2-20. Магнитный железняк
Железо образует с кислородом несколько соединений. Одно из них, в котором на три атома железа приходится четыре атома кислорода (приблизительно 72% железа и 28% кислорода по весу), называется магнетитом или магнитным железняком. Это лучшая железная руда. С древнейших времен ее добывают во многих местах. В СССР скопления магнитного железняка находятся на горах Благодать, Высокая, Магнитная, Качканар на Урале и в других районах.
Одни из самых древних разработок этой руды находились в Лидии около города Магнезия, откуда, по всей вероятности, и произошло само название руды.
Существует также легенда о том, что греческий пастух Магнес, отыскивая заблудившихся ягнят на склонах горы из железняка, заметил, что его подбитая гвоздями обувь прилипает к земле.
Хотя этот рассказ повторяется во многих книгах, но очень трудно согласиться с тем, что именно пастух Магнес первый открыл удивительные свойства руды притягивать железо. Ведь те рудокопы, что добывали железняк, и мастера, которые выплавляли из него железо, чтобы изготовить гвозди для обуви пастуха, неизбежно должны были заметить притяжение кусков железняка друг к другу и к железу.
Примерно в 12 в. нашей эры появляются сведения о том, что свойство притягивать друг друга можно сообщить и стальным изделиям, если их натирать кусками магнитной руды.
Магнитный камень был известен и в древнем Китае. Здесь его называли «дзю-ши» или «ни-тши-ги», что значит «любящий камень». Интересно, что аналогичное название сохранилось и в современном французском языке, где магнит называется «эман» (aimant) — любящий. Дословный перевод слова «электромагнит» с французского будет — электролюбящий.
Магнитные силы от естественных и искусственных магнитов передаются решительно через все материалы. Нет в природе изоляторов для постоянного магнитного потока. Чтобы заэкранировать какой-нибудь измерительный прибор от магнитного потока, есть одно только средство — отвлечь этот поток хорошо проводящим материалом.
Почти все известные материалы — и металлы, и металлоиды, и их соединения — проводят магнитные силы почти так же, как пустота, как газы. Некоторые проводят чуть-чуть лучше — эти материалы называются парамагнитными, другие чуть-чуть хуже — это диамагнитные материалы. Но разница между диамагнитными и парамагнитными материалами так мала, что ее можно обнаружить лишь очень чувствительными методами.
Железо проводит магнитные силы в сотни раз лучше других веществ. Так как латинское название железа «феррум», то такое свойство высокой магнитной проводимости, проницаемости, стало называться «ферромагнетизмом».
Но так же, как электропроводность различных материалов не является постоянной величиной, а зависит от величины тока, от температуры, так и магнитная проницаемость железа и других ферромагнитных материалов меняется от многих причин.
2-21. Точка магнитного превращения
Рис. 2-13. Переноска стальных листов подъемным краном с электромагнитным захватом.
Давно было замечено, что раскаленное железо, будучи вытащено из печи и медленно остывая на воздухе, при температуре темно-красного каления вдруг на момент вспыхивает ярче, а затем уже остывает до конца.
Эта задержка остывания получила название «рекалесценции». Русский металлург Д. К. Чернов заметил, что вспышка свечения всегда происходит при одной и той же температуре.
С того времени было проведено много точных исследований. Установлено, что при нагревании стали при температуре 768° С происходит перегруппировка атомов, a-структура переходит в γ- структуру.
Магнитным является только а-железо, все другие модификации железа немагнитны. Нагретое до каления железо теряет свои магнитные свойства.
В металлообрабатывающей промышленности применяются различные магнитные захваты: на шлифовальных станках — магнитные плиты для закрепления стальных изделий; магнитные патроны для токарных станков. Как ни заманчиво было бы перетаскивать раскаленные болванки магнитными кранами, но, увы, это неосуществимо: в раскаленном состоянии сталь немагнитна.
Это свойство используют иногда для автоматизации закалки. Мелкие изделия — например, иголки — висят в магнитном поле и нагреваются токами высокой частоты. Как только сталь нагреется до температуры каления, она перестанет быть магнитной, иголка провалится и упадет в закалочную ванну.
