поясняется реализующим его устройством, приведенным на рисунке.

Это устройство содержит следующие элементы и узлы:

1 - тонкую металлическую нить из исследуемого ферромагнитного материала, например, из редкоземельных металлов (или их соединений), подвешенную вертикально,

2 - контролируемый по весу груз, для натяжения нити 1,

3 - круглый виток взрывающейся проволоки, через центр сечения которого проходит тонкая металлическая нить 1,

4 - отрезок толстостенной стеклянной трубки для защиты нити 1 от возникающей взрывной волны,

5 - батарею высоковольтных конденсаторов,

6 - высоковольтный разрядник,

7 - источник высоковольтного напряжения постоянного тока,

8 - резистор, ограничивающий ток заряда батареи конденсаторов 5.

Рассмотрим действие этого устройства.

От источника высоковольтного напряжения постоянного тока 7 через резистор 8 происходит заряд батареи конденсаторов 5. При достижении заданного напряжения заряда батареи конденсаторов 5 возникает электрический пробой в высоковольтном разряднике 6, и мощный импульс тока, проходящий через круглый виток взрывающейся проволоки 3, образует в его центральном сечении импульс сверхсильного магнитного поля, которым разрушается атомно-молекулярная структура тонкой металлической нити 1 из ферромагнитного вещества, например, из редкоземельных металлов или их соединений. В этом сечении круглого витка происходит обрыв нити 1, растягиваемой контролируемой по весу нагрузкой - подвешенной на нити 1 гирей 2 определенного веса. В зависимости от магнито-физических свойств испытуемого ферроматериала нити 1 при заданном сверхсильном магнитном поле при заданном сечении проводника нити 1 ее обрыв происходит при разных значениях веса гири 2, что и является объектом исследования. Изменение величины магнитного поля осуществляется изменением разрядного промежутка в высоковольтном разряднике 6 при избытке напряжения, формируемого в высоковольтном источнике постоянного тока 7, ток заряда от которого ограничивается резистором 8. Напряженность магнитного поля максимальна в центре сечения круглого витка 3, с которым совмещена нить 1, и последняя сверхсильным магнитным полем определенной величины и при подобранном весе растягивающего нить 1 груза 2 «перекусывается» как ножницами.

Величину груза 2 выбирают, исходя из модуля Юнга для данного ферроматериала и сечения нити 1 так, чтобы растяжение нити было бы критическим, близким к возможности ее обрыва действием груза 2 в отсутствии магнитного поля. Поэтому действие магнитного поля при взрыве круглого витка 3 является дополнительным фактором, определяющим обрыв нити 1.

В качестве материала нити 1 можно использовать редкоземельные металлы - гадолиний Gd (268,4 Гс/г), тербий Тb (328 Гс/г), диспрозий Dy (350,5 Гс/г), гольмий Но (347 Гс/г) и другие, а также их соединения [11-13]. В скобках указаны значения намагниченностей насыщения ферромагнетика на грамм материала.

Отметим, что длительность разрядного тока в круглом витке 3 должна быть существенно (в несколько раз) выше постоянной релаксации магнитной вязкости исследуемого ферроматериала, что обеспечивается выбором величины емкости батареи высоковольтных конденсаторов 5. Процесс разряда при этом апериодический. Типичное время релаксации магнитной вязкости ферромагнетиков выбирают порядка 0,5 мс и может быть измерено соответствующими приборами [14].

Исследование магнитофизических свойств редкоземельных металлов и их соединений представляет интерес при создании различных технических устройств, включая создание магнитных двигателей, использующих для своей работы тепловую энергию окружающей среды, например, тепловую энергию водных бассейнов, постоянно восполняемую солнечной радиацией [15]. Наряду с рассматриваемыми исследованиями для создания указанных магнитных двигателей необходимо использовать ферромагнетики с заданными значениями их магнитной вязкости и наибольшей возможной магнитокалорической активностью, с высокой максимальной магнитной восприимчивостью при сравнительно небольших значениях индукции насыщения, (последнее снижает требования к применяемым в таких магнитных двигателях постоянным магнитам, создающим локализованное в пространстве насыщающее магнитное поле для применяемых ферромагнетиков).

Таким образом, в заявляемом способе осуществляют операции введения центрально-симметрично в круглый виток 3 ферромагнитной нити 1 из ферромагнитного материала, а также растяжением этой вертикально подвешенной нити 1 приложенной к ней контролируемой нагрузкой в виде гири 2 заданного веса. При этом круглый виток входит в состав взрывомагнитного генератора с регулировкой величины сверхсильного магнитного поля.

Литература

1. Преображенский А.А., Бишард Е.Г., Магнитные материалы и элементы, 3 изд.,М., 1986;

2. Вонсовский С.В., Магнетизм, М., 1971;

3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Электродинамика сплошных сред, 2 изд., М., 1982;

4. Сахаров А.Д., Взрывомагнитные генераторы, «УФН», 1966, т.88, в. 4, с.725;

5. Техника больших импульсных токов и магнитных полей, М., 1970;

6. Монтгомери Д.В., Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов, пер. с англ., М., 1971;

7. Кнопфель Г., Сверхсильные импульсные магнитные поля, пер. с англ., М., 1972;

8. Лагутин А.С., Ожогин В.И., Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте, М., 1988;

9. Сильные и сверхсильные магнитные поля и их применение, пер. с англ., М., 1988;

10. Павловский А.И., Магнитная кумуляция, «Природа», 1990, №8, с.39;

11. Редкоземельные ферромагнетики и антиферромагнетики, М., 1965;

12. Тейлор К., Дарби М., Физика редкоземельных соединений, пер. с англ., М., 1974;

13. Amorphous magnetism, ed. by H. О. Hooper, de A. M. Graaf, N. Y., 1973;

14. Меньших О.Ф., Прибор для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков, Патент РФ №2338216, опубл. в бюлл. №31 от 10.11.2008;

15. Меньших О.Ф., Способ получения энергии и устройство для его реализации, Патент РФ №2332778, опубл. в бюлл. №24 от 27.08.2008.

Предложен способ регистрации разрыва ферромагнитной нити в локализованном сверхсильном магнитном поле. В способе используют взрывомагнитный генератор формирования магнитного поля на основе витка взрывающейся проволоки. Внутрь витка вводят центрально-симметрично нагруженную ферромагнитную нить из ферромагнитного материала, например тонкую проволоку из редкоземельных металлов или их соединений, которую растягивают приложенной к ней нагрузкой. Технический результат - обеспечение возможности регистрации разрушения ферромагнитного материала в сверхсильных локализованных в пространстве магнитных полях, в частности обрыва нагруженной нити из ферромагнитного вещества, помещенной в такое поле. 1 ил.

Способ регистрации разрыва ферромагнитной нити в локализованном сверхсильном магнитном поле, основанный на использовании взрывомагнитного генератора формирования магнитного поля на основе витка взрывающейся проволоки, отличающийся тем, что внутрь витка взрывающейся проволоки вводят центрально-симметрично нагруженную ферромагнитную нить из ферромагнитного материала, например тонкую проволоку из редкоземельных металлов или их соединений, которую растягивают приложенной к ней нагрузкой.