Магнитострикция

17.06.2019 г.

«Посвящается всем истинным любителям естествознания».

1. Вступление.

Эта работа в первую очередь предназначена для начинающих исследователей, хотя некоторые её моменты, возможно, могут быть интересны и для продвинутых исследователей. В этом ролике мы познакомимся с физическим явлением под названием магнитострикция и несколькими его проявлениями, представленными в этом ролике на опытах.

В предыдущих своих работах я упоминал о необходимости различать замкнутые и не замкнутые  системы. Это принципиально важно.

Для построения БТГ нужно создавать незамкнутые системы, чтобы иметь возможность получать в систему энергию извне. Для этой цели подходят катушки и конденсаторы, как с сосредоточенными, так и с распределёнными параметрами.

В некоторых моих работах были рассмотрены основные свойства катушек индуктивности и конденсаторов – ключевых элементов электрических БТГ.

Катушки индуктивности и конденсаторы с распределёнными параметрами могут иметь вид антенн самой разной конструкции для приёма и использования энергии, переносимой продольными волнами, распространяющимися в окружающей нас Мировой среде.

Катушки индуктивности, а также конденсаторы с сосредоточенными параметрами можно использовать для захвата и преобразования хаотической энергии, разлитой в окружающей среде, например для преобразования вездесущей тепловой энергии – в электрическую энергию и так далее. Известно, что уже давно созданы устройства, доказывающие возможность преобразования энергии намагничивания и размагничивания ферромагнетика в тепловую энергию. Теперь пришло время  сделать наоборот.

Чтобы успешно проводить опыты по захвату или преобразованию хаотической энергии окружающей среды, необходимо познакомиться с двумя физическими явлениями – феррорезонансом и магнитострикцией, с помощью которых можно было бы это осуществлять. С помощью них мы можем создать необходимые условия для резонансных явлений в веществе, при которых становится возможным взаимодействие ферромагнетика с окружающей средой.

В данном ролике опыты с явлением феррорезонанса проводиться не будут, а только с магнитострикцией.

2. Пьезоэлектричество и магнитострикция по отношению друг к другу – как брат и сестра

Все вещества и даже эфир в разной степени проявляют свойства пьезоэлектричества и магнитострикции. По отношению друг к другу эти явления взаимосвязаны и представляют две стороны единой среды - эфира, поэтому для полноты изложения обязательно надо сказать несколько слов об этих двух свойствах любого вещества.

Явление пьезоэлектричества представляет собой появление у тела электрического потенциала, в том случае, если оно подвергается механической деформации и, наоборот, тела, помещённые в электрическое поле, деформируются так, как если бы они специально подвергались механической деформации.

Под деформацией я подразумеваю изменение объёма или линейных размеров у физических тел.

Из всех естественных диэлектрических материалов, известных на Земле, кристалл кварца обладает самым заметным проявлением пьезоэлектричества. Человек научился искусственно создать материалы, у которых эффект пьезоэлектричества выражен в большей степени, чем у кварца, например, титанат бария и другие «экзотические» материалы, получившие в настоящее время в быту и технике широкое распространение. В качестве такого примера можно назвать пьезоэлемент, применяемый в обычной пьезозажигалке. Такие материалы обладают в тысячи раз более сильным эффектом пьезоэлектричества, чем кристал кварца.

Но в данной работе речь будет идти не о пьезоэлектричестве, а о явлении магнитострикции, которая проявляется в виде взаимосвязи напряжённости магнитного поля и механической деформации вещества, помещённого в магнитное поле.

При намагничивании изделий из ферромагнетиков происходит небольшое изменение их размеров вдоль направления приложенного магнитного поля в виде увеличения или уменьшения их длины при одновременном уменьшении или увеличении у них поперечного сечения, что напрямую зависит от строения кристаллической решетки ферромагнетика.

Понятно, что изменение размеров должно сопровождаться поглощением энергии ферромагнетиком извне, при этом в момент магнитострикции изменяется и магнитная проницаемость ферромагнетика.

Изменение размеров ферромагнетиков при намагничивании внешним полем сопровождается появлением в них напряжений и деформаций, препятствующих смещению доменных границ. Поэтому в слабых полях магнитострикция затрудняет процесс намагничивания (то есть магнитная проницаемость у ферромагнетиков снижается). Отсюда видно, что высокой магнитной проницаемостью обладают только те магнитные материалы, у которых наблюдаются малые значения магнитострикции и наоборот.

Явление изменения магнитной проницаемости при магнитострикции используется при создании разного рода устройств и датчиков, например, датчиков перемещения.

Если быть более точным, то изменение размеров ферромагнетика происходит не как попало, а преимущественно в направлении вектора магнитной индукции. Такую линейную магнитострикцию выражают через коэффициент магнитострикции – безразмерную величину, численно равную относительной деформации длины λ ферритового стержня,

где  – разница между конечной и начальной его длиной. Понятно, что коэффициент магнитострикции λ всегда меньше единицы. Изменение размеров у разных веществ происходит по-разному, поэтому знак коэффициента может быть как положительным, так и отрицательным. Ниже для сравнения представлены графики изменения размеров у трёх ферромагнетиков – железа, кобальта и никеля.

Из всех естественных ферромагнитных материалов только железо, никель и кобальт имеют сильно выраженные магнитострикционные свойства. Из этих трёх ферромагнетиков самый большой коэффициент магнитострикции – у никеля.

На графике выше видно, что в слабых магнитных полях железо сначала увеличивает свои размеры (положительный коэффициент магнитострикции), а при дальнейшем увеличении напряжённости поля – величина относительной деформации проходит через нуль, затем меняет знак: это означает, что железо начинает уменьшать свои размеры.

В отличие от железа, никель и кобальт при любой напряжённости магнитного поля могут только уменьшать свои размеры. На графике видно, что у никеля наибольшая скорость изменения размеров наблюдается лишь в определённом интервале напряжённости магнитного поля Н, после него изменение размеров у никеля почти останавливается.

У кобальта, наоборот, при росте напряжённости магнитного поля изменение длины происходит почти линейно, но выражено слабее, чем у никеля.

Из сплавов железа, никеля и некоторых других металлов изготавливают материалы, у которых величина магнитной проницаемости может достигать несколько миллионов единиц.

Из смеси окислов железа, алюминия, марганца, никеля и некоторых других химических веществ получают путём спекания ферримагнитные материалы, которые также обладают сильно выраженными магнитострикционными свойствами, при этом потери энергии при их перемагничивании значительно ниже, чем у железа или никеля из-за чрезвычайно малых токов Фуко.

За рубежом давно разработаны технологии и изготавливаются промышленностью ферромагнетики, у которых величина магнитострикции достигает гигантской величины, по сравнению теми, которые когда-то применялись в бытовой радиоаппаратуре. Материал, имеющий самую большую величину магнитострикции, называется Терфенол-Д. Из всех известных материалов этот сплав имеет самый высокий коэффициент магнитострикции, который при насыщении достигает 0,002 м/м.

Терфенол-Д – это сплав тербия, диспрозия и железа. Материал расширяется и сжимается в магнитном поле, имеет большую силу магнитострикции, высокую плотность энергии, низкую скорость продольной волны деформации и небольшой модуль Юнга.

Гальфенол – сплав железа с галлием, который тоже имеет огромную величину магнитострикции, но по сравнению с терфинолом-Д она у него меньше приблизительно в 8 раз.

Смотрите в Интернете статью на эту тему по ссылке: https://studfiles.net/preview/4288124/page:31/

Вот небольшая выдержка из этой статьи:

«…На рисунке ниже приведена типичная кривая намагничивания поликристаллического ферромагнетика, иллюстрирующая зависимость магнитной индукции В и магнитной проницаемости  μ ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля Н. Возрастание индукции под действием внешнего магнитного поля обусловлено двумя основными процессами: смещением доменных границ и поворотом магнитных моментов доменов. На кривой В = φ(Н) можно выделить четыре характерных области.

