научная статья по теме ЧАСТОТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ДИНАМИКИ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ КРИСТАЛЛОВ FE–3% SI ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ Физика

Текст научной статьи на тему «ЧАСТОТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ДИНАМИКИ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ КРИСТАЛЛОВ FE–3% SI ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 11, с. 1136-1142

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА

УДК 669.1782:537.623

ЧАСТОТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ДИНАМИКИ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ КРИСТАЛЛОВ Fe—3% Si ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ

© 2015 г. В. Ф. Тиунов

Институт физики металлов УрО РАН, 620137Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

e-mail: tiunov@imp.uran.ru Поступила в редакцию 11.12.2014 г. в окончательном варианте — 03.04.2015 г.

Исследованы особенности поведения доменной структуры монокристаллов Fe—3% Si, перемагни-чиваемых во вращающихся магнитных полях в интервале частотf = 20—250 Гц и амплитуд индукций Bm = 0.25—1.5 Тл. Установлено, что по мере увеличения частоты вращения поля непрерывно растет объем образца, перемагничиваемого смещением 90-градусных доменных границ внутренних С-до-менов. Наблюдаемая перестройка доменной структуры позволила качественно объяснить особенности изменения частотного хода магнитных потерь при вращательном перемагничивании образцов в исследуемом интервале индукций.

Ключевые слова: железо-кремнистые сплавы, магнитные потери, вращательное перемагничивание, частотная зависимость.

DOI: 10.7868/S001532301509017X

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время механизм перемагничива-ния магнитомягких материалов во вращающихся магнитных полях в широком интервале изменения индукций Вт ~ 0.20—1.90 Тл достаточно полно исследован лишь при невысоких частотах пе-ремагничивания/< 60 Гц. Наблюдаемый при этом немонотонный характер изменения магнитных потерь от амплитуды индукции на образцах желе-зокремнистых сплавов качественно объясняется наблюдаемыми особенностями динамики доменной структуры (ДС) [1, 2]. Число работ, связанных с исследованием частотного хода магнитных потерь на вращательное перемагничивание, весьма незначительно [3—5]. В работах [3, 4] на поликристаллических образцах Ре—3% 81 были изучены особенности частотного хода полных и вихрето-ковых потерь во вращающихся магнитных полях. Например, в работе [4] на образцах электротехнической анизотропной стали (сплав Бе—3% 81) была установлена нелинейная зависимость магнитных потерь за цикл перемагничивания от частоты вращения магнитного поля. При этом их полная величина при всех исследованных частотах превышала сумму измеренных гистерезисных и вычисленных "классических" потерь, в предположении однородного перемагничивания ферромагнетика. Это превышение авторы назвали "дополнительными" потерями и связывали их возникновение с наличием в образцах ДС, однако ее наблюдений не проводилось. В работе [5] на

монокристаллах Бе—3% 81 установлен также нелинейный частотный ход полных и вихретоковых потерь за цикл перемагничивания в интервале частот 20—250 Гц. Причем при небольших индукциях Вт < 1.0 Тл степень этой нелинейности была намного выше, чем при Вт > 1.0 Тл. Вычисленные при невысоких Вт с учетом наблюдаемых размеров ДС вихретоковые потери оказались намного ниже экспериментально найденных значений. Это расхождение в величине потерь и причины их нелинейного роста с частотой, при небольших ее значениях (/ < 50 Гц), были качественно объяснены особенностями динамики ДС образцов. Однако при повышенных частотах перемагничивания во вращающихся магнитных полях динамика ДС образцов до настоящего времени не исследовалась. Между тем эти сведения необходимы как для объяснения особенностей изменения частотного хода потерь при повышенной частоте пере-магничивания, так для целенаправленного поиска путей снижения их уровня в широком частотном диапазоне. В поликристаллических образцах наблюдаемый характер изменения ДС отдельных кристаллитов существенно зависит от ориентации намагниченности в соседних кристаллитах [6]. Вследствие этого наиболее корректно и однозначно выявить вклад динамики ДС в магнитные потери можно на монокристаллических образцах с простой 180-градусной ДС. В связи с этим в настоящей работе все исследования проводились на монокристалле Бе—3% 81 с поверхностью, близкой к кристаллографической плоскости типа

Рис. 1. Вид доменной структуры вблизи края образца: ДС1 — полосовая доменнаяструктура, ДС2 — каплевидные домены, ДС3 — замыкающая доменная структура — а. Модель доменной структуры [10] — б.

(110). Динамика ДС исследовалась в частотном диапазоне 20—350 Гц в интервале индукций 0.25— 1.50 Тл.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ

Все наблюдения ДС проводили на образце в форме диска диаметром 18.0 мм и толщиной 0.23 мм. Он был вырезан электроэрозионным способом из большого кристалла Бе—3% 81, поверхность которого имела отклонение на угол в ~ 2° относительно плоскости типа (110). Поверхность образца шлифовали и полировали алмазными пастами. Для снятия механических напряжений монокристалл отжигали в вакууме р = 2 х 10-5 мм рт. ст. при Т = 1050°С в течение 2 ч с последующим плавным охлаждением до комнатной температуры. Образец перемагничивался вращающимся магнитным полем, создаваемым двумя электромагнитами, магнитопроводы которых были ориентированы под углом я/2. Обмотки электромагнитов через фазосдвигающий конденсатор подключались к усилителю мощности, на вход которого подавался синусоидальный сигнал с генератора низкой частоты. Коэффициент формы изменения индукции йВ/& в магнитопроводах контролировался с помощью измерительных катушек на полюсах электоромагнитов и поддерживался при измерениях равным К = 1.11. ДС образца выявлялась магнитооптическим эффектом Керра, ее регистрация на отдельных циклах перемагничивания осуществлялась цифровой фотокамерой. Вид ДС образца фиксировался при различных углах а1 между направлением внешнего поля Н и направлением намагниченности образца 18. Съемка велась последовательно при а; = 0°, 20°, 40°, 60°...360°, то есть изменение ДС за полный пово-

рот магнитного поля относительно образца регистрировалось на 18 кадрах. Время экспозиции каждого кадра составляло 5 мкс и определялась длительностью вспышки импульсной осветительной лампы. Подробности методики получения вращающегося магнитного поля и регистрации ДС при вращательном перемагничивании образцов приведены в работах [7, 8].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1а приведен вид ДС небольшого участка вблизи края образца. Видно, что она состоит из относительно крупных полосовых доменов, разделенных 180-градусными доменными границами (назовем ее ДС1). Направление намагниченности 18, близкое к [001], в отдельных доменах отмечено стрелками.

Кроме того, на поверхности образца выявляется небольшое число мелких каплевидных доменов (ДС2). Согласно [9], они снижают магнитные поля рассеяния, обусловленные нормальной составляющей намагниченности 1п, возникающей из-за разориентации поверхности образца относительно плоскости (110) на угол в > 0. На участках вблизи краев диска имелась также замыкающая ДС3 в виде сравнительно узких доменов, направленных под углом 55°—60° к полосовым. Эти приповерхностные домены замыкают магнитный поток внутренних С-доменов, намагниченных вдоль кристаллографических направлений [100] и [010]. Модель ДС3 теоретически разработана ранее в [10], частный случай этой модели приведен на рисунке 1б. Рассмотрим некоторые детали этих модельных представлений, необходимые для понимания перестройки ДС, наблюдаемой в настоящей работе. На данном рисунке индексами "1", "2" обозначены полосовые домены с намаг-

Рис. 2. Изменение вида ДС f= 60 Гц, В = 1.5 Тл) в магнитном поле Н, направленном под углом а к оси легкого намагничивания: а - а = 0°, б - а = 90°, в - а = 180°.

ниченностью, ориентированной вдоль оси [001] (ДС1). Индексами "3", "4" отмечены С-домены, намагниченные вдоль направлений [010] и [100]. Магнитный поток этих доменов замыкается приповерхностными доменами "1'", "2'" (ДС3). Индексами "а'асс'" и "ёЪкп" обозначены 90-градусные границы, отделяющие полосовые домены 2 от С-доменов "3", "4". "аЪёе" -180-градусные границы между основными доменами 2 и приповерхностными 1'. Наконец, С-домены отделены от приповерхностных доменов 90-градусными границами "Ъкт", '^п" и "ЪтГё, "к^ш".

Проведенные в работе наблюдения ДС показали, что перемагничивание образцов при всех исследованных частотах 20-250 Гц при индукциях Вт < 1.0 Тл осуществлялось в основном смещением 180-градусных границ ДС1. Доля поверхности образца, перемагничиваемой границами доменов ДС3, была незначительна. Смещение 180-градусных границ ДС1 при индукциях 0.5 < Вт < 1.0 Тл сопровождалось дрейфом всех границ как единого целого: движением границ от одной из боковых сторон образца к его центральному участку. Подобное поступательное движением 180-градусных границ наблюдалось ранее на монокристаллах Бе-3% 81, перемагничиваемых также во вращающихся магнитных полях [11]. Наличие поступательного движения существенно затрудняет проведение измерений скоростей смещения 180-градусных границ, степени их изгиба по сечению образа и зависимостей этих параметров от условий перемагничивания образцов. С ростом частоты при рассматриваемых индукциях дробления ДС1 не наблюдалось, то есть число полосовых доменов в течение полного цикла перемагни-чивания оставалось неизменным. В целом, как показали наблюдения в настоящей работе, при невысоких индукциях (Вш < 1.0 Тл) поведение 180-градусных доменных границ с ростом частоты в исследованном интервале качественно не менялось.

Наибольший интерес представляет выявление особенностей динамики ДС от частоты вращающегося поля при повышенных амплитудах индукции (Вш > 1.0 Тл), при которых перемагничивают-ся магнитопроводы большинства всевозможных электрических машин и аппаратов. Сведения о поведении ДС необходимы для понимания механизмов формирования магнитных потерь и причин их нелинейного частотного хода, наблюдаемого при повышенных частотах и амплитудах индукции [3-5]. Проведение подобных исследований связано с трудностью обеспечения синусоидального изменения индукции в межполюсном пространстве при повышенных ее значениях. Вследствие этого, из-за ограниченных возможностей аппаратуры, применяемой в настоящей работе, максимальная величина индукции не превышала 1.5 Тл для всех исследованных частот перемагни-чивания.

Рассмотрим особенности поведения ДС образца при максимальной индукции. На рис. 2в ка

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком