Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Методика регистрации доменной структуры и измерения магнитных потерь образцов в линейно- поляризованных полях 15
1.1 Метод многокадровой регистрации динамической доменной структуры на единичных циклах перемагничиваиия 16
1.2 Система синхронизации 21
1.3 Обработка фотографий доменной структуры и ошибки измерений 27
1.4 Методы измерения магнитных потерь образцов Fe-Si в линейно-поляризованных магнитных полях 28
1.4.1 Ваттметровый метод измерения полных магнитных потерь 28
1.4.2 Осциллографический метод измерения полных магнитных потерь 31
1.4.3 Измерение гистерезисных потерь 33
1.5 Выводы 35
ГЛАВА 2 Поведеиие доменных границ и магнитных потерь образцов при синусоидальном изменении индукции 36
2.1 Связь магнитных потерь с доменной структурой (литературные данные) Основные представления о составляющих магнитных отерь 36
2.2 Расчеты потерь на вихревые токи с учетом доменной структуры 38
2.3 Связь магнитных потерь с размером доменов (экспериментальные исследования) 41
2.3.1 Особенности динамического поведения доменной структуры (экспериментальные данные) 43
2.4 О характере движения доменных границ в переменных магнитных полях (литературные данные) 47
2.5 Особенности смещения 180- градусных доменных границ 49
2.6 Об однородности амплитуд смещения границ 55
2.7 Зависимость поведения доменной структуры от индукции и частоты перемагничиваиия 56
2.8 О скоростях смещения доменных границ 60
2 2.9 Влияние условий замыкания магнитного потока образца на поведение доменной структуры . 61
2.10 Поведений доменных границ в отдельных кристалл игах поли кристаллических образцов Fe-3% Si... 64
2.11 О скачкообразном движении доменных границ образцов в зависимости от условий их еремагничнвания 66
2.12 Выводы 73
ГЛАВА 3 Динамическое поведение доменной структуры при высоких амплитудах индукции 75
3.1 Особенности процессов перемагничивания в области больших амплитуд индукции 75
3.2 Зависимость поведения ДГ от амплитуды индукции и частоты перемагничивания .-79
3.3 Влияние степени несовершенства кристаллической структуры образцов на поведение доменной структуры 83
3.4 Поведение зародышей перемагничивания в монокристаллах Fe-3%Si 90
3.4.1 Динамика роста зародышей при циклическом изменении поля 90
3.4.2 Зависимость поведения зародышей перемагничивания от амплитуды индукции , 94
3.4.3 О скорости роста зародышей перемагничивания 97
3.5 Выводы 99
ГЛАВА 4 Связь магнитных потерь с поведением доменной структуры в монокристаллах Fe-3% Si 101
4.1 Зависимость магнитных потерь от частоты перемагничивания ..101
4.2 Влияние дроблення доменной структуры иа поведение вмхретоковмх потерь 102
4.3 Доменных границ па вихретоковые потери 103
4.4 Динамический изгиб доменных границ и магнитные потери 107
4.5 Зависимость магнитных потерь от амплитуды индукции 110
4.6 Влияние процессов формирования доменной структуры на вихретоковые потери 118
4.7 Выводы 120
ГЛАВА 5 Влияние размерных параметров кристаллов FE-3% SI на магнитные потери и доменную структуру
5.1. (Экспериментальныеданные) - 121
5.2 Изменение динамики доменной структуры при утонении образцов 125
5.3 Изменение магнитных потерь от толщины образцов 131
5.4 Выводы 137
ГЛАВА 6 О Характере изменения доменной структуры и магнитных потерь образцов, перемагничиваемых под углом к оси легкого намагничивания
6.1 (Литературные данные) 140
6.2 Динамика доменной структуры кристаллов Fe-3%Si в поле, направленном непараллельно ОЛН 145
6.3 Анизотропия динамической магнитострикции железо кремнистых сплавов 153
6.4 Поведение магнитных, потерь 157
6.5 Динамика доменной структуры и магнитные потери бикристаллов Fe-3% Si 162
6.6 Влияние ориентационных параметров монокристаллов Fe-3%Si на доменную структуру и магнитные потери 166
6.7 Разориентация намагниченности кристаллитов анизотропной стали и магнитные потери 174
6.8 Выводы 178
ГЛАВА 7 Доменная структура и магнитные потери кристаллов KE-3%SI во вращающихся магнитных полях 180
7.1 (Теория магнитных потерь на вращательное перемагничивание) 180
7.2 О связи магнитных потерь с видом доменной структуры во вращающихся магнитных полях 186
7.3 Измерение магнитных потерь образцов Fe-3%Si на вращательное перемагничивание 190
7.4 Регистрация доменной структуры монокристаллов во вращающихся магнитных полях 195
7.5 Поведение доменной структуры монокристаллов во вращающихся магнитных полях 198
7.6 Характер смещения 180- градусных границ 208
7.7 Особенности перестройки замыкающей доменной структуры 220
7.8 Влияние ориентации поверхности кристаллов Fe-3%Si на динамику доменной структуры и магнитные потери 233
7.9. Зависимость динамики доменной структуры от размерных параметров кристаллов Fc-3%Si 243
7.10 Особенности изменения магнитных потерь при утонении образцов 251
7.11 Влияние термомагнитной обработки на магнитные потери монокристаллов во вращающихся магнитных полях 262
7.12 Выводы 270
Заключение и выводы 272
Приложение 275
Литература 278
- Осциллографический метод измерения полных магнитных потерь
- Зависимость поведения доменной структуры от индукции и частоты перемагничиваиия
- Динамика роста зародышей при циклическом изменении поля
- Изменение динамики доменной структуры при утонении образцов
Введение к работе
Актуальность работы обусловлена важной ролью динамики доменной структуры (ДС) в формировании магнитных характеристик магнитомяг-ких материалов в переменных магнитных полях [1]. В настоящее время магнитомягкие материалы на основе железа (сплавы железа с 1,5-4,0 % кремния или электротехнические стали) широко используются для изготовления магнитных сердечников всевозможных электрических устройств: трансформаторов, генераторов, электродвигателей. Многообразие применения этих сплавов обусловлено весьма удачным сочетанием их высоких магнитных свойств с относительно низкой себестоимостью. Учитывая колоссальные объемы производства электротехнических сталей, исчисляемые десятками миллионов тонн, нетрудно видеть, что проблема улучшения их качества, и в первую очередь, снижения уровня магнитных потерь на перемагничивание, представляет важнейшую практическую задачу.
