Намагничивание ферромагнетиков

Если ферромагнетик поместить в магнитное поле, то при увеличении напряжен­ности внешнего поля B можно наблюдать возрастание магнитной индукции В (рис. 1.36), которое обусловлено двумя основными процессами: смещением до­менных границ и поворотом магнитных моментов доменов.

В качестве исходного примем размагниченное состояние ферромагнетика. Этому состоянию соответствует ориентация спинов в доменах, показанная на рис. 1.37, а. При увеличении напряженности поля увеличивается объем тех доменов, магнит­ные моменты которых образуют наименьший угол с направлением внешнего поля (рис. 1.37, б), при этом магнитная восприимчивость не изменяется, а магнитная индукция возрастет пропорционально напряженности поля (участок 1 на рис. 1.36). После снятия поля доменные границы возвращаются в исходное положение.

В области более сильных полей смещение доменных границ носит необратимый характер (рис. 1.37, в). На участке необратимого смещения границ кривая намаг­ничивания имеет наибольшую крутизну (участок 2 на рис. 1.36).

По мере дальнейшего увеличения напряженности поля начинает работать второй механизм намагничивания — происходит поворот магнитных моментов доменов в направлении поля (участок 3 на рис. 1.36). Когда все магнитные моменты доме­нов оказываются сориентированными вдоль поля (рис. 1.37, г), наступает техни­ческое насыщение намагниченности (участок 4 на рис. 1.36). Некоторое увеличе­ние индукции на участке насыщения вызвано слагаемым μ₀*H уравнении (1.29) и увеличением намагниченности самого домена.

Используя кривую намагничивания, можно построить график зависимости маг­нитной проницаемости от напряженности магнитного поля, которая в соответ­ствии с (1.29) равна

Магнитная проницаемость μ пропорциональна тангенсу угла наклона прямой линии, проведенной из начала координат через точку на кривой намагничивания. Зависимость проницаемости μ от напряженности поля H показана на рис. 1.38. Значение проницаемости в слабых полях называют начальной магнитной прони­цаемостью (μ_H). Наибольшее значение магнитной проницаемости называют мак­симальной проницаемостью (μ_max).

Если после намагничивания ферромагнетика до насыщения уменьшать напряжен­ность внешнего поля H, то индукция уменьшится, однако она будет больше, чем при начальном намагничивании. На рис. 1.39 представлены зависимости В =f(Н) при увеличении и уменьшении напряженности поля; они не тождественны вслед­ствие явления гистерезиса. При уменьшении H до нуля в образце остается оста­точная индукция В_Г. Для того чтобы уменьшить индукцию до нуля, необходимо изменить направление поля на противоположное, после чего увеличивать напряженность поля до величины - Н_с, называемой коэрцетивной (задерживающей) си­лой. Если после этого продолжать увеличивать напряженность поля, то ферро­магнетик намагнитится до насыщения -B_s. Изменяя циклически напряженность поля H, можно получить петлю гистерезиса.

Экспериментально установлено, что в монокристаллах ферромагнетиков суще­ствуют направления легкого и трудного намагничивания. Это явление называ­ется магнитной анизотропией. Так, например, у железа, имеющего структуру объемно центрированного куба, направления легкого намагничивания совпада­ют с ребрами куба. Направления трудного намагничивания совпадают с диагона­лями куба. Направления среднего намагничивания совпадают с диагоналями гра­ней куба. У никеля, имеющего структуру гранецентрированного куба, наоборот, ось легкого намагничивания совпадает с диагональю куба, а ось трудного намаг­ничивания — с ребром куба.

При намагничивании ферромагнетиков наблюдается изменение их размеров и формы. Такое явление называется магнитострикцией. Магнитострикцию оценива­ют значением относительной деформации материала в направлении магнитного поля: . Численное значение коэффициента магнитострикции λ зависит от типа структуры, кристаллографического направления, напряженности магнитного поля и температуры. При этом магнитострикция может быть как положительной, так и отрицательной, то есть размеры образца в направлении поля при намагничивании могут как увеличиваться, так и уменьшаться. Так, например, для монокристалла железа, намагниченного в направлении ребра куба, линейные размеры в этом направ­лении уменьшаются, при намагничивании вдоль диагонали куба увеличиваются.

Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле связан с потерями энергии, вызывающими нагрев материала. Эти потери обу­словлены необратимым смещением границ доменов, они пропорциональны пло­щади петли гистерезиса и частоте переменного магнитного поля. Мощность по­терь, расходуемых на гистерезис, определяется формулой

где η — коэффициент, зависящий от свойств материала;

B_max — максимальная индукция в течение цикла перемагничивания;

п = 1,6...2,0 — показатель степени, зависящий от B_max;

f — частота;

V — объем образца.

Помимо потерь на гистерезис перемагничивание магнитного материала сопро­вождается динамическими потерями, обусловленными вихревыми токами, кото­рые магнитный поток индуцирует в магнитном материале. Эти токи возникают в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Мощность потерь на вихревые токи определяется формулой

где ζ, — коэффициент, зависящий от удельной проводимости, формы и размеров поперечного сечения материала.

Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах применяют сердеч­ники из тонких листов ферромагнитных материалов, изолированных друг от дру­га и обладающих высоким удельным электрическим сопротивлением.

Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы — это такие материалы, которые обладают малой коэрцетивной силой H_с и высокой магнитной проницаемостью μ. Они характеризу­ются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание и ис­пользуются в основном в качестве сердечников трансформаторов, дросселей, электромагнитов и др. Условно к магнитомягким материалам относят материа­лы, у которых H_с< 800 А/м. Такими материалами являются низкоуглеродистые кремнистые стали, карбонильное железо, пермаллои и альсиферы.

Низкоуглеродистые кремнистые стали представляют собой сплавы железа, вклю­чающие 0,8-4,8 % кремния. Введение кремния повышает удельное электрическое сопротивление стали и снижает потери на вихревые токи. Чем больше содержа­ние кремния, тем лучше магнитные характеристики, однако при этом повышает­ся хрупкость материала. Кремнистая сталь прокатывается в виде тонких листов толщиной 0,05-1,0 мм. Она характеризуется следующими основными парамет­рами: μ_H, = 300...900, μ_max, = (2...35)*10³, H_с = 10...30 А/м.

Карбонильное железо получают путем термического разложения пентакарбонила железа Fe(CO)₅, результатом чего является порошок, состоящий из частиц чис­того железа и оксида углерода, имеющих сферическую форму диаметром от 1 до 8 мкм. Из этого порошка путем прессования изготовляют высокочастотные сер­дечники, характеризуемые следующими основными параметрами: μ_max = 20*10³, H_C = 4.5…6.2 A/м

Пермаллои представляют собой пластичные железоникелевые сплавы с содержа­нием никеля 45-80 %.Чем выше содержание никеля, тем больше и. и меньше Н_с. Пермаллои обладают высокой пластичностью, поэтому они легко прокатывают­ся в тонкие листы толщиной до 1 мкм. Для улучшения магнитных характеристик в пермаллои добавляют молибден, хром, кремний или медь. Пермаллои характе­ризуются следующими основными параметрами: μ_H = (2...14)*10³, μ_max = (50...270)*10³, H_с = 2...16 А/м.

Алъсиферы представляют собой хрупкие нековкие сплавы, содержащие от 5 до 15 % алюминия, от 9 до 10 % кремния, остальное — железо. Из этих сплавов изго­товляют литые сердечники, работающие на частотах до 50 кГц. Альсиферы име­ют следующие основные параметры: μ_H, = (6...7)*10³, μ_max = (ЗО...35)*1О³, Н_с = 2,2 А/м.

Ферриты представляют собой соединения оксида железа (Fe₂O₃) с оксидами дру­гих металлов (ZnO, NiO и др.). Ферриты получают из порошкообразной смеси оксидов этих металлов. Основным достоинством ферритов является сочета­ние высоких магнитных параметров с большим электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются потери в области высоких частот. Марганцево-цинковые ферриты имеют параметры μ_H, = (1...6)*10³, H_с = 12...80 А/м и граничную частоту до 1,6 МГц, никель-цинковые — μ_H = 10...150, H_с - 560...800 А/м и гранич­ную частоту до 250 МГц. Приведенные параметры свидетельствуют о том, что чем меньше начальная магнитная проницаемость феррита, тем выше граничная частота, до которой он может применяться. В устройствах автоматики, вычисли­тельной техники, аппаратуре телефонной связи широкое применение находят ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ). Такие сердечники имеют два устойчивых состояния, соответствующих различным направлениям остаточ­ной магнитной индукции, что позволяет использовать их в качестве элементов для хранения и переработки двоичной информации.

Магнитодиэлектрики представляют собой композиционные материалы, состоя­щие из мелкодисперсных частиц магнитомягкого материала, соединенных друг с другом каким-либо органическим или неорганическим диэлектриком. В качестве мелкодисперсных магнитомягких материалов применяют карбонильное железо, альсифер и некоторые сорта пермаллоев, измельченные до порошкообразного состояния. В качестве диэлектриков применяют эпоксидные и бакелитовые смо­лы, полистирол, жидкое стекло и др. Диэлектрик соединяет частицы магнитомяг­кого материала, одновременно изолируя их друг от друга, благодаря чему повы­шается удельное электрическое сопротивление магнитодиэлектрика, что резко снижает потери на вихревые токи и позволяет использовать магнитодиэлектри­ки на частотах до 100 МГц.

Магнитные характеристики магнитодиэлектриков несколько хуже, чем у ферри­тов, но зато эти характеристики более стабильны. Кроме того, производство изде­лий из магнитодиэлектриков значительно проще, чем из ферритов.

Магнитотвердые материалы

Магпитотвердые материалы отличаются от магнитомягких высокой коэрцетивной силой и остаточной индукцией. Площадь петли гистерезиса у них значи­тельно больше, чем у магнитомягких материалов, следовательно, они трудно на­магничиваются. Будучи намагниченными, они могут долго сохранять магнитную энергию, то есть служить источником постоянного магнитного поля, поэтому их применяют главным образом для изготовления постоянных магнитов, которые должны создавать в воздушном зазоре между своими полюсами магнитное поле.

Величина магнитной энергии в рабочем зазоре магнита определяется соотно­шением

Наглядное представление о том, как зависит энергия от индукции, дает рис. 1.40, где в первом квадранте показана зависимость магнитной энергии W от индукции В, а во втором квадранте показан участок петли гистерезиса, соответствую­щий размагничиванию, то есть зависимость В от Я. Нетрудно понять, что каждой точке на графике В =f(H) соответствует ордината графика W~f(B) и существует такое положение точки на графике В = f(H), которой соответствует максимум магнитной энергии W_max. Значение W_mn определяет наилучшее использование магнита, поэтому эта энергия является наиболее важной характеристикой, опре­деляющей качество материала.

Магнитотвердые материалы по составу и способу получения подразделяют на пять групп:

□ литые высококоэрцитивные сплавы;

□ металлокерамические и металлопластические магниты;

□ магнитотвердые ферриты;

□ сплавы на основе редкоземельных металлов;

□ материалы для магнитной записи информации.

К группе литых высококоэрцитивных сплавов относятся железо-никель-алюминевые и железо-никель-кобальт-алюминевые сплавы, легируемые медью, никелем, титаном и ниобием. Магнитная энергия таких сплавов достигает 36 кДж/м, коэр­цитивная сила — 110 кА/м.

Металлокерамические и металлопластические магниты создаются методами порошковой металлургии. Металлокерамические магниты получают путем прес­сования порошка, состоящего из измельченных тонкодисперсных магнитных сплавов, и последующего спекания при высокой температуре. Из-за пористости материалов их магнитная энергия на 10-20 % ниже, чем у литых сплавов. Металлопластические магниты получают из порошка магнитного сплава, смешанного с порошком диэлектрика. Процесс изготовления магнитов состоит в прессовании и нагреве заготовок до 120-180 °С для полимеризации диэлектрика. Из-за того, что около 30 % объема занимает неферромагнитный связующий диэлектрический материал, их магнитная энергия на 40-60 % меньше, чем у литых сплавов.

Из магнитотвердых ферритов наибольшее распространение получили бариевый фер­рит и кобальтовый феррит. Магнитная энергия этих ферритов достигает 12 кДж/м.

Магнитотвердые материалы из сплавов на основе редкоземельных металлов весь­ма перспективны, но еще недостаточно изучены и освоены в техническом отно­шении. Практически известны сплавы самария и празеодима с кобальтом, маг­нитная энергия которых достигает 80 кДж/м. Недостатками этих сплавов являются их высокая хрупкость и значительная стоимость.

В качестве материалов для магнитной записи информации применяют тонкие ме­таллические ленты из нержавеющих сплавов и ленты на пластмассовой основе с порошковым рабочим слоем. В технике магнитной записи наибольшее распрост­ранение получили полимерные ленты с нанесенным слоем магнитного лака, со­стоящего из магнитного порошка, связующего вещества, летучего растворителя и различных добавок, уменьшающих абразивность рабочего слоя.