4. Магнитные материалы. Химия радиоматериалов

4. Магнитные материалы

Магнитные материалы в электро и радиосвязи играют столь же важную роль, как проводниковые и диэлектрические материалы. В электрических машинах, трансформаторах, дросселях, электрорадиоаппаратуре и измерительных приборах всегда в том или ином виде используют магнитные материалы: в качестве магнитопровода, в виде постоянных магнитов или для экранирования магнитных полей.

Любое вещество, будучи помещенным в магнитное поле, приобретает некоторый магнитный момент М. Магнитный момент единицы объема называют намагниченностью J м:

J м =M/V. (4.1)

Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля:

J м =k м H, (4.2)

где k м – безразмерная величина, характеризующая способность данного вещества намагничиваться в магнитном поле и называемая магнитной восприимчивостью .

Первопричиной магнитных свойств вещества являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов, представляющие собой элементарные круговые токи, обладающие магнитными моментами. Такими токами являются орбитальные спины и орбитальное вращение электронов в атоме. Магнитные моменты протонов и нейтронов примерно в 1000 раз меньше магнитного момента электрона, поэтому магнитные свойства атома целиком определяются электронами, магнитным моментом ядра можно пренебречь.

4.1. Классификация веществ по магнитным свойствам

По реакции на внешнее магнитное поле и по характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно разделить на пять групп:

• диамагнетики;
• парамагнетики;
• ферромагнетики;
• антиферромагнетики;
• ферримагнетики.

Диамагнетики – магнитная проницаемость m меньше единицы и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электрона при внесении атома в магнитное поле.

Диамагнитный эффект является универсальным, присущим всем веществам. Однако в большинстве случаев он маскируется более сильными магнитными эффектами.

К диамагнетикам относят инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть и др.), большинство полупроводников и органических соединений. Диамагнетики – все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.

Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля.

Парамагнетики – вещества с m больше единицы, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля.

Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении.

Парамагнетики, помещенные в магнитное поле, втягиваются в него.

К числу парамагнетиков относятся: кислород, окись азота, щелочные и щелочно-земельные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.

Парамагнитный эффект по физической природе во многом сходен с дипольно-релаксационной поляризацией диэлектриков.

К ферромагнетикам относят вещества с большой магнитной проницаемостью (до10 6), сильно зависящей от напряженности внешнего магнитного поля и температуры.

Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях.

Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры Т° спонтанно возникает антипараллельная ориентация магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки

При нагревании антиферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Ce, Nd, Sm, Tm и др.)

К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Магнитная проницаемость у них высока и сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом – различные оксидные соединения, а главный интерес представляют ферриты.

Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, тогда как ферро- и ферримагнетики представляют собой сильномагнитные материалы и представляют наибольший интерес.

4.2. Магнитные характеристики материалов

Поведение ферромагнитного материала в магнитном поле характеризуется начальной кривой намагничивания:

Рис. 4.1. Начальная кривая намагничивания.

Показывающей зависимость магнитной индукции В в материале от напряженности магнитного поля Н.

Свойства магнитных материалов оценивают магнитными характеристиками. Рассмотрим основные из них.

4.2.1. Абсолютная магнитная проницаемость

Абсолютная магнитная проницаемость m а материала представляет собой отношение магнитной индукции В к напряженности магнитного поля Н в заданной точке кривой намагничивания для данного материала и выражается в Гн/м:

m а =В/Н (4.3)

Относительная магнитная проницаемость материала m есть отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной:

m =m а /m о (4.4)

μ 0 – характеризует магнитное поле в вакууме (m 0 =1.256637·10 -6 Гн/м).

Абсолютная магнитная проницаемость применяется только для расчетов. Для оценки же свойств магнитных материалов используют m, не зависящую от выбранной системы единиц. Ее называют магнитной проницаемостью. Магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля:

Рис. 4.2. Зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля.

Различают начальную m н и максимальную магнитную проницаемость m м. Начальную измеряют при напряженностях магнитного поля, близких к нулю.

Большие значения m н и m м показывают, что данный материал легко намагничивается в слабых и сильных магнитных полях.

4.2.2. Температурный коэффициент магнитной проницаемости

Температурный коэффициент магнитной проницаемости ТКm позволяет оценить характер изменения m в зависимости

ТК μ = (μ 2 - μ 1)/ μ 1 (Т 2 – Т 1)

Типичная зависимость μ от Т° приведена на рис.4.3.

Рис.4.3. Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от температуры

Т°, при которой μ падает почти до нуля называется температурой Кюри Т к. При Т > Т к процесс намагничивания расстраивается из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул материала, следовательно, материал перестает быть ферромагнитным.

Так, для чистого железа Т к = 768°C
для никеля Т к = 358°C
для кобальта Т к = 1131°C

4.2.3. Индукция насыщения

Индукция В s , характерная для всех магнитных материалов, называется индукцией насыщения (см.рис.4.4). Чем больше В s при заданной Н, тем лучше магнитный материал.

Если образец магнитного материала намагничивать, непрерывно повышая напряженность магнитного поля Н, магнитная индукция В тоже будет непрерывно возрастать по кривой начального намагничивания 1:

Рис.4.4. Петля гистерезиса магнитного материала

Эта кривая заканчивается в точке, соответствующей индукции насыщения В s . При уменьшении Н индукция тоже будет уменьшаться, но начиная с величины В m значения В не будут совпадать с начальной кривой намагничивания.

4.2.4. Остаточная магнитная индукция

Остаточная магнитная индукция В r наблюдается в ферромагнитном материале, когда Н=0. Для размагничивания образца надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на противоположное – Н. Напряженность поля, при которой индукция становится равной нулю, называется коэрцитивной силой Н с. Чем больше Н с, тем в меньшей степени материал способен размагничиваться.

Если после размагничивания материала намагничивать его в противоположном направлении, образуется замкнутая петля, которую называют предельной петлей гистерезиса – петля, снятая при плавном изменении напряженности магнитного поля от +Н до –Н, когда магнитная индукция становится равной индукции насыщения В s .

4.2.5. Удельные потери на гистерезис

Это потери P г, затрачиваемые на перемагничивание единицы массы материала за один цикл [Вт/кг]. Их величина зависит от частоты перемагничивания и значения максимальной индукции. Они определяются (за один цикл) площадью петли гистерезиса.

4.2.6. Динамическая петля гистерезиса

Она образуется при перемагничивании материала переменным магнитным полем и имеет большую площадь, чем статическая, т.к. при действии переменного магнитного поля кроме потерь на гистерезис возникают потери на вихревые токи и магнитное последействие (отставание по времени параметров от Н), которое определяется магнитной вязкостью материала.

4.2.7. Потери энергии на вихревые токи

Потери энергии на вихревые токи Р в зависят от удельного электрического сопротивления материала ρ. Чем больше ρ, тем меньше потери. Р в также зависят от плотности материала и его толщины. Они пропорциональны квадрату амплитуды магнитной индукции В m и частоты f переменного поля.

4.2.8. Коэффициент прямоугольности петли гистерезиса

Для оценки формы гистерезисной петли пользуются коэффициентом прямоугольности петли гистерезиса:

К п = В r /В m (4.6)

Чем больше К п, тем прямоугольнее петля. Для магнитных материалов, применяемых в автоматике и ЗУ ЭВМ, К п = 0.7-0.9.

4.2.9. Удельная объемная энергия

Это характеристика, применяемая доля оценки свойств магнитно-твердых материалов, выражается формулой:

W м = 1/2(B d ·H d), (4.7)

где B d и H d соответственно индукция и напряженность магнитного поля, соответствующие максимальному значению удельной объемной энергии (рис.4.5).

Рис.4.5. Кривые размагничивания и магнитной энергии

Чем больше объемная энергия, тем лучше магнитный материал и постоянный магнит, из него изготовленный.

4.3. Классификация магнитных материалов

Согласно поведению в магнитном поле все магнитные материалы делятся на две основные группы – магнитно-мягкие (МММ) и магнитно-твердые (МТМ). МММ характеризуются большими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемостью и малыми значениями коэрцитивной силы (меньше 4000 А/м). Они легко намагничиваются и размагничиваются, отличаются малыми потерями на гистерезис.

Чем чище МММ, тем лучше его магнитные характеристики.

МТМ обладают большой коэрцитивной силой (больше 4000А/м) и остаточной индукцией (больше 0.1 Тл). Они с большим трудом намагничиваются, но зато могут долго сохранять магнитную энергию, т.е. служить источниками постоянного магнитного поля.

По составу все магнитные материалы делятся на

1. металлические
2. неметаллические
3. магнитодиэлектрики.

Металлические магнитные материалы это чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов.

Неметаллические магнитные материалы – ферриты, получаемые из порошкообразной смеси окислов железа и окислов других металлов. Опрессованные ферритовые изделия подвергаются отжигу, в результате чего они превращаются в твердые монолитные детали.

Магнитодиэлектрики представляют собой композиционные материалы, состоящие из 60-80% порошкообразного магнитного материала и 40-20% диэлектрика.

Ферриты и магнитодиэлектрики отличаются от металлических магнитных материалов большими ρ(10 2 -10 8 Ом·м), от чего потери на вихревые токи малы. Это позволяет использовать их в высокочастотной технике. Кроме того, ферриты обладают большой стабильностью магнитных параметров в широком диапазоне частот (включая СВЧ).

4.4. Металлические магнитно-мягкие материалы

Основными магнитно-мягкими материалами, применяемыми в радиоэлектронной аппаратуре, являются карбонильное железо, пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремнистые стали.

4.4.1. Карбонильное железо

Представляет собой тонкодисперсный порошок, состоящий из частиц сферической формы диаметром 1–8 мкм.

μ н = 2500 – 3000
μ м = 20000 – 21000
Н с = 4.5 – 6.2 А/м

Его применяют при изготовлении высокочастотных магнитодиэлектрических сердечников.

4.4.2. Пермаллои

Пластичные железоникелевые сплавы с содержанием никеля 45–80%, легко прокатываются в тонкие листы и ленты, толщиной до 1 мкм. При содержании никеля 45–50% называются низконикелевыми, 60–80% - высоконикелевыми.

μ н = 2000 – 14000
μ м = 50000 – 270000
Н с = 2 – 10 А/м
ρ = 0.25 – 0.45 мкОм·м

Для улучшения магнитных характеристик в пермаллои вводят молибден, хром, кремний или медь, отжигают в водороде или вакууме, при помощи турбомолекулярных насосов.

Легированные пермаллои применяют для деталей аппаратуры, работающих на частотах 1–5 МГц. В магнитных усилителях применяют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса.

4.4.3. Альсиферы

Представляют собой нековкие, хрупкие сплавы, состоящие из 5.5–13% алюминия, 9–10% кремния, остальное – железо.

μ н = 6000 – 7000
μ м = 30000 – 35000
Н с = 2.2 А/м
ρ = 0.8 мкОм·м

Из него изготовляют литые сердечники, работающие в диапазоне до 50 кГц.

4.4.4. Низкоуглеродистые кремнистые стали

Представляют собой сплавы железа с 0.8–4.8% кремния, содержание углерода не более 0.08%. Это сравнительно дешевый материал. Введение большого количества кремния улучшает магнитные свойства материала, но повышает его хрупкость (поэтому кремния не более 4.8%).

Листы кремнистой стали изготавливают прокаткой заготовок в нагретом и ненагретом состояниях, поэтому различают горячекатанную и холоднокатанную сталь.

Улучшенные магнитные характеристики холоднокатанных сталей наблюдаются только при совпадении направления магнитного потока с напрвлением пркатки. В противном случае свойства горячекатанных сталей выше.

Таблица 4.1. Стали применяют в менее ответственных узлах РЭА.

Горячекатанная
холоднокатанная

4.5. Металлические магнитно-твердые материалы

По составу, состоянию и способу получения магнитно-твердые материалы подразделяются на:

1. легированные стали, закаливаемые на мартенсит;
2. литые магнитно-твердые сплавы;
3. магниты из порошков;
4. магнитно-твердые ферриты;
5. пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты.

Характеристиками материалов для постоянных магнитов служат коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная энергия, отдаваемая магнитом во внешнее пространство. Магнитная проницаемость материалов для постоянных магнитов ниже, чем МММ, причем чем выше коэрцитивная сила, тем меньше магнитная проницаемость.

4.5.1. Легированные стали, закаливаемые на мартенсит

Данные стали являются наиболее простым и доступным материалом для постоянных магнитов. Они легируются вольфрамом, хромом, молибденом и кобальтом. Величина W м для мартенситных сталей составляет 1–4 кДж/м 3 . В настоящее время мартенситные стали имеют ограниченное применение из-за невысоких магнитных свойств, но полностью от них не отказываются, т.к. они дешевы и допускают механическую обработку на металлорежущих станках.

4.5.2. Литые магнитно-твердые сплавы

Большую магнитную энергию имеют тройные сплавы Al-Ni-Fe, которые раньше называли сплавами альни . При добавлении кобальта или кремния в эти сплавы их магнитные свойства повышаются. Недостатком этих сплавов является трудность изготовления из них изделий точных размеров вследствие хрупкости и твердости их, допускающих обработку только путем шлифовки.

4.5.3. Магниты из порошков

Необходимость получения особенно мелких изделий со строго выдержанными размерами обусловила привлечение методов порошковой металлургии для получения постоянных магнитов. При этом различают металлокерамические магниты и магниты из зерен порошка, скрепленных тем или иным связующим (металлопластические магниты).

4.5.4. Пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты

К таким сплавам относятся викаллой, кунифе, кунико и некоторые другие. Основные представления об этих сплавах приведены в табл.4.2.

Таблица 4.2.

Марка сплава	Хим. Состав %, ост. Fe		Н с, кА/м	W м, КДж/м 3
Викаллой I	51-54 Со 10-11.5 V
Викаллой II	51-54 Со 11.5-13 V
Кунифе II	50Cu,20Ni 2.5Co
	50Cu,21Ni, 29Co
Кунико II

4.6. Ферриты

Это соединения оксида железа Fe 2 O 3 с оксидами других металлов: ZnO, NiO. Ферриты изготавливают из порошкообразной смеси оксидов этих металлов.

Название ферритов определяется названием одно-, двухвалентного металла, оксид которого входит в состав феррита:

Если ZnO – феррит цинка

NiO – феррит никеля.

Ферриты имеют кубическую кристаллическую решетку, подобную решетке шпинели, встречающейся в природе: MgO·Al 2 O 3 . Большинство соединений указанного типа, как и природный магнитный железняк FeO·Fe 2 O 3 , обладает магнитными свойствами. Однако феррит цинка и феррит кадмия являются немагнитными. Исследования показали, что наличие или отсутствие магнитных свойств определяется кристаллической структурой этих материалов, и в частности расположением ионов двухвалентных металлов и железа между ионами кислорода. В случае структуры обычной шпинели, когда в центре кислородных тетраэдров расположены ионы Zn ++ или Cd ++ , магнитные свойства отсутствуют. При структуре так называемой обращенной шпинели, когда в центре кислородных тетраэдров расположены ионы Fe +++ , материал обладает магнитными свойствами. Ферриты, в состав которых кроме оксида железа входит только один оксид, называется простым. Химическая формула простого феррита:

MeO x Fe 2 O 3 или MeFe 2 O 4

Феррит цинка – ZnFe 2 O 4 , феррит никеля – NiFe 2 O 4 .

Не все простые ферриты обладают магнитными свойствами. Так CdFe 2 O 4 является немагнитным веществом.

Наилучшими магнитными характеристиками обладают сложные или смешанные ферриты, представляющие твердые растворы одного в другом. В этом случае используются и немагнитные ферриты в сочетании с простыми магнитными ферритами. Общая формула широко распространенных никель-цинковых ферритов имеет следующий вид:

mNiO·Fe 2 O 3 + nZnO·Fe 2 O 3 + pFeO·Fe 2 O 3 , (4.8)

где коэффициенты m, n и p определяют количественные соотношения между компонентами. Процентный состав компонентов играет существенную роль в получении тех или иных магнитных свойств материала.

Наиболее широко в РЭА применяют смешанные магнитно-мягкие ферриты: никель-цинковые, марганец-цинковые и литий-цинковые.

Достоинства ферритов – стабильность магнитных характеристик в широком диапазоне частот, малые потери на вихревые токи, малый коэффициент затухания магнитной волны, а также простота изготовления ферритовых деталей.

Недостатки всех ферритов – хрупкость и резко выраженная зависимость магнитных свойств от температуры и механических воздействий.

4.7. Магнитодиэлектрики

Это композиционные материалы, состоящие из мелкодисперсных частиц магнитно-мягкого материала, соединенных каким-либо органическим или неорганическим диэлектриком. В качестве мелкодисперсных МММ применяют карбонильное железо, альсиферы и некоторые сорта пермаллоев. В качестве диэлектрика – эпоксидные или бакелитовые смолы, полистирол, жидкое стекло и др.

Назначение диэлектриков не только в том, чтобы соединять частицы магнитного материала, но и создать между ними электроизоляционные прослойки и тем самым повысить электрическое сопротивление магнитодиэлектрика. Это резко снижает потери на вихревые токи и дает возможность работать на частотах 10–100 МГц (в зависимости от состава).

Магнитные характеристики магнитодиэлектриков несколько ниже исходных ферромагнитных наполнителей. Несмотря на это магнитодиэлектрики применяют для изготовления сердечников ВЧ узлов РЭА. Это обусловлено большой стабильностью магнитных характеристик и возможностью изготовления из них сердечников сложной формы. Кроме того, изделия из диэлектриков отличаются высокой чистотой поверхности и точностью размеров.

Лучшие магнитодиэлектрики – с наполнителями: молибденовым пермаллоем или карбонильным железом.

Абсолютная магнитная проницаемость – это коэффициент пропорциональности, учитывающий влияние среды, в которой находятся провода.

Для получения представления о магнитных свойствах среды сравнивали магнитное поле вокруг провода с током в данной среде с магнитным полем вокруг того же провода, но находящегося в вакууме. Было установлено, что в одних случаях поле получается более интенсивным, чем в вакууме, в других – менее.

Различают:

v Парамагнитные материалы и среды, в которых получается более сильное МП (натрий, калий, алюминий, платина, марганец, воздух);

v Диамагнитные материалы и среды, в которых МП слабее (серебро, ртуть, вода, стекло, медь);

v Ферромагнитные материалы, в которых создается самое сильное магнитное поле (железо, никель, кобальт, чугун и их сплавы).

Абсолютная магнитная проницаемость для разных веществ имеет различную величину.

Магнитная постоянная – это абсолютная магнитная проницаемость вакуума.

Относительная магнитная проницаемость среды - безразмерная величина, показывающая во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость какого-либо вещества больше или меньше магнитной постоянной:

Для диамагнитных веществ - , для парамагнитных - (для технических расчетовдиамагнитных и парамагнитных тел принимается равной единице),у ферромагнитных материалов - .

Напряженность МП Н характеризует условия возбуждения МП. Напряженность в однородной среде не зависит от магнитных свойств вещества, в котором создается поле, но учитывает влияние величины тока и формы проводников на интенсивность МП в данной точке.

Напряженность МП – векторная величина. Направление вектора Н для изотропных сред (сред с одинаковыми магнитными свойствами во всех направлениях), совпадает с направлением магнитного поля или вектором в данной точке.

Напряженность магнитного поля, создаваемого различными источниками, приведена на рис. 13.

Магнитный поток – это общее число магнитных линий, проходящих через всю рассматриваемую поверхность. Магнитный поток Ф или поток МИ через площадь S , перпендикулярную магнитным линиям ра­вен произведению величины магнитной индукции В на величину площади, которая пронизывается этим магнитным потоком.

42) При внесении железного сердечника в катушку, магнитное поле возрастает, а сердечник намагничивается. Этот эффект был обнаружен Ампером. Им было так же обнаружено, что индукция магнитного поля в веществе может быть больше или меньше индукции самого поля. Такие вещества стали называть магнетиками.

Магнетики – это вещества, способные менять свойства внешнего магнитного поля.

Магнитная проницаемость веществаопределяется соотношением:

В 0 - индукция внешнего магнитного поля, В - индукция внутри вещества.

В зависимости от соотношения В и В 0 вещества делятся на три типа:

1) Диамагнетики (m<1), к ним относятся химические элементы: Cu, Ag, Au, Hg. Магнитная проницаемость m=1-(10 -5 - 10 -6) очень незначительно отличается от единицы.

Этот класс веществ был открыт Фарадеем. Эти вещества «выталкиваются» из магнитного поля. Если подвесить диамагнитный стержень возле полюса сильного электромагнита, то он будет отталкиваться от него. Линии индукции поля и магнита, следовательно, направлены в разные стороны.

2) Парамагнетики имеют магнитную проницаемость m>1, причем в данном случае она также незначительно превышает единицу: m=1+(10 -5 - 10 -6). К этому виду магнетиков относятся химические элементы Na, Mg, K, Al.

Магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры и уменьшается при ее увеличении. Без намагничивающего поля парамагнетики не создают собственного магнитного поля. Постоянных парамагнетиков в природе нет.

3) Ферромагнетики (m>>1): Fe, Co, Ni, Cd.

Эти вещества могут находиться в намагниченном состоянии и без внешнего поля. Существование остаточного магнетизма одно из важных свойств ферромагнетиков. При нагревании до высокой температуры ферромагнитные свойства вещества исчезают. Температура, при которой пропадают эти свойства, называют температурой Кюри (например, для железа T Кюри =1043 К).

При температуре ниже точки Кюри ферромагнетик состоит из доменов. Домены – это области самопроизвольного спонтанного намагничивания (рис.9.21). Размер домена составляет примерно 10 -4 -10 -7 м. Возникновением в веществе областей спонтанного намагничивания обусловлено существование магнетиков. Магнит из железа может долго сохранять свои магнитные свойства, так как в нем домены выстраиваются упорядоченно (преобладает одно направление). Магнитные свойства пропадут, если по магниту сильно ударить или сильно нагреть. В результате этих воздействий домены «разупорядочиваются».

Рис.9.21. Форма доменов: а) в отсутствии магнитного поля, б) при наличии внешнего магнитного поля.

Домены можно представить как замкнутые токи в микрообъемах магнетиков. Домен хорошо иллюстрирует рис.9.21, откуда видно, что ток в домене движется по ломаному замкнутому контуру. Замкнутые токи электронов приводят к возникновению магнитного поля перпендикулярно плоскости орбиты электронов. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитное поле доменов направлено хаотично. Это магнитное поле под действием внешнего магнитного поля меняет направление. Магнетики, как уже отмечалось, делятся на группы в зависимости от того, как реагирует магнитное поле домена на действие внешнего магнитного поля. В диамагнетиках магнитное поле большего числа доменов направлено в сторону, противоположную действию внешнего магнитного поля, а в парамагнетиках, наоборот, в сторону действия внешнего магнитного поля. Однако число доменов, магнитные поля которых направлены в противоположные стороны, отличается на очень маленькую величину. Поэтому магнитная проницаемость m в диа- и парамагнетиках отличается от единицы на величину порядка 10 -5 - 10 -6 . В ферромагнетиках число доменов с магнитным полем по направлению внешнего поля во много раз превышает число доменов с противоположным направлением магнитного поля.

Кривая намагниченности. Петля гистерезиса. Явление намагниченности обусловлено существованием остаточного магнетизма при действии внешнего магнитного поля на вещество.

Магнитным гистерезисом называется явление запаздывания изменения магнитной индукции в ферромагнетике относительно изменения напряженности внешнего магнитного поля.

На рис.9.22, представлена зависимость магнитного поля в веществе от внешнего магнитного поля B=B(B 0). Причем по оси Оx откладывают внешнее поле , по оси Оy – намагниченность вещества. Увеличение внешнего магнитного поля приводит к возрастанию магнитного поля в веществе вдоль линии до значения . Уменьшение внешнего магнитного поля до нуля приводит к уменьшению магнитного поля в веществе (в точке с ) до величины В ост (остаточной намагниченности, значение которой больше нуля). Этот эффект является следствием запаздывания в намагниченности образца.

Значение индукции внешнего магнитного поля, необходимое для полного размагничивания вещества (точка d на рис.9.21) называют коэрцетивной силой . Нулевое значение намагниченности образца получают, изменяя направление внешнего магнитного поля до значения . Продолжая увеличивать внешнего магнитного поля в противоположном направлении до максимального значения, доводим его до величины . Затем, меняем направление магнитного поля, увеличивая его обратно, до значения . В этом случае у нас вещество остается намагниченным. Только величина индукции магнитного поля имеет противоположное направление по сравнению со значением в точке . Продолжая увеличивать значение магнитной индукции в том же направлении, достигаем полной размагниченности вещества в точке , и далее, оказываемся вновь в точке . Таким образом, получаем замкнутую функцию, которая описывает цикл полного перемагничивания. Такая зависимость за цикл полного перемагничивания индукции магнитного поля образца от величины внешнего магнитного поля называется петлей гистерезиса . Форма петли гистерезиса является одной из основных характеристик любого ферромагнитного вещества. Однако в точку , таким способом попасть невозможно.

В настоящее время достаточно просто получают сильные магнитные поля. Большое количество установок и устройств работают на постоянных магнитах. В них достигаются поя 1 – 2 Тл при комнатной температуре. В небольших объемах физики научились получать постоянные магнитные поля до 4 Тл, используя для этой цели специальные сплавы. При низких температурах, порядка температуры жидкого гелия получают магнитные поля выше 10 Тл.

43) Закон электромагнитной индукции (з.Фарадея-Максвелла). Правила Ленца

Обобщая результат опытов, Фарадей сформулировал закон электромагнитной индукции. Он показал, что при всяком изменении магнитного потока в замкнутом проводящем контуре возбуждается индукционный ток. Следовательно, в контуре возникает ЭДС индукции.

ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока во времени . Математическую запись этого закона оформил Максвелл и поэтому он называется законом Фарадея-Максвелла (законом электромагнитной индукции).

Определение магнитной проницаемости вещества. Ее роль в описании магнитного поля

Если провести опыт с соленоидом, который соединен с баллистическим гальванометром, то при включении тока в соленоиде можно определять значение магнитного потока Ф, который будет пропорционален отбросу стрелки гальванометра. Проведем опыт дважды, причем ток (I) в гальванометре установим одинаковый, но в первом опыте соленоид будет без сердечника, а во втором опыте, перед тем как включить ток, введем в соленоид железный сердечник. Обнаруживается, то, что во втором опыте магнитный поток существенно больше, чем в первом (без сердечника). При повторении опыта с сердечниками разной толщины, получается, максимальный поток получается в том случае, когда весь соленоид заполнен железом, то есть обмотка плотно навита на железный сердечник. Можно провести опыт с разными сердечниками. В результате получается, что:

где $Ф$ -- магнитный поток в катушке с сердечником, $Ф_0$ -- магнитный поток в катушке без сердечника. Увеличение магнитного потока при введении в соленоид сердечника объясняется тем, что к магнитному потоку, который создает ток в обмотке соленоида, добавился магнитный поток, создаваемый совокупностью ориентированных амперовых молекулярных токов. Под влиянием магнитного поля молекулярные токи ориентируются, и их суммарный магнитный момент перестает быть равным нулю, возникает дополнительное магнитное поле.

Определение

Величину $\mu $, которая характеризует магнитные свойства среды, называют магнитной проницаемостью (или относительной магнитной проницаемостью).

Это безразмерная характеристика вещества. Увеличение потока Ф в $\mu $ раз (1) означает, что магнитная индукция $\overrightarrow{B}$ в сердечнике во столько же раз больше, чем в вакууме при том же токе в соленоиде. Следовательно, можно записать, что:

\[\overrightarrow{B}=\mu {\overrightarrow{B}}_0\left(2\right),\]

где ${\overrightarrow{B}}_0$ -- магнитная индукция поля в вакууме.

Наряду с магнитной индукцией, которая является основной силовой характеристикой поля, используют такую вспомогательную вектор ную величину как напряженность магнитного поля ($\overrightarrow{H}$), которая связана с $\overrightarrow{B}$ следующим соотношением:

\[\overrightarrow{B}=\mu \overrightarrow{H}\left(3\right).\]

Если формулу (3) применить к опыту с сердечником, то получим, что в отсутствии сердечника:

\[{\overrightarrow{B}}_0={\mu }_0\overrightarrow{H_0}\left(4\right),\]

где $\mu $=1. При наличии сердечника мы получаем:

\[\overrightarrow{B}=\mu {\mu }_0\overrightarrow{H}\left(5\right).\]

Но так как выполняется (2), то получается, что:

\[\mu {\mu }_0\overrightarrow{H}={\mu м}_0\overrightarrow{H_0}\to \overrightarrow{H}=\overrightarrow{H_0}\left(6\right).\]

Мы получили, что напряженность магнитного поля не зависит от того, каким однородным веществом заполнено пространство. Магнитная проницаемость большинства веществ около единицы, исключения составляют ферромагниетики.

Магнитная восприимчивость вещества

Обычно вектор намагниченности ($\overrightarrow{J}$) связывают с вектором напряженности в каждой точке магнетика :

\[\overrightarrow{J}=\varkappa \overrightarrow{H}\left(7\right),\]

где $\varkappa $ -- магнитная восприимчивость, безразмерная величина. Для неферромагнитных веществ и в не больших полях $\varkappa $ не зависит от напряженности, является скалярной величиной. В анизотропных средах $\varkappa $ является тензором и направления $\overrightarrow{J}$ и $\overrightarrow{H}$ не совпадают.

Связь между магнитной восприимчивостью и магнитной проницаемостью

\[\overrightarrow{H}=\frac{\overrightarrow{B}}{{\mu }_0}-\overrightarrow{J}\left(8\right).\]

Подставим в (8) выражение для вектора намагниченности (7), получим:

\[\overrightarrow{H}=\frac{\overrightarrow{B}}{{\mu }_0}-\overrightarrow{H}\left(9\right).\]

Выразим напряженность, получим:

\[\overrightarrow{H}=\frac{\overrightarrow{B}}{{\mu }_0\left(1+\varkappa \right)}\to \overrightarrow{B}={\mu }_0\left(1+\varkappa \right)\overrightarrow{H}\left(10\right).\]

Сравнивая выражения (5) и (10), получим:

\[\mu =1+\varkappa \left(11\right).\]

Магнитная восприимчивость может быть как положительной так и отрицательной. Из (11) следует, что магнитная проницаемость может быть как больше единицы, так и меньше нее.

Пример 1

Задание: Вычислите намагниченность в центре кругового витка радиуса R=0,1 м с током силой I=2A, если он погружен в жидкий кислород. Магнитная восприимчивость жидкого кислорода равна $\varkappa =3,4\cdot {10}^{-3}.$

За основу решения задачи примем выражение, которое отражает связь напряженности магнитного поля и намагниченности:

\[\overrightarrow{J}=\varkappa \overrightarrow{H}\left(1.1\right).\]

Найдем поле в центре витка с током, так как намагниченность нам необходимо вычислит в этой точке.

Выберем на проводнике с током элементарный участок (рис.1), в качестве основы для решения задачи используем формулу напряженности элемента витка с током:

где$\ \overrightarrow{r}$- радиус-вектор, проведенный из элемента тока в рассматриваемую точку, $\overrightarrow{dl}$- элемент проводника с током (направление задано направлением тока), $\vartheta$ -- угол между $\overrightarrow{dl}$ и $\overrightarrow{r}$. Исходя из рис. 1 $\vartheta=90{}^\circ $, следовательно (1.1) упростится, кроме того расстояние от центра окружности (точки, где мы ищем магнитное поле) элемента проводника с током постоянно и равно радиусу витка (R), следовательно имеем:

Результирующий вектор напряженности магнитного поля направлен по оси X, его можно найти как сумму отдельных векторов$\ \ \overrightarrow{dH},$ так как все элементы тока создают в центре вика магнитные поля, направленные вдоль нормали витка. Тогда по принципу суперпозиции полную напряженность магнитного поля можно получить, если перейти к интегралу:

Подставим (1.3) в (1.4), получим:

Найдем намагниченность, если подставим напряженность из (1.5) в (1.1), получим:

Все единицы даны в системе СИ, проведем вычисления:

Ответ: $J=3,4\cdot {10}^{-2}\frac{А}{м}.$

Пример 2

Задание: Вычислите долю суммарного магнитного поля в вольфрамовом стержне, который находится во внешнем однородном магнитном поле, которую определяют молекулярные токи. Магнитная проницаемость вольфрама равна $\mu =1,0176.$

Индукцию магнитного поля ($B"$), которая приходится на долю молекулярных токов, можно найти как:

где $J$ -- намагниченность. Она связана с напряженностью магнитного поля выражением:

где магнитную восприимчивость вещества можно найти как:

\[\varkappa =\mu -1\ \left(2.3\right).\]

Следовательно, магнитное поле молекулярных токов найдем как:

Полное поле в стержне вычисляется в соответствии с формулой:

Используем выражения (2.4) и (2.5) найдем искомое соотношение:

\[\frac{B"}{B}=\frac{{\mu }_0\left(\mu -1\right)H}{\mu {\mu }_0H}=\frac{\mu -1}{\mu }.\]

Проведем вычисления:

\[\frac{B"}{B}=\frac{1,0176-1}{1,0176}=0,0173.\]

Ответ:$\frac{B"}{B}=0,0173.$

Магнитный момент- это основная векторная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Поскольку источником магнетизма является замкнутый ток, то значение магнитного момента М определяется как произведение силы тока I на площадь, охватываемую контуром токаS:

М = I×S А×м 2 .

Магнитными моментами обладают электронные оболочки атомов и молекул. Электроны и другие элементарные частицы имеют спиновый магнитный момент, определяемый существованием собственного механического момента – спина. Спиновый магнитный момент электрона может ориентироваться во внешнем магнитном поле так, что возможны только две равные и противоположно направленные проекции момента на направление вектора напряженности магнитного поля, равные магнетону Бора – 9,274×10 -24 А×м 2 .

1. Определите понятие «намагниченность» вещества.

Намагниченность – J – это суммарный магнитный момент единицы объема вещества:

1. Определите понятие «магнитная восприимчивость».

Магнитная восприимчивость вещества, א v – отношение намагниченности вещества к напряженности магнитного поля, относящаяся к единице объема:

א v = , безразмерная величина.

Удельная магнитная восприимчивость, א– отношение магнитной восприимчивости к плотности вещества,т.е. магнитная восприимчивость единицы массы, измеряемая в м 3 /кг.

1. Определите понятие «магнитная проницаемость».

Магнитная проницаемость, μ – это физическая величина, характеризующая изменение магнитной индукции при воздействии магнитного поля. Для изотропных сред магнитная проницаемость равна отношению индукции в среде В к напряженности внешнего магнитного поля Н и к магнитной постоянной μ 0 :

Магнитная проницаемость – величина безразмерная. Её значение для конкретной среды на 1 больше магнитной восприимчивости той же среды:

μ = א v + 1, так какВ = μ 0 (Н+J).

1. Дайте классификацию материалов по магнитным свойствам.

По магнитному строению и значению магнитной проницаемости (восприимчивости) материалы подразделяются на:

Диамагнетики μ< 1 (материал «сопротивляется» магнитному полю);

Парамагнетики μ > 1 (материал слабо воспринимает магнитное поле);

Ферромагнетики μ >> 1 (магнитное поле в материале усиливается);

Ферримагнетики μ >> 1 (магнитное поле в материале усиливается, но магнитная структура материала отличается от структуры ферромагнетиков);

Антиферромагнетики μ ≈ 1 (материал слабо реагирует на магнитное поле, хотя по магнитной структуре схож с ферримагнетиками).

1. Опишите природу диамагнетизма.

Диамагнетизм – это свойство вещества намагничиваться навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля (в соответствии с законом электромагнитной индукции и правилом Ленца). Диамагнетизм свойственен всем веществам, но в «чистом виде» он проявляется у диамагнетиков. Диамагнетики – вещества, молекулы которых не имеют собственных магнитных моментов (их суммарный магнитный момент равен нулю), поэтому других свойств, кроме диамагнетизма у них нет. Примеры диамагнетиков:

Водород, א= - 2×10 -9 м 3 /кг.

Вода, א= - 0,7×10 -9 м 3 /кг.

Алмаз, א= - 0,5×10 -9 м 3 /кг.

Графит, א= - 3×10 -9 м 3 /кг.

Медь, א= - 0,09×10 -9 м 3 /кг.

Цинк, א= - 0,17×10 -9 м 3 /кг.

Серебро, א= - 0,18×10 -9 м 3 /кг.

Золото, א= - 0,14×10 -9 м 3 /кг.

43. Опишите природу парамагнетизма.

Парамагнетизм – это свойство веществ, называемых парамагнетиками, которые, будучи помещены во внешнее магнитное поле, приобретают магнитный момент, совпадающий с направлением этого поля. Атомы и молекулы парамагнетиков в отличие от диамагнетиков имеют собственные магнитные моменты. При отсутствии поля ориентация этих моментов хаотична (из-за теплового движения) и суммарный магнитный момент вещества равен нулю. При наложении внешнего поля происходит частичная ориентация магнитных моментов частиц в направлении поля, и к напряженности внешнего поля Н добавляется намагниченность J: В = μ 0 (Н+J). Индукция в веществе усиливается. Примеры парамагнетиков:

Кислород, א= 108×10 -9 м 3 /кг.

Титан, א= 3×10 -9 м 3 /кг.

Алюминий, א= 0,6×10 -9 м 3 /кг.

Платина, א= 0,97×10 -9 м 3 /кг.

44.Опишите природу ферромагнетизма.

Ферромагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, при котором все магнитные моменты атомов в определенном объеме вещества (домене) параллельны, что обусловливает самопроизвольную намагниченность домена. Появление магнитного порядка связано с обменным взаимодействием электронов, имеющим электростатическую природу (закон Кулона). В отсутствии внешнего магнитного поля ориентация магнитных моментов различных доменов может быть произвольной, и рассматриваемый объем вещества может иметь в целом слабую или нулевую намагниченность. При приложении магнитного поля магнитные моменты доменов ориентируются по полю тем больше, чем выше напряженность поля. При этом изменяется значение магнитной проницаемости ферромагнетика и усиливается индукция в веществе. Примеры ферромагнетиков:

Железо, никель, кобальт, гадолиний

и сплавы этих металлов между собой и другими металлами (Al, Au, Cr, Si и др.). μ ≈ 100…100000.

45. Опишите природу ферримагнетизма.

Ферримагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, в котором магнитные моменты атомов или ионов образуют в определенном объеме вещества (домене) магнитные подрешетки атомов или ионов с суммарными магнитными моментами не равными друг другу и направленными антипараллельно. Ферримагнетизм можно рассматривать как наиболее общий случай магнитоупорядоченного состояния, а ферромагнетизм как случай с одной подрешеткой. В состав ферримагнетиков обязательно входят атомы ферромагнетиков. Примеры ферримагнетиков:

Fe 3 O 4 ; MgFe 2 O 4 ; CuFe 2 O 4 ; MnFe 2 O 4 ; NiFe 2 O 4 ; CoFe 2 O 4 …

Магнитная проницаемость ферримагнетиков имеет тот же порядок, что и у ферромагнетиков: μ ≈ 100…100000.

46.Опишите природу антиферромагнетизма.

Антиферромагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, характеризующееся тем, что магнитные моменты соседних частиц вещества ориентированы антипараллельно, и в отсутствии внешнего магнитного поля суммарная намагниченность вещества равна нулю. Антиферромагнетик в отношении магнитного строения можно рассматривать как частный случай ферримагнетика, в котором магнитные моменты подрешеток равны по модулю и антипараллельны. Магнитная проницаемость антиферромагнетиков близка к 1. Примеры антиферромагнетиков:

Cr 2 O 3 ; марганец; FeSi; Fe 2 O 3 ; NiO……… μ ≈ 1.

47.Какое значение магнитной проницаемости у материалов в сверхпроводящем состоянии?

Сверхпроводники ниже температуры сверхперехода являются идеальными диамагнетиками:

א= - 1; μ = 0.

6. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Все вещества являются магнетиками и намагничиваются во внешнем магнитном поле.

По магнитным свойствам материалы подразделяются на слабомагнитные (диамагнетики и парамагнетики ) и сильномагнитные (ферромагнетики и ферримагнетики ).

Диамагнетики μ r < 1, значение которой не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Диамагнетиками являются вещества, атомы (молекулы) которых в отсутствие намагничивающего поля имеют магнитный момент равный нулю: водород, инертные газы, большинство органических соединений и некоторые металлы (Cu , Zn , Ag , Au , Hg ), а также Вi , Gа , Sb .

Парамагнетики – вещества с магнитной проницаемостью μ r > 1, которая в слабых полях не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К парамагнетикам относятся вещества, атомы (молекулы) которых в отсутствие намагничивающего поля обладают магнитным моментом отличным от нуля: кислород, оксид азота, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов, щелочные металлы, алюминий, платина.

У диамагнетиков и парамагнетиков магнитная проницаемость μ r близка к единице. Применение в технике в качестве магнитных материалов носит ограниченный характер.

У сильномагнитных материалов магнитная проницаемость значительно больше единицы (μ r >> 1) и зависит от напряженности магнитного поля. К ним относятся: железо, никель, кобальт и их сплавы, а также сплавы хрома и марганца, гадолиний, ферриты различного состава.

6.1. Магнитные характеристики материалов

Магнитные свойства материалов оценивают физическими величинами, называемыми магнитными характеристиками.

Магнитная проницаемость

Различают относительную и абсолютную магнитные проницаемости вещества (материала), которые между собой связаны соотношением

μ a = μ o ·μ , Гн/м

μ o – магнитная постоянная, μ o = 4π ·10 -7 Гн/м;

μ – относительная магнитная проницаемость (безразмерная величина).

Для описания свойств магнитных материалов применяют относительную магнитную проницаемость μ (чаще называемую магнитная проницаемость) , а для практических расчетов используют абсолютную магнитную проницаемость μ a , вычисляемую по уравнению

μ a = В /Н ,Гн/м

Н – напряженность намагничивающего (внешнего) магнитного поля, А/м

В – магнитная индукция поля в магнетике.

Большая величина μ показывает, что материал легко намагничивается в слабых и сильных магнитных полях. Магнитная проницаемость у большинства магнетиков зависит от напряженности намагничивающего магнитного поля.

Для характеристики магнитных свойств широко используется безразмерная величина, называемая магнитной восприимчивостью χ .

μ = 1 + χ

Температурный коэффициент магнитной проницаемости

Магнитные свойства вещества зависят от температуры μ = μ (T ) .

Для описания характера изменения магнитных свойств с температурой используют температурный коэффициент магнитной проницаемости.

Зависимость магнитной восприимчивости парамагнетиков от температуры T описывается законом Кюри

где C - постоянная Кюри .

Магнитные характеристики ферромагнетиков

Зависимость магнитных свойств ферромагнетиков имеет более сложный характер, показанный на рисунке, и достигает максимума при температуре близкой к Q к .

Температура, при которой магнитная восприимчивость резко снижается, почти до нуля, носит название температуры Кюри - Q к . При температурах выше Q к процесс намагничивания ферромагнетика нарушается из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул и материал перестает быть ферромагнитным и становится парамагнетиком.

Для железа Q к = 768 ° C , для никеля Q к = 358 ° C , для кобальта Q к = 1131 ° C .

Выше температуры Кюри зависимость магнитной восприимчивости ферромагнетика от температуры T описывается законом Кюри-Вейса

Процесс намагничивания сильномагнитных материалов (ферромагнетиков) обладает гистерезисом . Если производить намагничивание размагниченного ферромагнетика во внешнем поле, то он намагничивается по кривой намагничивания B = B (H ) . Если затем, начиная с некоторого значения H начать уменьшать напряженность поля, то индукция B будет уменьшаться с некоторым запаздыванием (гистерезисом ) по отношению к кривой намагничивания. При увеличении поля противоположного направления ферромагнетик размагничивается, затем перемагничивается , и при новой смене направления магнитного поля может вернуться в исходную точку, откуда начинался процесс размагничивания. Получившаяся петля, изображенная на рисунке, называется петлей гистерезиса .

При некоторой максимальной напряженности Н м намагничивающего поля вещество намагничивается до состояния насыщения, индукция в котором достигает значения В Н , которое называется индукцией насыщения.

Остаточная магнитная индукция В О – наблюдается в ферромагнитном материале, намагниченном до насыщения, при его размагничивании, когда напряженность магнитного поля равна нулю. Для размагничивания образца материала надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на обратное (- Н ). Напряженность поля Н К , при которой индукция равна нулю, называется коэрцитивной силой (удерживающая сила).

Перемагничивание ферромагнетика в переменных магнитных полях всегда сопровождается тепловыми потерями энергии, которые обусловлены потерями на гистерезис и динамическими потерями . Динамические потери связаны с вихревыми токами, индуцированными в объеме материала, и зависят от электрического сопротивления материала, уменьшаясь с ростом сопротивления. Потери на гистерезис W в одном цикле перемагничивания определяются площадью петли гистерезиса

и могут быть вычислены для единицы объема вещества по эмпирической формуле

Дж/м 3

где η – коэффициент зависящий от материала, B Н – максимальная индукция, достигаемая в течение цикла, n – показатель степени, равный в зависимости от материала 1,6 ¸ 2.

Удельные потери энергии на гистерезис Р Г – потери, затраченные на перемагничивание единицы массы в единице объема материала за секунду.

где f – частота переменного тока, T – период колебаний.

Магнитострикция

Магнитострикция – явление изменения геометрических размеров и формы ферромагнетика при изменении величины магнитного поля, т.е. при намагничивании. Относительное изменение размеров материала Δ l / l может быть положительным и отрицательным. У никеля магнитострикция меньше нуля и достигает величины 0,004 %.

В соответствии с принципом Ле Шателье о противодействии системы влиянию внешних факторов, стремящихся изменить это состояние, механическая деформация ферромагнетика, приводящая к изменению его размера должна оказывать влияние на намагничивание этих материалов.

Если при намагничивании тело испытывает в данном направлении сокращение своих размеров, то приложение механического напряжения сжатия в этом направлении способствует намагничиванию, а растяжение – затрудняет намагничивание.

6.2. Классификация ферромагнитных материалов

Все ферромагнитные материалы по поведению в магнитном поле делятся на две группы.

Магнитомягкие – с большой магнитной проницаемостью μ и малой величиной коэрцитивной силы Н К < 10 А /м. Они легко намагничиваются и размагничиваются. Обладают малыми потерями на гистерезис, т.е. узкой петлей гистерезиса.

Магнитные характеристики зависят от химической чистоты и степени искажения кристаллической структуры. Чем меньше примесей (С, Р , S, О, N ) , тем выше уровень характеристик материала, поэтому необходимо при производстве ферромагнетика их и оксиды удалять, и стараться не искажать кристаллическую структуру материала.

Магнитотвердые материалы – обладают большой Н К > 0,5 · МА/м и остаточной индукцией (В О ≥ 0,1Т). Им соответствует широкая петля гистерезиса. Они с большим трудом намагничиваются, зато могут несколько лет сохранять магнитную энергию, т.е. служить источником постоянного магнитного поля. Поэтому из них изготовляются постоянные магниты.

По составу все магнитные материалы делятся на :

· металлические;

· неметаллические;

· магнитодиэлектрики .

Металлические магнитные материалы - это чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов.

К неметаллическим материалам относятся ферриты, получаемые из порошков оксидов железа и других металлов. Их прессуют и обжигают при 1300 – 1500 °С и они превращаются в твердые монолитные магнитные детали. Ферриты, как и металлические магнитные материалы, могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми.

Магнитодиэлектрики – это композиционные материалы из 60 – 80 % порошка магнитного материала и 40 – 20 % органического диэлектрика. Ферриты и магнитодиэлектрики имеют большое значение удельного электрического сопротивления (ρ = 10 ÷ 10 8 Ом·м), Высокое сопротивление этих материалов обеспечивает низкие динамические потери энергии в переменных электромагнитных полях и позволяет широко использовать их в высокочастотной технике.

6.3. Металлические магнитные материалы

6.3.1. Металлические магнитомягкие материалы

К металлическим магнитомягким материалам относятся карбонильное железо, пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремнистые стали.

Карбонильное железо – получают термическим разложением жидкости пентакарбонила железа Fе ( СО ) 5 с получением частиц чистого порошкообразного железа:

Fе ( СО ) 5 → Fе + 5 СО,

при температуре около 200 °С и давлении 15 МПа. Частицы железа имеют сферическую форму размером 1 – 10 мкм. Для освобождения от частиц углерода порошок железа подвергают термической обработке в среде Н 2 .

Магнитная проницаемость карбонильного железа достигает 20000, коэрцитивная сила составляет 4,5 ¸ 6,2 А /м. Применяют порошок железа для изготовления высокочастотных магнитодиэлектрических сердечников, в качестве наполнителя в магнитных лентах.

Пермаллои – пластичные железоникелевые сплавы. Для улучшения свойств вводят Мо, Сr , Сu , получая легированные пермаллои. Обладают высокой пластичностью, легко прокатываются в листы и ленты до 1 мкм.

Если содержание никеля в пермаллое 40 – 50 %, то он называется низконикелевым, если 60 – 80 % – высоконикелевым .

Пермаллои имеют высокий уровень магнитных характеристик, который обеспечивается не только составом и высокой химической чистотой сплава, но и специальной тепловой вакуумной обработкой. Пермаллои имеют очень высокий уровень начальной магнитной проницаемости от 2000 до 30000 (в зависимости от состава) в области слабых полей, который обусловлен низкой величиной магнитострикции и изотропностью магнитных свойств. Особенно высокие характеристики имеет супермаллой, начальная магнитная проницаемость которого имеет значение 100000, а максимальная достигает 1,5 · 10 6 при B = 0,3 Тл.

Пермаллои поставляют в виде лент, листов и прутков. Низконикелевые пермаллои применяют для изготовления сердечников дросселей, малогабаритных трансформаторов и магнитных усилителей, высоконикелевые пермаллои – для деталей аппаратуры, работающих на звуковых и сверхзвуковых частотах. Магнитные характеристики пермаллоев стабильны при –60 +60°С.

Альсиферы – нековкие хрупкие сплавы состава Al – Si – Fe , состоящие из 5,5 – 13 % Аl , 9 – 10 % Si , остальное – железо. Альсифер близок по свойствам к пермаллою, но более дешев. Из него изготовляют литые сердечники, отливают магнитные экраны и другие полые детали с толщиной стенок не менее 2 – 3 мм. Хрупкость альсифера ограничивает области его применения. Используя хрупкость альсифера , его размалывают в порошок, который используется в качестве ферромагнитного наполнителя в прессованных высочастотных магнитодиэлектриках (сердечники, кольца).

Кремнистая низкоуглеродистая сталь (электротехническая сталь) – сплав железа и кремния (0,8 – 4,8 % Si ). Основной магнитомягкий материал массового применения. Она легко прокатывается в листы и ленты 0,05 – 1 мм и является дешевым материалом. Кремний, находящийся в стали в растворенном состоянии, выполняет две функции.

· Повышая удельное сопротивление стали, кремний вызывает снижение динамических потерь, связанных с вихревыми токами. Сопротивление повышается за счет образования кремнезема SiO 2 в результате протекания реакции

2 FeO + S i → 2 Fe + SiO 2 .

· Наличие кремния, растворенного в стали , способствует распаду цементита Fе 3 С – вредной примеси, снижающей магнитные характеристики, и выделению углерода в виде графита. При этом образуется чистое железо, рост кристаллов которого повышает уровень магнитных характеристик стали .

Введение кремния в сталь в количестве, превышающем 4,8 %, не рекомендуется, так как, способствуя улучшению магнитных характеристик, кремний резко повышает хрупкость стали и снижает ее механические свойства.

6.3.2. Металлические магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы - это ферромагнетики с высокой коэрцитивной силой (более 1 кА/м) и большой величиной остаточной магнитной индукции В О . Применяются для изготовления постоянных магнитов.

Подразделяются в зависимости от состава, состояния и способа получения на :

· легированные мартенситные стали;

· литые магнитотвердые сплавы.

Легированные мартенситные стали – эт о углеродистые стали и стали, легированные Сr , W, Со, Мо . Углеродистые стали быстро стареют и изменяют свои свойства, поэтому редко применяются для изготовления постоянных магнитов. Для изготовления постоянных магнитов используют легированные стали – вольфрамовую и хромистую (Н С ≈ 4800 А /м, В О ≈ 1 Т), которые изготавливаются в виде прутков с различной формой сечения. Кобальтовая сталь обладает более высокой коэрцитивной силой (Н С ≈ 12000 А /м, В О ≈ 1 Т) по сравнению с вольфрамовой и хромистой. Коэрцитивная сила Н С кобальтовой стали растет с увеличением содержания С о .

Литые магнитотвердые сплавы. Улучшенные магнитные свойства сплавов обусловлены специально подобранным составом и специальной обработкой – охлаждением магнитов после отливки в сильном магнитном поле, а также специальной многоступенчатой тепловой обработкой в виде закалки и отпуска в сочетании с магнитной обработкой, называемой дисперсионным твердением.

Для изготовления постоянных магнитов находят применение три основных группы сплавов:

· Железо – кобальт – молибденовый сплав типа ремаллой с коэрцитивной силой Н К = 12 – 18 кА/м.

· Группа сплавов:

§ медь – никель – железо;

§ медь – никель – кобальт;

§ железо – марганец, легированные алюминием или титаном;

§ железо – кобальт – ванадий (F е – Со – V ).

Сплав медь – никель – железо называется кунифе (Сu – Ni - Fе ). Сплав F е – Со – V (железо – кобальт - ванадий) называется викалой . Сплавы этой группы имеют коэрцитивную силу Н К = 24 – 40 кА/м. Выпускаются в виде проволоки и в листах.

· Сплавы системы железо – никель – алюминий (F е – Ni – Аl ), известные ранее под названием сплав альни . Сплавсодержит 20 - 33 % Ni + 11 – 17 % Al , остальное железо. Добавление в сплавы кобальта, меди, титана, кремния, ниобия улучшает их магнитные свойства, облегчает технологию изготовления, обеспечивает повторяемость параметров, улучшает механические свойства. Современная маркировка марки содержит буквы, обозначающие добавляемые металлы (Ю – алюминий, Н – никель, Д – медь, К - кобальт, Т – титан, Б – ниобий, С – кремний), цифры - содержание элемента, буква которого стоит перед цифрой, например, ЮНДК15.

Сплавы обладают высоким значением коэрцитивной силы Н К = 40 – 140 кА/м и большой запасенной магнитной энергией.

6.4. Неметаллические магнитные материалы. Ферриты

Ферриты представляют собой керамические ферромагнитные материалы с малой электронной электропроводностью. Низкая электропроводность в сочетании с высокими магнитными характеристиками позволяет широко использовать ферриты на высоких частотах.

Изготовляют ферриты из порошкообразной смеси, состоящей из окиси железа и специально подобранных окислов других металлов. Их прессуют, а затем спекают при высоких температурах. Общая химическая формула имеет вид:

МеО ·Fе 2 О 3 или МеFе 2 О 4 ,

где Ме символ двухвалентного металла.

Например,

ZnO · Fe 2 O 3 или

NiO · Fe 2 O 3 или NiFe 2 O 4

Ферриты обладают кубической решеткой типа шпинели MgOAl 2 O 3 - алюмината магния. Не все ферриты обладают магнитными свойствами. Наличие магнитных свойств св язано с расположением ионов металловв кубической решетке шпинели. Так система ZnFe 2 O 4 не обладает ферромагнитными свойствами.

Ферриты изготовляют по керамической технологии. Исходные порошкообразные окислы металлов измельчают в шаровых мельницах, прессуют и обжигают в печах. Спекшиеся брикеты размалывают в тонкодисперсный порошок, вводят пластификатор, например раствор поливинилового спирта. Из полученной массы прессуют ферритовые изделия – сердечники, кольца, которые обжигают на воздухе при 1000 – 1400 °С. Полученные твердые хрупкие изделия в основном черного цвета можно обрабатывать только шлифованием и полированием.

Магнитомягкие ферриты

Магнитомягкие ферриты широко применяют в области высоких частот электронной техники и приборостроении для изготовления фильтров, трансформаторов усилителей низких и высоких частот, антенн радиопередающих и радиоприемных устройств, импульсных трансформаторов, магнитных модуляторов. Промышленностью выпускаются следующие виды магнитомягких ферритов с широким спектром магнитных и электрических свойств: никель – цинковые, марганец – цинковые и литий – цинковые. Верхняя граничная частота применения феррита зависит от их состава и изменяется у разных марок ферритов от 100 кГц до 600 МГц, коэрцитивная сила составляет около 16 А /м.

Достоинством ферритов является стабильность магнитных характеристик, относительнаяпростота изготовления радиодеталей. Как все ферромагнитные материалы ферриты сохраняют свои магнитные свойства только до температуры Кюри, которая зависит от состава ферритов и колеблется в пределах от 45 ° до 950 °С.

Магнитотвердые ферриты

Для изготовления постоянных магнитов используют магнитотвердые ферриты, наибольшее применение имеют ферриты бария (ВаО ·6 Fе 2 О 3 ). Они имеют гексагональную кристаллическую структуру с большой Н К . Ферриты бария представляют собой поликристаллический материал. Могут быть изотропными - одинаковость свойств феррита во всех направлениях обусловлена тем, что кристаллические частицы ориентированы произвольно. Если в процессе прессования магнитов порошкообразную массу подвергнуть воздействию внешнего магнитного поля большой напряженности, то кристаллические частицы феррита будут ориентированы в одном направлении, и магнит будет являться анизотропным.

Бариевые ферриты отличаются хорошей стабильностью своих характеристик, но чувствительны к изменению температуры и механическим воздействиям. Магниты из бариевых ферритов дешевы.

6.5. Магнитодиэлектрики

Магнитодиэлектрики - это композиционные материалы, состоящие из мелкодисперсных частиц магнитомягкого материала, связанных друг с другом органическим или неорганическим диэлектриком. В качестве магнитомягких материалов применяют карбонильное железо, альсифер и некоторые сорта пермаллоев, измельченные до порошкообразного состояния.

В качестве диэлектриков применяют полистирол, бакелитовые смолы, жидкое стекло и др.

Назначение диэлектрика не только в том, чтобы соединить частицы магнитного материала, но и изолировать их друг от друга, а, следовательно, резко повысить величину удельного электрического сопротивления магнитодиэлектрика . Удельное электрическое сопротивление r магнитодиэлектриков составляет10 3 – 10 4 Ом × м

Магнитодиэлектрики применяют для изготовления сердечников высокочастотных узлов радиоаппаратуры. Процесс производства изделий проще, чем из ферритов, т.к. они не нуждаются в высокотемпературной тепловой обработке. Изделия из магнитодиэлектриков отличаются высокой стабильностью магнитных свойств, высоким классом чистоты поверхности и точностью размеров.

Наиболее высокими магнитными характеристиками обладают магнитодиэлектрики, наполнителем в которых служит молибденовый пермаллой или карбонильное железо.