Железокремнистые сплавы в плоскости (110) [001] имеют простую 180-градусную ДС, которая представляет весьма удобный объект для построения различных моделей, описывающих ее изменение от ориента-ционных, размерных параметров образцов и от условий их перемагничи-вания в линейно- поляризованных магнитных полях. Данными вопросами моделирования занимались, в частности, Вильяме, Шокли, Китель, которые показали [2], что мощность вихретоковых потерь ферромагнетика, обусловленных движением его 180- градусной доменной границы, почти в 3 раза выше их значений без учета ДС. По сути дела, эта работа превратила сугубо прикладную задачу о магнитных потерях ферромагнетиков, в глубоко научную, и стимулировала появление новых теоретических исследований по данному вопросу. Позднее, Праю и Бину [3] удалось рассчитать соотношение между величиной магнитных потерь ферромагнетиков и размерными параметрами полосовой доменной структуры с большим числом 180-градусных границ. Фактически, в этих работах были установлены основополагающие представления о важной роли ДС в формировании магнитных свойств магнитомягких материалов в переменных магнитных полях. Эти работы инициировали появление значительного числа экспериментальных исследований по проверке данных расчетов при различных условиях перемагничивания образцов железокремнистых сплавов.
Были выявлены новые особенности поведения ДС в переменных магнитных полях, ранее не наблюдаемые при квазистатиче-
ском перемагничивании образцов: 1) обнаружено явление динамического дробления доменной структуры, связанное с ростом числа 180- градусных доменных границ образцов по мере увеличения как амплитуды индукции, так и частоты перемагничивания; 2) установлен изгиб 180- градусных границ по сечению образца; 3) выявлен дрейф доменной структуры, проявляющийся поступательном движении всех 180- градусных границ в определенном направлении на поверхности образца. Сведения о динамике доменной структуры железокремнистых сплавов до недавнего времени были получены лишь при невысоких амплитудах индукции. Однако, даже в этом простейшем случае, многие особенности поведения доменных границ до конца не выявлены. Из-за отсутствия этих данных, до сих пор не понятны причины, как нелинейного частотного хода вихретоковых потерь, так и несоответствия измеренных значений вихретоковых потерь их вычисленной величине для плоских 180- градусных границ. Эта разница в потерях, получившая название "аномальных" потерь, в современных анизотропных сталях составляет более 75% полных магнитных потерь [4]. В связи с этим, выявление природы "аномальных" потерь представляет как практический, так и научный интерес.
Среди железокремнистых сплавов наилучшими магнитными свойствами обладают анизотропные Fe-3%Si стали с ребровой текстурой (или текстурой Госса), при которой диагональная плоскость (110) кубической элементарной ячейки этого сплава совпадает с плоскостью листа, а ребро куба [001] - с направлением прокатки. В настоящее время путем оптимизации размерных, ориентационных параметров листовой анизотропной стали, а также, прямым воздействием на ее относительно крупную ДС, удалось получить наименьший уровень магнитных потерь среди прочих электротехнических сталей [5]. Однако совершенно не исследовано влияние размерных параметров образцов железокремнистых сплавов на динамику ДС, что затрудняет до конца понять механизм формирования магнитных потерь в тонких образцах, и усложняет поиски путей их дальнейшего снижения. До наших работ отсутствовали сведения о динамике ДС кристаллов Fe-3%Si в полях, направленных под произвольным углом к оси легкого намагничивания. Такие исследования имеют, во-первых, большое практическое значение, поскольку подобный случай встречается в реальной стали, намагниченность кристаллитов которой, как правило, разориентирована относительно направления магнитного
-
Тиунов В.Ф. Индукционный датчик для измерения магнитных потерь в движущейся ленте электротехнической стали // Дефектоскопия.-2003.-№7.-С.78-82.
-
Тиунов В.Ф. Измерительное устройство для непрерывного контроля магнитных потерь рулонной электротехнической стали // Дефектоскопия.-2004.-№4.-С.67-72.
-
Тиунов В.Ф. Поведение доменной структуры и магнитных потерь монокристаллов Fe-3%Si в знакопеременных и вращающихся магнитных полях // ФММ.- 2004.- Т.98.- №2.- С.35-43.
26 Тиунов В.Ф., Филиппов Б.Н. О влиянии ориентации кристаллографических поверхностей и толщин монокристаллов Fe-З Вес.% Si на магнитные потери во вращающихся магнитных полях // ЖТФ.-2005.-Т.75.-ВЫП.10.-С44-50.
-
Тиунов В.Ф., Филиппов Б.Н. Динамика доменной структуры и магнитные потери кристаллов Fe-3%Si во вращающихся магнитных полях //ФММ.- 2006.-Т.102.-№3.- С.280-289.
-
Тиунов В.Ф., Филиппов Б.Н. Влияние ориентации поверхностей кристаллов Fe-3%Si относительно кристаллографических осей на динамическое поведение доменной структуры и магнитные потери во вращающихся магнитных полях.//ЖТФ.-2007.-Т.77.-Вып. 12.-С.31-37.
-
Тиунов В.Ф., Лукшина В.А. Влияние термомагнитной обработки на магнитные потери монокристаллов Fe-3%Si во вращающихся магнитных полях // ФММ.- 2009.- Т.107.- №1.-С1-5
30. Тиунов В.Ф. Влияние толщины кристаллов Fe-3% Si на дина
мику доменной структуры и магнитных потерь во вращающихся маг
нитных полях // ФММ.- 2010.-Т.109.- №3.- С.245-252.
Цитированная литература:
І.Зайкова В.А., Старцева И.Е., Филиппов Б.Н. Доменная структура и магнитные свойства электротехнических сталей.- М.: Наука, 1992.-271с. 2.Williams Н, Shockley W., Klttel С. Investigation of the domain wall motion velocity II Phys. Rev. -1950.-V.80.- P. 1090-1102. 3. Pry R.H., Bean CP. Calculation of the energy loss in magnetic sheet materials using a domain model II J. Appl. Phys.- 1958.- V.29- P.532-533/ 4.Казаджан Л.Б Магнитные свойства электротехнических сталей и сплавов.- М.: Наука и Технологии,2000.- 224с. 5.Moses A.J. Advanced soft magnetic materials for power: Handbook of
magnetism and advanced magnetic materials, Novel Materials.- 2007.- V.4.-
P.1926-1942.
параллельно оси легчайшего намагничивания // ФММ.- 1985.- Т.59.-Вып.б.-C.l 129-1136.
11. Тиунов В.Ф. Влияние толщины кристаллов Fe-3%Si на динамиче
ское поведение доменной структуры и электромагнитные потери
// ФММ.- 1987.- Т.63.-Вып.2.- С.296-300.
-
Стародубцев Ю.Н., Катаев В.А., Тиунов В.Ф. О магнитных потерях в бикристалле кремнистого железа // ФММ.-1989.-Т.68.- Вып.З.- С.614-617.
-
Тиунов В.Ф., Драгошанский Ю.Н. Влияние динамического поведения замыкающей доменной структуры на магнитные потери в кристаллах Fe-3%Si // ФММ.- 1989.- Т.68.- Вып.6.- С. 1117-1124.
-
Тиунов В.Ф.,Стародубцев Ю.Н., Катаев В.А. Динамическое поведение доменной структуры и магнитные потери бикристаллов кремнистого железа // ФММ.-1990.- №6.- С.63-68.
-
Тиунов В.Ф., Корзунин Г.С, Инишева Л.А. Динамическое поведение доменной структуры и магнитных потерь кристаллов Fe-3%Si во вращающихся магнитных полях // ФММ.- 1989.-Т.68.- Вып.4.- С.687-696.
