Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Магнитные материалы
Содержание:
1. Основные характеристики магнитных материалов
1.1. Петля гистерезиса
1.2. Кривая намагничивания
1.3. Магнитная проницаемость
1.4. Потери энергии при перемагничивании
2. Классификация магнитных материалов
3. Магнитотвердые материалы
3.1. Общие сведения
3.2. Литые материалы на основе сплавов
3.3. Порошковые магнитотвердые материалы (постоянные магниты)
3.4. Прочие магнитотвердые материалы
3.5. Список литературы
Магнитные материалы обладают способностью при внесении их в магнитное поле намагничиваться, а некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнитного поля.
1. Основные характеристики магнитных материалов
Магнитные свойства материалов характеризуется петлей гистерезиса, кривой намагничивания, магнитной проницаемостью, потерями энергии при перемагничивании.
1.1. Петля гистерезиса. При циклическом изменении напр
яженности постоянного магнитного поля от 0 до +Н, от +Н до –Н и снова от –Н до +Н кривая изменения индукции (кривая перемагничивания) имеет форму замкнутой кривой – петли гистерезиса. Для слабых полей петля имеет вид эллипса (рис 1.1). При увеличении значения напряженности магнитного поля Н получают серию заключенных одна в другую петель гистерезиса. Когда все векторы намагниченности доменов сориентируются вдоль направления поля, процесс намагничивания закончится состоянием технического насыщения намагниченности материала. Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения намагничивания, называют предельной петлей гистерезиса. Она характеризуется максимально достигнутым значением индукции Bs, называется индукцией насыщения. При уменьшении напряженности магнитного поля от +Н до 0 магнитная индукция сохраняет остаточную индукцию Вс. Чтобы получить остаточную магнитную индукцию, равную 0, необходимо приложить противоположно направленное размагничивающее поле определенной напряженности -Нс. Отрицательная напряженность магнитного поля -Нс называется коэрцитивной силой материала. При достижении напряженности магнитного поля значения –Н, а затем 0 вновь возникает остаточная индукция –Вс. Если повысить напряженность магнитного поля до +Нс, то остаточная магнитная индукция Вс будет равна 0.
Площадь гистерезисных петель в промежуточных и предельном состояниях характеризует рассеивание электрической энергии в процессе перемагничивания материала, т.е. потери на гистерезис. Площадь гистерезисной петли зависит от свойств материала, его геометрических размеров и частоты перемагничивания.
По предельной петле гистерезиса определяют такие характеристики магнитных материалов, как индукцию
насыщения Bs, остаточную индукцию Вс, коэрцитивную силу Нс.
1.2. Кривая намагничивания. Это важнейшая характеристика магнитных материалов, она показывает зависимость намагниченности или магнитной индукции материала от напряженности внешнего поля Н. Магнитная индукция материала Bi измеряется в теслах (Тл) и связана с намагниченностью М формулой
Основная (коммутационная) кривая намагничивания представляет собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полученных при циклическом перемагничивании (см. рис. 1.1) и отражает изменение магнитной индукции В в зависимости от напряженности магнитного поля Н, которое создается в материале при намагничивании. Напряженность магнитного поля в образце в виде тороида, когда магнитная цепь замкнута, равна напряженности внешнего поля Нв. В разомкнутой магнитной цепи на концах образца появляются магнитные полюса, создающие размагничивающее поле Нр. Разница между магнитными напряженностями внешнего и размагничивающего полей определяют внутреннюю магнитную напряженность Hi материала.
Основная кривая намагничивания (рис 1.2) имеет ряд характерных участков, которые можно условно выделить при намагничивании монокристалла ферромагнетика. Первый участок кривой намагничивания соответствует процессу смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. На втором участке происходит поворот векторов намагниченности доменов в направлении внешнего магнитного поля. Третий участок соответствует парапроцессу, т.е. завершающему этапу процесса намагничивания, когда сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия не сориентированные магнитные моменты доменов ферромагнетика.
1.3. Магнитная проницаемость. Для характеристики поведения магнитных материалов в поле с напряженностью Н пользуются понятиями абсолютной магнитной проницаемости ?а и относительной магнитной проницаемости ?0 :
Подставляя эти значения в соотношения конкретные значения В и Н, получают различные виды магнитной проницаемости которые применяют в технике. Наиболее часто используют понятия нормальной ?, начальной ?н, максимальной ?max, дифференциальной ?диф и импульсной ?и магнитной проницаемости.
Относительную магнитную проницаемость материала ? получают по основной кривой намагничивания. Для простоты слово «относительная» не упоминается.
Магнитную проницаемость при Н=0 называют начальной магнитной проницаемостью mн. Ее значение определяется при очень слабых полях (примерно 0,1 А/м).
Максимум на кривой проницаемости, соответствующий II участку кривой намагничивания (см. рис. 2), характеризуется значением максимальной магнитной проницаемости mmax. Начальная и максимальная магнитные проницаемости представляют собой частные случаи нормальной магнитной проницаемости. Их значения наряду с Bs, Вс и Нс являются важнейшими параметрами магнитного материала.
В сильных полях в области насыщения магнитная проницаемость стремится к единице.
1.4. Потери энергии при перемагничивании. Это необратимые потери электрической энергии, которая выделяется в материале в виде тепла.
Потери на перемагничивание магнитного материала складываются из потерь на гистерезис и динамических потерь.
Потери на гистерезис создаются в процессе смещения стенок доменов на начальной стадии намагничивания. Вследствие неоднородности структуры магнитного материала на перемещение стенок доменов затрачивается магнитная энергия.
Потери на гистерезис
(4)
Динамические потери Рвт вызываются частично вихревыми токами, которые возникают при изменении направления и напряженности магнитного поля; они также рассеивают энергию:
(5)
Потери на вихревые токи из-за квадратичной зависимости от частоты поля превосходят потери на гистерезис на высоких частотах.
К динамическим потерям относятся также потери на последействие Рп, которые связаны с остаточным изменением магнитного состояния после изменения напряженности магнитного поля. Они зависят от состава и термической обработки материала и появляются на высоких частотах. Потери на последействие (магнитную вязкость) необходимо учитывать при использовании ферромагнетиков в импульсном режиме.
Общие потери в магнитном материале
(6)
2. Классификация магнитных материалов
Электорадиоматериалы, применяемые в технике с учетом их магнитных свойств, разделяют на магнитомягкие и магнитотвердые.
Термины «магнитомягкие» и «магнитотвердые» не относятся к механическим свойствам материала. Некоторые механически твердые материалы являются магнитомягкими, а механически мягкие материалы могут относится к магнитотвердым. Основанием для деления магнитных материалов на магнитомягкие и магнитотвердые являются следующие особенности. Процессы намагничивания материалов обеих групп протекают одинаково: на первом этапе происходит смещение границ доменов, на втором – вращение магнитных моментов доменов в направлении намагничивающего поля, на третьем парапроцесс. Согласно кривой намагничивания смещение границ доменов требует меньших энергетических затрат, чем процессы вращения магнитных моментов и парапроцесс. В магнитомягких материалах намагничивание происходит в основном за счет смещения границ доменов. Магнитотвердые материалы намагничиваются преимущественно за счет вращения векторов намагничивания и парапроцесса.
Форма петли гистерезиса обеих групп материалов (рис. 3), индукция насыщения Bs и остаточная индукция Вс примерно одинаковы, однако разница в коэрцитивной силе Нс достигает очень большого значения. Так, для магнитотвердых материалов наибольшая коэрцитивная сила Нс=800 кА/м, а для магнитомягких материалов наименьшая коэрцитивная сила Нс=0,4 А/м, т.е. различие составляет 2*106 раз.
Исходя из различий в коэрцитивной силе условно принято разделение на магнитомягкие и магнитотвердые.
Магнитомягкие материалы имеют малое значение коэрцитивной силы Нс, поэтому способны намагничивания до насыщения даже в слабых магнитных полях. Они обладают следующими свойствами:
Узкая петля гистерезиса небольшой площади при высоких значениях индукции и небольшой коэрцитивной силой Нс<4 кА/м (см.рис. 1.3, а,б,в);
Однородность структуры;
Минимальные механические напряжения;
Минимальное количество примесей и включений;
Незначительная кристаллографическая анизотропия.
Магнитомягкие материалы с округлой петлей гистерезиса применяют для работы в низкочастотных магнитных полях. Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса применяют для изготовления устройств магнитной памяти.
Магнитотвердые материалы имеют большие значения коэрцитивной силы Нс, трудно намагничиваются, но способны длительное время сохранять намагниченность. Они обладают широкой петлей гистерезиса с большой коэрцитивной силой Нс>4 кА/м (рис 1.3, г) и наличием однодоменных структур, возникающих в небольших объемах магнитного вещества.
Магнитотвердые материалы служат для изготовления постоянных магнитов.
Особую группу составляют материалы особого назначения, которые имеют сравнительно узкую область применения.
3. Магнитотвердые материалы
3.1. Общие сведения. К магнитотвердым материалам относятся магнитные материалы с широкой петлей гистерезиса и большой коэрцитивной силой Нс (рис. 1.3, г).
Основными характеристиками магнитотвердых материалов являются коэрцитивная сила Нс, остаточная индукция Вс, максимальная удельная магнитная энергия, отдаваемая во внешнее пространство ?мах.
Магнитная проницаемость ? магнитотвердых материалов значительно меньше, чем у магнитомягких. Чем «тверже» магнитный материал, т.е. чем выше его коэрцитивная сила Нс, тем меньше его магнитная проницаемость.
Влияние температуры на величину остаточной магнитной индукции Br, которая соответствует максимальному значению магнитной индукции Bmax, оценивается температурным коэффициентом остаточной магнитной индукции (К-1)
(7)
где (Br)1 и (Br)2 –значения остаточной индукции материала при температурах Т1 и Т2 соответственно.
Максимальная удельная магнитная энергия ?мах является важнейшим параметром при оценке качества магнитотвердых материалов.
Максимальная удельная магнитная энергия, Дж/м2:
(8)
Постоянный магнит при замкнутом магнитопроводе практически не отдает энергию во внешнее пространство, так как почти все магнитные силовые линии замыкаются внутри сердечника, и магнитное поле вне сердечника отсутствует. Для использования магнитной энергии постоянных магнитов в замкнутом магнитопроводе создают воздушный зазор определенных размеров и конфигурации, магнитное поле в котором используют для технических целей.
Магнитный поток постоянного магнита с течением времени уменьшается. Это явление называется старением магнита. Старение может быть обратимым и необратимым.
В случае обратимого старения при воздействии на постоянный магнит ударов, толчков, резких колебаний температуры, внешних постоянных полей происходит снижение его остаточной магнитной индукции Br на 1…3%; при повторном намагничивании свойства таких магнитов восстанавливаются.
Если со временем в постоянном магните произошли структурные изменения, то повторное намагничивание не устраняет необратимого старения.
По назначению магнитотвердые материалы подразделяются на материалы для постоянных магнитов и материалы для записи и хранения информации (звуковой, цифровой, видеоинформации и др.).
По составу и способу получения магнитотвердые материалы подразделяют на налитые, порошковые и прочие.
3.2. Литые материалы на основе сплавов. Эти материалы имеют основой сплавы железо- никель- алюминий (Fe-Ni-Al) и железо- никель- кобальт (Fe-Ni-Co) и являются основными материалами для изготовления постоянных магнитов. Эти сплавы относят к прецизионным, так как их количество в решающей степени определяется строгим соблюдением технологических факторов.
Магнитотвердые литые материалы получают в результате дисперсионного твердения сплава при его охлаждении с определенной скоростью от температуры плавления до температуре начала распада. В процессе твердения происходит высокотемпературный распад твердого раствора на ?-фазу и ?2-фазу. ?-фаза близка по составу к чистому железу, которое обладает выраженными магнитными свойствами. Она выделяется в виде пластинок однодоменной толщины. ?2-фаза близка по составу к интерметаллическому соединению никель- алюминий Ni-Al, обладающему низкими магнитными свойствами.
В результате получают систему, состоящую из немагнитной фазы ?2 с однодоменным сильномагнитным включениями фазы ?, которая обладает большой коэрцитивной силой Нс. Такие сплавы не применяют из-за сравнительно низких магнитных свойств. Наибольшее распространенными являются сплавы железо- никель– алюминий, легированные медью Cu и кобальтом Со.
Марки этих материалов содержат буквы Ю и Н, указывающие на наличие в них алюминия и никеля. При использовании легирующих металлов в обозначение марок вводят дополнительные буквы, которые соответствуют этим металлам, например, сплав системы железо- никель- алюминий, легированный кобальтом, марки ЮНДК.
Бескобальтовые сплавы обладают относительно низкими магнитными свойствами, но они являются самыми дешевыми.
Кобальтовые сплавы применяют для изготовления изделий, которые требуют материалов с относительно высокими магнитными свойствами и магнитной изотропностью.
Высококобальтовые сплавы представляют собой сплавы с магнитной или с магнитной и кристаллической текстурой, содержащие кобальт более 15%.
Сплавы с магнитной текстурой получают в результате охлаждения сплава в магнитном поле с напряженностью 160…280 кА/м от высоких температур 1250…1300?С до температуры приблизительно 500?С. полученный сплав приобретает улучшенный магнитные характеристики лишь в направлении действия поля, т.е. материал становится магнитоанизотропный.
Для сплавов, содержащих 12% кобальта, термомагнитная обработка увеличивает магнитную энергию приблизительно на 20% а для сплавов, содержащих 20…25% кобальта, -на 80% и более.
Термомагнитная обработка повышает температуру начала дисперсного распада с 950?С в сплаве без кобальта до 800?С в сплаве, содержащем 24% кобальта.
В результате термомагнитной обработки у высококобальтовых сплавов повышается также температура точки Кюри с 730 до 850?С.
Кристаллическую текстуру получают в процессе особых условий охлаждения сплавов. В результате получают магниты с особой микротекстурой в виде столбчатых кристаллов, ориентированных в направлении легкого намагничивания. Это повышает магнитные свойства сплавов.магнитная энергия повышается на 60…70%. Увеличивается коэрцитивная сила Нс, остаточная магнитная индукция Br и коэффициент выпуклости кривой размагничивания материала:
(9)
Высококобальтовые текстурированные сплавы применяют для изготовления малогабаритных изделий, требующих высоких магнитных свойств и магнитной анизотропии.
Недостатками высококобальтовых материалов являются высокая твердость и хрупкость, что значительно осложняет их механическую обработку.
3.3. Порошковые магнитотвердые материалы (постоянные магниты). Порошковые магнитотвердые материалы применяют для изготовления миниатюрных постоянных магнитов сложной формы. Их подразделяют на металлокерамические, металлопластические, оксидные и микропорошковые.
Металлокерамические магниты по магнитным свойствам лишь немного уступают литым магнитам, но дороже их.
Получают металлокерамические магниты в результате прессования металлических порошков без связующего материала и спекания их при высоких температурах. Для порошков используют сплавы ЮНДК (сплав системы Fe-Ni-Al-, легированный кобальтом); на основе платины (Pt-Co, Pt-Fe); на основе редкоземельных металлов.
Металлокерамические магниты на основе сплавов ЮНДК обладают магнитными свойствами по параметрам Br и ?max на 10…20% ниже, чем у литых магнитов благодаря повышенной пористости спеченного порошкового материала до 5%; по механической прочности в 3…6 раз превосходят литые.
Магниты на основе платиновых сплавов обладают высокими значениями коэрцитивной силы Нс, которые в 1,5…2 раза выше Нс бариевых магнитов; высокой стабильностью параметров; по максимальной магнитной энергии ?мах сравнимы со сплавом ЮНДК 24.
Сплавы на основа редкоземельных металлов (РЗМ) и урана при определенных соотношениях обладают очень высокими значениями коэрцитивной силы Нс (предельное теоретическое значение составляет 1032 кА/м) и рекордными значениями максимальной удельной магнитной энергии ?мах (предельное теоретическое значение достигает 112 кДж/м3.
Среди сплавов на основе редкоземельных наибольшее значение имеют интерметаллические соединения типа RCo5, где R – редкоземельный металл. В марке соединения буква К означает кобальт, С – самарий, П – празеодим.
Сплавы на основе редкоземельных металлов получают холодным прессованием порошка сплава RCo5 до высокой степени плотности, спеканием брикетов из порошков в присутствии жидкой фазы и литьем многокомпонентных сплавов, в которых кобальт замещен медью и железом.
Металлопластические магниты имеют пониженные магнитные свойства по сравнению с литыми магнитами, однако они обладают большим электрическим сопротивлением, малой плотностью, меньшей стоимостью.
Получают металлопластические магниты, кок и металлокерамические, из металлических порошков, которые прессуют вместе с изолирующей связкой и нагревают до невысоких температур, необходимых для полимеризации связующего вещества.
Бариевые магниты обладают следующими свойствами:
Значения остаточной магнитной индукции Br в 2…4 раза меньше, чем у литых магнитов;
Большая коэрцитивная сила Нс, что придает им повышенную стабильность при воздействии внешних магнитных полей, ударов и толчков;
Плотность d примерно в 1,5 раза меньше плотности сплавов типа ЮНДК, что существенно снижает массу магнитных систем;
Удельное электрическое сопротивление ? (104…107 Ом*м) в миллионы раз выше, чем сопротивление магнитотвердых сплавов, поэтому ферриты бария используют в цепях, подвергающихся действию высокочастотных полей;
Не содержат дефицитных и дорогих металлов, поэтому по стоимости бариевые магниты примерно в 10 раз дешевле магнитов из сплава ЮНДК.
К недостаткам бариевых магнитов относят:
плохие механические свойства (высокая хрупкость и твердость);
большую зависимость магнитных свойств от температуры (температурный коэффициент остаточной магнитной индукции ТКВr в 10 раз больше, чем ТКВr литых магнитов);
эффект необратимой потери магнитных свойств после охлаждения магнита до температуры -60?С и ниже (после охлаждения и последующего нагревания до начальной температуры магнитные свойства не восстанавливаются).
В отличии от технологии изготовления магнитомягких ферритов после сухого помола для лучшего измельчения частиц исходного сырья производят мокрый помол. Полученную массу отстаивают, заливают в пресс-формы и затем прессуют в магнитном поле при медленном увеличении давления и одновременной откачке воды. После прессования изделие размагничивают, для чего включают и выключают ток, который имеет обратное по сравнению с намагничивающим током направление.
Кроме мокрого для изготовления бариевых магнитов применяют также сухое прессование.
Промышленность выпускаем бариевые изотропные БИ и бариевые анизотропные БА магниты.
Кобальтовые магниты обладают следующими свойствами:
более высокая стабильность параметров, чем у бариевых;
температурный гистерезис, т.е. зависимость магнитных свойств от температуры, которая появляется не в области отрицательных температур, как у бариевых магнитов, а при нагревании до температуры выше 80?С;
из-за большой хрупкости и низкой механической прочности их крепят с помощью клея;
высокая стоимость.
Технология изготовления кобальтовых магнитов отличается от технологии получения бариевых ферритов операцией термомагнитной обработки, которая состоит в нагревании спеченных магнитов до температуры 300…350?С в течении 1,5 часов и охлаждения в магнитном поле в течении 2 часов.
Магниты из микропорошков Mn-Bi поучают прессованием специально подготовленного микропорошка. Для этого марганцево-висмутовый сплав (23% Mn; 77% Bi) подвергают механическому дроблению до получения частиц однодоменных размеров (5…8 мкм). Пропуская порошок через магнитный сепаратор отделяют ферромагнитную фазу Mn-Bi от немагнитных частиц марганца и висмута. В результате прессования микропорошка ферромагнитной фазы при температуре примерно 300?С в магнитном поле получают магниты, которые состоят из отдельных частиц с одинаковой ориентацией осей легкого намагничивания; сохраняют магнитные свойства только до температуры не ниже 20?С (при понижении свойства быстро ухудшаются и для их восстановления необходимо повторное намагничивание), что существенно ограничивает их применение.
Железные и железокобальтовые магниты из микропорошков Fe и Fe-Co изготавливают с применением химических способов получения частиц нужного размера (0,01…0,1). Из полученного порошка магниты прессуют и пропитывают раствором смол. Пропитка повышает коррозийную стойкость железосодержащих магнитов.
3.4. Прочие магнитотвердые материалы. К этой группе относятся материалы, которые имеют узкоспециальное применение: пластически деформируемые сплавы, эластичные магниты, материалы для магнитных носителей информации, жидкие магниты.
Пластически деформируемые магниты обладают хорошими пластическими свойствами; хорошо поддаются всем видам механической обработки (хорошо штампуются, режутся ножницами, обрабатываются на металлорежущих станках); имеют высокую стоимость.
Кунифе – медь–никель–железо (Cu-Ni-Fe) обладают анизотропностью (намагничиваются в направлении прокатки).
Применяются в виде проволоки и штамповок.
Викаллой – кобальт–ванадий (Co-V) получают в виде высокопрочной магнитной ленты и проволоки. Из него изготавливают также очень мелкие магниты сложной конфигурации.
Эластичные магниты представляют собой магниты на резиновой основе с наполнителем из мелкого порошка магнитотвердого материала. В качестве магнитотвердого материала чаще всего используют феррит бария. Они позволяют получить изделия любой формы, которую допускает технология изготовления деталей из резины; имеют высокую технологичность (легко режутся ножницами, штампуются, сгибаются, скручиваются) и невысокую стоимость.
«Магнитную резину» применяют в качестве листов магнитной памяти ЭВМ, для отклоняющих систем в телевидении, корректирующих систем.
Магнитные носители информации при перемещении создают в устройстве считывания информации переменное магнитное поле, которое изменяется во времени также, как записываемый сигнал.
Магнитные материалы для носителей информации должны отвечать следующим требованиям:
высокая остаточная магнитная индукция Br для повышения уровня считываемого сигнала;
для уменьшения эффекта саморазмагничивания, приводящего к потере записанной информации, значение коэрцитивной силы Нс должно быть как можно более высоким;
для облегчения процесса стирания записи желательна малая величина коэрцитивной силы Нс, что противоречит предыдущему требованию;
большие значения коэффициента выпуклости Квып =(ВН)мах/BrHc, что удовлетворяет требований высокой остаточной магнитной индукции Br и минимальной чувствительности к саморазмагничиванию;
высокая температурная и временная стабильность магнитных свойств.
Материалы для магнитных носителей информации представляют собой металлические ленты и проволоку из магнитотвердых материалов, сплошные металлические, биметаллические и пластмассовые ленты и магнитные порошки, которые наносятся на ленты, металлические диски и барабаны, магнитную резину и др.
Сплошные металлические ленты и проволоку из викаллоя используют в основном в специальных целях и при работе в широком диапазоне температур. Проволока из нержавеющей стали толщиной 0,1 мкм обладает коэрцитивной силой Нс=32 кА/м, остаточной индукцией Br= 0,7Т и усилием разрыва 15Н.
Основными недостатками данного типа материалов является трудность монтажа записи, быстрый износ записывающих и воспроизводящих устройств и высокая стоимость.
Свойства лент, дисков и барабанов с покрытием магнитными порошками зависят:
от свойств исходных материалов (остаточная намагниченность порошка Br должна быть возможно более высокой);
степени измельчения частиц (размеры колеблются от долей микрометра до единиц микрометров);
объемной плотности магнитного материала в рабочем слое;
ориентации частиц с анизотропией формы;
толщины рабочего слоя порошка (он должен быть максимально тонким);
свойств металлической ленты (она должна быть гладкой и гибкой для обеспечения максимального магнитного контакта между магнитными материалами ленты и устройства считывания).
Несмотря на то, что ленты на пласмассовой основе обеспечивают меньший сигнал по сравнению с лентами на металлической основе, они находят более широкое распространение. В качестке основы для таких лент используют ацетилцеллюлозную или лавсановую ленту толщиной 20…50 мкм, которую изготавливают гибкой и гладкой, так как шероховатость может быть причиной шумов при записи и воспроизведении сигнала.
В качестве магнитных порошков используют оксиды железа Fe2O3 и Fe3O4, магнитотвердые ферриты, железоникельалюминиевые сплавы, которые являются доступными и дешовыми материалами.
Жидкие магниты предсавляют собой жидкость, наполненную мельчайшими частицими магнитотвердого материала. Жидкие магниты на кремний органической основе не расслаиваются даже под воздействием сильных магнитных полей, сохраняют работоспособность в диапазене температур от –70 до +150?С.
2. Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей
Магнитомягкие материалы должны обладать высокой магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой, большой индукцией насыщения, малыми потерями на перемагничивание. Магнитные свойства материалов должны мало зависеть от механических напряжений, в результате действия которых сильно меняется mнач , mмакс, Нс. Магнитные свойства после механической обработки восстанавливают термообработкой(обжигом). В некоторых случаях важными являются температурная и временная стабильность, линейность кривой намагничивания и др.
Этим требованием наиболее полно удовлетворяют железо и его сплавы. Железо - это типичный магнитомягкий материал, магнитные свойства которого существенно зависят от содержания примесей, структуры (особенно величины зерна - чем крупнее зерна, тем выше магнитные свойства).
Вследствие низкого удельного сопротивления железо используют для изготовления изделий, которые работают в постоянных магнитных полях. Технически чистое железо применяется для получения почти всех ферромагнитных сплавов.
Сталь электротехническая является основным магнитомягким материалом и представляет собой сплавы железа и кремния (до 4,5%). Добавки кремния повышают удельное сопротивление, увеличивают mн и mmax, уменьшают Нс, потери на гистерезис, константы магнитной анизотропии и магнитострикции, повышают стабильность магнитных свойств во времени, но вместе с тем увеличивают хрупкость и твердость стали. Свойства стали значительно улучшаются в результате образования магнитной текстуры при ее холодной прокатке и последующем отжиге в водороде. Вдоль направления прокатки наблюдается более высокое значение магнитной проницаемости и меньше потери на гистерезис. Текстурированные стали используются при изготовлении ленточных сердечников.
В этом случае магнитный поток полностью проходит вдоль направления легкого намагничивания. Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резанной ленты толщиной 0,05 - 1 мкм. Тонкий прокат применяется в полях повышенной частоты (до 1 кГц). С уменьшением толщины уменьшаются потери на вихревые токи, однако возрастает коэрцитивная сила и увеличиваются потери на гистерезис.
Пермаллои - железоникелевые сплавы, обладающие большой магнитной проницаемостью в области слабых полей и очень маленькой коэрцитивной силой. Высоконикелевые пермаллои содержат 72 - 80% никеля, а низконикелевые - 40 - 50% никеля. С увеличением содержания никеля возрастает магнитная проницаемость, однако повышаются удельные потери и уменьшается индукция насыщения. Низконикелевые пермаллои имеют mн = (1.5 - 4)×103, mмакс = (15 - 40)×103, Hc = 8 -32 A/м, Bm = 1 - 1.5 Tл, а высоконикелевые - mн = (1 - 4)×104, mмакс = (7 - 35)×104, Hc = 0.4 - 4.8 A/м, Bm = 0.5 - 1 Tл.
Большие значения mн и mмакс пермаллоя объясняются небольшими величинами магнитной апизотропии и магнитострикции. Это облегчает поворот магнитных моментов из направления легкого намагничивания в направлении поля и не вызывает механических напряжений, которые затрудняют смещение доменных границ под воздействием слабого поля. Магнитная проницаемость пермаллоев сильно снижается с увеличением частоты(из-за влияния вихревых токов) и напряженности подмагничивающего (постоянного) поля. Для увеличения удельного сопротивления, улучшения магнитных характеристик и их стабильности в диапазоне напряженностей магнитного поля и температур, повышения механической прочности и обрабатываемости в пермаллой добавляют легирующие элементы - молибден, хром, кремний, марганец, медь.
Пермаллой очень чувствителен к механическим воздействиям, поэтому при изготовлении деталей из него необходимо избегать ударов, рихтовки и т.п. После всех механических операций производят термообработку в вакууме или в атмосфере водорода.
Пермаллой используется для изготовления магнитных экранов, сердечников малогабаритных и импульсных трансформаторов, сердечников катушек индуктивности, головок аппаратуры магнитной записи.
Альсиферы - тройные сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав альсифера 9.5% Si, 5.6 % Al, остальное Fe. Такой сплав отличается твердостью и хрупкостью. Свойства альсифера (mн = 3500, mмакс = 117000, Hc = 1.8 A/м) не уступают свойствам высоконикелевого пермаллоя. Изделия из альсифера - магнитные экраны, корпуса приборов и т.п. изготавливаются методом литья с толщиной стенок не менее 2 - 3 мм в виду хрупкости сплава. Его можно размалывать в порошок и использовать для изготовления высокочастотных прессованных сердечников.
3. Ферриты и магнитодиэлектрики
Ферриты - химические соединения окиси железа Fe2О3 с оксидами одного или нескольких двухвалентных металлов, имеющих общую формулу МеО×Fe2O3, где Ме - двухвалентный металл. Феррит может быть магнитным, если на месте Ме стоит ион марганца, никеля, магния, меди и некоторые другие металлы, и немагнитным - если стоит ион цинка.
Ферриты получают в виде керамики и монокристаллов. Ферритовая керамика не содержит стекловидной фазы. Изделия из ферритов получают методом спекания спрессованной массы порошкообразных окислов металлов. Ферриты являются твердыми и хрупкими материалами и допускают только шлифовку и полировку.
Технические ферриты представляют собой раствор магнитного и немагнитного ферритов. Ферриты для радиочастот делятся на две группы: никель-цинковые (NiO-ZnO-Fe2O3) и марганец-цинковый (MnO-ZnO-Fe2O3). Цинковые ферриты добавляют в магнитные ферриты для увеличения магнитной проницаемости и уменьшения коэрцитивной силы, но это приводит к снижению температурной стабильности магнитных свойств.
Значения величин mн и Hc определяется составом и структурой материала. Микроскопические поры, участки с дефектной кристаллической решеткой и др. мешают свободному перемещению доменных границ и являются причиной уменьшения магнитной проницаемости. С увеличением размера кристаллических зерен возрастает mн.
В слабых переменных магнитных полях ферриты обладают незначительными потерями на вихревые токи и гистерезис. Поэтому значение тангенса угла потерь tgd на высоких частотах в основном определяется магнитными потерями, обусловленными релаксационными и резонансными явлениями. Частота, при которой начинается резкое возрастание tgd называется критической fкр. Обычно fкр - это частота, при которой tgd = 0.1.
Инерционность смещения доменных границ, которая проявляется на высоких частотах приводит также к снижению магнитной проницаемости ферритов. Частоту fгр , при которой mн уменьшается до 0.7 от ее значения в постоянном магнитном поле называют граничной. Как правило, fкр < fгр.
Марганец - цинковые ферриты в области частот до 1 МГц обладают лучшими магнитными свойствами, чем никель - цинковые. У них меньший относительный тангенс угла потерь - tgd/mн, более высокая индукция насыщения и температура Кюри. Однако никель-цинковые ферриты обладают более высоким удельным сопротивлением и лучшими частотными свойствами. Чем больше mн, тем при более низких частотах наблюдается ее снижение. Ферриты с большим значением mэфф обладают большим значением tgd и меньшим fкр .
Во избежание ухудшения магнитных характеристик, ферриты следует оберегать от механических нагрузок.
Маркировка магнито-мягких ферритов следующая. На первом месте стоит численное значение mн, следующее за ним буквы Н и В означают соответственно низкочастотный (fкр = 0.1-50МГц) или высокочастотный (fкр = 50 - 600МГц) материал, стоящая далее буква М означает марганец-цинковый, большая Н - никель-цинковый, литий - цинковый и т.д. ферриты. Буква С означает, что феррит применяется в области сильных полей, Н - контурах, перестраиваемых подмагничиванием.
По электрическим свойствам ферриты относятся к полупроводникам с электронной проводимостью. Их электропроводность обусловлена слабосвязанными электронами, которые принадлежат ионам железа или другим катионам переменной валентности. Такие электроны под влиянием теплового движения могут переходить от иона Fe2+ к иону Fe3+, который превращается в двухвалентный ион Fe2+ и сохраняет это свойство некоторое время. С увеличением концентрации ионов Fe2+ возрастает удельная проводимость и уменьшается энергия активации Э0. Рост температуры сопровождается резким повышением проводимости из-за увеличения числа перемещающихся электронов.
s=s0 exp [-Э0/кТ],
где s0 - постоянная величина для данного материала;
Э0 - энергия активации электропроводности (Э0 = 0.1 - 0.5 ЭВ).
Концентрация двухвалентных ионов Fe2+ зависит от состава феррита и режима его обжига. Для снижения концентрации Fe2+ вводят различные добавки .
Процессы поляризации ферритов и диэлектрические потери определяются дрейфом слабосвязанных электронов под действием электрического поля. С ростом частоты поля уменьшается число электронов, которые участвует в дрейфе, и уменьшается расстояние, на которое они смещаются, и соответственно снижается поляризованность. Например на частотах ниже 1000 Гц у марганец-цинковых ферритов величина e ~ 100000, а с увеличением частоты e резко падает до значения порядка 100. Частотные характеристики диэлектрических потерь имеют максимум.
Магнитомягкие ферриты применяются в качестве сердечников контурных катушек постоянной и переменной индуктивности, сердечников импульсных трансформаторов, трансформаторов развертки телевизоров, магнитных модуляторов и усилителей. Из них изготавливают стержневые магнитные антенны, индуктивные линии задержки и др. Монокристаллы магнитомягких ферритов применяются при изготовлении магнитных головок записи и воспроизведения сигнала звукового и видеодиапазонов в магнитофонах, т.к. они обладают высоким удельным сопротивлением (что важно для уменьшения потерь) и большей твердостью по сравнению с металлическими.
Магнитодиэлектрики - это композиционные магнитомягкие материалы, состоящие из ферромагнетика и диэлектрика, применяемого в качестве связующего электроизоляционного материала. Основа должна обладать высокими магнитными свойствами, а связка - способностью образовывать между зернами сплошную электроизоляционную пленку одинаковой толщины. В качестве основы применяют карбонильное железо, альсифер, молибденовый пермаллой. Изолирующей связкой служат фенолформоальдегидные смолы, полистирол, стекло и др.
Суммарные потери мощности в магнитодиэлектрике определяются потерями на вихревые токи, последействие, гистерезис и диэлектрическими потерями. С уменьшением размера частиц ферромагнетика потери снижаются, особенно обусловленные вихревыми токами.
Магнитная проницаемость магнитодиэлектриков (mн = 10 - 250) ниже магнитной проницаемости монолитных ферромагнетиков. Это связанно с тем, что изолированные друг от друга ферромагнитные частицы создают внутреннее поле, направленное навстречу внешнему, и слабо выражен механизм намагничивания за счет смещения доменных границ, определяющий значение mн.
Из-за сильного влияния размагничивающего фактора магнитодиэлектрики имеют близкую к линейной зависимость индукции от напряженности магнитного поля и характеризуются незначительными потерями на гистерезис.
Достоинства магнитодиэлектриков: малые удельные потери энергии, слабая зависимость параметров от температуры, времени и напряженности магнитного поля, постоянство магнитной проницаемости в диапазоне частот, а недостаток - сравнительно малая начальная магнитная проницаемость.
Прессованные сердечники из магнитодиэлектриков применяются в катушках индуктивности контуров радиоприемных устройств, генераторов, фильтров и т.д.
Сердечники на основе карбонильного железа обладают высокой стабильностью, малыми потерями, положительным температурным коэффициентом магнитной проницаемости и могут использоваться в широком диапазоне частот. Карбонильное железо получается посредством термического разложения пентакарбоната железа в виде тонкого порошка, что удобно для изготовления прессованных магнитных сердечников. В карбонильном железе отсутствует кремний, фосфор, сера, но содержится углерод.
Промышленность выпускает два класса карбонильного железа: Р (марки Р-10, Р-20, Р-100) - для радиоаппаратуры и Пс - для проводной связи. Цифры указывают максимальную рабочую частоту в МГц.
Альсифер обладает невысокой стоимостью. Его температурный коэффициент магнитной проницаемости зависит от содержания алюминия и кремния и может быть положительным, отрицательным или равным нулю.
4. Магнитные материалы специального назначения
К магнитным материалам специального назначения относят магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, СВЧ ферриты, магнитострикционные материалы.
Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) находят широкое применение в устройствах автоматики, аппаратуре связи. Сердечники из материала с ППГ имеют два устойчивых магнитных состояния, которые соответствуют различным направлениям магнитной индукции. Это свойство используется для хранения и переработки двоичной информации.
Материалы с ППГ характеризуются коэффициентом прямоугольности kпу петли гистерезиса.
kпу = Br/Bmax .
Большим значением kпу обладают железоникелевые и железокобальтовые сплавы, легированные медью и некоторыми другими металлами. Эти сплавы обладают кристаллографической или магнитной текстурой. Наиболее высокую прямоугольность (до 0,98) имеют железоникелькобальтовые сердечники из лент микронной толщины.
Более широко распространены ферриты с ППГ, сердечники из которых более технологичны и дешевле. Прямоугольность петли гистерезиса достигается выбором определенного химического состава и условиями спекания феррита. Для сердечников с ППГ чаще применяются магний-марганцевые и литиевые ферриты.
Ферромагниты для устройств СВЧ используются в диапазоне длин волн от 1м до 1 мм. Электромагнитная энергия на таких частотах передается по волноводам, коаксиальным и полосковым линиям передачи. Ферритовый сердечник - вкладыш, помещенный внутрь волновода, изменяет структуру поля и скорость распространения волны. На этих частотах в ферритах используется магнитооптический эффект Фарадея, эффект ферромагнитного резонанса и зависимость магнитной проницаемости от величины внешнего поля.
Магнитооптический эффект Фарадея заключается в повороте плоскости поляризации высокочастотных колебаний в феррите за счет внешнего поля. Это позволяет изменять угол поворота плоскости поляризации и направлять энергию в разные каналы.
Ферромагнитный резонанс наблюдается при совпадении частоты внешнего поля с собственно частотой прецессии электронов, которой можно управлять с помощью постоянного подмагничивающего поля. При резонансе, волна распространяющаяся в прямом направлении, проходит без затухания, а в обратном - с затуханием. В результате получается высокочастотный вентиль. Это явление используется в антенных переключателях, в фазовращателях, модуляторах и т.д.
Для каждого диапазона длин волн используется определенная разновидность феррита. Например, для диапазона длин волн 0,8 - 2 см используются некоторые никель-цинковые ферриты, для диапазона 5 см и более используют ферриты с добавками хрома (феррохроматы) или алюминия (ферроалюмиты); феррогранат используется в диапазоне волн несколько десятков сантиметров.
Ферриты СВЧ маркируются буквами СЧ, впереди которых стоит цифра, указывающая длину волны в см. Цифра после букв СЧ указывает различие по свойствам.
В магнитострикционных материалах используется явление магнитострикции и магнитоупругий эффект - изменение магнитных свойств материала под влиянием механических воздействий. К магнитострикционным материалам относится никель, пермендюр (сплавы FeCo), альферы (сплавы FeAl), никелевый и никель-кобальтовые ферриты и др. Магнитострикционные ферриты имеют малые потери на вихревые токи по сравнению с никелем и металлическими сплавами, не подвержены действию химических агрессивных сред.
С помощью керамической технологии можно изготовить преобразователи любых форм и размеров. Магнитострикционные материалы применяются для изготовления сердечников электромеханических преобразователей для электроакустической и ультразвуковой технике, сердечника электромеханических и магнитострикционных фильтров, резонаторов и линий задержек.
4. список литературы
1. Журавлева Л.В. Электроматериаловедение: учебник. Для нач. проф. Образования. –М.: Изд. Центр «Академия»; ИРПО, 2000. –313 с.
2. Калинин Н.Н., Скибинский Г.Л., Новиков П.П. Электрорадиоматериалы: учебник для техникумов/Под ред. Н.Н. Калинина. – М.: Высш.шк., 1981.-293 с.
3. Никулин В.Н. справочник молодого электрика по электрическим материалам и изделиям. –М.: Высш.шк., 1982. –216 с.
4. Никулин Н.В. Электроматериаловедение. М.: Высш.шк.,1984. –75 с.
5. Ростовиков В.И., Черток Б.Е. Электрорадиоматериалы: Пособ. Для техн. –Киев: Выща шк., 1975. –283 с.
6. Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности. –М.: Наука, 1977.