Основные параметры магнитных веществ

Магнитные свойства материалов определяются следующими основными параметрами:

1) Намагниченность – это отношение магнитного момента тела к его объёму.

                             M = m / V [A/м]                                   (5.1)

V – объём тела; m – магнитный момент тела

2) Напряжённость магнитного поля H [A/м]

Для прямолинейного проводника:

                                     H = I / 2pr                    (5.2)

I – постоянный ток в проводнике; r – расстояние от проводника до точки в которой определяется напряжённость магнитного поля.

Для кольцевого проводника:

                             H = w₁ I / p d_ср                                      (5.3)

w₁ – число витков намагничивающей обмотки; d_ср – средний диаметр кольцевого проводника.

3) Магнитная индукция В (Тл) – это сумма двух составляющих напряжённости внешнего магнитного поля Н и внутреннего М.

                                    В= m₀ (Н + М)                                      (5.4)

m₀ – магнитная постоянная (4p×10^-7) Гн/м

4) Магнитная восприимчивость – оценивает силу взаимодействия вещества с магнитным полем, безразмерная величина. Это отношение намагниченности к напряженности магнитного поля. Способность данного вещества намагничиваться в магнитном поле.

                                  k_м = М / Н                                        (5.5)

5) Магнитная проницаемость. Среда, в которой возникает магнитное поле, характеризуется магнитной проницаемостью.

                            m = 1 + k_м = В / m₀ Н                             (5.6)

Она показывает во сколько раз магнитная индукция В поля в данной среде больше, чем магнитная индукция в вакууме.

 

Классификация магнитных материалов

Слабомагнитные вещества

По силе взаимодействия с магнитным полем все вещества разделяются на сильномагнитные и слабомагнитные. Если магнитная восприимчивость k_м «1, то это слабомагнитные вещества. К ним относят диамагнетики и парамагнетики, антиферромагнетики.

Парамагнетики – эти материалы в магнитном поле усиливают его внутри себя из-за того, что направление намагниченности совпадает с направлением внешнего поля. Атомы (ионы) этих веществ обладают магнитным моментом, в отсутствии поля они дезориентированы тепловым движением, а при намагничивании эти магнитные моменты выстраиваются по направлению поля. К парамагнетикам относятся Al, Pt, Pd, Ca, Mg, Mn, Na, соли Fe, Ni, Co и др.

Диамагнетики характеризуются тем, что ослабляют внутри себя магнитное поле, которое действует извне, из-за того, что намагниченность направлена против внешнего поля. Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения e^- при внесении атома в магнитное поле. В данном случае проявляется закон электромагнитной индукции. Электронную орбиту рассматривают как замкнутый контур, под действием внешнего поля в контуре изменяется сила тока и возникает дополнительный магнитный момент. По закону Ленца этот момент направлен навстречу внешнему полю. Магнитная восприимчивость k_м < 0. К ним относятся Cu, Au, Ag, Pb, Zn, Hg, Ga и др. К диамагнетикам также относится ряд органических соединений. Диамагнетиками являются вещества в сверхпроводящем состоянии.

Антиферромагнетики – это кристаллические вещества, в которых магнитные моменты атомов (ионов) в соседних узлах кристаллической решетки ориентированны антипараллельно. Под действием внешнего магнитного поля антиферромагнетики приобретают слабую намагниченность. Повышение t° до температуры, называемой точкой Нееля, приводит к потере намагниченности и переходу в парамагнитное состояние. Антиферромагнетики – Cr, NiF₂, FeF₂, NiO.

С точки зрения технического применения наибольший интерес представляют сильномагнитные вещества k_м» 1 (ферромагнетики и ферримагнетики).

 

Сильномагнитные вещества

Ферромагнетики характеризуются:

а) Способностью сильно намагничиваться даже в слабых полях (k_м = 10³…10⁴).

б) Выше определённой температуры (температуры Кюри T_к) ферромагнетики переходят в парамагнетики, т.е. магнитная восприимчивость снижается на 3-4 порядка.

К ферромагнетикам относят гадолиний (T_к=18°С), железо (769°С), кобальт (1131°С), никель (358°С).

Ферромагнетизм – магнитоупорядоченное состояние микроскопических объёмов вещества, в которых магнитные моменты атомов (ионов) параллельны и одинаково сориентированы. Эти объёмы (домены) обладают магнитным моментом даже при отсутствии внешнего намагничивающего поля (рисунок 5.1).

Если тело состоит из нескольких доменов, при образовании замыкающих доменов магнитный поток замкнут внутри тела, за его пределами магнитное поле равно нулю.

Деление образца на домены ограничивается энергией, затрачиваемой на образование границ между доменами. Линейный размер доменов имеет порядок от 10^-2 до 10^-5 см. 

Рисунок 5.1                            Рисунок 5.2

Доменная структура магнитных Основная кривая намагничивания материалов:1- Замыкающие домены     ферромагнетика

          2- Основные домены

Толщина доменной границы достигает нескольких сотен нанометров. При наложении внешнего магнитного поля происходит рост объёма доменов, которые имеют направление намагниченности, совпадающее или близкое к направлению напряжённости поля.

Зависимость магнитной индукции ферромагнитного вещества от напря­женности внешнего поля называют кривой намагничивания, она имеет вид, показанный на рисунке 5.2. Кривую намагничивания ферро­магнетиков можно разделить на несколько участков, которые ха­рактеризуются определенными процессами намагничивания. В об­ласти слабых полей (область /) магнитные восприимчивость и про­ницаемость не изменяются. Изменение магнитной индукции в этой области происходит в основном за счет обратимых процессов, кото­рые обусловлены смещением границ доменов.