-
Эйнгорн И.Я., Тиунов В.Ф., Зайкова В.А. Анизотропия динамической магнитострикции кремнистого железа и ее частотная зависимость // ФММ.- 1990.-№8.-С.49-53.
-
Тиунов В.Ф. Влияние кристаллографической ориентации поверхности и толщины на магнитные потери и доменную структуру кристаллов Fe-3%Si // ФММ.- 1990.- № 7.- С.67-76.
-
Тиунов В.Ф., Соколов Б.К., Губернаторов В.В. Влияние деформированных зон на динамическое поведение доменной структуры и потерь на вращательное перемагничивание // ФММ.- 1999.- Т. 88.- № 2.- С. 174-178.
-
Тиунов В.Ф. Поведение доменной структуры и магнитных потерь монокристаллов Fe- 3%Si при инфранизких частотах перемаг-ничивания //ФММ.- 1998.-Т.86.-Вып.4.-С.48-53.
-
Тиунов В.Ф.,Корзунин Г.С. Влияние размера монокристаллов Fe-3%Si на динамическое поведение доменной структуры и магнитных потерь в кристаллах Fe-3 Mac.%Si II ФММ.-1991.- №11.- 79-84.
-
Тиунов В.Ф., Корзунин Г.С. Влияние толщины монокристаллов Fe-3%Si на поведение доменной структуры и магнитных потерь во вращающихся магнитных полях // ФММ.- 2001.- Т.91.- №2.-С. 41-45.
-
Тиунов В.Ф. О динамическом поведении 180-градусной доменной структуры и магнитных потерь монокристаллов Fe-3%Si во вращающихся магнитных полях // ФММ.- 2001.-Т.92.- №1.-С.20-28.
поля. Во - вторых, они имеют научное значение, поскольку позволят понять, малоизученную, до настоящего времени, динамику замыкающей ДС и проверить соответствие характера ее изменения модельным представлениям перестройки ДС трехосных ферромагнетиков, перемагничи-ваемых непараллельно оси легкого намагничивания [6].
Отметим, что подавляющее число имеющихся работ, связанных с изучением динамики ДС, проводилось на железокремнистых образцах в линейно-поляризованных магнитных полях, ориентированных вдоль оси легкого намагничивания. Наряду с этим, имеется большой класс устройств (генераторы и электродвигатели различного назначения), сердечники которых испытывают вращательное перемагничивание, при котором, магнитное поле, оставаясь по величине постоянным, вращается с угловой частотой со. Механизм формирования магнитных потерь образцов железокремнистых сплавов при указанном перемагничивании во многом до конца не ясен. Не вполне понятны и причины немонотонного изменения магнитных потерь от амплитуды индукции. Кроме того, в настоящее время, отсутствуют целенаправленные исследования, связанные с поиском путей снижения величины потерь во вращающихся магнитных полях. Решение этих вопросов представляет не только научный, но и значительный практический интерес, поскольку уровень потерь на вращательное перемагничивание в 3-6 раз выше их значений (в зависимости от индукции) в образцах, перемагничиваемых в линейно- поляризованных полях при неизменной величине индукции и частоты. Для выявления физической природы магнитных потерь железокремнистых образцов во вращающихся магнитных полях необходимы детальные сведения об особенностях динамики их ДС. В настоящее время данные о динамике ДС при вращательном перемагничивании образцов Fe-Si отсутствуют из-за крайне ограниченных возможностей существующих методов ее регистрации.
Таким образом, динамика ДС кристаллов Fe-3% Si исследована сравнительно полно лишь при невысоких индукциях и, в наиболее простом случае, когда поле ориентировано вдоль оси легкого намагничивания. Но даже при этих условиях перемагничивания, некоторые детали поведения 180- градусных границ до конца не ясны, что не позволяет выявить конкретные причины несоответствия измеренных значений потерь их величине, рассчитанной для плоских 180- градусных границ. Моделей, описывающих динамику ДС при повышенных индукциях, или в полях, направленных под произвольным углом к оси легкого намагничивания, нет. Отсутствие их связано, в первую очередь, с трудностями построения и решения уравнений, описывающих сложную нелиней-
ную перестройку всей доменной структуры при указанных условиях пе-ремагничивания.
В настоящее время наиболее простым и надежным способом получения информации о динамике ДС является прямая регистрация ее вида оптическими методами. Однако, из-за ряда недостатков существующих методов, они не могут быть использованы при высоких амплитудах индукции, как в линейно- поляризованных, так и вращающихся магнитных полях, где изменения ДС идут с высокими скоростями смещения границ и сопровождаются существенной неповторяемостью их поведения. Для преодоления этих затруднений необходимы принципиально новые методы регистрации ДС с короткими временами съемки, позволяющими надежно проследить за ее изменением в кристаллах Fe-3%Si при различных условиях их перемагничивания. .
Цель работы заключалась во всестороннем исследовании динамики ДС железокремнистых сплавов в линейно-поляризованных и вращающихся магнитных полях и выявлении зависимости ее изменения от размерных, ориентационных параметров образцов, установлении источников формирования магнитных потерь и поиска эффективных путей их снижения. Для решения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработать принципиально новую методику регистрации динамики ДС кристаллов Fe-3%Si на единичных циклах перемагничивания с короткими временами экспозиции кадров (5- 20-10" с), позволяющей с необходимой для исследований точностью, определять параметры изменения ДС - степень изгиба доменных границ, скорость их смещения, неоднородность движения границ. Использовать эти параметры в модельных представлениях ДС по расчету магнитных потерь в широком интервале изменения индукции и частоты.
2.Исследовать характер смещения и динамического изгиба 180-градусных границ кристаллов Fe-3%Si при синусоидальном изменении индукции при различных условиях перемагничивания, и на основе этого поведения, выявить природу существующего несоответствия величины измеренных вихретоковых потерь их вычисленным значениям для плоских, однородно смещающихся 180- градусных доменных границ.
3 .Исследовать динамику роста зародышей перемагничивания их роль в формировании полосовой ДС кристаллов Fe-3%Si, и на основе особенностей ее изменения, выявить причины наблюдаемого резкого роста вихретоковых потерь от амплитуды индукции при ее значениях близких к индукции насыщения образцов. Оценить непосредственный вклад заро-
водящая к заметному росту магнитной проницаемости образцов и снижению их потерь на 25-30% в интервале индукций 0,25-1,8 Тл.
Основные публикации по теме диссертации:
1. Хан Е.Б., Зайкова В.А., Шур Я.С., Тиунов В.Ф. Особенности
процессов смещения доменных границ в монокристаллах потери в
монокристаллах кремнистого железа // ФММ.-1975.-Т.39.- Вып.3.-С519-
523.
2. Жаков СВ., Тиунов В.Ф., Филиппов Б.Н., Зайкова В.А., Драго-
шанский Ю.Н. О влиянии изгиба 180-градусных кремнистого железа под
влиянием переменных магнитных полей // ФММ.- 1972.- Т.33.- Вып.2.-
С.289-294.
3. Драгошанский Ю.Н., Зайкова В.А., Тиунов В.Ф. Влияние изгиба 180-
градусных доменных границ на мощность электромагнитных потерь в
сплаве Fe-3%Si // ФММ.-1977.-Т.44.- Вып.6.- С. 1185-1190.
4.Тиунов В.Ф.,Зайкова В.А., Шур Я.С. Динамика 180- градусных доменных границ и электромагнитные потери в кристаллах Fe-3%Si // ФММ-1979.-Т.47.-Вып.З.- С.539-548.
-
Тиунов В.Ф.,Зайкова В.А., Шур Я.С. Динамическое поведение доменной структуры монокристаллов Fe-3%Si при высоких значениях максимальной индукции и электромагнитные потери // ФММ.-1980.-Т.49.-Вып.4.-С.766-775.
-
Зайкова В.А., Тиунов В.Ф., Шур Я.С. Электромагнитные потери и динамическое поведение доменной структуры монокристаллов Fe-3%Si при высоких амплитудах индукции // Изв., АН СССР, сер. физ..-1980.- Т.44.-№7.-С.1441-1446.
7.Зайкова В.А., ЕсинаН.К., Драгошанский Ю.Н., Тиунов В.Ф., Соколов Б.К., Губернаторов В.В. Ориентационная и структурная зависимости электромагнитных потерь локально деформированных монокристаллов Fe-3%Si// ФММ.-1979.-Т.48.-Вып.З.-С.520-529. 8. Есина Н.К., Тиунов В.Ф., Зайкова В.А. О связи динамики доменной структуры и электромагнитных потерь с состоянием кристаллической решетки кристаллов Fe-3%Si // ФММ.- 1982.- Т.53.-Вып.2.-С.281-284. 9.Жаков СВ., Тиунов В.Ф., Зайкова ВА. О зависимости электромагнитных потерь в монокристаллах Fe-3%Si от амплитуды индукции // ФММ.- 1983.- Т.56.- Вып.З.- С.471-478.
10.Тиунов В.Ф., Зайкова В.А. Динамика доменной структуры и электро
магнитные потери в кристаллах Fe-3%Si, перемагничиваемых не-
5.Обнаружена сильная зависимость динамики доменной структуры от размерных, ориентационных параметров исследованных кристаллов Fe-3%Si. При утонении образцов характер изменения доменной структуры существенно зависит от ориентации их поверхности относительно плоскости (ПО), и, напротив, при достижении некой критической толщины перемагничивание образцов, независимо от ориентации их намагниченности, идет смещением плоских 180-градусных границ, число которых, вопреки теории, не меняется даже при самых высоких индукциях. Установлена корреляция между уровнем гистерезисных потерь образцов и толщиной, соответствующей минимуму их магнитных потерь- с ростом гистерезисной составляющей, значение указанной толщины также растет, что объясняет причину расхождения данной толщины, наблюдаемой при утонении поликристаллов Fe-3%Si с разной степенью текстуры.
6. Детально исследована динамика доменной структуры, в частности, нюансы ее сложной перестройки в кристаллах Fe-3%Si, перемагничивае-мых во вращающихся магнитных полях. На основе этого впервые найдены конкретные причины появления аномально высоких значений магнитных потерь и их немонотонного изменения от амплитуды индукции во вращающихся полях.
7. Впервые экспериментально установлено, что в некоторых интервалах
изменения индукции во вращающихся полях возникают такие нелиней
ные явления как динамическое дробление как полосовой, так и вторич
ной доменной структуры и однонаправленное движение (дрейф) всех 180-
границ полосовой доменной структуры в одном направлении. Аналогич
ные явления были ранее установлены в линейно-поляризованных магнит
ных полях.
-
Найдены эффективные пути снижения магнитных потерь образцов во вращающихся магнитных полях, связанные с оптимизацией их толщины и ориентации их поверхности относительно плоскости (ПО). Обнаружен минимум на кривой изменения магнитных потерь на вращательное перемагничивание от толщины образца при различной ориентации его поверхности относительно плоскости (ПО). Установлено, что природа этого минимума такая же, что и в линейно-поляризованных полях.
-
Установлено, что эффективным способом улучшения магнитных характеристик железокремнистых сплавов во вращающихся полях является термомагнитная обработка образцов в переменном магнитном поле, при-
дышей перемагничивания в формирование магнитных потерь кристаллов при повышенных амплитудах индукции.
4.Выявить влияние размерных и ориентационных параметров кристаллов Fe-3%Si на динамику ДС. Выяснить ее соответствие модельным представлениям об изменении ДС магнитотрехосного ферромагнетика, перемагничиваемого под произвольными углами к оси легкого намагничивания [001].
-
Исследовать нелинейную динамику ДС во вращающихся магнитных полях, и на ее основе, выявить причины аномально высоких значений магнитных потерь и их немонотонного изменения от амплитуды индукции во вращающихся полях.
-
Найти эффективные пути снижения магнитных потерь образцов железокремнистых сплавов в линейно- поляризованных и вращающихся магнитных полях.
Научная новизна результатов и основные положения, выносимые на защиту:
- исследована нелинейная динамика ДС, выявлены новые особенности ее перестройки на единичных циклах перемагничивания кристаллов Fe-3%Si в линейно- поляризованных и вращающихся магнитных полях, а именно: в соответствии с выводами теории обнаружен новый тип динамического изменения формы 180-градусных границ, связанный с различием фаз колебания различных точек границы по сечению образца. Учет параметров изгиба позволил вычислить частотную зависимость вихре-токовых потерь за цикл перемагничивания и объяснить причины ее наблюдаемой нелинейности;
- выявлены новые сведения о нелинейной динамике зародышей перемагничивания, их роли в формировании полосовой ДС, которая при повышенных индукциях из-за изгиба 180- градусных доменных границ, перестраиваются в систему цилиндрических доменов. Из найденных параметров этой перестройки теоретически была восстановлена форма изогнутых границ, с учетом которой рассчитана полевая зависимость магнитных потерь, численно совпадающая с измеренной, что позволило объяснить причины резкого роста магнитных потерь образцов при высоких индукциях;
прямыми наблюдениями подтверждены основные модельные представления об изменении ДС магнитотрехосного ферромагнетика, перемагничиваемого под произвольными углами к оси легкого намагничивания [001]. В частности, подтвержден механизм перемагничивания образцов путем изменения объема внутренних С- доменов, намагниченных
вдоль [100] и [010]. Впервые установлено, что изменение размеров С- доменов при повышенных индукциях идет за счет изменения их ширины, осуществляемого смещением значительного числа новых магнитоактив-ных 90-градусных границ, ранее не принимавших участия в перемагни-чивании образца. Рассмотренные особенности поведения доменных границ позволили объяснить причины немонотонного изменения вихретоко-вых потерь от амплитуды индукции;
- установлена зависимость динамики ДС от размерных, ориентацион-ных параметров ферромагнетиков. Так, при утонении образцов, изменение ДС существенно зависит от ориентации их поверхности относительно плоскости (ПО). При достижении некой критической толщины пере-магничивание образцов, независимо от ориентации их намагниченности, идет смещением плоских 180-градусных границ, число которых, вопреки теории, не меняется даже при самых высоких индукциях;
- впервые исследована нелинейная динамика ДС образцов Fe-3%Si во вращающихся магнитных полях. Обнаружено наличие многообразия ДС: от простой полосовой, до сложной замыкающей, непрерывно перестраивающейся по мере поворота магнитного поля. При высоких его значениях исследованы особенности перемагничивания образца путем вращения его намагниченности синхронно с намагничивающим полем. На основе этого выявлены конкретные причины наблюдаемого немонотонного изменения магнитных потерь от амплитуды индукции, а также объяснен сдвиг максимума магнитных потерь в область меньших индукций при утонении образцов. Установлены причины формирования аномально высоких значений магнитных потерь образцов во вращающихся магнитных полях.