2-22. Три железных брата
В средние века рудокопы верили, будто в горах обитают коварные гномы Кобольд и Никель. Во всех своих бедах они винили этих гномов. Лет 300 назад была найдена руда, очень похожая на медную. Медь умели выплавлять из руды еще в доисторические времена, но из этого минерала красного цвета добыть медь никак не удавалось. Руду стали называть «чертовой медью», «никелевой медью». В 1751 г. химик Кронстедт открыл, что в руде находится новый металл. За ним так и осталось название «никель».
Примерно в те же годы было открыто, что в красивой синей краске, которая получалась стеклодувами при оплавлении остатков от приготовления висмута, содержится металл, схожий с никелем. За это сходство он был назван именем второго гнома, Кобольда — «кобальтом». Химики того времени не умели хорошо разделять эти металлы, и некоторые считали, что никель — это «жженый, потерявший душу кобальт». Только в конце 18 в. была окончательно установлена самостоятельность кобальта и никеля.
Оба эти металла — родные братья железа. Их так и называют тройней или триадой. Долгие годы младшие братья железа были мало известны. Из кобальта делали главным образом краски: кобальтовую синь, зеленую и желтую краски. Из соединения кобальта с хлором получались «симпатические чернила». Написанное ими незаметно на бумаге, а если слегка подогреть такую бумагу, то все проявляется синим цветом, а затем, если подышать на бумагу или просто оставить ее на воздухе, — снова исчезает.
Из никеля делали кухонную посуду.
В конце прошлого века было найдено, что сталь с Добавкой никеля имеет повышенную прочность и вязкость. Из никелевой стали изготовили броню, которая не растрескивалась при ударах снаряда. После изобретения гальванопластики русским академиком Б. С. Якоби чистый никель стал применяться для покрытия всевозможных металлических изделий, чтобы придать им красивый вид и защитить от ржавчины. Кобальт стал применяться в производстве твердых сплавов.
Интересные применения вся троица — и в чистом виде и в виде различных сплавов — нашла в современной электротехнике. Сплавы железа с кобальтом и никелем можно так составить, чтобы они имели коэффициент расширения при нагревании, в точности равный коэффициенту расширения различных стекол. Сплавы «ковар», «фернико» хорошо спаиваются со стеклом, дают прочное, совершенно газонепроницаемое соединение. Широко применяются сплавы никеля с медью — константан и манганин — для различных сопротивлений, и с хромом — нихром — для нагревательных сопротивлений.
2-23. Магнитно-твердые и магнитно-мягкие материалы
Иногда электрикам бывает необходим сильный, по возможности не меняющийся со временем, нестареющий магнитный поток. Постоянные магнитные силы должны действовать во многих типах измерительных приборов, в динамических громкоговорителях, телефонах, реле. Для изготовления устойчивых постоянных магнитов применяются материалы, называемые магнитно-твердыми материалами. Магнитная твердость сопровождается обычно твердостью механической. Хорошие постоянные магниты не могут обрабатываться простыми резцами или сверлами. Их изготавливают литьем, а точные размеры придают шлифовкой.
Для трансформаторов, наоборот, нужны такие магнитные материалы, в которых магнитный поток меняется с самым малым отставанием и запаздыванием и следует как можно более точно за изменениями возбуждающего этот поток тока. Это все магнитно-мягкие материалы.
Самый популярный и общеупотребительный из магнитно-мягких материалов — трансформаторная сталь. Из нее делают сердечники трансформаторов.
Изделия из магнитно-твердых материалов несут неизменный магнитный поток, и здесь основное — обеспечить достаточное сечение для проведения этого потока. Поэтому конструкции из магнитно-твердых материалов могут быть массивными. Магнитно-мягкие материалы применяются в виде тонких листов и проволок, а иногда и в виде мельчайшего порошка. Они предназначаются для передачи переменных магнитных потоков, а такие потоки возбуждают во всяком проводящем массиве вихревой ток. Чтобы уменьшить силу вихревых токов, массивные сердечники и разбиваются на отдельные проволочки или листы. Чем меньше толщина такого листа, тем меньше в нем и потери на вихревые токи. Но с уменьшением толщины листов и проволок становится дороже производство сердечников и понижается их механическая прочность.