Область 1. Представляет собой область упругого (обратимого) смещения границ доменов. При этом происходит увеличение объема тех доменов, магнитные моменты которых образуют наименьший угол с направлением внешнего поля, а домены с ориентацией, не совпадающей с направлением магнитного поля, уменьшаются. Суммарная намагниченность образца становится отличной от нуля, что приводит к появлению магнитной индукции В и росту магнитной проницаемости μ. После снятия слабого внешнего поля доменные границы возвращаются в исходное состояние. При стремлении напряженности поля к нулю материал характеризуется начальной магнитной проницаемостью μн.

Область 2. Эта область характеризуется тем, что в области сильных полей смещение доменных границ носит необратимый характер. Процесс намагничивания идет более интенсивно, чем на начальном участке; кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну (участок сильного роста В). Этот участок кривой намагничивания характеризуется и ростом магнитной проницаемости вплоть до ее максимального значения μmax. При этом на кривой намагничивания появляются маленькие ступеньки. Процесс ступенчатого намагничивания ферромагнитного материала сопровождается излучением слабого электромагнитного поля и получил название эффекта Баркгаузена.

Область 3. По мере дальнейшего увеличения напряженного поля возрастает роль второго механизма намагничивания – механизма вращения, при котором магнитные моменты доменов из направления легкого намагничивания, образующего небольшой угол с полем, постепенно поворачиваются в направлении поля. Материал переходит в состояние технического насыщения (В → Вs). Поскольку на этом участке при увеличении напряженности поля индукция меняется слабо, то магнитная проницаемость уменьшается.

Область 4. Эта область технического насыщения. Магнитные моменты всех доменов в этой области ориентируются вдоль направления внешнего магнитного поля. Незначительное возрастание индукции на участке насыщения обусловлено увеличением намагниченности самого домена…».

Несмотря на отсутствие убедительной интерпретации механизма намагничивания ферромагнетиков, процесс намагничивания действительно условно можно разделить на четыре области, о которых необходимо знать и отдельно изучать эффекты, протекающие в каждой из этих четырёх областей.

Магнитострикция и механическая деформация ферромагнетика с последующим появлением у него магнитного поля – явления взаимообратные:

1) при помещении ферромагнетика в магнитное поле наблюдается прямой магнитострикционный эффект – в виде деформации ферромагнетика вдоль вектора магнитной индукции;

2) при механической деформации ферромагнетика наблюдается обратный магнитострикционный эффект, когда между двумя точками приложения силы возникает напряжённость магнитного поля, которая при этом может даже возбуждать в проводниках ЭДС.

Явление магнитострикции можно рассматривать как своего рода механическое резонансное явление, когда благодаря собственной упругости тело ферромагнетика вибрирует на частоте магнитострикции, растягиваясь и сжимаясь подобно пружине вдоль направления приложенного магнитного поля. Все виды ультразвуковых вибраторов основаны именно на этом простом принципе. Но если энергия деформации превышает порог прочности материала, то ферромагнетик ломается, то есть происходит отделение его некоторой части.

Для полноты информации надо отметить, что кроме явления магнитострикции существует сходное с ним явление – ферромагнитного резонанса (феррорезонанса), о котором уже выложен первый ролик на моём канале. Зависимость магнитострикции и феррорезонанса от частоты, как резонансных явлений, делает их похожими друг на друга, несмотря на принципиальную разницу этих двух похожих (с первого взгляда) физических явлений. Ниже вкратце сказано об их принципиальном отличии.

1. Явление магнитострикции возникает на частоте, которая определяется двумя параметрами – длиной ферромагнетика и скоростью распространения в нём продольной волны деформации.

