Гальваноэффекты при упругом кручении железоникелевых проволок
А.
Н. ЛупикБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Лупик
А.
Н.,
Осяк
С.
А. Гальваноэффекты при упругом кручении железоникелевых проволок // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – Т. 20. – С.
841–845. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/54432.htm.
Аннотация. В статье приведены результаты комплексного воздействия внешних магнитных полей, упругих растягивающих сил и упругой деформации кручения на электросопротивление железоникелевых проволочных образцов, изготовленных из сплавов разного состава.
Ключевые слова:
гальваноэффекты, упругая деформация кручения, электросопротивление, железоникелевые сплавы
Текст статьи
Лупик Анатолий Николаевич,кандидат физикоматематических наук, доцент, Лесосибирскийпедагогический институт –филиалФГБОУ ВПО образования «Сибирский федеральный университет», г.Лесосибирск
Осяк Светлана Анатольевна,кандидат педагогических наук, доцент, Лесосибирскийпедагогический институт –филиалФГБОУ ВПО образования «Сибирский федеральный университет», г.Лесосибирск
grezauirta@mail.ru
Гальваноэффекты при упругом кручении железоникелевых проволок
Аннотация.Встатье приведены результаты комплексного воздействия внешних магнитных полей, упругих растягивающих сил и упругой деформации кручения на электросопротивлениежелезоникелевых проволочных образцов, изготовленных из сплавов разного состава.Ключевые слова:гальваноэффекты, упругая деформация кручения,электросопротивление, железоникелевые сплавы.
При упругом растяжении намагниченных до насыщения железоникелевых проволок наблюдаетсяизменение их удельного электросопротивления. Одна из называемых возможныхпричин наблюдаемого эффекта увеличение объема образца при его упругом растяжении, приводящее к уменьшению концентрации носителей заряда и влияющее на электронную структуру сплавов. Для подтверждения высказанного предположения мы проводили ряд экспериментов, когда образец, помимо наложения внешнего магнитного поля и упругих растягивающих напряжений, подвергали механическому воздействию в виде упругой деформации кручения. При упругом кручении поликристаллического образца в виде проволоки из сплава с 79,12 % никеля его электросопротивление увеличивается (рис. 1). Максимальный относительный угол кручения достигал величины 3π рад/м. При уменьшении угла кручения величина изменения электросопротивления уменьшается и достигает некоторого остаточного значения при относительном угле кручения примерно 0,7πрад/м. Уменьшение угла кручения до нуля и наложение упругого кручения обратного знака 3π рад/м вновь увеличивает электросопротивление. Циклическое наложение крутящего механического момента дает типичную гистерезисную кривую изменения электросопротивления ферромагнетика в форме «бабочки». В дальнейшем на образец предварительно накладывалась упругая растягивающая сила, создающая напряжения 5, 10 и 17 кг/мм2 (электросопротивлениерастянутого образца принимали за исходное, начальное); затем образец вновь упруго закручивали на угол 3π рад/м в разные стороны. Предварительное упругое растяжение образца уменьшает почти до нуля последующее изменение электросопротивления сплава при его кручении (рис. 1). Этот факт указывает на то, что в сплаве данного состава упругие растягивающие напряжения создают энергетически выгодные ориентации векторов спонтанной намагниченности доменов вдоль оси образца, а упругие напряжения, возникающие при кручении, не в состоянии вызвать их переориентацию. Аналогичная картина изменения электросопротивления сплава с 79,12 % никеля получена и при последовательности внешних воздействий магнитное поле упругое кручение (рис. 1).
Рис. 1. Влияние предварительно наложенных упругих растягивающих напряжений и магнитного поля Н на изменение электросопротивления сплава с 79,12 % никеля при кручении
Сильные магнитные поля ориентируют и закрепляют векторы спонтанной намагниченности доменов вдоль оси образца, а упругие напряжения при кручении не способны изменить их ориентацию. Изменения электросопротивления при упругом кручении намагниченного до насыщения ферромагнитного сплошного цилиндра из сплава с 79,12 % никеля практически не обнаружено, так как оно лежит в пределах ошибки измерений. Следовательно, искажение кристаллической структуры при упругом кручении проволоки из сплава данного состава не приводит к изменению её объёма и не изменяет электросопротивление, либо это изменение мало.
Данные исследования сплавов с 70,18 и 76,7 % никеля показывают, что в этих ферромагнетиках наложение предельных упругих растягивающих напряжений не в состоянии закрепить векторы спонтанной намагниченности доменов вдоль оси образцов: последующая упругая деформация при кручении вызывает изменение их электросопротивления (рис. 2 и 3).Магнитная природа этого изменения подтверждается исследованием изменения электросопротивления этих сплавов при последовательности внешних воздействий: внешнее магнитное поле –упругое кручение (рис.2и 3). Видно, что сильное магнитное поле закрепляет векторы спонтанной намагниченности доменов вдоль оси образца и последующее упругое кручение не приводит к увеличению электросопротивления. Более того, в полях насыщения при упругом кручении наблюдается небольшое по величине уменьшение электросопротивления образцов из сплавов с 70,18 и 76,7 % никеля. Рис. 2. Влияние предварительно наложенных упругих растягивающих напряжений и магнитного поля Н на изменение электросопротивления сплава с 76,7 % никеля при кручении
Д. Г. Пойнтингом было установлено [1], что при закручивании стальных и медных проволок они не только закручиваются, но также упруго удлиняются и увеличиваются в объеме. Удлинение проволоки примерно пропорционально квадрату угла закручивания;призаданном значении угла удлинение пропорционально квадрату радиуса. Эффект можно применить в некоторых
областях измерительной техники.Например, калибровка толщины проволоки:
радиальное сжатие с одновременным удлинением при упругом кручениицилиндрического образца приводит к малому изменениюэлектросопротивления проволоки, которое можно надежно измерить исвязать с изменением радиуса.
Рис. 3. Влияние предварительно наложенных упругих
растягивающих напряжений и магнитного поля Н на изменениеэлектросопротивления сплава с 70,18 % никеля при кручении
При упругом кручении намагниченных до насыщения проволок с содержанием 70,18 и 76,7 % никеля согласно эффекту Д.Г. Пойнтинга следует ожидать увеличения объёма образцов и, значит, уменьшения [1] их удельного электросопротивления за счет уменьшения концентрации электронов и изменений в электронной структуре. Опытные данные (рис. 2и 3) указывают на небольшие уменьшения электросопротивления [2] намагниченных до насыщения проволок с содержанием 70,18 и 76,7 % никеля при их упругом кручении. По описанной выше методике были проведены опыты по упругому кручению проволочных образцов других составов железа и никеля. Ниже приведены данные измерений для сплава с содержанием 50,22 % никеля (рис. 4). Видно, что упругое кручение отожженного проволочного образца приводит к увеличению [2] его электросопротивления, что может быть связано с изменением доменной структуры сплава. Предварительное наложение даже малых упругих растягивающих напряжений меняет знак изменения электросопротивления при упругом кручении. Это явление вполне объяснимо для сплава сположительной магнитострикцией: растягивающие напряжения ориентируют векторы спонтанной намагниченности доменов вдоль оси образца, а последующее кручение дает их разброс на некоторый угол относительно оси образца, что приводит к уменьшению электросопротивления, величина которогозависит от величины растягивающей силы. Ход кривых довольно сложный, так как отражает борьбу двух процессов деформации –растяжения и кручения. Трудно сказать,какой из двух видов деформации более сильный в плане влияния на доменную структуру исследуемого
сплава. Можно было бы увеличивать и дальше растягивающие усилия, но
появляется опасность пластической деформации и её влияния на
электросопротивление.