Кривая намагничивания в области // характеризуется тем, что здесь происходит неупругое смещение границ доменов, т. е. про­цесс не является обратимым. В области приближения к насыщению (область ///) изменение индукции объясняется в основном процес­сом вращения, когда направление вектора намагниченности само­произвольных областей (доменов) приближается к направлению внешнего поля. Полная ориентация намагниченности по полю соответствует техническому насыщению. На последнем участке кривой (область IV) наблюдается слабый рост индукции с увеличением поля. Увеличение индукции происходит за счет ро­ста намагниченности самого домена, т. е. ориентации спиновых мо­ментов отдельных электронов, направление которых не совпадает с направлением внешнего поля вследствие дезориентирующего влияния теплового движения.

 

Рисунок 5.3

Кривая намагничивания и углы a, характеризующие различные типы магнитной проницаемости.

Статическая магнитная проницаемость, опреде­ляемая по формуле m=В/(m₀Н),пропорциональна тангенсу угла a_нач наклона прямой, проведенной из начала координат через точку на основной кривой намагничивания (рис. 5.3).

Значение магнитной проницаемости m_н в области слабых полей (Н®0) называют начальной магнитной проницаемостью, экспериментально ее определяют в полях ~0,1А/м. Наибольшее значение магнитной проницаемости называют макси­мальной проницаемостью m_max.

Магнитная проницаемость магнитных материалов растет с уве­личением температуры и имеет максимум при температуре Кюри. Значения температуры Кюри для ряда магнитных материалов при­ведены в таблице 5.1.

Если намагничивать ненамагниченный материал во внешнем магнитном поле, то индукция возрастает при непрерывном увеличе­нии напряженности магнитного поля Н и достигает значения ин­дукции насыщения Вs,. Если после этого уменьшить напряженность внешнего поля Н, то намагниченность уменьшится, но этому зна­чению напряженности будет соответствовать уже другое, большее, значение индукции, чем при начальном намагничивании.

 

Таблица 5.1 Значение температуры Кюри для ряда магнитных материалов

Материал	Tk, 0С	mmax	Вs, Тл
Fe	770	200000	2,15
Ni	358	600	0,61
Co	1120	250	1,7

 

Это означает, что кривые В=f(H) при увеличении и уменьше­нии напряженности поля не тождественны вследствие явления ги­стерезиса. Магнитным гистерезисом называется явление отстава­ния изменения магнитной индукции от вызывающей эти изменения напряженности магнитного поля (рисунок 5.4). При уменьшении Ндо нуля в об­разце остается остаточная индукция В_г.Если направление поля изменить на противоположное и начать его увели­чивать, то можно уменьшить индукцию до нуля. В этом случае значение Н_еназывается коэрцитивной (задерживаю­щей) силой.

 

 

Рисунок 5.4-Петля магнитного гистерезиса

Значение индукции насыщения определяется в поле H_s, которое принимается равным 5 Н_с. Кривая изменения индукции при изме­нении напряженности внешнего магнитного поля от + Н_с до — Н_cи обратно называется предельной петлей гистерезиса, которая является важной характеристикой материала, на ее основе можно определить основные параметры материала — коэрцитивную силу Н_c, индукцию насыщения B_s, остаточную индукцию В_rи др. По значению коэрцитивной силы материалы делятся на магнитомягкие (с малым значением Н_с и большой магнитной проницаемостью) и магнитотвёрдые (с большой коэрцитивной силой). Для магнитотвёрдых материалов желательно, с точки зрения применения, чтобы площадь петли гистерезиса была как можно больше. Магнитотвёрдые материалы обладают широкой петлёй гистерезиса.

Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле связан с тепловыми потерями части энергии магнитного поля, что внешне проявляется в нагреве материала. Поте­ри в магнитном материале характеризуются удельными магнитны­ми потерями Р_уд или тангенсом угла магнитных потерь tgd_м.

По механизму возникновения различают потери на гистерезис и динамические. Потери на гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением границ доменов. Они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте пере­менного поля. Мощность потерь, расходуемая на гистерезис, опре­деляется следующей формулой:

                                             P_r=hB_mⁿ f V                          (5.7)

где h— коэффициент, зависящий от свойств материала; В_m - максимальная индукция в течение цикла; n=1,6…2,0 — показа­тель степени, принимающий значения в зависимости от В; f — ча­стота; V — объем образца.

Динамические потери вызываются вихревыми токами и потеря­ми на магнитное последействие или магнитной вязкостью, которые учитывают в слабых магнитных полях; они обусловлены отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитно­го поля.

Потери на вихревые токи вызываются электрическими токами, которые магнитный поток индуцирует в магнитном материале; они зависят от электрического сопротивления магнитного материа­ла. Увеличение сопротивления приводит к уменьшению потерь. Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты маг­нитного поля, поэтому применение магнитных материалов с низким электрическим сопротивлением имеет ограничение на высоких ча­стотах. Мощность потерь на вихревые токи можно записать в виде:

                            P= 1,6f²h²В_max²/Дr                       (5.8)

где f – частота, h – толщина магнитного материала, r - удельное электрическое сопротивление, Д—плотность материала.

Для работы в переменных магнитных полях используют мате­риалы с узкой петлей гистерезиса, т. е. с очень малой коэрцитивной силой.

 

Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы должны иметь высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную силу, большую индукцию на­сыщения, узкую петлю гистерезиса, малые магнитные потери.

Магнитомягкие материалы можно разделить на следующие груп­пы: технически чистое железо (низкоуглеродистая сталь); кремни­стая электротехническая сталь; сплавы с высокой начальной маг­нитной проницаемостью (пермаллои); сплавы с большой индукцией насыщения (пермендюр); ферриты.