Чаще всего деформация ферромагнетика проявляется в виде сокращение его длины, но бывает и увеличение длины. Причём, чем больше длина ферромагнитного образца, в котором распространяется продольная волна деформации, тем меньше частота, на которой проявится магнитострикция, и наоборот.

2. Явление феррорезонанса заключается в избирательном поглощении ферромагнетиком энергии магнитных колебаний, но только на определённых частотах, которые у феррорезонанса не связаны с его размерами, а совпадают с частотами прецессии магнитных моментов вращающихся вещественных зарядов ферромагнетика.

3. Физическая суть магнитострикции

Физическая суть явления магнитострикции заключается в том, что при воздействии на ферромагнетик магнитного поля, происходит изменение его размеров. Например, если на обмотку катушки индуктивности подать импульс тока, в ней возникает магнитный импульс. Если внутри такой катушки находится ферромагнетик, то в нём наводится магнитное поле, которое приводит к появлению в нём фронта деформации (в виде сокращения размеров ферромагнетика), который затем распространяется с большой скоростью от катушки вдоль материала ферромагнетика в направлении вектора индукции.

В случае, если индуктор (катушка, инициирующая магнитострикцию) располагается посередине стержня, то возникает два фронта деформации, которые будут распространяться в разные стороны одновременно вдоль стержня к его концам – границы двух сред. Дойдя до концов стержня, оба фронта отразятся от них и начнут своё движение в обратном направлении навстречу друг другу. Посередине стержня фронты встретятся и, не замечая друг друга, продолжат своё движение до противоположного конца стержня, и так далее. Такое встречное движение прямого и отражённого волнового фронта приводит к возникновению вдоль всей длины стержня стоячей волны деформации. Следовательно, явлению магнитострикции можно дать иное определение: явление возбуждения стоячих волн повторяющимися магнитными импульсами или синусоидальными магнитными колебаниями в материале ферритового стержня.

4. Характерные особенности явления магнитострикции

Необходимо отметить два неочевидных момента, которые всегда имеют место при магнитострикции.

     1. Независимо от того, какой именно импульс тока имеет место в катушке – положительный или отрицательный, любой из них будет приводить к деформации ферромагнетика, имеющую одинаковый знак и величину. При отсутствии постоянного магнитного поля, частота магнитострикции ферромагнетика будет всегда в два раза выше частоты, инициирующей магнитострикцию, которая всегда устанавливается автоматически в зависимости от двух параметров – длины стержня и скорости распространения фронта волны.

Если происходит изменение длины ферромагнетика, то немедленно происходит изменение длины продольной волны в ферромагнетике, поэтому, подгоняя под точный размер длину стержня, можно с большой точностью доводить частоту его магнитострикции до нужного значения.

     2. В простейшем случае, когда катушка индуктивности (индуктор) располагается посередине стержня, а инициирующая частота магнитострикции равна первой гармонике, то в ферритовом стержне устанавливаются стоячие волны, наподобие полуволнового резонанса. Другими словами, на участке стержня (находящегося внутри катушки индуктивности) будет наблюдаться узел стоячей волны деформации, а по его краям будут наблюдаться две пучности стоячей волны.

Отсюда, зная длину ферритового стержня (в нашем случае 200 мм) и скорость распространения фронта деформации в феррите (около 6000 м/сек), можно вычислить частоту первой гармоники, на которой проявится явление магнитострикции, которая в нашем случае составит:

f = 0.5  = 0.5  = 0.5  = 15000 Гц = 15 кГц

Наоборот, если скорость распространения фронта деформации в ферромагнетике неизвестна, то зная длину стержня и частоту, на которой начинают проявляться магнитострикционные свойства стержня, легко вычислить скорость распространения магнитной волны вдоль стержня.