Научная и практическая ценность работы:
- работа вносит вклад в понимание физики процессов динамического перемагничивания ферромагнитных сплавов с кубической решеткой в линейно- поляризованных и вращающихся магнитных полях. Полученные сведения об особенностях перестройки ДС могут быть использованы для построения теории, связывающей величину магнитных потерь ферромагнитных образцов во вращающихся полях с видом их ДС;
найдены эффективные пути снижения магнитных потерь образцов на вращательное перемагничивание, связанные с оптимизацией толщины материала и степени его кристаллографической текстуры. Эффективным способом улучшения магнитных свойств железокремнистых сплавов во вращающихся магнитных полях является термомагнитная обработка образцов в поперечном магнитном поле, приводящая к снижению их потерь на 25-30%;
скими процессами такими, как динамическое дробление, однонаправленное движение, и глобальная динамическая перестройка доменной структуры.
Получены следующие важные в научном и прикладном отношении результаты:
1 .Разработаны оригинальные методики покадровой и многокадровой регистрации вида доменной структуры ферромагнетиков на единичных циклах перемагничивания с короткими временами экспозиции кадров (5- 20-10ьс), позволяющими с необходимой для исследований точностью, определять динамические параметры изменения ДС в линейного ляризованнных и вращающихся магнитных полях в интервале изменения индукции 0,25-2,ОТл и частоты перемагничивания 10-1000 Гц.
2.Обнаружен динамический изгиб 180- градусных границ, связанный как с различием амплитуд, так и фаз колебаний отдельных точек границы по сечению образца. Учет параметров этого изгиба позволил количественно объяснить причины наблюдаемой нелинейной зависимости мощности вихретоковых потерь за цикл изменения поля от частоты перемагничивания и тем самым выявить природу «аномальных» магнитных потерь.
3. Показано, что при повышенных индукциях динамический изгиб 180-границ приводит к образованию внутри образца доменов, предположительно цилиндрической формы, и перемагничивание образца идет путем изменения объема указанных доменов, сопровождаемого усилением скорости роста магнитных потерь от индукции. Заметный вклад в величину потерь (10%) вносят процессы формирования полосовой доменной структуры, связанные с нелинейным ростом зародышей перемагничивания, роль которых в перемагничивании образцов непрерывно растет по мере увеличения индукции.
4.Прямыми наблюдениями подтверждены основные модельные представления об изменении доменной структуры магнитотрехосного ферромагнетика, перемагничиваемого под произвольными углами к оси легкого намагничивания [001]. В частности, подтвержден механизм перемагничивания образцов путем изменения объема внутренних С- доменов, намагниченных вдоль [100] и [010]. При этом впервые установлены новые, существенные особенности в поведении ее границ, приводящие к немонотонному изменению вихретоковых потерь от индукции.
4,0г Рвр, Ві7кг
Рис.23 Изменение магнитных потерь монокристалла: 1- исходное состояние; 2 -после термообработки в переменном магнитном поле.
О 0,5
Bm, Тл
В главе впервые показано, что термомагнитная обработка (ТМО) образцов Fe-3%Si в поперечном переменном магнитном поле является эффективным способом снижения уровня их магнитных потерь во вращающихся магнитных полях (рис.18). Видно, что после ТМО величина магнитных потерь монокристалла снижается почти на 30-35%. во всем интервале изменения индукции 0.25-1.6 Тл. Аналогичный эффект наблюдался и на другом исследованном образце. Анализ изменения динамики ДС образцов до и после ТМО показал, что наблюдаемое возрастание магнитной проницаемости и снижение магнитных потерь связано с ростом подвижности и однородности скоростей смещения, как 90-, так и 180- градусных границ вследствие дестабилизации их положения после ТМО в переменном магнитном поле.
В Заключении приведены наиболее существенные результаты и выводы диссертации.
Осциллографический метод измерения полных магнитных потерь
Рассматриваемый метод сравнительно прост и обладает исключительной наглядностью [80]. Кроме того, он может использоваться в широком частотном диапазоне. Сугь данного метода состоит в следующем. На исследуемый образец наматываются намагничивающая и измерительная обмотки. Напряжение, пропорциональное току, а следовательно намагничивающему полю, подается с намагничивающей обмотки па Х- вход осциллографа. С измерительной обмотки через интегратор напряжение, пропорциональное мгновенному значению индукции образца, подается на Y- вход осциллографа. В результате этого на еіч экране электронный луч будет описывать динамическую петлю гистерезиса, площадь которой пропорциональна величине магнитных потерь исследуемого образца при данных условиях его перемагничинамин. Калибровка записанных петель проводилась следующим образом. При невысокой индукции (при синусоидальном ее изменении) в образце вштметровым методом: измерялись потери и, одновременно при этих, же режимах, записывались динамическая петля гистерезиса. Из сопоставления указанных измерений определялся переводной коэффипиенг-К, равный цене деления площади петли в единицах мощности К [Вт/см J. В дальнейшем с учетом этого коэффициента, по записанным петлям при других условиях перемагничивания, определялись магнитные потери исследуемого образна.
Для повышения точности измерений у используемого осциллографа (С-83) были измерены амплитудно-частотная характеристика, определена нелинейность чувствительности по осям X и Y. Это позволило повысить точность измерения потерь до 5-8%, что было вполне достаточно при проведении исследований. При значительных искажениях формы кривой изменения индукции (kf $!%) величина последней определялась не с помощью вольтметра среднего значения, а по высоте петли, записанной на экране осциллографа.
Дальнейшим развитием данного метода являлось его применение для измерения магнитных потерь на отдельных циклах перемагничивания исследуемых образцов. Поскольку в настоящей работе проводилось наблюдение доменной структуры на единичных циклах изменения магнитного поля, то в ряде случаев было крайне важно сопоставить величину по герь с видом доменной структуры, определенных на одном и том же цикле перемагничивания образца. Детально эта методика описана в работе [34]. На рис. 1.10. приведена упрощенная блок-схема установки для записи динамических петель гистерезиса на отдельных циклах перемагничивания. Рассмотрим ее работу.
