Структурирование дисперсных ферромагнетиков в магнитовибрирующем слое

Введение. При изготовлении анизотропных порошковых изделий применяются порошки с размером частиц, близких к однодоменному. Анизотропию изделия можно сформировать, ориентируя отдельные частицы в направлении определенной кристаллографической оси в магнитном поле [1]. Однако во внешнем магнитном поле ориентируются магнитные моменты агрегатов, а не отдельных частиц. Дисперсные ферромагнетики, помещенные в постоянное и переменное неоднородное магнитные поля, образуют магнитовибрирующий слой (МВС) [2]. Подбором режимов электромагнитного поля можно регулировать интенсивность движения агрегатов и частиц порошка и разрушать агрегаты вплоть до отдельных частиц [3]. При увеличении индукции постоянного магнитного поля до некоторого значения, характерного для каждого порошка, начинается интенсификация процессов вторичного агрегирования и формирования анизотропной слоистой структуры. Исследование динамики процессов структурирования в МВС проводилось по измерению зависимости сигнала ЭДС, наведенного в индуктивном датчике частицами магнитного материала, от параметров электромагнитного воздействия [4].

Результаты эксперимента. Особенности структурирования дисперсной ферромагнитной системы исследовали индуктивным датчиком. Он представляет собой цилиндрическую катушку, имеющую 100 витков провода на картонном каркасе высотой 13 мм и диаметром, равным внешнему диаметру стеклянной измерительной ячейки с исследуемым порошком. Индуктивный датчик и измерительную ячейку с порошком феррита бария со средним размером частиц 3 мкм помещали в межполюсное пространство электромагнитов постоянного и переменного магнитных полей с взаимно перпендикулярными силовыми линиями. Индукцию постоянного поля Â Ñ меняли в пределах от 2 до 44 мТл, индукцию переменного поля Â V — от 1,0 до 7,0 мТл, градиент индукции ∂ B_V /∂ y — от 2,7 до 22,3 мТл/м.

Полученные зависимости наведенного в датчике сигнала ЭДС Δε от индукции постоянного магнитного поля при различных значениях индукции переменного магнитного поля (рис. 1) имеют немонотонный характер. При фиксированном значении индукции переменного магнитного поля с ростом постоянной составляющей поля до 10 мТл увеличивается сигнал Δε, следовательно, происходит рост магнитного момента, наводящего ЭДС в индуктивном датчике. Этот рост может быть обусловлен как преимущественностью процессов разрушения агрегатов с макровихревым упорядочением магнитных моментов, так и образованием агрегатов с ферромагнитным упорядочением магнитных моментов. При дальнейшем увеличении индукции постоянного магнитного поля магнитостатическое взаимодействие между частицами приводит к интенсификации процессов вторичного агрегирования и формирования анизотропной структуры — магнитных цепочек, которые совершают колебания в переменном магнитном поле. Дальнейшее увеличение индукции постоянного магнитного поля приводит к уменьшению амплитуды колебаний, что и вызывает снижение сигнала ЭДС.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

• —    процессы, протекающие в МВС при различных значениях градиента индукции

переменного магнитного поля, аналогичны;

• —    перевод дисперсной системы в магнитокипящее состояние, в котором совершается

интенсивное разрушение агрегатов, происходит при наличии постоянного магнитного поля с индукцией B _C ≤ B _V .

Рис. 1. Зависимость ЭДС, наведенной в индуктивном датчике порошком феррита бария со средним размером частиц 3 мкм, от индукции постоянного магнитного поля:

1 — В V = 1,0 мТл; ∂ B V /∂ y = 2,7 мТл/м;        2 — В V = 1,7 мТл; ∂ B V /∂ y = 4,5 мТл/м;

3 — В V = 2,3 мТл; ∂ B V /∂ y = 6,2 мТл/м;        4 — В_V = 3,0 мТл; ∂ B_V /∂ y = 8,0 мТл/м;

5 — В V = 3,7 мТл; ∂ B V /∂ y = 9,8 мТл/м;        6 — В_V = 4,4 мТл; ∂ B_V /∂ y = 11,6 мТл/м;

7 — В V = 5,0 мТл; ∂ B V /∂ y = 13,4 мТл/м;       8 — В V = 7,0 мТл; ∂ B V I ∂ y = 22,3 мТл/м

Фотографии (рис. 2) позволяют оценить изменение состояния дисперсной системы в МВС при Â V = 1,7 мТл и ∂ B V /∂ y = 4,5 мТл/м в зависимости от индукции постоянного магнитного поля. На рис. 2, а при В _С равном 2 мТл порошок находится в магнитокипящем состоянии (точка а на кривой 2 , см. рис. 1). Увеличение Â Ñ до 7 мТл приводит к возрастанию Δε (точка б на кривой 2 , см. рис. 1), что можно объяснить образованием локальных цепочечных агрегатов с ферромагнитным упорядочением магнитных моментов отдельных частиц (рис. 2, б ). При Â Ñ = 9 мТл Δε растет незначительно (точка в на кривой 2 , см. рис. 1), так как увеличение размера цепочечных агрегатов снижает скорость их движения относительно индуктивного датчика (рис. 2, в ). Дальнейший рост индукции постоянного магнитного поля до 14 мТл приводит к увеличению длины цепочек вплоть до размеров кюветы (рис. 2, г ) и уменьшению амплитуды колебания, что вызывает снижение наведенного сигнала Δε (точка г на кривой 2 , см. рис. 1). При B _C = 24 мТл происходит образование структуры, состоящей из магнитных цепочек (рис. 2, д ), которые совершают колебания в переменном неоднородном магнитном поле по закону струны с закрепленными концами, что соответствует уменьшению Δε (точка д на кривой 2 , см. рис. 1). Возрастание B_C до 44 мТл ведет к нарушению однородности образованной структуры (рис. 2, е )

и увеличению жесткости магнитной струны и, как следствие, падению сигнала Δε (точка е на кривой 2 , см. рис. 1).

Рис. 2. Фотографии МВС для порошка феррита бария со средним размером частиц 3 мкм при ÂV = 1,7 мТл, ∂BV /∂y = 4,5 мТл/м:

а — В С = 2 мТл; б — В С = 7 мТл; в — В С = 9 мТл; г — В С = 14 мТл; д — В С = 24 мТл; е — В С = 44 мТл

Из рис. 1 следует, что максимальное значение ЭДС, наведенной порошком, увеличивается на 6,6 мВ при возрастании Â V от 1,0 до 7,0 мТл и ∂ B V /∂ y от 2,7 до 22,3 мТл/м. При сравнении фотографий состояний магнитокипения при B_C = 7 мТл (рис. 3), соответствующих экспериментальным точкам б на кривых 1 , 2 , 3 , 5 , 7 (см. рис. 1), видно, что с увеличением градиента индукции переменного поля наблюдается рост ЭДС Δε за счет возрастания амплитуды колебательного движения частиц и агрегатов в МВС.

г )                         д )

Рис. 3. Фотографии порошка феррита бария со средним размером частиц 3 мкм в состоянии МВС при Â Ñ = 7 мТл и параметрах переменного магнитного поля: а — В_V = 1,0 мТл, ∂ B_V /∂ y = 2,7 мТл/м; б — В V = 1,7 мТл, ∂ B V I ∂ y = 4,5 мТл/м;

в — В V = 2,3 мТл, ∂ B V I ∂ y = 6,2 мТл/м; г — В_V = 3,7 мТл, ∂ B_V /∂ y = 9,8 мТл/м;

д — В V = 5,0 мТл, ∂ B V /∂ y = 13,4 мТл/м

Из сравнения фотографий (рис. 4), полученных при тех же режимах, при которых измерены Δε , соответствующие экспериментальным точкам д на кривых 1 , 2 , 4 , 6 , 7 , 8 (см. рис. 1), следует, что в постоянном магнитном поле B _C = 24 мТл при малых градиентах переменного магнитного поля формируется магнитная структура (рис. 4, а ), степень однородности которой повышается при достижении индукции 3,0 мТл и градиента индукции 8,0 мТл/м переменного поля (рис. 4, в ). При этом возрастание Δε (точка д на кривых 1 , 2 , 4 , см. рис. 1) связано с увеличением амплитуды колебания магнитных цепочек. При дальнейшем возрастании градиента индукции сила, действующая со стороны неоднородного магнитного поля, увеличивается и образованная структура разрушается (рис. 4, г — е ), что объясняет увеличение Δε (точка д на кривых 6 , 7, 8 , см. рис. 1).

а )                                   б )                            в )

г )                                  д )                            е )

Рис. 4. Фотографии порошка феррита бария со средним размером частиц 3 мкм в состоянии МВС при Â Ñ = 24 мТл и параметрах переменного магнитного поля:

а — В_V = 1,0 мТл, ∂ B_V /∂ y = 2,7 мТл/м;

в — В_V = 3,0 мТл, ∂ B_V I ∂ y = 8,0 мТл/м;

д — В V = 5,0 мТл, ∂ B V /∂ y = 13,4 мТл/м;

б — В V = 1,7 мТл, ∂ B V /∂ y = 4,5 мТл/м; г — В V = 4,4 мТл, ∂ B V I ∂ y = 11,6 мТл/м; е — В V = 7,0 мТл, ∂ B V I ∂ y = 22,3 мТл/м

Выводы. Анализ зависимости ЭДС, наведенной МВС дисперсного ферромагнетика в индуктивном датчике, показывает, что порошки ферромагнитных материалов в МВС могут находиться в различных реологических состояниях, зависящих от параметров магнитного воздействия. Возрастание Δε на первом этапе связано с разрушением агрегатов, а на втором — с формированием вторичных агрегатов, имеющих ферромагнитное упорядочение магнитных моментов частиц.