УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ ЭДС ПРИ РАЗРЫВЕ НАТЯНУТОЙ ФЕРРОМАГНИТНОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ НИТИ В ЛОКАЛИЗОВАННОМ ИМПУЛЬСНОМ СВЕРХСИЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ Российский патент 2012 года по МПК G01N27/60 G01N33/20 

Изобретение относится к области экспериментальной физики и может быть использовано при исследованиях ферромагнетиков, подверженных действию сверхсильных магнитных полей.

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 отсутствие 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]*µ_O Н, где µ=χ(Н)+1 - относительная магнитная проницаемость ферромагнетика. В=µ_O µ Н, где µ_O=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 воздействие на ферромагнетики сверхсильных магнитных полей такого уровня влияет на перестройку атомных структур, приводящую к появлению новых, необычных состояний вещества, включая и возможность их разрушения.

Регистрация разрушения ферромагнитного материала в сверхсильных локализованных в пространстве магнитных полях путем обрыва нагруженной нити из ферромагнитного вещества, помещенной в такое поле, указывает на структурную перестройку вещества ферромагнетика, которая может также сопровождаться другими эффектами, в частности возникновением электродвижущей силы (ЭДС) в месте разрыва натянутой ферромагнитной нити под действием сверхсильного магнитного поля, если ферромагнитный материал нити является металлом, то есть проводником электрического тока.

Возникновение такой ЭДС требует своего физического объяснения, чему способствует экспериментальное исследование с различными проводящими электрический ток ферромагнетиками при различных нагрузках на ферромагнитную нить и при вариации величины магнитного поля, приводящего к разрыву нити.

Подобные исследования автору неизвестны, то есть отсутствует прототип.

Целью изобретения является регистрация ЭДС, возникающей в момент разрыва металлической ферромагнитной и натянутой с предельной силой нити, производимого под действием локализованного сверхсильного магнитного поля, вектор которого совпадает с направлением натянутой нити.

Данная цель достигается в устройстве регистрации ЭДС при разрыве натянутой ферромагнитной металлической нити, например, из редкоземельного металла, в локализованном сверхсильном магнитном поле, создаваемом взрывомагнитным генератором на основе одного круглого витка взрывающейся проволочки, через центр которого пропущена ферромагнитная металлическая нить, натянутая с силой, близкой к силе разрыва в отсутствие магнитного поля, плоскость указанного витка строго ортогональна натянутой нити, защищенной от взрывающегося витка отрезком стеклянной трубки, концы натянутой ферромагнитной металлической нити электрически соединены с измерительным прибором, например, с резонансным усилителем и осциллографом, регистрирующим затухающие электрические колебания, возникающие в момент разрыва нити.

Возникновение ЭДС при разрыве натянутой ферромагнитной металлической нити, помещенной в локализованное сверхсильное магнитное поле, возникающее в витке взрывающейся проволочки взрывомагнитного генератора, объясняется колебательным движением электронов в разорванных концах нити, двигающихся во взаимно противоположных направлениях относительно точки разрыва нити, совпадающей с центром витка взрывающейся проволочки, плоскость которого ортогональна направлению натянутой до разрыва нити. Величина ЭДС является весьма малой, и для ее регистрации необходимо использовать малошумящий узкополосный усилитель, полоса пропускания которого соизмерима со спектром колебательного движения электронов в разорванных концах сильно натянутой нити. Эти колебания электронов во взаимно противоположных направлениях в двух концах обрывающейся нити создают ЭДС в разомкнутой электрической цепи, и эти колебания являются затухающими, что индицируется на экране осциллографа.

На рисунке представлена схема регистрации ЭДС, содержащая:

1 - тонкую металлическую нить из ферромагнитного материала,

2 - растягивающий ферромагнитную нить груз,

3 - отрезок защитной стеклянной трубки, внутри которой пропущена нить 1,

4 - виток взрывающейся проволочки снаружи от отрезка трубки 3,

5 - накопительный высоковольтный импульсный конденсатор,

6 - высоковольтный разрядник из двух разнесенных металлических шаров,

7 - источник постоянного высоковольтного напряжения,

8 - резистор, ограничивающий ток заряда конденсатора 5,

9 - изолятор подвеса ферромагнитной нити 1 (диэлектрическая пластина),

10 - проводники, подключенные к концам металлической нити 1,

11 - регистрирующий ЭДС прибор, например резонансный усилитель с осциллографом.

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

Во-первых, отметим, что требование строгой ортогональности витка 4 относительно направления натянутой нити 1 связано с тем, чтобы исключить ЭДС индукции со стороны импульсного магнитного поля в нити, поскольку эта ЭДС пропорциональна синусу угла между вектором переменного магнитного поля, создаваемого электрическим разрядом в круглом витке 4, и расположением прямого проводника в таком магнитном поле.

Во-вторых, защита нити 1 отрезком стеклянной трубки 3 от ударной волны, создаваемой при взрыве витка 4, исключает поперечное движение нити внутри этого отрезка стеклянной трубки, что могло бы изменить положение нити и возникновение в ней паразитной ЭДС от электрического разряда в витке 4.

Взрывомагнитный генератор состоит из источника высоковольтного постоянного напряжения 7, соединенного через ограничивающий ток заряда резистор 8 с накопительным высоковольтным импульсным конденсатором 5, который подключен к круглому витку 4 взрывающейся проволочки через высоковольтный разрядник 6, пробой в котором возникает по мере достижения на конденсаторе 5 напряжения пробоя. Разрядный ток в витке 4 столь велик, что испаряет проволочку этого витка, образуя в центре витка максимум униполярного сверхсильного магнитного поля в апериодическом процессе разряда.

В качестве материала нити 1 можно использовать редкоземельные металлы - гадолиний Gd (268,4 Гс/г), тербий Tb (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 4 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 оно может быть измерено соответствующими приборами [14].

Натяжение нити 1 грузом 2 должно быть предельно допустимым, а нить 1 достаточно тонкой, чтобы при ее обрыве возникало достаточно большое УСКОРЕНИЕ концов оборванной нити в противоположных направлениях для этих концов. Это означает, что свободные электроны в ускоряющихся концах оборванной нити начнут двигаться сначала навстречу друг другу в силу принципа инерции, поскольку электроны имеют определенную массу, аналогично тому, как это свойственно эффекту возникновения ЭДС на концах быстровращающейся катушки с проводником в момент ее резкого торможения. Их последующее ПРОТИВОФАЗНОЕ затухающее колебательное движение создаст на противоположных концах нити - около точки ее закрепления, изолированной от корпуса изолятором подвеса 9, и около точки груза 2 - соответствующий электрический отклик в виде регистрируемой ЭДС затухающего колебательного процесса достаточно короткой продолжительности. Однако противофазность колебательного движения свободных электронов существенно снижает результирующую величину регистрируемой ЭДС, к тому же маскируемую возникновением паразитной наводки импульсного магнитного поля на еще неразорванную нить 1. Поэтому задача выделения отклика ЭДС от разрыва нити 1 значительно осложняется.

Выделение полезной составляющей ЭДС при разрыве нити 1 требует предварительной оценки спектра колебательного движения электронов на оборвавшихся концах нити и настройки на этот спектр резонансного малошумящего усилителя. Кроме того, выделение полезной ЭДС станет возможным при различии амплитудно-фазовых параметров колебательного движения свободных электронов в рассматриваемых концах нити 1, обусловленном различными причинами, связанными со структурой материи металлического ферромагнетика и действием униполярного магнитного поля с высокой плотностью энергии, в связи с чем ферромагнетик становится существенно анизотропным, а составляющие его атомы и молекулы испытывают сильное и множественное Зеемановское расщепление энергетических уровней [15-17].

Не исключена возможность влияния иных факторов, участвующих в возникновении регистрируемой экспериментально ЭДС и связанных с поведением атомно-молекулярной и доменной структуры ферромагнетиков в сверхсильных магнитных полях, установление физической природы которых представляет самостоятельный научный интерес.

Таким образом, экспериментальное обнаружение ЭДС позволяет получить дополнительную информацию о свойствах используемых ферромагнитных материалов, но является достаточно трудоемким процессом в силу малости самого эффекта.

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 антиферромагиетики, М., 1965.

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

13. Amorphous magnetism, ed. by H.O.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. Ландсберг Г.С. Оптика, 5 изд., М., 1976, гл.31.

16. Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962.

17. Фриш С.Э. Оптические спектры атомов, М.-Л., 1963.

Предложено устройство регистрации электродвижущей силы при разрыве натянутой ферромагнитной металлической нити в локализованном сверхсильном магнитном поле. Поле создается взрывомагнитным генератором на основе одного круглого витка взрывающейся проволочки, через центр которого пропущена ферромагнитная металлическая нить, натянутая с силой, близкой к силе разрыва в отсутствие магнитного поля. Плоскость витка строго ортогональна натянутой нити, защищенной от взрывающегося витка отрезком стеклянной трубки. Концы натянутой ферромагнитной металлической нити электрически соединены с измерительным прибором, например с резонансным усилителем и осциллографом, регистрирующим затухающие электрические колебания, возникающие в момент разрыва нити. Технический результат - регистрация ЭДС, возникающей в момент разрыва металлической ферромагнитной и натянутой с предельной силой нити, производимого под действием локализованного сверхсильного магнитного поля. 1 ил.

Устройство регистрации электродвижущей силы при разрыве натянутой ферромагнитной металлической нити, например, из редкоземельного металла в локализованном сверхсильном магнитном поле, создаваемом взрывомагнитным генератором на основе одного круглого витка взрывающейся проволочки, через центр которого пропущена ферромагнитная металлическая нить, натянутая с силой, близкой к силе разрыва в отсутствие магнитного поля, плоскость указанного витка строго ортогональна натянутой нити, защищенной от взрывающегося витка отрезком стеклянной трубки, концы натянутой ферромагнитной металлической нити электрически соединены с измерительным прибором, например с резонансным усилителем и осциллографом, регистрирующим затухающие электрические колебания, возникающие в момент разрыва нити.