Общие сведения о магнитных свойствах материалов

В качестве магнитных м-лов техническое зн-е имеют ферромагнитные в-ва и ферримагнитные соединения (ферриты). Магнитные св-ва м-лов обусловлены внутренними скрытыми формами движения эл. зарядов, представляющими собой эл. круговые токи. Такими круговыми токами являются: вращение электронов вокруг собственных осей – электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах. Явление ферромагнетизма связано с образованием внутри некоторых м-лов ниже опр. т-ры (точки Кюри) таких кристал. структур, при которых в пределах макроскопических областей, называемых магнитными доменами, электронные спины оказываются ориентированными параллельно друг другу и одинаково направленными. Таким образом, характерным для ферромаг. сост-я в-ва является наличие в нем самопроизвольной (спонтанной) намагниченности без приложения внешнего маг. поля. Монокристаллы ферромаг. в-в хар-ся маг. анизотропией, выражающейся в различной легкости намагничивания вдоль разных осей. В тех случаях, когда анизотропия в поликристалл. магнетиках выражена достаточно резко, принято говорить, что ферромагнетик обладает магнитной текстурой. Получение заданной магнитной текстуры имеет большое значение и используется в технике для создания в опр. направлении повышенных маг. хар-к м-ла. При намагничивании ферромаг. монокристаллов наблюдается изменение их лин. размеров. это явл-е носит название магнитострикции. Она наблюдается и поликристал. м-лов. Х-кой ферромагнетиков в переменных маг. полях явл-ся динамическая маг. проницаемость μ_~, представляющая собой отношение амплитудного зн-я индукции к амплитудному зн-ю напряженности поля. С увеличением частоты переменного поля дин. маг. проницаемость уменьшается из-за инерционности маг. процессов. Маг. проницаемость ферромаг. м-лов зависит от т-ры. Для хар-ки изменения маг. Проницаемости с т-рой пользуются темп. коэффициентом маг. проницаемости.

Если медленно производить намагничивание ферромагнетика во внешнем маг. поле, затем, начиная с какой-либо точки, основной кривой намагничивания, начать уменьшать напряженность поля, то индукция будет также уменьшаться, но не по осн. кривой, а с отставанием вследствие явл-я гистерезиса. При увеличении поля противоположного направления образец может быть размагничен, перемагничен и при новой перемене направления маг. поля индукция может снова вернуться в исходную точку, характеризовавшую намагничивание образца, т.е. будет описана кривая, представляющая собой петлю гистерезисного цикла перемагничивания. В зависимости от значений напряженности внешнего маг. поля можно получить целое семейство петель гистерезиса. Выберем из этих циклов предельный цикл, при котором достигается намагничивание м-ла до насыщения В_макс. Значение В при Н=0 в процессе размагничивания, намагниченного до насыщения, называется остаточной индукцией B_r. Для того, чтобы уменьшить индукцию от зн-я В до нуля, необходимо приложить обратно направленную напряженность поля Н_с, называемую коэрцитивной силой.

М-лы с малым зн-ем Н_с и большой маг. проницаемостью наз-ся магнитно-мягкими материалами. М-лы с большой коэрцитивной силой и сравнительно малой проницаемость носят название магнитно-твердых материалов.

При перемагничивании ферромагнетиков в переменных маг. полях всегда набл-ся потери энергии в форме тепла. Они обусловлены потерями на гистерезис и динамическими потерями. Дин. потери вызываются вихревыми токами, индуктированными в массе маг. м-ла.

Для ряда кристал. в-в минимуму потенциальной энергии системы отвечает антипараллельное расположение спинов с некоторым преобладанием одного направления над другим. Эти в-ва наз-ся ферримагнетиками. Они имеют доменную стр-ру, точку Кюри; к ним применимы все хар-ки, введенные для ферромаг. веществ. Ферримагнетиками явл-ся сложные оксидные м-лы, получившие в практике название ферритов.

МАГНИТНО-МЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

М.м.м., обладая высокой маг. проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис, используются в качестве сердечников трансформаторов, электромагнитов, в измерительных приборах и ряде других случаев, где необходимо при наименьшей затрате энергии достигнуть наибольшей индукции.

Железо. Технически чистое железо обычно содержит небольшое кол-во примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его маг. св-ва. Благодаря сравнительно низкому уд. эл. сопротивлению технически чистое железо исп-ся довольно редко, в основном для магнитопроводов пост. маг. потока.

Низкоуглеродистая электротехническая листовая сталь – это одна из разновидностей технически чистого железа.

Особо чистое железо, содержащее весьма малое кол-во примесей, может быть получено двумя сложными путями, в результате которых получают:

1). Электролитическое железо изготовляют электролизом раствора сернокислого или хлористого железа, причем анодом служит чистое железо, катодом – пластина мягкой стали.

2). Карбонильное железо получают термическим разложением пентакарбонила железа.

Листовая электротехническая сталь. Она является основным м.м.м. массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение уд. сопротивления, что дает снижение потерь на вихревые токи. Это дает увеличение μ_н, уменьшение Н_с и снижение потерь на гистерезис.

К хар-кам электротех. стали относятся:

1). магнитная индукция В с числовым индексом, который определяет соответствующую напряженность маг. поля (кА/м);

2). суммарные уд. потери мощности в ваттах на килограмм стали, находящейся в переменном маг. поле, обозначаемые буквой Р с индексом в виде дроби, числитель которой представляет собой амплитудное зн-е маг. индукции в теслах, а знаменатель – частоту в герцах.

Пермаллои. Это железоникелевые сплавы, обладают весьма большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых полей, что связано с практическим отсутствием у них анизотропии и магнитострикции. Наибольшим зн-ем максимальной магнитной проницаемости обладает сплав, содержащий 78,5% Ni. Очень легкую намагничиваемость пермаллоев в слабых полях объясняют практическим отсутствием у них анизотропии. Маг. св-ва пермаллоев очень чувствительны к внешним мех. напряжениям, зависят от хим. состава и наличия инородных примесей в сплаве, а также очень резко меняются от режимов термообработки м-ла.

Уд. сопротивление высоконикелевых пермаллоев почти в 3 раза меньше, чем у низконикелевых, поэтому при повышенных частотах предпочтительно использовать низконикелевые пермаллои.

Для придания сплавам необходимых св-в в состав пермаллоев вводится ряд добавок. Молибден и хром повышают уд. сопротивление и начальную маг. проницаемость пермаллоев и уменьшают чувствительность. Медь увеличивает постоянство μ в узких интервалах напряженности маг. поля, повышает темпер. стабильность и уд. сопротивление, а также делает сплавы легко поддающимися мех. обработке. кремний и марганец в основном только увеличивают уд. сопротивление пермаллоев.

Пермаллои применяются для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей маг. цепей, работающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Из сплава 50 НХС выполняют сердечники импульсных трансформаторов и аппаратуры связи звуковых и высоких частот в режиме без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД используют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и маг. экранов.

Альсиферы – сплавы железа с кремнием и алюминием. Такой сплав отличается твердостью, твердость и хрупкостью, но может быть изготовлен в виде фасонных отливок. Изделия из альсифера: маг. экраны, корпусы приборов и т.д. Благодаря хрупкости альсифера его можно размалывать в порошок и использовать наряду с карбонильным железом для изготовления высокочастотных прессованных сердечников.