Рис. 4. Влияние упругих растягивающих напряжений на изменение электросопротивления сплава с 50,22 % никеля при кручении: 1 –0; 2 –2,5; 3 –7; 4 –12 кг/мм2
Следующим этапом внешних воздействий явилось наложение продольного внешнего магнитного поля различной напряженности с последующим упругим кручением проволоки. Электросопротивление намагниченного сплава принимали за начальное и от него отсчитывали изменение Rпри упругом кручении.Увеличение напряженности магнитного поля от 6 эрстед (кривая 1 рис. 5) до напряженности поля технического насыщения (кривая4) не изменяет знака изменения электросопротивления при последующем упругом кручении, т.е. оноуменьшается.Если при объяснении хода кривых 1,2 и 3 можно привлекать изменение доменной структуры, то кривая 4, полученная [2] в полях технического насыщения, когда векторы спонтанной намагниченности доменов закреплены полем вдоль оси образца, отражает уменьшение электросопротивления сплава при упругом кручении как за счет эффекта Пойнтинга, так и за счет структурных изменений γ ↔ α.
Рис. 5. Влияние магнитного поля Н на изменение электросопротивления сплава с 40,12 % никеля при кручении: 1 − 6; 2 − 100 ; 3 –200; 4 –500 –750 эрстед
На рисунках 6и 7представлены результаты исследования по изменению электросопротивления при упругом кручении проволочного образца из сплава с 36 % никеля. На первом этапе измерений проволока предварительно была упруго растянута разной по величине силой, а затем подвергалась упругому кручению. Электросопротивление растянутой проволоки принимали за исходное, а от него отсчитывали эффект изменения R при упругом кручении. Для этого сплава независимо от величины растягивающей силы упругое кручение приводит к уменьшению электросопротивления.Рис. 6. Влияние упругих растягивающих напряжений на изменение электросопротивления сплава с 36 % никеля при кручении: 1 –0 (Н=0); 2 –10;3 –20 кг/мм2
Рис. 7. Влияние магнитного поля Н на изменение электросопротивления сплава с 36 % никеля при кручении: 1 –4000; 2 − 8000 ; 3 –80000 А/мНа втором этапе измерений исследуемый образец помещали в магнитное поле разной напряженности, а затем подвергали упругому кручению. Электросопротивление намагниченной проволоки принимали за исходное, а от него отсчитывали эффект изменения R при упругом кручении. При всех значениях напряженности магнитного поля упругое кручение приводит к уменьшению электросопротивления, сплав ведет себя как ферромагнетик с положительной магнитострикцией. Сплав исследуемого состава называют классическим инваром, ему присущи многочисленные аномалии физических свойств. Большое по величине (по сравнению с другими сплавами) уменьшение электросопротивления при упругом кручении намагниченного до насыщения образца можно считать ещё одной аномалией электрических свойств. Полученное в опыте уменьшение R при упругом кручении намагниченного до насыщенияпроволочного образца можно связать с эффектом Пойнтинга и структурными изменениями γ ↔ α.Изменение электросопротивления намагниченных до насыщения образцов при их упругом кручении–все эти явления необходимо учитывать при исследовании магнитострикции, термо и гальваноэффектов в ферромагнетиках.
Ссылки на источники1.Салимов М. Указатель физических эффектов в изобретательстве. URL: htpp://msalimov.narod.ru/Fizeffekt.htm(дата обращения 15.10.2011).2.Лупик А.Н. Температурная зависимость гальваноэффектов в инварной области системы железоникель // Физика магнитных материалов: сб. научных трудов / Иркутский гос. пед. инт. Иркутск, 1984. С. 118 –122; Его же. Электросопротивление железоникелевых пермаллоев при упругом кручении / Лесосибирский гос. пед. инт. Лесосибирск. 1985. 8 с. Деп. в ВИНИТИ.№692885; Его же. Электросопротивление железоникелевых проволок при упругом кручении и растяжении / Лесосибирский гос. пед. инт. Лесосибирск, 1990. 7 с. Деп. в ВИНИТИ.№619690.
Anatoly LupikCandidate of physicomathematical sciences, professorLesosibirsky Pedagogical Institute a branch of the Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education " Siberian Federal University " g.LesosibirskOsyak SvetlanaPh.D., Associate ProfessorLesosibirsky Pedagogical Institute a branch of the Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education " Siberian Federal University " g.Lesosibirskgrezauirta@mail.ruGalvanoeffekty in elastic torsional ironwireAbstract:This article presents the results of a comprehensive external magnetic fields, elastic tensile strength and elastic torsional strain on the electrical resistivity of ironwire samples made from alloys of different composition .Keywords:galvanoeffekty, elastic torsional strain, electrical resistance, nickeliron alloys
Осяк Светлана Анатольевна,кандидат педагогических наук, доцент, Лесосибирскийпедагогический институт –филиалФГБОУ ВПО образования «Сибирский федеральный университет», г.Лесосибирск
grezauirta@mail.ru
Гальваноэффекты при упругом кручении железоникелевых проволок
Аннотация.Встатье приведены результаты комплексного воздействия внешних магнитных полей, упругих растягивающих сил и упругой деформации кручения на электросопротивлениежелезоникелевых проволочных образцов, изготовленных из сплавов разного состава.Ключевые слова:гальваноэффекты, упругая деформация кручения,электросопротивление, железоникелевые сплавы.
При упругом растяжении намагниченных до насыщения железоникелевых проволок наблюдаетсяизменение их удельного электросопротивления. Одна из называемых возможныхпричин наблюдаемого эффекта увеличение объема образца при его упругом растяжении, приводящее к уменьшению концентрации носителей заряда и влияющее на электронную структуру сплавов. Для подтверждения высказанного предположения мы проводили ряд экспериментов, когда образец, помимо наложения внешнего магнитного поля и упругих растягивающих напряжений, подвергали механическому воздействию в виде упругой деформации кручения. При упругом кручении поликристаллического образца в виде проволоки из сплава с 79,12 % никеля его электросопротивление увеличивается (рис. 1). Максимальный относительный угол кручения достигал величины 3π рад/м. При уменьшении угла кручения величина изменения электросопротивления уменьшается и достигает некоторого остаточного значения при относительном угле кручения примерно 0,7πрад/м. Уменьшение угла кручения до нуля и наложение упругого кручения обратного знака 3π рад/м вновь увеличивает электросопротивление. Циклическое наложение крутящего механического момента дает типичную гистерезисную кривую изменения электросопротивления ферромагнетика в форме «бабочки». В дальнейшем на образец предварительно накладывалась упругая растягивающая сила, создающая напряжения 5, 10 и 17 кг/мм2 (электросопротивлениерастянутого образца принимали за исходное, начальное); затем образец вновь упруго закручивали на угол 3π рад/м в разные стороны. Предварительное упругое растяжение образца уменьшает почти до нуля последующее изменение электросопротивления сплава при его кручении (рис. 1). Этот факт указывает на то, что в сплаве данного состава упругие растягивающие напряжения создают энергетически выгодные ориентации векторов спонтанной намагниченности доменов вдоль оси образца, а упругие напряжения, возникающие при кручении, не в состоянии вызвать их переориентацию. Аналогичная картина изменения электросопротивления сплава с 79,12 % никеля получена и при последовательности внешних воздействий магнитное поле упругое кручение (рис. 1).
Рис. 1. Влияние предварительно наложенных упругих растягивающих напряжений и магнитного поля Н на изменение электросопротивления сплава с 79,12 % никеля при кручении
Сильные магнитные поля ориентируют и закрепляют векторы спонтанной намагниченности доменов вдоль оси образца, а упругие напряжения при кручении не способны изменить их ориентацию. Изменения электросопротивления при упругом кручении намагниченного до насыщения ферромагнитного сплошного цилиндра из сплава с 79,12 % никеля практически не обнаружено, так как оно лежит в пределах ошибки измерений. Следовательно, искажение кристаллической структуры при упругом кручении проволоки из сплава данного состава не приводит к изменению её объёма и не изменяет электросопротивление, либо это изменение мало.
Данные исследования сплавов с 70,18 и 76,7 % никеля показывают, что в этих ферромагнетиках наложение предельных упругих растягивающих напряжений не в состоянии закрепить векторы спонтанной намагниченности доменов вдоль оси образцов: последующая упругая деформация при кручении вызывает изменение их электросопротивления (рис. 2 и 3).Магнитная природа этого изменения подтверждается исследованием изменения электросопротивления этих сплавов при последовательности внешних воздействий: внешнее магнитное поле –упругое кручение (рис.2и 3). Видно, что сильное магнитное поле закрепляет векторы спонтанной намагниченности доменов вдоль оси образца и последующее упругое кручение не приводит к увеличению электросопротивления. Более того, в полях насыщения при упругом кручении наблюдается небольшое по величине уменьшение электросопротивления образцов из сплавов с 70,18 и 76,7 % никеля. Рис. 2. Влияние предварительно наложенных упругих растягивающих напряжений и магнитного поля Н на изменение электросопротивления сплава с 76,7 % никеля при кручении
Д. Г. Пойнтингом было установлено [1], что при закручивании стальных и медных проволок они не только закручиваются, но также упруго удлиняются и увеличиваются в объеме. Удлинение проволоки примерно пропорционально квадрату угла закручивания;призаданном значении угла удлинение пропорционально квадрату радиуса. Эффект можно применить в некоторых
областях измерительной техники.Например, калибровка толщины проволоки:
радиальное сжатие с одновременным удлинением при упругом кручениицилиндрического образца приводит к малому изменениюэлектросопротивления проволоки, которое можно надежно измерить исвязать с изменением радиуса.
Рис. 3. Влияние предварительно наложенных упругих
растягивающих напряжений и магнитного поля Н на изменениеэлектросопротивления сплава с 70,18 % никеля при кручении
При упругом кручении намагниченных до насыщения проволок с содержанием 70,18 и 76,7 % никеля согласно эффекту Д.Г. Пойнтинга следует ожидать увеличения объёма образцов и, значит, уменьшения [1] их удельного электросопротивления за счет уменьшения концентрации электронов и изменений в электронной структуре. Опытные данные (рис. 2и 3) указывают на небольшие уменьшения электросопротивления [2] намагниченных до насыщения проволок с содержанием 70,18 и 76,7 % никеля при их упругом кручении. По описанной выше методике были проведены опыты по упругому кручению проволочных образцов других составов железа и никеля. Ниже приведены данные измерений для сплава с содержанием 50,22 % никеля (рис. 4). Видно, что упругое кручение отожженного проволочного образца приводит к увеличению [2] его электросопротивления, что может быть связано с изменением доменной структуры сплава. Предварительное наложение даже малых упругих растягивающих напряжений меняет знак изменения электросопротивления при упругом кручении. Это явление вполне объяснимо для сплава сположительной магнитострикцией: растягивающие напряжения ориентируют векторы спонтанной намагниченности доменов вдоль оси образца, а последующее кручение дает их разброс на некоторый угол относительно оси образца, что приводит к уменьшению электросопротивления, величина которогозависит от величины растягивающей силы. Ход кривых довольно сложный, так как отражает борьбу двух процессов деформации –растяжения и кручения. Трудно сказать,какой из двух видов деформации более сильный в плане влияния на доменную структуру исследуемого
сплава. Можно было бы увеличивать и дальше растягивающие усилия, но
появляется опасность пластической деформации и её влияния на
электросопротивление.
Рис. 4. Влияние упругих растягивающих напряжений на изменение электросопротивления сплава с 50,22 % никеля при кручении: 1 –0; 2 –2,5; 3 –7; 4 –12 кг/мм2
Следующим этапом внешних воздействий явилось наложение продольного внешнего магнитного поля различной напряженности с последующим упругим кручением проволоки. Электросопротивление намагниченного сплава принимали за начальное и от него отсчитывали изменение Rпри упругом кручении.Увеличение напряженности магнитного поля от 6 эрстед (кривая 1 рис. 5) до напряженности поля технического насыщения (кривая4) не изменяет знака изменения электросопротивления при последующем упругом кручении, т.е. оноуменьшается.Если при объяснении хода кривых 1,2 и 3 можно привлекать изменение доменной структуры, то кривая 4, полученная [2] в полях технического насыщения, когда векторы спонтанной намагниченности доменов закреплены полем вдоль оси образца, отражает уменьшение электросопротивления сплава при упругом кручении как за счет эффекта Пойнтинга, так и за счет структурных изменений γ ↔ α.
Рис. 5. Влияние магнитного поля Н на изменение электросопротивления сплава с 40,12 % никеля при кручении: 1 − 6; 2 − 100 ; 3 –200; 4 –500 –750 эрстед
На рисунках 6и 7представлены результаты исследования по изменению электросопротивления при упругом кручении проволочного образца из сплава с 36 % никеля. На первом этапе измерений проволока предварительно была упруго растянута разной по величине силой, а затем подвергалась упругому кручению. Электросопротивление растянутой проволоки принимали за исходное, а от него отсчитывали эффект изменения R при упругом кручении. Для этого сплава независимо от величины растягивающей силы упругое кручение приводит к уменьшению электросопротивления.Рис. 6. Влияние упругих растягивающих напряжений на изменение электросопротивления сплава с 36 % никеля при кручении: 1 –0 (Н=0); 2 –10;3 –20 кг/мм2
Рис. 7. Влияние магнитного поля Н на изменение электросопротивления сплава с 36 % никеля при кручении: 1 –4000; 2 − 8000 ; 3 –80000 А/мНа втором этапе измерений исследуемый образец помещали в магнитное поле разной напряженности, а затем подвергали упругому кручению. Электросопротивление намагниченной проволоки принимали за исходное, а от него отсчитывали эффект изменения R при упругом кручении. При всех значениях напряженности магнитного поля упругое кручение приводит к уменьшению электросопротивления, сплав ведет себя как ферромагнетик с положительной магнитострикцией. Сплав исследуемого состава называют классическим инваром, ему присущи многочисленные аномалии физических свойств. Большое по величине (по сравнению с другими сплавами) уменьшение электросопротивления при упругом кручении намагниченного до насыщения образца можно считать ещё одной аномалией электрических свойств. Полученное в опыте уменьшение R при упругом кручении намагниченного до насыщенияпроволочного образца можно связать с эффектом Пойнтинга и структурными изменениями γ ↔ α.Изменение электросопротивления намагниченных до насыщения образцов при их упругом кручении–все эти явления необходимо учитывать при исследовании магнитострикции, термо и гальваноэффектов в ферромагнетиках.
Ссылки на источники1.Салимов М. Указатель физических эффектов в изобретательстве. URL: htpp://msalimov.narod.ru/Fizeffekt.htm(дата обращения 15.10.2011).2.Лупик А.Н. Температурная зависимость гальваноэффектов в инварной области системы железоникель // Физика магнитных материалов: сб. научных трудов / Иркутский гос. пед. инт. Иркутск, 1984. С. 118 –122; Его же. Электросопротивление железоникелевых пермаллоев при упругом кручении / Лесосибирский гос. пед. инт. Лесосибирск. 1985. 8 с. Деп. в ВИНИТИ.№692885; Его же. Электросопротивление железоникелевых проволок при упругом кручении и растяжении / Лесосибирский гос. пед. инт. Лесосибирск, 1990. 7 с. Деп. в ВИНИТИ.№619690.
Anatoly LupikCandidate of physicomathematical sciences, professorLesosibirsky Pedagogical Institute a branch of the Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education " Siberian Federal University " g.LesosibirskOsyak SvetlanaPh.D., Associate ProfessorLesosibirsky Pedagogical Institute a branch of the Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education " Siberian Federal University " g.Lesosibirskgrezauirta@mail.ruGalvanoeffekty in elastic torsional ironwireAbstract:This article presents the results of a comprehensive external magnetic fields, elastic tensile strength and elastic torsional strain on the electrical resistivity of ironwire samples made from alloys of different composition .Keywords:galvanoeffekty, elastic torsional strain, electrical resistance, nickeliron alloys