С намагничивающей обмотки намагничивающего устройства ) сигнал пропорциональный величине поля подается на Х- вход осциллографа 2. Соответственно, на его Y- вход через интегратор 3 поступает напряжение пропорциональное индукции образца, При этом изображение динамической петли гистерезиса на экране осциллографа отсутствует, поскольку в исходном состоянии па модуляторе электронной трубки осциллографа специально устанавливалось отрицательное напряжение, полностью запирающее электронный луч. Его отпирание происходит с подачей от генератора 4 импульса положительной полярности. Этот генератор, запускаемый синхронизирующим импульсом, идущим на управление регистрирующей установки "Лупа времени", вырабатывает положительный прямоугольный импульс с длительностью, равной периоду нерсмагничивания.
Этот импульс отпирает электронный луч и на экране осциллографа формируется изображение динамической петли строго за один цикл перемагничивания, которое регистрируется с помощью фотоаппарата на пленку. В качестве примера на рис. 11 приведено изображение динамической петли, записанной на одном из исследованных образцов на отдельном цикле перемагничивания. Частотный диапазон измерений, определяемый входными параметрами Z-входа осциллографа и интегратора, выполненного на операционном усилителе К544УД1 А, составлял 10-10001 "ц и при необходимости мог быть легко расширен в область более высоких частот перемагничивания. Детали особенностей применении рассмотренного способа для записи динамических петель изложены более подробно в работе [34].
На всех исследованных образцах (в виде полосок) помимо полных магнитных потерь измерялась и их гистерезисная составляющая. Она определялась по площади квазистатических петель гистерезиса [78,80]. Наличие образцов разомкнутой формы с большим размагничивающим фактором №Ф/1 (S-сечение образца, I -его длина) создавало значительные трудности в определении внутреннего поля образцов Н; = Не- NJ (Нс- внешнее магнитное поле, J- намагниченность образца), Для преодоления указанного затруднения в данной работе применялся феррозоидовый магнитометр [Si], позволяющий на длине 5мм измерять Hj а образцах, обладающих относительно большим размагничивающим фактором. Использованный магнитометр давал возможность локально определять внутреннее ноле монокристаллов в интервале от 2 10"г до 5,0 Э с относительной погрешностью 2,5%.
На ряде образцов петли были записаны баллистическим методом с использованием баллистического гальванометра [78]. Оказалось, что данный метод весьма трудоемок и малопроизводителен при проведении измерений на коротких образцах (большая ошибка измерений). Для преодоления указанных затруднений в рабоге был изготовлено небольшое намагничивающее устройство (пермеаметр), позиоинющее проводить измерения а замкнутой магнитной цепи. Была разработана и успешно применена также специальная схема для записи квазистатических петель гистерезиса (рис. 1,12). Исследуемый образец (I) помещался в пермеаметр R специальной оправке, на которой крепился феррозонд (2) и размещались измерительная (4) и намагничивающая (3) катушки. Последняя подключалась к генератору, позволяющему циклически менять величину тока в данной обмотке от - I,,, до + In, . Частота перемапжчивания варьировалась по мере необходимости в пределах 0,005 0,1 Гц. При этом сигнал с феррозонда пропорциональный величине намагничивающего поля через усилитель (6) поступал на Х- вход самописца. Ни другой его вход Y, минуя интегратор, подавалось напряжение пропорциональное индукции исследуемого образца.
Зависимость поведения доменной структуры от индукции и частоты перемагничиваиия
При невысоких значениях индукции (Вт 1,2 Тл) на поверхности образца наблюдается только смещение ДГ. При этом их положение в определенных фазах изменения намагничивающего поля достаточно четко воспроизводится на разных циклах перемагничивания. Это можно видеть, например, из рис. 2.6., полученном на образце I (состояние II ). Такое поведение ДС на данном образце наблюдалось при частоте 60 Гц до индукций, близких к 1,5 Тл. Далее на em поверхности выявляется более сложное поведение ДС. На рис.2.8. приведены серии фотографий, на которых зафиксировано изменение ДС за полный цикл изменения поля при f = 60 Гц и Вщ = I,S Тл. Видно, что в течение некоторого времени на поверхности образца отсутствуют все ДГ, которые в процессе его перемагничивания сливаются друг с другом (кадры В (г2-г4)). Наряду с этим, появляется новая, пятая ДГ, которая присутствует на поверхности некоторое время, а затем исчезает (кадр А62). Зависимости Xj= х, (t) (рис.2.9.), построенные на основе рис.2.8, показывают, что зарождение новой ДГ носит устойчивый характер, поскольку се положение довольно четко повторяется от цикла к циклу. Таким образом, при В,„ =1 5 Тл (f =60 Гц) в рассматриваемом образце число ДГ не остается постоянным, а меняется в течение полного цикла изменения магнитного поля. Кроме того, из рис.2.9. видна также некоторая не повторяемость положения ДГ на поверхности образца от цикла к циклу: участки кривых Xj = х, (О, полученные на разных циклах, описываются синусоидами, отличающимися по амплитуде и смешенными друг относительно друга по оси ординат. Дальнейшее увеличение В,п Сопровождается усилением рассмотренных нерегулярностей роследим за характеров поведения ДГ в образце №2 при тех же самых условиях em персмагпичивания (Г = 60 \п вт = 1,0 Тл), при которых были получены зависимости 1 = Xi (0. приведенные на рИС 2.6. для образца №1 (состояние И). Такие зависимости изображены на рисунке 2.1(Хиз него нетрудно видеть, что в отличие от выше рассмотренного образца №1 (состояние II), поведение отдельных доменных границ за время полного периода перемапжчишшия у при сравнительно небольших значениях Вт не удается описать единой сцнусоил0й. Амплитуда колебания ДГ и их положение на поверхности образца существенна меняются от цикла к циклу. Это отчетливо видно из приведенного рисунка в, где один и тот же этап перемагничивания зафиксирован на двух разных циклах. Кроме того, из сопоставления рисунков 2.9. и 2.10. видно, что в образце № 2 процесс лроблсмя ДС шчиижтся при гораздо меньших индукциях, чем в образце Двд (состояние П ). Уже при В,- =1,0 Тл у одного из краев монокристалла устойчиво пчявляетСя новая ДГ. (Отметим, что подобная ситуация имела место и при других частотах (20 и 100 Гц)). В качестве примера, на рис. 2.11. приведены две серии фотографий А и Б, отражающих поведение ДС образца №1 (состояние I) на разных циклах изменения магнитного поля, строго на одном и том же этапе того, анализ полученных зависимостей Х{ = Xi (t) для данного образна показал, что, как и в образце № 2, амплитуды ДҐ и их положение на поверхности в строго определенных фазах ого перемагничивания также существенно меняется от цикла к циклу. Однако следует отмстить, что, несмотря на описанную выше нерегулярность поведения ДС, движение ее границ происходит синфазію, то есть фазы колебаний различных границ, строго совпадают друг с другом. Это наблюдалось на всех исследованных образцах, когда их перемагничивание осуществлялось, в основном, путем смещения 180-градусных ДГ. Таким образом, характер поведения ДГ, изученный на разных образцах в зависимости от условий перемагничивания, показывает, что, начиная с некоторых значений индукции, движение ДГ становится нереі-улярньїм: их положение на поверхности образца и амплитуда их колебаний заметно меняются на разных циклах изменения магнитного поля. Значения Вп, при которых впервые наблюдаются указанные нерегулярности, заметно отличаются для разных образцов, чти, по-видимому, связано с различием состояния их кристаллической решетки.
Использованный в работе способ регистрации динамической доменной структуры в процессе перемагничивания позволяет оценить скорости смещения 180-градусных ДГ, знание которых необходимо для количественных оценок величины вихретоковых потерь, обусловленных смешением указанных границ. Попытки оценить эти скорости были предприняты ранее в работах [7,149] , в которых они определялись лишь косвенно,- по величине индуцированного напряжения в измерительной обмотке, при перемагничивании образцов. Располагая имеющимися зависимостями х; = х; (t) , полученными из прямых наблюдений за поведением ДГ на отдельных циклах перемагничивания, можно непосредственно оценить скорости смещения ДГ как на различных этапах перемагничивания, так и изменение этих скоростей с изменением Вт и f. Наиболее просто можно определять величину максимальной скорости движения ДГ. Ее значение находилось по величине максимального наклона кривых1 х; = Xj (t) к оси абсцисс или более точно, из найденных корреляционных уравнений для Xj = Xj (t). Считая, что эти зависимости имеют синусоидальный характер, получаем:
Динамика роста зародышей при циклическом изменении поля
Одним из важных вопросов, изучению, которого в имеющейся литературе уделется внимание, является вопрос о зависимости магнитных потерь за цикл от частоты изменения магнитного поля. Эта зависимость, как следует из теоретической работы Прая и Бина [8] , а также из классических расчетов потерь на вихревые токи, должна иметь линейный характер изменения. Однако, большое число экспериментальных работ, проведенных как на поликристаллических образцах, так и монокристаллах Fe-3%Si, напротив, показало нелинейный ход PDtf е изменением частоты Г122,129,141,14У. Это является одной из особенностей аномального поведения магнитных потерь,
Одна из первых попыток объяснения подобного частного хода вихретоковых потерь была предпринята в работе [150], автор которой предположил, что число движущихся ДГ не постоянно, а зависит от условий персмагиичивания, в частности, от частоты. При относительно низких частотах не все ДГ принимают участие в персмагничивании, вследствие чего "эффективное" расстояние между ними и, соответственно скорости их смещения, велики. При повышении же частоты, когда в движение постепенно вовлекаются все ДГ, это расстояние уменьшается, уменьшаются также и скорости смещения ДГ. Подобный характер поведения ДГ согласно [8] должен обусловить нелинейное изменение Рв за цикл перемагничивания с изменением частоты пермагничивания. Экспериментально подобный характер смещения ДГ наблюдался в работе [143] в области сравнительно низких частот 0,1-Ю Гц. Аналогичное изменение амплитуды смещения ДГ, был обнаружено в работе (651 , проведенной на монокристалле Fe-Si , имеющем простую 180-градусную ДС. Измерения показали, что при низких частотах перемагничивания (20-40 Гц) амплитуды колебаний ДГ сильно отличались по величине друг от друга; при повышении частоты до 60 Гц происходило их постепенное выравнивание. Автор данного исследования с этим связывает нелинейность зависимости PB/f= PB(f). К сожалению, эти результаты не были количественно сопоставлены с величиной магнитных потерь, поскольку последние в работе не измерялись. Это обстоятельство лишает возможности оценить, в какой мере наблюдаемый характер поведения ДГ ответственен за частотную нелинейность магнитных потерь.
В работе [I57] сделана попытка улучшить расчеты Прая и Бина путем учета конкретной ширины доменов при расчете вихретоковых потерь. Проверка этих расчетов показала [158], что они качественно описывают эксперимент лишь в области малых амплитуд индукции (Вщ 0,4 Тл) при очень широких доменах (L7d 6). Для других условий (больших Вт и более узких доменов) наблюдалось даже значительное расхождение. Рассмотрим теперь влияние других особенностей динамического поведения ДС, а именно - дробления ДС и изгиба ДГ на ихретокове потери. Псремагничиванис образцов в широком частотном диапазоне, начиная с некоторой частоты, сопровождается дроблением ДС, приводящим к уменьшению средней ширины доменов, а это согласно теории [8], должно приводить к мощности вихретоковых потерь, меньшей их значения, рассчитанного без учета этого дробления- Непосредственное влияние дробления Рв было изучено в работе 1122] , где показано, что наблюдаемый ход PB/f=PB(f) может быть качественно объяснен изменением средней ширины доменов при изменении частоты персмагничивания. Причем область частот, в которой наблюдался наиболее быстрый переход от крутого роста PD к более плавному, соответствовал началу момента дробления. Анализ влияния дробления ДС на магнитные потери был проведен также в работе [1401 » в которой па монокристаллах Fe-3%Si производилось измерение полных потерь в диапазоне частої 20-100 Гц с последующим сопоставлением их с величиной вихретоковых потерь, рассчитанных по динамической модели, учитывающей дробление ДС. Принимая во внимание, что средняя ширина доменов меняется пропорционально BJJJ и Г , а, также учитывая энергию зарождения ДГ, величина которой была определена авторами в работе [145], было получено аналитическое выражение для мощности вихретоковых потерь за отдельный цикл перемагничивания. Анализ полученного выражения показал, что рассчитанные таким образом потери меняются нелинейно с частотой, а их частотный ход качественно совпадает с соответствующим ходом изменения полных потерь. При этом оказалось, что при f 40-50 Гц рассчитанные потери по динамической модели меньше значений, вычисленных в представлении неизменного числа ДГ, участвующих в персмапшчивании, В области частот f 40 Гц имеет место обратное соотношение, то есть потери» рассчитанные по динамической модели, превышали их значение, вычисленные по модели Прая и Бина. Поскольку рассматриваемые расчеты не применимы для вычисления потерь при сравнительно низких частотах, когда дробление ДС практически отсутствует, что отмечалось в работе [159], авторы работы [140] для объяснения выше упомянутого расхождения в оценке вихретоковых потерь в диапазоне низких частот, вынуждены были предположить, что при низких частотах пс вес ДГ участвуют в перемагничивании, а их число также меняется пропорционально В 1 и f п.
В работе [141] измерялся частотный ход полных потерь в отдельных зернах поли кристаллических текстурованных образцов Fe-3%Si полосовой ДС. Был обнаружен также нелинейный частотный ход потерь за цикл, который объяснялся авторами исключительно изменением средней ширины доменов. Полученная авторами зависимость имела дискретный вид, то есть состояла из нескольких линейных участков, каждый из которых соответствовал определенной ширине доменов и определенному диапазону частоты. Как отмечают авторы данной работы, различие между измеренными потерями и их значениями, рассчитанными по модели Прая и Бина во всем диапазоне частот (30-500 Гц) не превышало 7,5%. К столь хорошему соответствию, судя по условиям проведения измерений в данной работе, необходимо отнестись весьма критически, так как, во-первых, R работе проводилось сопоставление рассчитанных вихретоковых потерь, не с их намеренными значениями, а с величиной полных потерь, поскольку их гистерезисная составляющая не измерялась. Во-вторых, необходимо учесть, что потери определялись с помощью измерения температуры исследуемого кристаллита, что может приводить к большим погрешностям в определении абсолютного значении полных потерь, вследствие рассеянии тепла на окружающих кристаллитах (ошибка в определении значения потерь авторами не приведена). Наконец, следует учесть и то что, что на поведении ДГ исследуемого кристаллит должно отразиться поведение ДГ соседних кристаллитов. Об атом говорит хотя бы тот факт, что полученная в данной работе зависимость P/f = P(f) имеет несколько необычный характер, не наблюдаемый ранее при подобных измерениях, проведенных на монокристаллах Fe-3%Si [122,129,149].
Изменение динамики доменной структуры при утонении образцов
Наблюдаемое в интервале 0,2-0,35мм снижение полных потерь обусловлено, согласно (5.3), уменьшением их вихретоковой составляющей. Напротив, последующий рост потерь по достижении минимума, связан со значительным ростом гистерезисных потерь, перекрывающим убыль вихретоковой составляющей в рассматриваемом интервале толщин.
Причины роста гистерезисных потерь, связанных соответственно с увеличением коэрцитиыюй силы (Нс) образцов исследовались но многих работах. В одной из первых таких работ [193] было установлено, что по мере утонения различных ферромагнетиков (Fe-3%Si, пермаллоя, Ni ) величина Не непрерывно растет, причем при толщинах меньших 0,05 мм коэрцитивная сила резко увеличивается (почти в 6 раз) по сравнению с се величиной при исходной толщине (d= 0,5мм) образцов. Авторы работы высказали предположение, что при малых толщинах величина коэрцитивной силы определяется, главным образом, магнитными полями рассеяния граничных слоев на поверхности образцов. В работе [194] была рассчитана плотность энергии полей рассеяния J80- градусных границ на поверхности ферромагнетиков. Было показано, что для тонких образцов (d=3 0,05 мм) величина этой энергии сопоставима с энергией самого граничного слоя. Рассчитанная автором зависимость Hc=:f(d) для железокремнистой стали совпадала не только качественно, но и количественно с подобной зависимостью, полученной в работах [195,196] на монокристаллах Fe-3%Si типа [001](110). Интересно отметить, что значения Нс, измеренные на образцах, имеющих отклонение оси легкого намагничивания от плоскости (110) па угол р 0 [196], существенно превышали их величину, рассчитанную для случая Р=0. Из этого, авторы последней работы делают вывод, что в образцах с 3 0 значительное влияние на Нс оказывают свободные "магнитные заряды, возникающие на поверхности таких образцов,
В статье [185] причина роста гистерезисных потерь в тонких образцах связывается с увеличением отклонения отдельных кристаллитов от совершенной ребровой текстуры () 10) [001]. Однако, исходя из этого, невозможно объяснить причины роста гистерезисных потерь в монокристаллах железокремнистых сплавов.
В рабо rax [185-192] выявлены особенности изменения магнитных потерь при утонении образцов Fe-3%Si, перемагничиваемых в линейно- поляризованных магнитных полях. При этом для некоторых из них [186,187] установлена связь между степенью разориситации намагниченности относительно поверхности монокристаллов и значением толщины, соответствующей наименьшим магнитным потерям. Показано, что с ростом разориентации оси легкого намагничивания (ОЛИ) относительно плоскости образцов, значение указанной толщины увеличивается. Это отчетливо проявляется на последнем рисунке, из которого следует, что по мере уменьшения степени текстуры (соответственно Вію) толщина образцов, соответствующая минимуму потерь также увеличивается. В работе [187] было установлено, что, несмотря на монотонное падение вихретоковых потерь с утонением образцов, их доля даже при небольших толщинах составляет еще значительную часть полных магнитных потерь. Этот результат авторы объясняют увеличением ширины полосовых доменов при утонении монокристаллов, имеющих небольшую разориснтацию поисрхиости относительно плоскости (ПО), вследствие исчезновения па их поверхности замыкающих доменов. Отметим, что данная особенность перестройки ДС была впервые обнаружена и объяснена в работе [196],
Дальнейшее снижение вихретоковых потерь тонких образцов в некоторых из отмеченных выше работ достигалось за счет искусственного дробления доменной структуры путем растяжения образцов [186,187], нанесения царапин на их поверхность [188], путем лазерной обработки [189,192]. При этом было показано, что степень эффективности указанных воздействий, приводящих к уменьшению величины магнитных потерь, растет но мерс утонения образцов.
Несмотря на имеющиеся исследования, механизм перемлшичивапия тонких образцов Fo—Ъ% Si во многом не ясен. Это не позволяет, в частности, объяснить причины наблюдаемого в [186,187] заметного расхождения толщин, соответствующих минимуму магнитных потерь исследованных монокристаллов. Из (5.3) следует, что вихретоковые потери должны линейно падать с уменьшением толщины образцов при L= const. Однако до сих пор не исследована зависимость размера динамической ДС от толщины образцов. Кроме того, в литературе имеются крайне скупые сведения о динамике ДС и ее вкладе в магнитные потери тонких образцов с различной ориентацией поверхности. В работах [186,1911 поведение потерь обсуждалось с учетом доменной структуры (ДС) образцов. 14 [191] оценивался вклад особенностей динамического поведения ДС в вихретоковые потери поликристаллических образцов. Однако, такие оценки для поликристаллов не совсем корректны, поскольку поведение ДС исследованных зерен заметно зависит от ориентации соседних с ними зерен (зто было рассмотрено выше в главе 2). Кроме того, как уже отмечалось, характер изменения потерь с утонением образцов, также зависит от их кристаллограф и ческой ориентации, Следовательно, надежное выявление вклада особенностей поведения ДС в вихретоковые потери возможно только на монокристаллических образцах. И работе [186] анализ закономерностей изменения магнитных потерь с утонением монокристаллов проводится лишь па основе размеров равновесной ДС без учета особенностей ее динамическоіч поведения, что не совсем корректно.
В работах [32,40] проведены детальные исследования поведения доменной структуры на единичных циклах перемагиичиваиия и магнитных потерь при утонении монокристаллов Fe-3%Si от 0.28 до 0,025мм с различной ориентацией их намагниченности. Исследовались монокристаллы как с "идеальной" ориентацией намагниченности, когда вектор намагниченности J„ лежал в плоскости монокристаллов ф =Ю) и совпадал по направлению с их длинной стороной (а =:0), так и образцы с отклонением намагниченности от их плоскости на угол р 1,5. На всех исследованных образцах измеряли полные магнитные потери и их составляющие. Гистерезисные потери определялись по площади квазистатических петель гистерезиса, записанных при частоте перемагничивания 0,03 Гц. Вихретоковые потери вычислялись по разности полных и гистерезисных потерь. Наблюдение динамической доменной структуры и регистрация ее вида проводилось при частоте перемагничивания 60Гц и в интервале изменения индукции 0,25 - 1,90 Тл.
Похожие диссертации на Нелинейная динамика доменной структуры и магнитные потери магнитомягких материалов в линейно-поляризованных и вращающихся магнитных полях
