Намагничивание ферромагнитных материалов

 

Процесс намагничивания ферромагнитного материала под вли­янием внешнего магнитного поля (рис. 8.2.) сводится: 1) к росту тех доменов, магнитные моменты которых составляют наименьший угол с направ­лением поля, и к уменьшению размеров других доменов (процесс смещения границ доменов); 2) к повороту магнитных моментов в направлении внешнего поля (процесс ориентации).

 

 

а)                               б)                          в)                           г)

 

Рис. 8.2 Схема ориентации магнитных моментов в доменах при намагничивании ферромагнетика:

а) – внешнего поля нет; б) – слабое поле; в) – сильное поле; г) – насыщение.

 

Процессы намагничивания ферромагнетиков описываются кривыми намагничивания – зависимостями магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н (рис. 8.3).

 

 

Рис. 8.3 Основная кривая индукции В и кривая магнитной проницаемости  

фер­ромагнитного материала

 

При намагничивании предварительно размагниченного образца различают следующие типы зависимостей (см. рис. 8.3):

1 - область самых слабых полей характеризуется прямолинейным ходом кривой индукции. Магнитная проницаемость имеет постоянное значение (  - начальная проницаемость);

2 - область слабых полей характеризуется крупным подъемом кривой индукции. Магнитная проницаемость резко возрастает, про­ходя через максимум ( - максимальная проницаемость);

3 - область средних полей характеризуется медленным подъемом кривой индукции. Магнитная проницаемость падает;

4 - область сильных полей (область насыщения) характеризуется выходом индукции на пологую прямую. Магнитная проницаемость приближается к едини­це. Магнитное на­сыщение достигается тогда, когда рост доменов прекратится, и магнит­ные моменты всех спонтанно намагниченных микрокристаллических участков окажутся ориентированными в направлении поля. В результате весь ферромагнетик будет представлять собой один сплошной домен, ориентированный по полю.

При намагничивании магнитного материала происходит изменение формы и размеров тела. Это явление получило название магнитострикции. Магнитострикция обусловлена деформацией кристаллической решетки под действием изменения ее энергетического состояния. Это изменение обусловлено смещением атомов решетки, которое происходит при смещении границ доменов и вращении вектора намагниченности. Такая магнитострикция носит анизотропный характер и называется линейной, так как проявляется, в основном, в изменении формы кристалла без изменения его объема. Линейная магнитострикция определяется по относительному удлинению образца (D ℓ / ℓ) в направлении поля.

Магнитострикция имеет непосредственное техническое применение в магнитострикционных вибраторах (генераторах) звуковых и ультразвуковых частот, а также в некоторых радиотехнических схемах и устройствах (замена кварца для стабилизации частоты, в электромеханических фильтрах и т. д.).

Магнитный гистерезис

 

Если медленно производить намагничивание ферромагнетика во внешнем магнитном поле, а затем, начиная с какой-либо точки ос­новной кривой намагничивания, начать уменьшать напряженность поля, то индукция будет также уменьшаться, но не по основной кривой, а с отставанием, вследствие явления гистере­зиса (от греч. hysteresis - отставание, запаздывание).

При увеличении поля противоположного направ­ления образец может быть размагничен, а затем и перемагничен. При новой перемене на­правления магнитного поля индукция снова может вер­нуться в исходную точку, характеризовавшую намаг­ничивание образца, т. е. бу­дет описана кривая, пред­ставляющая собой петлю гистерезисного цикла перемагничивания (рис. 8.4).

 

 

Рис. 8.4 Петля гистерезиса для магнитного материала

 

Если материал намагнитить до состояния насыщения В _мах, все домены окажутся ориентированными в одном направлении и дальнейший рост индукции В будет невозможен. Значение В при Н =0 в процессе размагничивания образца называется остаточной индукцией В _ост. Для того, чтобы уменьшить индукцию от значения В _ост до нуля, необходимо приложить обратно направленную напряженность поля Н _с, называемою коэрцитивной (задерживающей) силой.

Материалы с малым значением Н_с и большой магнитной прони­цаемостью называются магнитомягкими материалами. Материалы с большой коэрцитивной силой и сравнительной малой проница­емостью называются магнитотвердыми материалами.

 

Магнитомягкие материалы

 

Магнитомягкие материалы, обладая высокой магнитной прони­цаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис, используются в качестве сердечников трансформато­ров, электромагнитов, в измерительных приборах и в других слу­чаях, где необходимо при наименьшей затрате энергии достигнуть наибольшей индукции. Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах используют магнитомягкие материалы с повы­шенным удельным электрическим сопротивлением, обычно приме­няются магнитопроводы, собранные из отдельных изолированных друг от друга тонких листов.

Железо (низкоуглеродистая сталь). Технически чистое железо обычно содержит небольшое количество примесей угле­рода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его магнитные свойства. Благодаря сравнительно низкому удель­ному электрическому сопротивлению технически чистое железо используется довольно редко, в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока. Обычно технически чистое железо изготовляется рафинированием чугуна в мартеновских печах или конверторах и имеет суммарное содержание примесей до 0,08 — 0,1 %.

Низкоуглеродистая электротехническая листовая сталь — это одна из разновидностей технически чистого железа, выпускается в виде листов толщиной 0,2 - 4 мм, содержит не свыше 0,04 % угле­рода и не свыше 0,6 % других примесей. Максимальное значение магнитной проницаемости для различных марок — не менее 3500— 4500, коэрцитивная сила — соответственно не более 100—65 А/м.

Кремнистая электротехническая сталь является основным магнитомягким материалом массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивле­ния, что вызывает снижение потерь на вихревые токи. Кроме того, наличие в стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также почти полному раскислению стали. Это приводит к увеличению μ, уменьшению Н _с и к снижению потерь на гисте­резис.

Сталь, содержащая до 4 % кремния, обладает достаточно удов­летворительными механическими свойствами, а при наличии выше 5 % кремния становится очень хрупкой. Путем специализи­рованной прокатки и особой термической обработки можно изго­товить текстурованную сталь крупнокристаллического строения, причем кристаллы окажутся ориентированными осями наиболее легкого намагничивания параллельно направлению прокатки. Ма­гнитные свойства такой стали в направлении прокатки значительно выше, чем стали, не подвергавшейся подобной обработке.

Пермаллои. Это железоникелевые сплавы, обладающие весьма боль­шой начальной магнитной проницаемостью в области слабых полей, что связано с практическим отсутствием у них анизотропии и магнитострикции.

Основные магнитные свойства и удельное сопротивление сплавов железо—никель зависят от содержания никеля. Наибольшим значением максимальной магнитной проницаемости обладает сплав, содержащий 78,5 % Ni. Магнитная проницаемость высоконикелевых пер­маллоев в несколько раз выше, чем у низконикелевых, и намного превосходит проницаемость электротехнических сталей. Удельное сопротивление высоконикелевых пермаллоев, почти в три раза меньше, чем низконикелевых, поэтому при повышенных частотах предпочти­тельно использовать низконикелевые пермаллои.

Альсиферы — сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптималь­ный состав альсифера: 9,5 % Si, 5,6 % А1, остальное Fe. Такой сплав отличается твердостью и хрупкостью, но из него могут быть изготовлены фасонные отливки. По своим магнитным свойствам альсиферы не уступают высоконикелевым пермаллоям. Из альсифера изготовляются ма­гнитные экраны, корпуса приборов и другие изделия с толщиной стенок не менее 2—3 мм из-за хрупкости сплава. Эта особенность ограничивает применение данного материала. Благодаря хрупкости альсифера его можно размалывать в порошок и использовать наряду с карбонильным же­лезом для изготовления высокочастотных прессованных сердеч­ников.

Магнитодиэлектрики - материалы, получаемые путем прессова­ния порошкообразного ферромагнетика с изолирующей органической илинеорганической связкой. В качестве основы применяют карбонильное железо, адьсифер и др. Изолирующими связками служат фенолформальдегидные смолы, полистирол, стекло и др. Магнитодиэлектрики характеризуются эффективной магнитной проницаемостью  ко­торая всегда меньше  ферромагнетика, составлявшего основу данного магнитодиэлектрика. Прессованные сердечники применяются в катушках индуктивности фильтров, генераторов, частотомеров, кон­туров радиоприемников и т.п. Магнитная проницаемость магнитодиэлектриков практически не управляется внешним магнитным полем.

Ферриты представляет собой магнитную керамику с электронной электропроводностью. Большая величина удельного сопротивления, превышающая удельное сопротивление железа в 10⁶÷10¹¹ раз, а сле­довательно, и относительно малые потери энергии в области повы­шенных и высоких частот, наряду с достаточно высокими магнитными свойствами, обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлек­тронике. Ферриты является двойными окислами железа в двухвалент­ных (peжe одновалентных) металлов. Применяющиеся в технике ферритыназывают также оксиферами.

Ферриты обладают низкой индукцией насыщения по сравнению с металлическими магнитными материалами, поэтому в сильных поляхприменять их невыгодно. Однако следует иметь в виду, что в пере­менных полях высокой частоты ферриты, благодаря практическому отсутствию размагничивающего действия вихревых токов, могут иметь более высокие значения индукции, чем металлические материалы.

 

Магнитотвердые материалы

 

К магнитотвердым относятся материалы, обладающие широкой петлей гистерезиса и коэрцитивной силой Н _с> 4 кА/м. Они применяются для изготовления постоянных магнитов, устройств записи и хранения информации, устройств акустической техники и т. д.

Труднодеформируемые сплавы. К ним относятся сплавы Al+Ni+Fe (Альни) и Al+Ni+Со+Fe (Альнико). Используются для изготовления магнитов всех назначений магнитных систем измерительных приборов и поляризованных реле, магнитных систем тахогенераторов и исполнительных двигателей, магнитных аппаратов и магнитных муфт.

Деформируемые сплавы: Со+Mo+Fe (комоль), Cr+Co+Fe, V+Co+Fe (викаллой), Cu+Ni+Co (кунико), Сu+Ni+Fe (кунифе). Используются для изготовления магнитов сложной конфигурации, стрелок компасов, магнитных пружин измерительных приборов, магнитных систем гистерезисных двигателей, устройств записи и хранения информации.

Интерметаллические соединения. Интерметаллические соединения типа РЗМ+Со (РЗМ – редкоземельный элемент, например Sm, Pr) обладают рекордно высокими магнитными свойствами, используются в магнитных системах магнетронов и другой радиоэлектронной аппаратуры.

Магнитотвердые ферриты – бариевые BaO(Fe₂O₃)₆, кобальтовые СоО×Fe₂O₃, стронциевые SrO(Fe₂O₃)₆ – используются для изготовления магнитных систем радиоэлектронной аппаратуры, магнитных линз, магнитные системы поляризованных реле, исполнительных электродвигателей.

Магнитные порошки используемые для устройств записи и хранения информации (магнитные ленты и диски). Наибольшее распространение получили магнитные порошки g -Fe₂O₃ – гамма оксида железа с частицами игольчатой формы. Применяют также диоксид хрома CrO₂.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы – Изд. 6-е.– М.: Энергия, 1977.

2. Серебряков А.С. Электротехническое материаловедение. Электроизоляционные материалы: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. — М.: Маршрут, 2005. -  280 с.

3. А.Н. Дудкин, В.С. Ким. Электротехническое материаловедение: учебное пособие – 2-е изд. - Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2009. - 198 с.

4. Тимофеев, Игорь Александрович. Электротехнические материалы и изделия: учебное пособие для вузов / И. А. Тимофеев. - Санкт-Петербург [и др.]: Лань, 2012. - 267 с.

5. Электротехнические и конструкционные материалы: учебное пособие / В. Н. Бородулин [и др.]; Под ред. В.А. Филикова.— 2-е изд., стер.— М.: Академия, 2005. - 276с.

6. Алиев, Исмаил Ибрагимович. Электротехнические материалы и изделия: справочник / И. И. Алиев, С. Г. Калганова.— Москва: РадиоСофт, 2005. - 351 с.

7. Уилсон М. Сверхпроводящие магниты: Пер. с англ. – М.: Мир, 1985. – 405 с.

8. В.С. Высоцкий, С.С. Фетисов. Кабели сверхпроводящие и не только они //Кабели и провода. 2017. №3. с 57-63.