В настоящее время приняты стандартные толщины трансформаторной стали 0,5 и 0,35 мм. Чтобы еще уменьшить интенсивность вихревых токов и снизить потери от них, повышают электросопротивление магнитномягких материалов. В трансформаторную сталь добавляют кремний (силиций). Хрупкость стали повышается, кремнистую сталь трудно обрабатывать. Зато ее электрическое сопротивление возрастает раз в 5 по сравнению с электрическим сопротивлением чистого железа и, следовательно, в столько же раз уменьшаются потери на вихревые токи.
Во много раз лучшую магнитную проводимость, чем простая трансформаторная сталь, имеют специальные сплавы железа и никеля — перминвар, пермаллой и др. Названия их начинаются с латинского «перма» — что значит проницаемый.
2-24. Магнитная проницаемость
Магнитный поток в медной катушке без стального сердечника возрастает прямо пропорционально порождающему его току — он, как говорят, линейно зависит от тока. На графике зависимость потока от тока будет изображаться прямой линией. В 2 раза увеличится ток — и во столько же раз возрастает магнитный поток.
Иначе ведет себя катушка с ферромагнитным сердечником. Проницаемость ферромагнитного сердечника разная для магнитных потоков разной величины.
Впервые подробно изучил магнитную проницаемость железа проф. А. Г. Столетов в конце прошлого века.
Тогда он был еще молодым кандидатом. Определение законов намагничения железа — это была его докторская диссертация. Она называлась: «О функции намагничения железа».
«...изучение функции намагничения железа может иметь практическую важность при устройстве и употреблении как электромагнитных двигателей, так и тех магнитоэлектрических машин нового рода, в которых временное намагничение железа играет главную роль... Знание свойств железа относительно временного намагничения так же необходимо, как необходимо знакомство со свойствами пара для теории паровых машин». Так писал Столетов в своей работе.
На железное кольцо Столетов намотал ровным слоем несколько сотен витков изолированной медной проволоки и измерял, какой магнитный поток получается в железе при разных силах тока в обмотке.
Это — классическое исследование. Полученная Столетовым зависимость является основой для расчета всех приборов и аппаратов с магнитной цепью. Магнитную проницаемость всех материалов обычно сравнивают с магнитной проницаемостью воздуха. Последнюю величину принимают за единицу.
При очень малых значениях намагничивающего тока магнитная проницаемость железа невелика; сначала она быстро растет с ростом силы намагничивающего тока. Магнитный поток в железе растет быстрее, нежели порождающий его ток.
При определенной силе намагничивающего тока магнитная проницаемость железа и других ферромагнитных материалов достигает своего наибольшего значения. В зависимости от сорта материала это значение может равняться нескольким сотням, нескольким тысячам или даже десяткам тысяч.
С дальнейшим увеличением силы намагничивающего тока магнитная проницаемость падает. Наступает насыщение материала магнитным потоком. Для разных материалов насыщение наступает при разных силах намагничивающего тока, но при очень больших значениях этого тока в очень сильных магнитных полях магнитная проницаемость всех без исключения ферромагнитных материалов становится почти равной проницаемости воздуха. Меньше единицы магнитная проницаемость не становится.
Кривую зависимости магнитного потока от тока можно разделить на два участка: начальный, на котором поток круто растет с током, и конечный, где поток медленно увеличивается. Между этими двумя участками находится колено.
Во многих магнитных аппаратах ферромагнитные материалы используются только до насыщения. Рабочий участок характеристики не доходит до колена. Но в ряде конструкций специально используется явление насыщения. Таковы, например, пиковые трансформаторы, которые деформируют плавную кривую напряжения, превращают ее в остроконечный импульс. В подобных устройствах используется часть характеристики, далеко уходящая за колено.
2-23. Магнитодиэлектрики
Железо образует с окисью углерода очень ядовитое соединение, называемое карбонилом железа. Это соединение нестойко. При нагреве оно разлагается, и железо выделяется в виде порошка, такого мелкого, что может самопроизвольно загореться на воздухе. Поэтому такое железо часто называют «пирофорным» — самозагорающимся.
Рис. 2-15. Катушка колебательного контура от радиоприемника или маломощного передатчика для частот до 40 млн. Гц (продольный разрез).