Уже было сказано, что на первой гармонике (15 кГц) вдоль стержня уложится половина стоячей волны – по концам две пучности, а посередине узел. Следовательно, полная длина волны  будет иметь длину 400 мм. Это надо учитывать, чтобы правильно производить расчёты.

Так, скорость распространения фронта продольной деформации в стержне описывается формулой:

v =

где  λ – расстояние между двумя максимумами продольной волны (длина которой всегда будет в два раза больше, чем длина стержня), Т – период колебания, равный , за который волна деформации пробежит это расстояние. Поставим значения в формулу и получим:

v = 0,4м · 15кГц = 6 000 м/сек

Интересно то, что если мы возьмём стержень длиной не 200 мм, а 400 мм и проявим в нём магнитострикцию, то обнаружим, что длина стоячих волн увеличилась в два раза, а вдоль него по-прежнему располагается только половина волны.

Таким образом, частота, на которой у ферромагнетика начинает проявляться магнитострикция, зависит главным образом от его длины, вдоль которой собственно и производится подмагничивание стержня, при условии, что стержень находится в нормальных условиях.

Если у нашего стержня длиной 200 мм частота инициации магнитострикции находится около 15 кГц, то пластинка ферромагнетика толщиной 0,2 мм будет вибрировать на частоте около 15 МГц! И она действительно вибрирует на этой частоте, правда возбуждать в ней колебания придётся несколько по-другому. Странно только, что распространение волн называют звуковыми или ультразвуковыми, но только не продольными, каковыми, кстати, являются и сами звуковые волны, распространяющиеся в воздушной среде.

Осталось показать разницу между длинами продольной механической и электрической волны.

Вычислим длину волны деформации в ферритовом стержне на частоте его магнитострикции – 15 кГц:

λмстр = v/f = 6 000 м/сек : 15 000 Гц = 0,4 м = 400 мм,

где с – скорость света.

Что касается длины электрической волны, например, в длинной линии на этой же частоте, то её величина составит:

λэм = с/f = 300 000 000 м/сек : 15 000 Гц = 20 000 м,

где с – скорость света.

Таким образом, мы видим разницу между скоростями двух продольных волн – продольной волны распространения магнитной волны деформации в ферромагнетике и волны распространения возбуждения в атомах металлического проводника, которая меньше первой примерно в  50 000 раз. Этот факт важен, и его нужно учитывать в своих исследованиях.

От того, как деформирован ферромагнетик – сжат он или растянут, зависит величина его магнитной проницаемости. Это значит, что в местах узлов и пучностей стоячих волн, расположенных вдоль всей длины ферритового стержня, магнитная проницаемость феррита будет иметь разную величину. При этом неважно, какой формы сигнал будет возбуждать магнитное поле в стрежне – синусоидальный, прямоугольный и или любой другой. Процесс деформации стержня будет протекать почти так, как описано выше.

Здесь необходимо сказать несколько слов о поперечных волнах.

Любому физику хорошо известно, что поперечные волны могут возникнуть только в средах, находящихся в твёрдом агрегатном состоянии, при чём, в виде деформации скручивания-выпрямления этой среды. Сама поперечная волна распространяется в направлении перпендикулярном к плоскости, в которой осуществляется эта деформация, подобно ввинчиванию-вывинчиванию штопора. Иногда можно встретить другое название этой деформации – крутильные колебания. Этот факт доказывает преобладание в природе именно продольных волн деформации, а не поперечных, вездесущность и исключительность которых нам пытаются внушить. Для иллюстрации поперечных волн, распространяющихся в средах обычно прибегают к одной и той же иллюстрации, наподобие той, что приведена ниже.

Что мы видим на этой иллюстрации?

– Границу двух сред с различной плотностью, например, воздух-вода, и колебания на границе этих сред. Несмотря на то, что на рисунке написано поперечная волна, на самом деле эта волна называется не поперечной, а  поверхностной. Почему?

Во-первых, потому, что воздух и вода не являются средами в твёрдом агрегатном состоянии, следовательно, в них по определению поперечные волны возникать не могут.

Во-вторых, потому, что здесь не наблюдается деформация скручивания-выпрямления.

Волны, которые показаны на рисунке выше, могут возникать только на границе двух сред с различной плотностью. Причина их появления заключается в распространении в одной из двух сред продольных волн, производящих собой деформацию этой среды в виде сжатия-разряжения. Давайте разберёмся с этим подробнее.

Назовём активной среду, в которой распространяется продольная волна, а среду, которая деформируется, в результате прохождения над ней поверхностной волны – пассивной. Рассмотрим пример, когда в воздухе дует ветер, В данном случае воздух является активной средой. Порывы ветра представляет собой распространение в воздушной среде чередующихся друг за другом фронтов сжатия, за которыми следуют фронты разряжения.

Фронт сжатия создаёт зону повышенного давления, которая заставляет прилегающую поверхность пассивной среды локально находящуюся под фронтом сжатия деформироваться, вдавливаться внутрь среды (в данном случае – воды).

Фронт разряжения, наоборот, представляет собой зону пониженного давления, которая заставляет прилегающую поверхность пассивной среды, находящуюся под фронтом разряжения пониматься вверх или выгибаться наружу.

Таким образом, волны на поверхности двух сред являются своего рода индикаторами, проявляющими невидимые глазу чередующиеся друг за другом фронты сжатия и разряжения.

Исходя из этих рассуждений, надо сказать, что приводить подобные иллюстрации в учебниках по физике и называть их поперечными волнами – означает профанацию науки и позор для учёного мира. В этом случае надо не меня упрекать в распространении ложных знаний, как это делают некоторые посетители канала, а авторов таких учебников!

5. Опыты по регистрации явления магнитострикции

Переходим к практической части этой работы.

В этом ролике все опыты будут проводиться не с Терфенолом-Д или гальфенолом, а с обычным ферритовым стержнем от радиоприёмника советского производства, у которого достаточно хорошо выражено явление магнитострикции. Так что, если кто-то пожелает заняться самостоятельно исследованием явления магнитострикции, то такие ферритовые стержни ещё можно найти, вынув их из старых радиоприёмников советского производства.

Диаметр ферритового стержня равен 10 мм, длина – 200 мм.

На моём ферритовом стержне указана марка феррита 400НН (бывают и другие цифры), где 400 означает максимальную магнитную проницаемость. Это, конечно, незначительная величина магнитной проницаемости, по сравнению с современными материалами, тем не менее, и с этим стержнем вполне можно проводить некоторые опыты по магнитострикции.

Две литеры НН в марке стержня обозначают химические вещества, входящие в состав материала ферритового стержня, в частности, среди которых присутствует никель, обладающий, как уже было выше сказано, хорошо выраженными магнитострикционными свойствами.

Сразу хочу извиниться перед зрителями и слушателями за неточности, которую я допускаю в некоторых фрагментах в этом видео ролике, называя явление магнитострикции феррорезонансом.

Когда я начал снимать эти видеоматериалы, у меня была только одна цель – рассказать о явлении феррорезонанса.

Позже  я осознал, что, несмотря на внешнее сходство этих двух явлений, будет правильно разделить эти два явления, сделав упор отдельно на физической сути магнитострикции и феррорезонанса, что я и сделал. Да, оба явления сходны по конечному результату – резонансу, но причины, приводящие к нему различны.

Я решил не переснимать материал заново, а просто пояснить всем зрителям, что мной была допущена неточность, что в данном ролике все опыты основаны на явлении магнитострикции.

Для регистрации явления магнитострикции в ферромагнитном стержне соберём установку, показанную на фото.

Расположим лезвие таким образом, чтобы оно легко приходило в движение от малейшей вибрации. Когда ферритовый стержень начнёт вибрировать, то лёгкое стальное лезвие от ножа начнёт издавать громкий звук.