1 — обмотка из медной проволоки; 2 — каркас из высокочастотной керамики; 3 — сердечник из магнитодиэлектрика, снабженный винтовой нарезкой. При поворачивании сердечника он перемещается относительно катушки и тем меняет ее индуктивность. Подобным образом подстраивают колебательный контур на заданную волну. Такую катушку часто называют «коротковолновый подстроечник». Подобные катушки имеют малые габариты и достаточно хорошую добротность, т. е. отношение индуктивного сопротивления к сопротивлению потерь. Это отношение может достигать 100.
Этот железный порошок можно смешать с изоляционным материалом так, что каждую крупинку размером в микроны будет обволакивать изоляционная пленка. Из получившейся массы можно прессовать различные изделия. Электрический ток они проводить не будут, так как проводящие железные крупинки заключены в изоляционную оболочку. Но для магнитного потока этот материал будет представлять все же меньшее сопротивление, чем простой диэлектрик. Магнитный поток будет проходить от одной железной крупинки к другой сравнительно короткий путь. Магнитная проницаемость такого материала может достигать нескольких десятков. Иногда крупинки получают другим путем, например путем простого механического размола ферромагнитных сплавов, которые в этом случае специально делают хрупкими. Иногда пытаются сделать не круглые, а удлиненные крупинки, чтобы они плотнее прилегали одна к другой и были бы ориентированы по направлению магнитного потока. Такой материал имеет еще большую магнитную проницаемость.
Все подобные материалы, не проводящие тока, но имеющие повышенную проницаемость для магнитного потока, называются магнитодиэлектриками. Они применяются для проведения быстропеременных магнитных потоков.
Чем выше частота магнитного потока, тем более интенсивные электронные вихри он может возбудить во всяком проводящем теле. Но в отдельной маленькой крупинке вихревым токам не разгуляться. Крохотные электронные вихри очень слабы и потребляют мало мощности. Изоляционный слой не позволяет вихревым токам перейти из одной крупинки в другую. Правда, при плохом изготовлении крупинки могут слипаться в комочки, не изолированные внутри, и в таком материале потери будут велики, так как получатся большие электронные вихри.
В хорошо изготовленном магнитодиэлектрике потери малы даже при пронизывании его магнитным потоком с частотой несколько мегагерц.
Из таких материалов делают сердечники к катушкам радиоприемников. Катушки получаются маленьких размеров. Можно применять такие сердечники и для настройки. Глубже вдвигая сердечник в катушку, увеличивают ее индуктивность — увеличивают длину волны, на которую настроен контур с этой катушкой.
Но для сильноточной высокочастотной электротехники катушки с ферромагнитными сердечниками не применяются. Слишком дорогую цену потерями и весом приходится платить за проведение магнитного потока.
В сильноточных установках, начиная с частоты в несколько килогерц, предпочитают проводить магнитный поток через воздух.
2-26. Гистерезис
На рис. 2-14 показана кривая изменения магнитного потока в стали при изменении тока в охватывающей эту сталь катушке. Эта кривая намагничивания идет точно из начала координат. Ток равен нулю, и магнитный поток также равен нулю. Но такую кривую от начала координат и вверх до большого намагничения можно пройти только куском стали, который до этого не бывал ни в каких магнитных полях, который сразу после изготовления был помещен в намагничивающую катушку, не имеет никакой магнитной «предыстории». Кривая на рис. 2-14 — это начальная кривая, «девственная кривая», как ее еще иногда называют.
Рис. 2-16. Характерные петли гистерезиса.
I — материал с большим остаточным намагничением — высококоэрцитивный материал; II — высокопроницаемый материал; III — материал с постоянной проницаемостью; Οz — начальная кривая намагничивания, Оу — остаточная индукция, отрезок Ох характеризует задерживающую или, как ее еще называют, коэрцитивную силу магнитного материала. Чем отрезок Ох больше, тем «тверже» магнитный материал.
При уменьшении тока, возбуждающего в стали магнитный поток, поток этот падает по другой кривой, нежели по которой он нарастал. Изменение потока отстает от изменений тока. Это отставание называется греческим словом гистерезис.
Намагничивающий ток становится равен нулю, но магнитный поток сохраняет еще какое-то положительное значение. Это остаточное намагничение. Чтобы привести магнитный поток в стали к нулю, надо дать намагничивающему току некоторое отрицательное значение, т. е. пустить ток в намагничивающей катушке в направлении, обратном первоначальному. Усиливая этот обратный ток, можно затем перемагнитить сталь, довести магнитный поток до большого значения, но уже в обратном направлении. Вновь ослабляя ток, получим снова отставание потока.
Рис. 2-17. Петли гистерезиса для углеродистой стали (с содержанием 0,9% углерода) в закаленном и нормализованном (мягком) состоянии.
В зависимости от режима охлаждения сталь ведет себя, как твердый или как мягкий магнитный материал. Резкое охлаждение — закалка сообщает стали и механическую, и магнитную твердость.
Зависимость магнитного потока от тока на графике имеет вид петли — это петля гистерезиса. Форма и размеры этой петли и отличают магнитно-мягкие материалы от магнитно-твердых.
У магнитно-мягких материалов петля гистерезиса невелика. Магнитно-мягкий материал считается тем лучше, чем меньше площадь, охваченная петлей гистерезиса. Назначение магнитно-мягких материалов — проводить переменный магнитный поток, а малая площадь петли гистерезиса соответствует малым потерям на перемагничивание. У самых лучших, самых магнитно-мягких материалов не удается получить потери на перемагничивание меньше полупроцента от запасаемой в магнитном потоке энергии. Применение стального сердечника всегда сопряжено с потерями. Поэтому в высокочастотных установках, где запасы энергии в переменных потоках во много раз превышают полезную мощность, отказываются от сердечников. Посылают магнитный поток через воздух, в котором нет потерь на перемагничивание.
2-27. Намагничение
В старинные времена полосы из закаленной стали натирали кусками природного магнита — магнитного железняка. Так можно получить только слабое намагничение. В настоящее время изделия из магнитно-твердых сплавов намагничивают, помещая их вблизи проводников с сильным током. Нет надобности долго пропускать этот намагничивающий ток. Достаточен один мощный толчок тока. Все элементарные магнитики в стальном изделии приходят в упорядоченное положение. Намагничение остается и после прекращения тока. Иногда для получения такого толчка тока
Рис. 2-18. Магнитный стерженек помещен вблизи токонесущего проводника.
По остаточному намагничению стерженька судят о максимальном значении импульса тока в проводнике.
пользуются специальной аккумуляторной батареей. Существуют также конденсаторные намагничивающие аппараты. Большой конденсатор заряжается до высокого напряжения, а потом разряжается на первичную обмотку трансформатора. Вторичная обмотка этого трансформатора состоит из одного витка, на который насаживается магнит. При разряде конденсатора по вторичному витку проходит волна тока, которая и производит намагничивание.
Постоянные магниты требуются самой разнообразной конструкции, и намагничивающему проводнику приходится придавать для разных магнитов разную форму. В электрических счетчиках, например, стоят тормозные магниты, у которых между полюсами — узкий зазор лишь в несколько миллиметров. В этом зазоре вращается алюминиевый диск счетчика. Намагничивающий проводник в этом случае имеет вид узкой медной полосы. Для громкоговорителей применяются постоянные магниты в виде толстостенного цилиндра. Их можно намагничивать в цилиндрической же катушке или устанавливая их между полюсами электромагнита.
Сильно намагниченный искусственный магнит очень чувствителен ко всяким толчкам и ударам. От этого его намагничивание слабеет. Ослабляет магнитную силу также касание и отрыв от магнита ферромагнитных деталей.
Часто производят искусственное старение постоянных магнитов — вносят их в переменное магнитное поле, трясут, нагревают (до не слишком высокой температуры, 200—300°С). Этими приемами намагничение ослабляется. Но выдержавший старение магнит более устойчив в работе.
Явление намагничения иногда используется для измерения сильных волн тока. Из хромистой стали делают маленькие стерженьки и помещают их вблизи проводника, по которому ожидается прохождение большой волны тока. Стерженек намагничивается до величины, определяемой амплитудой (максимальным значением) тока. Потом стерженек помещают в магнетометр, который это намагничение измеряет.
Такие стержни — ферромагнитные регистраторы — применяются в СССР для измерения токов молний. Стерженьки эти крепятся на опорах линий передач, после грозы их снимают и на магнетометре устанавливают, ударяла ли молния в эту опору и какой величины был ее ток. Так регистрируются токи в сотни тысяч ампер. Практически можно получить точность измерений до 5%.
2-28. Выявление пороков
Когда в намагничиваемом стальном изделии имеются трещинки или неоднородности, то течение магнитного потока в этом месте искажается. Таким путем можно обнаружить самые мелкие дефекты. Много советских изобретателей и ученых работало над развитием магнитной дефектоскопии. В настоящее время этот метод применяется во многих отраслях народного хозяйства СССР. Методы магнитной дефектоскопии очень разнообразны. Приготовляют например, взвесь очень тонкого ферромагнитного порошка (окиси железа) в масле или керосине. В эту жидкость помещают намагниченное стальное изделие. Если где есть трещинки, то вблизи них магнитные линии искривляются, сгущаются. Сюда налипает магнитный порошок.
А можно искать пороки в стали совсем по-иному. Катушка с переменным током направляет в сталь переменный поток. В приборе есть еще другие (поисковые) катушки, которые ловят выходящий из стали поток. С поисковыми катушками прямо или через усилитель соединен указатель. Когда поток однороден, то указатель стоит на нуле, если же форма потока из-за трещинок искажается, то указатель сигнализирует об этом. Такой способ имеет огромную производительность.
Рис. 2-19. Одна из применявшихся схем для обнаружения магнитным способом дефектов в рельсах.
Вдоль пути катится тележка, на которой установлены два возбуждающих электромагнита 1. Позади возбуждающих электромагнитов расположены индикаторные катушки 2. Они контролируют остаточное намагничение. Напряжение, возникающее в индикаторных катушках, подается на усилители, а оттуда на обмотки реле 3 и 4, которые управляют перьями; эти перья делают пометки на равномерно движущейся бумажной ленте.
В СССР были созданы путевые дефектоскопы, которыми можно проверять рельсы, уложенные в дороге. На легкой тележке укрепляется рама с катушками, которые скользят вдоль рельса. Тележка быстро катится по дороге. При наличии дефекта поисковая катушка дает сигнал. В тележке перо на бумажной ленте делает заметку. Одновременно автоматически приводится в действие электромагнит, который открывает клапан от резервуара с краской. В месте дефекта на рельс наносится цветная метка. Нет надобности останавливать тележку над каждым дефектом. Можно проехать большой участок, потом, просмотрев бумажную ленту с записями, установить, есть ли на участке дефекты, а по красочным меткам найти местоположение этих дефектов.
2-29. Размагничивание
Портные часто пользуются намагниченными ножницами. Упадет иголка или булавка, и нет надобности светить под стол, ползать в поисках. Достаточно провести ножницами по полу — и все стальное к ним прилипло.
Хороши еще намагниченные отвертки. Ими удобнее завинчивать мелкие железные винты. Но бывают случаи, когда намагничение вредно. Стальные детали машин намагничиваются, когда их во время обработки (например, шлифовки) укрепляют на магнитных плитах. Потом в работе к таким деталям липнут частицы стали и окалины — это может увеличить износ машины, нарушить правильность ее действия. Часто после обработки »в магнитных плитах стальные детали подвергаются специальному размагничиванию.
Иногда приходится размагничивать часы, подвергнувшиеся сильному магнитному воздействию. В прежние времена в карманных часах делали стальной волосок. При намагничивании ход часов резко нарушался. В современных часах волосок балансира делают обычно из немагнитного материала. Ему не грозит опасность намагничения. Но ходовая пружина стальная. Когда она намагнитится, это может отразиться на точности хода.
Чтобы размагнитить стальное изделие, недостаточно дать ему однократный магнитный толчок в направлении противоположном, чем то, в котором он намагничен. При таком однократном толчке в стали всегда останется остаточное намагничение. Надо много раз проходить взад и вперед петлю гистерезиса, все уменьшая и уменьшая ее размах. Тогда наконец можно попасть в нулевую точку — освободить сталь от всякого остаточного магнетизма.
Есть такой способ размагнитить часы. Их подвешивают на веревочке, которую предварительно закручивают. Подносят часы к сильному магниту и пускают их вертеться. При каждом обороте часы перемагничиваются. При этом медленно и плавно уносят крутящиеся часы от магнита. Перемагничения все ослабевают, и в конце концов часы должны размагнититься совсем.
Чтобы размагнитить детали после обработки на магнитных плитах, практически применяют такой способ: пускают по катушке переменный ток и вносят в нее размагничиваемое изделие. При вытаскивании оно оказывается размагниченным.