Смотрим видеофрагмент №1:

И так, никакой магнитострикции в опыте обнаружено не было. Почему?

Надо понять, что для регистрации явления на частоте магнитострикции необходимо обеспечить изначальную деформацию стержня путём подмагничивания ферромагнетика. В самом простом случае это можно сделать, если один из концов стержня поместить в постоянное магнитное поле.

На рисунке а) величина напряжённости магнитного поля Н0 как раз обозначает присутствие постоянного магнита, в поле которого находится ферритовый стержень.

На рисунке в) синусоида представляет поле подмагничивания стержня.

Для никеля, у которого в магнитном поле происходит сокращение длины, будет справедлив график, где величина l0 имеет отрицательное значение и стоит ниже оси абсцисс.

6. Подмагничивание

Подмагничиванием называется наложение постоянного магнитного поля на переменное магнитное поле.

Постоянное подмагничивание стержня приводит к тому, что в постоянном магнитном поле его размеры постоянно будут короче, чем вне магнитного поля.

Для желающих углубиться в тему магнитострикции я рекомендую прочесть  книгу «Простые опыты с ультразвуком», которую можно скачать по этой ссылке:

https://drive.google.com/file/d/1cSQXVzOdqCYIxvzoGLb__xmK0ahjmf3O/view?usp=sharing

Вот цитата из неё:

На рисунке виден постоянный магнит, притянутый к одному из торцов стержня. Если к постоянному магнитному полю добавить переменное магнитное поле, то оно попеременно будет то ослаблять действие постоянного магнита, то его усиливать, как это видно на нижнем графике, на рисунке в).

Когда суммарное магнитное поле, в которое помещён ферритовый стержень, ослабевает, то стержень удлиняется, а когда поле усиливается, то стержень укорачивается.

Характерной особенностью явления магнитострикции является то, что любое прикосновение к вибрирующему ферромагнетику немедленно нарушает резонансные колебания! Поэтому всегда ферромагнетик необходимо располагать так, чтобы, по крайней мере, один его конец был свободен, или крепления ферромагнетика были выполнены из упругого подвижного материала, например из силикона или мягкой резины.

Смотрим видеофрагмент №2:

7. Вибрация жидкости на торце стержня

Чтобы сделать видимыми вибрации изменения длины стержня достаточно поместить на его торец каплю воды, а сам стержень поместить в постоянное магнитное поле и включить подмагничивание.

На рисунке выше показаны колебания железного стержня в слабых магнитных полях. Это видно из того, что l0 имеет положительное значение. Для проведения опыта стержень через тонкую виброгасящую подкладку устанавливается вертикально на постоянный магнит, а вокруг стержня наматывается катушка индуктивности так, чтобы она нигде его не касалась. Затем  катушку подключают к генератору переменного синусоидального напряжения.

Как видно на фото справа, в тот момент, когда частота переменного магнитного поля совпадает с частотой магнитострикции стержня, то на гладкой поверхности жидкости немедленно появляется рябь, свидетельствующая о продольной вибрации стержня.

Смотрим видеофрагмент №4:

8. Подскакивание шарика в стеклянной трубке

Другой способ проявить и сделать видимыми вибрации стержня заключается в том, чтобы поместить на торец стержня жёсткий металлический шарик.

На фото видно, что на торце ферритового стержня лежит шарик, Когда стержень начинает вибрировать, шарик получает невидимые глазу настолько сильные импульсы, что начинает подскакивать высоко вверх.

Смотрим видеофрагмент №5:

9. Скольжение тяжёлого предмета

Уже было сказано, что при увеличении длины стержня происходит уменьшение его диаметра. На эффекте взаимосвязи продольных и поперечных колебаний построен данный опыт, где я показываю, что вибрирующий стержень может заставить не только высоко подпрыгивать шарик, но и передвигать тяжёлые предметы.

На фото показана катушка, намотанная медным проводом имеющая вес около 60 г, которая следка касается ферритового стержня. Изменяя частоту генератора в незначительных пределах, обмотка, подключённая к генератору, возбуждает в стержне вибрации, которые распространяясь вдоль стержня, заставляют его колебаться, а катушку перемещаться вперёд и назад.

Смотрим видеофрагмент №6:

10. Сломанный ферритовый стержень

Перед тем, как начинать опыты, необходимо иметь в виду, что ферритовый стержень очень хрупок и, если мощность сигнала генератора, возбуждающего магнитострикцию превысит Вт/см2, то ферритовый стержень самопроизвольно разделяется на две части и более.

Смотрим видеофрагмент №7:

11. Пучность продольной стоячей волны

Для полноты изложения скажу, что если достичь частоты первой гармоники и дальше продолжать увеличивать частоту колебаний в индукторе, то можно зарегистрировать вторую, третью гармонику и так далее. При этом узлы и пучности стоячих волн будут менять своё положение на стержне. Например, на второй гармонике (при условии, что возбуждающая катушка (индуктор) будет находиться посередине стержня) вдоль стержня будет наблюдаться уже два узла и три пучности и так далее. С увеличением числа гармоник интенсивность вибраций стержня будет снижаться по сравнению с первой гармоникой.

Важно понять, что узлы и пучности будут располагаться на стержне по-разному в зависимости от двух параметров:

1) местоположения на стержне индуктора;

2) частоты задающих колебаний.

Ниже представлены эпюры деформаций (изменения магнитной проницаемости) ферритового стержня, вибрирующего на разных гармониках.

На рисунке видны три варианта гармоник, когда на стержне располагается один, два и три узла, а также две, три и четыре пучности.

Смотрим следующий видеофрагмент №8:

12. Форма сигнала при магнитострикции

Осциллограммы колебаний при магнитострикции я привожу здесь лишь для полноты изложения. В следующем ролике я остановлюсь на них более подробно.

Смотрим следующий видеофрагмент №9:

13. Последовательный резонансный контур

Если индуктор расположить посередине стержня, то можно возбудить в нём магнитострикционные колебания, которые в свою очередь будут приводить к изменениям магнитной проницаемости стержня, в результате чего в последовательном колебательном контуре установятся резонансные колебания.

На фото видна обмотка, выполненная проводом в белой изоляции, которая соединена последовательно с конденсатором переменной ёмкости и лампой накаливания, образуя последовательный колебательный контур. Лампа накаливания используется в качестве индикатора тока в контуре.

В данном опыте мы наблюдаем параметрический резонанс. Если настроить этот колебательный контур на частоту магнитострикции, то можно обнаружить, что в колебательном контуре будут возбуждаться синусоидальные колебания.

Если дотронуться до вибрирующего ферритового стержня рукой, то механические вибрации стержня ослабевают, в результате перекрывается возможность передачи энергии в колебательный контур.

Смотрим следующий видеофрагмент №10:

14. Вывод

Ещё недавно произносить термин продольная волна было небезопасно для карьеры. Даже в книге, которую я рекомендовал для чтения в этом ролике постоянно речь идёт о распространении звука в феррите, даже если это частота достигает 1 МГц и более. Ну, какой, скажете Вы это звук, если его не слышно? Исходя из этого видно, что в словарном запасе отсутствовало такое понятие, как продольная волна, поэтому, чтобы его заменить прибегли к термину звуковая волна, конечно, по той причине, что звук и  деформация ферромагнетика одной природы и представляют собой продольные волны деформации среды. Но постепенно ситуация меняется и продольная волна начала завоёвывать внимание людей.

Благодаря проведённым опытам мы можем лучше узнать некоторые свойства ферромагнетиков. Это знание поможет нам по аналогии понять механизм распространения продольных волн в Мировой среде – эфире.

Продолжение следует.

Феррорезонанс

Источник

Контакты

Отправить сообщение: