Характерные кривые гистерезиса для различных магнитных материалов

Статическая, динамическая, частная, предельная, прямоугольная петля гистерезиса: определения

Петля магнитного гистерезиса — замкнутая кривая, выражающая зависимость магнитной индукции B (намагниченности M или остаточной магнитной индукции Br) материала от напряженности магнитного поля H при периодическом изменении последнего. В соответствии с выбранным параметром (магнитная индукция B, остаточная магнитная индукция Br или намагниченность M), используют термин «Петля магнитного гистерезиса по магнитной индукции», «Петля магнитного гистерезиса по намагниченности» или «Петля магнитного гистерезиса по остаточной магнитной индукции». На рисунке представлены все три вида петель магнитного гистерезиса, измеренные на образце постоянного литого магнита. При этом использована система единиц СГС, в которой магнитная индукция B, намагниченность M и напряженность магнитного поля Н связаны соотношением B = H + 4πM, а остаточная магнитная индукция и остаточная намагниченность Br = 4πMr. Из рисунка видно, что значения коэрцитивной силы по магнитной индукции H_CB, по намагниченности H_CM и по остаточной магнитной индукции H_Cr различаются. Это различие обусловлено разным магнитным состоянием образца в момент перехода через нуль соответствующих кривых. Так, после удаления внешнего магнитного поля, соответствующего коэрцитивной силе H_CB и H_CM в состоянии B = 0 и M = 0, образец будет иметь положительную остаточную магнитную индукцию при Н = 0, т.е. он по кривой возврата не перейдет в размагниченное состояние (M = 0 и H = 0). С другой стороны, после удаления внешнего магнитного поля, соответствующего коэрцитивной силе HCr в состоянии Br = 0, образец переходит в размагниченное состояние. Поэтому величину H_Cr называют релаксационной коэрцитивной силой. Впервые графическую зависимость намагниченности от магнитного поля в виде петли магнитного гистерезиса представил Варбург (1881).

Петля магнитного гистерезиса по магнитной индукции

Петля магнитного гистерезиса по магнитной индукции — замкнутая кривая, выражающая зависимость магнитной индукции материала от напряженности магнитного поля при периодическом изменении последнего. Петля магнитного гистерезиса наиболее часто используется для характеристики магнитомягких материалов. Не однозначная зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля является следствием магнитного гистерезиса, который обусловлен существованием метастабильных состояний, предоставляющих возможность выбора различных состояний ферромагнетика при изменении магнитного поля. Если изменять напряженность магнитного поля от —Н_max до +Н_max и снова к —Н_max, то зависимость В = В(Н) будет иметь вид петли магнитного гистерезиса по индукции. При каждом новом цикле перемагничивания магнитная индукция для одного и того же значения напряженности магнитного поля будет несколько различаться, однако с увеличением числа циклов это различие нивелируется. Считается, что стабильность петли магнитного гистерезиса достигается примерно через десять циклов перемагничивания. На рисунке представлена симметричная петля магнитного гистерезиса прецизионного магнитомягкого сплава 79НМ, стабилизированная при максимальной напряженности магнитного поля Нmax = 2500А/м. Если максимальное магнитное поле соответствует состоянию магнитного насыщения, то такую петлю называют предельной петлей магнитного гистерезиса. Остальные петли семейства называют частными петлями магнитного гистерезиса. Вершины симметричных петель магнитного гистерезиса образуют основную кривую намагничивания. Экспериментально основную кривую намагничивания получить значительно проще, чем начальную кривую намагничивания (кривую первого намагничивания), поэтому основная кривая намагничивания используется наиболее широко. Петля магнитного гистерезиса состоит из двух ветвей: восходящей ветви, характеризующей нарастание напряженности магнитного поля от —H_max до +H_max с положительным дифференциалом dH > 0, и нисходящей ветви, характеризующей убывание напряженности магнитного поля от +H_max до —H_max с отрицательным дифференциалом dH

Электротехнические материалы

Магнитные свойства имеются у любых материалов. Они обусловлены реакцией материала на магнитное поле. Как уже рассматривалось в третьей лекции, магнитную индукцию в любом материале можно связать с напряженностью магнитного поля в нем

Глобально, по отношению к магнитному полю, материалы можно разделить на три класса — диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики . Последние можно еще поделить на собственно ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Диамагнетики имеют магнитную проницаемость чуть меньше 1. Отличаются тем, что выталкиваются из области магнитного поля.

Парамагнетики имеют магнитную проницаемость чуть более 1. Подавляющее количество материалов являются диа- и пара- магнетиками.

Ферромагнетики обладают исключительно большой магнитной проницаемостью, доходящей до миллиона.

Для ферромагнитных материалов выражение (12.1) справедливо с большими оговорками. Оно верно для слабых магнитных полей. По мере усиления поля проявляется явление гистерезиса, когда при увеличении напряженности и при последующем уменьшении напряженности значения В(Н) не совпадают друг с другом. При этом выражение (12.1) имеет смысл только для подъем напряженности в течение первого цикла намагничивания. В литературе различают несколько определений магнитной проницаемости.

Начальная магнитная проницаемость m _н — значение магнитной проницаемости при малой напряженности поля.

Максимальная магнитная проницаемость m _max — максимальное значение магнитной проницаемости, которое достигается обычно в средних магнитных полях.

Из других основных терминов, характеризующих магнитные материалы, отметим следующие.

Намагниченность насыщения — максимальная намагниченность, которая достигается в сильных полях, когда все магнитные моменты доменов ориентированы вдоль магнитного поля.

Петля гистерезиса — зависимость индукции от напряженности магнитного поля при изменении поля по циклу: подъем до определенного значения — уменьшение, переход через нуль, после достижения того же значения с обратным знаком — рост и т.п.

Максимальная петля гистерезиса — достигающая максимальной намагниченности насыщения.

Остаточная индукция B _ост — индукция магнитного поля на обратном ходе петли гистерезиса при нулевой напряженности магнитного поля.

Коэрцитивная сила Н_с — напряженность поля на обратном ходе петли гистерезиса при которой достигается нулевая индукция.

При каждом цикле перемагничивания часть магнитной энергии, запасаемой в материале ( W = BH/2) теряется, т.е. переходит в тепло. Эти потери называются потерями на перемагничивание и они пропорциональны площади кривой гистерезиса. Для материалов, используемых в энергетике, в особенности для трансформаторов, потери энергии желательно уменьшить, т.е. уменьшить площадь кривой. Это может быть достигнуто, если коэрцитивная сила будет как можно меньше.

Материалы с малой коэрцитивной силой, меньше 40 А/м называются магнитомягкими материалами .

Мощность потерь на перемагничивание в таких материалах можно оценить по выражению

где h — коэффициент, зависящий от материала, B_max— максимальная индукция за цикл, f — частота, V — объем тела, n, — показатель, меняющийся в диапазоне от 1.6 до 2..

Другая составляющая потерь связана с вихревыми токами, возникающими в переменных магнитных полях.

На высоких частотах важны, в первую очередь, потери на вихревые токи, т.к. они пропорциональны второй степени частоты.

Иногда в справочниках приводят значения тангенса магнитных потерь. Физический смысл его такой же, как и у тангенса угла диэлектрических потерь, а именно

P= L × I 2 × w × tg d _m (12.4)

или для удельных потерь

Материалы с большой коэрцититивной силой (более 1000 А/м) называются магнитотвердыми материалами . Они используются в качестве постоянных магнитов.

Магнитомягкие материалы используются в энергетике в качестве разнообразных магнитопроводов в трансформаторах, электрических машинах, электромагнитах и т.д.

Для уменьшения потерь на гистерезис выбирают материалы с пониженной коэрцитивной силой, а для уменьшения вихревых токов магнитопроводы собирают из отдельных пластин и используют металлы с повышенным удельным сопротивлением. Дело в том, что ЭДС самоиндукции, благодаря которой возникают вихревые токи, пропорциональна площади поперечного сечения контура. При рассечении площади n изолированными пластинами в каждой пластине наводится уменьшенная в n раз ЭДС. Мощность потерь при протекании вихревого тока пропорциональна квадрату напряжения (ЭДС) и обратно пропорциональна удельному сопротивлению. Поэтому уменьшение ЭДС в каждой из отдельных пластин и использование металлов с повышенным удельным сопротивлением приводит к уменьшению общих потерь.

Основой наиболее широко используемых в электротехнике магнитных материалов является низкоуглеродистая электротехническая сталь . Она выпускается в виде листов, толщиной от 0.2 мм до 4 мм, содержит не выше 0.04% углерода и не выше 0.6% других примесей. Максимальное значение магнитной проницаемости m _max ~ 4000, коэрцитивной силы Н_с ~ 65-100 А/м. Наблюдается интересная закономерность: чем чище железо и чем лучше оно отожжено — тем выше магнитная проницаемость и тем ниже коэрцитивная сила. Для особо чистого железа эти параметры составляют: более 1 миллиона и менее 1 А/м, соответственно.

Добавлением в состав кремния достигается повышение удельного сопротивления стали с 0.14 мкОм·м для нелегированной стали до 0.6 мкОм·м для высоколегированной стали. Это дает уменьшение потерь.

Электротехническую сталь маркируют следующим образом: первая цифра-структура (1-горячекатанная изотропная, 2-холоднокатанная изотропная, 3- холоднокатанная анизотропная с ребровой структурой), вторая цифра- содержание кремния (0-до 0.4%, 1 — до 0.8%. 2 — до 1.8%, 3-до 2.8%, 4 — до 3.8%, 4 — до 4.8%), третья цифра — тип нормируемых магнитных характеристик (0- удельные потери при В=1.7 Тл, f= 50 Гц, 1- удельные потери при В=1.5 Тл, f= 50 Гц, 2- удельные потери при В=1 Тл, f= 400 Гц, 6- В при Н=0.4 А/м, 7- В в средних полях при Н=10 А/м ). Четвертая цифра в старых справочниках означала номер материала. В современных справочниках четвертая и пятая цифры являются одним числом, означающим численную характеристику нормируемого параметра.

Если к железу добавить никель, то полученные материалы будут обладать повышенной магнитной проницаемостью (до 100000 у 79НМ, 79% никеля и небольшое количество марганца). Такие сплавы называются пермаллои , они используются для изготовления сердечников малогабаритнгых силовых и импульсных трансформаторов. Практически такие же результаты по магнитной проницаемости можно получить, добавляя к железу кремний (9.5%) и алюминий(5.6%). Такие сплавы называются альсиферами .

Добавки к железу и никелю молибдена, хрома, меди приводит к еще большему росту начальной магнитной проницаемости, более 100 тысяч. Такие материалы используются в миниатюрных магнитных устройствах.

Практически отсутствуют потери на вихревые токи в ферритах. Дело в том, что ферриты представляют собой оксидную керамику МеО+ Fe₂O₃ , которая является диэлектриком, либо полупроводником. Типичное удельное сопротивление феррита 10 3 -10 4 Ом.м. Это на 9-10 порядков превышает сопротивление металлов. Ясно, что вихревые токи в таком материале не возникнут. Магнитная проницаемость у ферритов обычно ниже, чем у стали и не превышает нескольких сотен, хотя есть ферриты с проницаемостью до нескольких тысяч (20000НМ, 1000НМ). Применение в энергетике магнитомягких ферритов — высокочастотные трансформаторы, в ряде материалов потери малы вплоть до частот гигагерцового диапазона. Однако при этом и магнитная проницаемость уменьшается до десятков (9ВЧ, 50ВЧ3).

Большую роль играют ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ). Они используются в качестве логических элементов в ЗУ, в качестве термодатчиков. Основной параметр — коэффициент прямоугольности петли гистерезиса, представляющий собой отношение остаточной индукции к максимальной, измеренной при Н = 5 Н_с. Желательно, чтобы этот коэффициент был ближе к 1.

Список лекций

1. Введение в предмет.
2. Электрофизические характеристики материалов. Электропроводность.
3. Электрофизические характеристики материалов. Диэлектрическая и магнитная проницаемости.
4. Теплофизические и механические характеристики материалов.
5. Конструкционные материалы.
6. Проводниковые материалы.
7. Слабопроводящие материалы.
8. Электропроводность и потери в диэлектриках.
9. Процессы в диэлектриках по действием сильных электрических полей.
10. Газообразные и жидкие диэлектрики.
11. Твердые диэлектрики.
12. Магнитные материалы.
13. Сверхпроводящие материалы.
14. Долговечность и старение материалов в условиях воздействующих факторов.
15. Испытания материалов.
    

Характерные кривые гистерезиса для различных магнитных материалов

ПРИРОДА МАГНИТНОГО ГИСТЕРЕЗИСА (КАНДАУРОВА Г.С. , 1997), ФИЗИКА

Рассматриваются современные представления об основных причинах магнитного гистерезиса, механизмах процессов намагничивания, приводятся наглядные картины обратимых и необратимых процессов. Теоретические оценки гистерезисных параметров сопоставляются с опытными данными. Иллюстрируется прогресс в разработке материалов для постоянных магнитов, достигнутый за последние десятилетия.

ПРИРОДА МАГНИТНОГО ГИСТЕРЕЗИСА

Уральский государственный университет

им. А.М. Горького, Екатеринбург

Характерной особенностью магнитоупорядоченных веществ, обладающих спонтанной намагниченностью Js , к которым в первую очередь отнесем ферромагнетики, является наличие у них кривой намагничивания и петли гистерезиса (от греч. отстаю или запаздываю) [1]. Та и другая показаны схематично на рис. 1. При отсутствии поля (Н = 0) образец размагничен, его намагниченность J, которую определим как магнитный момент единицы объема, равна нулю. (Далее для простоты будем рассматривать образцы единичного объема.) С увеличением напряженности поля Н намагниченность J растет и достигает в поле Hs значения намагниченности насыщения Js . Если в интервале Hs — Hmax величина Js практически не меняется, то можно принимать Js за спонтанную (самопроизвольную) намагниченность вещества. Кривая ОАВ на рис. 1 есть начальная кривая намагничивания. При снижении поля от Hs до нуля образец не приходит в состояние с J = 0, напротив, при Н = 0 образец имеет остаточную намагниченность Jr . Это и означает, что изменение J отстало от изменения поля Н. Лишь в некотором противоположном по направлению (отрицательном) поле — Нc намагниченность J = 0. Это поле Hc называют коэрцитивным полем или коэрцитивной силой (от лат. coercitio — удерживание) [1]. При циклическом изменении поля Hmax 0 (-Hmax) 0 Hmax намагниченность меняется по замкнутой кривой AJr A ‘(- Jr)A, обычно симметричной относительно начала координат. Эту кривую называют предельной петлей магнитного гистерезиса по намагниченности. Ее основные характеристики (параметры): Js , Jr , Hc и площадь петли S. Последняя пропорциональна работе, совершенной внешним полем по перемагничиванию образца. Спонтанная намагниченность Js определяется квантовыми обменными взаимодействиями между электронными оболочками атомов в кристаллической решетке [1, 2]. Это фундаментальная характеристика вещества. При данной температуре будем считать Js = const. Величины Jr , Hc , S — структурно-чувствительные параметры. Их можно изменять в широких пределах (в сотни-тысячи раз) путем различных обработок материала (термической, термомагнитной, механической и др.). Значения гистерезисных параметров фактически определяют область техники, где используется тот или иной магнитный материал. Так, для магнитомягких материалов (магнитопроводы генераторов, сердечники трансформаторов и т.д.) требуется как можно меньшее значение Hc , а для магнитотвердых материалов (постоянные магниты) необходима как можно большая величина Hc . В итоге в современных магнитных материалах значения коэрцитивной силы Hc могут различаться на 5-6 порядков [3]. Попробуем выяснить: как происходят процессы намагничивания и перемагничивания, каковы причины магнитного гистерезиса? Согласно современным представлениям, таких основных причин три. Рассмотрим их по порядку.

1. Магнитный гистерезис, связанный

с необратимым смещением доменных границ

В магнитоупорядоченном кристалле под действием сил магнитной анизотропии (см. [1, 2]) векторы Js ориентируются вдоль определенных кристаллических осей. Их называют осями легкого намагничивания (ОЛН). Таких осей может быть несколько. Например, кристалл кобальта имеет одну ОЛН, железа — три, никеля — четыре. Для простоты дальше будем рассматривать только ферромагнитные кристаллы с одной ОЛН.

При отсутствии поля кристалл разбивается на магнитные области — домены с противоположной ориентацией векторов спонтанной намагниченности Js , как показано на рис. 2, а. Векторная сумма SJs = 0 — образец размагничен, то есть J = 0. При включении поля, направленного по ОЛН (рис. 2, б ), происходит смещение доменных границ, увеличивается объем (а на плоской схеме — ширина) доменов с Js , ориентированным вправо, уменьшается объем доменов с обратным направлением Js . Появляется суммарная намагниченность J. В еще большем поле Н границы уменьшающихся доменов смыкаются в средней части, полосовые домены превращаются в клинообразные (рис. 2, в), а те, в свою очередь, с ростом Н уменьшаются, стягиваясь к краям образца, и исчезают. Образец намагничивается до насыщения J = Js .

Если в кристалле нет дефектов и доменным границам (стенкам) ничего не мешает двигаться, то смещение их обратимо. Например, с уменьшением поля Н от значения, соответствующего рис. 2, б, до нуля границы вернутся в исходное состояние (рис. 2, а), пройдя все те положения, которые они последовательно занимали при увеличении поля. Никакого гистерезиса нет. Смещение стенок становится существенно необратимым, когда в образце есть дефекты (а это наиболее реальная ситуация) или когда произошло качественное изменение вида доменной структуры, как, например, при переходе от рис. 2, б к рис. 2, в. Остановимся на первом случае как более простом.

На рис. 3, а приведена фотография двух доменов: светлого, с вектором Js , направленным «к нам», и темного с Js , направленным «от нас». Домены на рис. 3, так же как на рис. 6, выявлены с помощью магнитооптического эффекта, который заключается в том, что при отражении плоскополяризованного света от разных доменов плоскость поляризации поворачивается на разные углы, например на + a и — a. Это дает возможность, подстраивая анализатор микроскопа, получить контрастную картину темных и светлых доменов. На рис. 3, а виден дефект слева от стенки. Включается поле Н, ориентированное «от нас», и стенка начинает смещаться влево. Пока она не попала на дефект, смещение обратимо. Но вот стенка на дефекте, и далее видно, как с увеличением Н верхний и нижний края стенки смещаются, а середина застряла на дефекте (рис. 3, б ). С ростом Н стенка прогибается все сильнее и сильнее и в некотором поле происходит срыв, стенка скачком занимает положение слева от дефекта (рис. 3, в). При этом скачком увеличилась площадь черного домена, а значит, произошел и скачок намагниченности J. Далее с увеличением Н смещение стенки влево снова обратимо. Но если теперь уменьшать Н и тем самым заставить стенку двигаться вправо, то нетрудно видеть, что изгиб стенки, снова застрявшей на дефекте, будет направлен в другую сторону по сравнению с рис. 3, б. Но это и означает, что скачкообразный переход от состояния на рис. 3, б к состоянию на рис. 3, в был существенно необратим.

Определяя изменение площади черного и светлого домена, можно построить зависимость J(H ) при движении границы влево и вправо. Получится маленькая локальная петля гистерезиса. Вот из таких локальных петель, обусловленных необратимым смещением доменных границ, и складывается предельная петля гистерезиса (рис. 1).

Теперь зададимся вопросом: почему доменная граница задерживается на дефектах? Рис. 3 показывает, что доменная стенка подобна упруго растянутой пленке и как пленка обладает запасом энергии. Энергию стенки, приходящуюся на единицу ее площади, называют поверхностной плотностью граничной энергии. Обозначим ее g. Если стенка находится вне дефекта, ее полная энергия e1 = gS, где S — площадь стенки. Предположим, что дефект — немагнитное сферическое включение диаметром D. Тогда ясно, что, находясь на дефекте, стенка имеет e2 = g(S — (p /4)D2), то есть e2 1200 кА/м петля становится полностью прямоугольной. Состояние частицы от рис. 6, д к рис. 6, л (от светлого к темному однодоменному) меняется одним скачком. И хотя здесь мы не видим ни развитой доменной структуры, как на рис. 6, ж, з, ни ее крошечных остатков, как на рис. 6, к, можно с уверенностью утверждать, что перемагничивание всего объема частицы произошло путем образования и разрастания зародыша (или нескольких зародышей), то есть путем смещения доменных границ.

Таким образом, дефекты кристаллического строения, с одной стороны, облегчают процесс зародышеобразования и тем самым способствуют перемагничиванию кристалла, а с другой — они препятствуют смещению доменных границ и тем самым затрудняют перемагничивание образца. Оценка роли дефектов как положительной или отрицательной зависит от того, какая поставлена задача (например, разработать магнитомягкий или магнитотвердый материал) и какой механизм магнитного гистерезиса является доминирующим.

В современной электро- и радиотехнике, микроэлектронике, технике звуко- и видеозаписи и др. широко используются магнитные материалы, причем к их эксплуатационным характеристикам предъявляются все более и более высокие требования. Знание механизмов процессов намагничивания и перемагничивания, понимание причин магнитного гистерезиса позволяют целенаправленно изменять свойства магнитных материалов, непрерывно повышать уровень важнейших технических параметров. На рис. 7 показано, как стремительно нарастала в последние десятилетия величина W магнитной энергии, запасенной в единице объема постоянного магнита. Эти результаты станут, наверное, более наглядными и ощутимыми, если напомнить, что увеличение удельной энергии магнита вдвое позволяет во столько же раз снизить его вес при сохранении функций магнита. Не надо доказывать, насколько это практически важно, особенно для авиационной и космической техники. Разумеется, потенциальные возможности улучшения свойств известных сплавов не исчерпаны, а главное — открыт простор для создания новых магнитных материалов.

1. Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1984. (Проблемы науки и технического прогресса).

2. Каганов М.И., Цукерник В.М. Природа магнетизма. М.: Наука, 1982. (Б-чка «Квант»).

3. Мишин Д.Д. Магнитные материалы. М.: Высш. шк., 1991.

4. Кандаурова Г.С., Оноприенко Л.Г. Доменная структура магнетиков. Основные вопросы микромагнетики. Свердловск: УрГУ, 1986.

Герта Семеновна Кандаурова, доктор физико-математических наук, профессор кафедры магнетизма Уральского государственного университета им. А.М. Горького, член-корреспондент Российской академии естественных наук, зав. лабораторией доменной структуры магнетиков, главный научный сотрудник НИИ физики и прикладной математики Уральского государственного университета. Область научных интересов: физика магнитных доменов и магнитных материалов. Автор более 300 научных работ.

Характерные кривые гистерезиса для различных магнитных материалов

Все вещества являются магнетиками и намагничиваются во внешнем магнитном поле.

По магнитным свойствам материалы подразделяются на слабомагнитные (диамагнетики и парамагнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики и ферримагнетики).

Парамагнетики – вещества с магнитной проницаемостью μ_r > 1, которая в слабых полях не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К парамагнетикам относятся вещества, атомы (молекулы) которых в отсутствие намагничивающего поля обладают магнитным моментом отличным от нуля: кислород, оксид азота, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов, щелочные металлы, алюминий, платина.

У диамагнетиков и парамагнетиков магнитная проницаемость μ_r близка к единице. Применение в технике в качестве магнитных материалов носит ограниченный характер.

У сильномагнитных материалов магнитная проницаемость значительно больше единицы ( μ_r >> 1) и зависит от напряженности магнитного поля. К ним относятся: железо, никель, кобальт и их сплавы, а также сплавы хрома и марганца, гадолиний, ферриты различного состава.

Магнитные свойства материалов оценивают физическими величинами, называемыми магнитными характеристиками.

Магнитная проницаемость

Различают относительную и абсолютную магнитные проницаемости вещества (материала), которые между собой связаны соотношением

μ_o – магнитная постоянная, μ_o = 4 π ·10 -7 Гн/м;

μ – относительная магнитная проницаемость (безразмерная величина).

Для описания свойств магнитных материалов применяют относительную магнитную проницаемость μ (чаще называемую магнитная проницаемость) , а для практических расчетов используют абсолютную магнитную проницаемость μ_a , вычисляемую по уравнению

μ_a = В /Н , Гн/м

Н – напряженность намагничивающего (внешнего) магнитного поля, А/м

В – магнитная индукция поля в магнетике.

Большая величина μ показывает, что материал легко намагничивается в слабых и сильных магнитных полях. Магнитная проницаемость у большинства магнетиков зависит от напряженности намагничивающего магнитного поля.

Для характеристики магнитных свойств широко используется безразмерная величина, называемая магнитной восприимчивостью χ .

Температурный коэффициент магнитной проницаемости

Магнитные свойства вещества зависят от температуры μ = μ ( T ) .

Для описания характера изменения магнитных свойств с температурой используют температурный коэффициент магнитной проницаемости.

Зависимость магнитной восприимчивости парамагнетиков от температуры T описывается законом Кюри

где C — постоянная Кюри .

Магнитные характеристики ферромагнетиков

Зависимость магнитных свойств ферромагнетиков имеет более сложный характер, показанный на рисунке, и достигает максимума при температуре близкой к Q _к .

Температура, при которой магнитная восприимчивость резко снижается, почти до нуля, носит название температуры Кюри — Q _к . При температурах выше Q _к процесс намагничивания ферромагнетика нарушается из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул и материал перестает быть ферромагнитным и становится парамагнетиком.

Для железа Q _к = 768 ° C , для никеля Q _к = 358 ° C , для кобальта Q _к = 1131 ° C .

Выше температуры Кюри зависимость магнитной восприимчивости ферромагнетика от температуры T описывается законом Кюри-Вейса

Процесс намагничивания сильномагнитных материалов (ферромагнетиков) обладает гистерезисом. Если производить намагничивание размагниченного ферромагнетика во внешнем поле, то он намагничивается по кривой намагничивания B = B ( H ) . Если затем, начиная с некоторого значения H начать уменьшать напряженность поля, то индукция B будет уменьшаться с некоторым запаздыванием ( гистерезисом) по отношению к кривой намагничивания. При увеличении поля противоположного направления ферромагнетик размагничивается, затем перемагничивается , и при новой смене направления магнитного поля может вернуться в исходную точку, откуда начинался процесс размагничивания. Получившаяся петля, изображенная на рисунке, называется петлей гистерезиса.

При некоторой максимальной напряженности Н _м намагничивающего поля вещество намагничивается до состояния насыщения, индукция в котором достигает значения В _Н , которое называется индукцией насыщения.

Остаточная магнитная индукция В _О – наблюдается в ферромагнитном материале, намагниченном до насыщения, при его размагничивании, когда напряженность магнитного поля равна нулю. Для размагничивания образца материала надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на обратное (- Н ). Напряженность поля Н _К , при которой индукция равна нулю, называется коэрцитивной силой (удерживающая сила) .

Перемагничивание ферромагнетика в переменных магнитных полях всегда сопровождается тепловыми потерями энергии, которые обусловлены потерями на гистерезис и динамическими потерями. Динамические потери связаны с вихревыми токами, индуцированными в объеме материала, и зависят от электрического сопротивления материала, уменьшаясь с ростом сопротивления. Потери на гистерезис W в одном цикле перемагничивания определяются площадью петли гистерезиса

и могут быть вычислены для единицы объема вещества по эмпирической формуле

где η – коэффициент зависящий от материала, B _Н – максимальная индукция, достигаемая в течение цикла, n – показатель степени, равный в зависимости от материала 1,6 ¸ 2.

Удельные потери энергии на гистерезис Р _Г – потери, затраченные на перемагничивание единицы массы в единице объема материала за секунду.

где f – частота переменного тока, T – период колебаний.

Магнитострикция

Магнитострикция – явление изменения геометрических размеров и формы ферромагнетика при изменении величины магнитного поля, т.е. при намагничивании. Относительное изменение размеров материала Δ l / l может быть положительным и отрицательным. У никеля магнитострикция меньше нуля и достигает величины 0,004 %.

В соответствии с принципом Ле Шателье о противодействии системы влиянию внешних факторов, стремящихся изменить это состояние, механическая деформация ферромагнетика, приводящая к изменению его размера должна оказывать влияние на намагничивание этих материалов.

Если при намагничивании тело испытывает в данном направлении сокращение своих размеров, то приложение механического напряжения сжатия в этом направлении способствует намагничиванию, а растяжение – затрудняет намагничивание.

6.2. Классификация ферромагнитных материалов

Все ферромагнитные материалы по поведению в магнитном поле делятся на две группы.

Магнитные характеристики зависят от химической чистоты и степени искажения кристаллической структуры. Чем меньше примесей ( С, Р , S, О, N ) , тем выше уровень характеристик материала, поэтому необходимо при производстве ферромагнетика их и оксиды удалять, и стараться не искажать кристаллическую структуру материала.

Магнитотвердые материалы – обладают большой Н _К > 0,5 · МА/м и остаточной индукцией ( В _О ≥ 0,1Т). Им соответствует широкая петля гистерезиса. Они с большим трудом намагничиваются, зато могут несколько лет сохранять магнитную энергию, т.е. служить источником постоянного магнитного поля. Поэтому из них изготовляются постоянные магниты.

По составу все магнитные материалы делятся на :

Металлические магнитные материалы — это чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов.

К неметаллическим материалам относятся ферриты, получаемые из порошков оксидов железа и других металлов. Их прессуют и обжигают при 1300 – 1500 °С и они превращаются в твердые монолитные магнитные детали. Ферриты, как и металлические магнитные материалы, могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми.

Магнитодиэлектрики – это композиционные материалы из 60 – 80 % порошка магнитного материала и 40 – 20 % органического диэлектрика. Ферриты и магнитодиэлектрики имеют большое значение удельного электрического сопротивления ( ρ = 10 ÷ 10 8 Ом·м), Высокое сопротивление этих материалов обеспечивает низкие динамические потери энергии в переменных электромагнитных полях и позволяет широко использовать их в высокочастотной технике.

К металлическим магнитомягким материалам относятся карбонильное железо, пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремнистые стали.

Карбонильное железо – получают термическим разложением жидкости пентакарбонила железа F е ( СО )₅ с получением частиц чистого порошкообразного железа:

F е ( СО )₅ → Fе + 5 СО,

при температуре около 200 °С и давлении 15 МПа. Частицы железа имеют сферическую форму размером 1 – 10 мкм. Для освобождения от частиц углерода порошок железа подвергают термической обработке в среде Н ₂ .

Магнитная проницаемость карбонильного железа достигает 20000, коэрцитивная сила составляет 4,5 ¸ 6,2 А /м. Применяют порошок железа для изготовления высокочастотных магнитодиэлектрических сердечников, в качестве наполнителя в магнитных лентах.

Пермаллои – пластичные железоникелевые сплавы. Для улучшения свойств вводят Мо, С r , Сu , получая легированные пермаллои. Обладают высокой пластичностью, легко прокатываются в листы и ленты до 1 мкм.

Если содержание никеля в пермаллое 40 – 50 %, то он называется низконикелевым, если 60 – 80 % – высоконикелевым .

Пермаллои имеют высокий уровень магнитных характеристик, который обеспечивается не только составом и высокой химической чистотой сплава, но и специальной тепловой вакуумной обработкой. Пермаллои имеют очень высокий уровень начальной магнитной проницаемости от 2000 до 30000 ( в зависимости от состава) в области слабых полей, который обусловлен низкой величиной магнитострикции и изотропностью магнитных свойств. Особенно высокие характеристики имеет супермаллой, начальная магнитная проницаемость которого имеет значение 100000, а максимальная достигает 1,5 · 10 6 при B = 0,3 Тл.

Пермаллои поставляют в виде лент, листов и прутков. Низконикелевые пермаллои применяют для изготовления сердечников дросселей, малогабаритных трансформаторов и магнитных усилителей, высоконикелевые пермаллои – для деталей аппаратуры, работающих на звуковых и сверхзвуковых частотах. Магнитные характеристики пермаллоев стабильны при –60 +60°С.

Альсиферы – нековкие хрупкие сплавы состава Al – Si – Fe , состоящие из 5,5 – 13 % Аl , 9 – 10 % Si , остальное – железо. Альсифер близок по свойствам к пермаллою, но более дешев. Из него изготовляют литые сердечники, отливают магнитные экраны и другие полые детали с толщиной стенок не менее 2 – 3 мм. Хрупкость альсифера ограничивает области его применения. Используя хрупкость альсифера , его размалывают в порошок, который используется в качестве ферромагнитного наполнителя в прессованных высочастотных магнитодиэлектриках (сердечники, кольца).

Кремнистая низкоуглеродистая сталь (электротехническая сталь) – сплав железа и кремния (0,8 – 4,8 % Si ). Основной магнитомягкий материал массового применения. Она легко прокатывается в листы и ленты 0,05 – 1 мм и является дешевым материалом. Кремний, находящийся в стали в растворенном состоянии, выполняет две функции.

· Повышая удельное сопротивление стали, кремний вызывает снижение динамических потерь, связанных с вихревыми токами. Сопротивление повышается за счет образования кремнезема SiO ₂ в результате протекания реакции

2 FeO + S i → 2 Fe + SiO ₂ .

· Наличие кремния, растворенного в стали , способствует распаду цементита Fе ₃ С – вредной примеси, снижающей магнитные характеристики, и выделению углерода в виде графита. При этом образуется чистое железо, рост кристаллов которого повышает уровень магнитных характеристик стали .

Введение кремния в сталь в количестве, превышающем 4,8 %, не рекомендуется, так как, способствуя улучшению магнитных характеристик, кремний резко повышает хрупкость стали и снижает ее механические свойства.

Магнитотвердые материалы — это ферромагнетики с высокой коэрцитивной силой (более 1 кА/м) и большой величиной остаточной магнитной индукции В _О . Применяются для изготовления постоянных магнитов.

Подразделяются в зависимости от состава, состояния и способа получения на :

· легированные мартенситные стали;

· литые магнитотвердые сплавы.

Легированные мартенситные стали – эт о углеродистые стали и стали, легированные Сr , W, Со, Мо . Углеродистые стали быстро стареют и изменяют свои свойства, поэтому редко применяются для изготовления постоянных магнитов. Для изготовления постоянных магнитов используют легированные стали – вольфрамовую и хромистую ( Н _С ≈ 4800 А /м, В _О ≈ 1 Т), которые изготавливаются в виде прутков с различной формой сечения. Кобальтовая сталь обладает более высокой коэрцитивной силой ( Н _С ≈ 12000 А /м, В _О ≈ 1 Т) по сравнению с вольфрамовой и хромистой. Коэрцитивная сила Н _С кобальтовой стали растет с увеличением содержания С о .

Литые магнитотвердые сплавы. Улучшенные магнитные свойства сплавов обусловлены специально подобранным составом и специальной обработкой – охлаждением магнитов после отливки в сильном магнитном поле, а также специальной многоступенчатой тепловой обработкой в виде закалки и отпуска в сочетании с магнитной обработкой, называемой дисперсионным твердением.

Для изготовления постоянных магнитов находят применение три основных группы сплавов:

· Железо – кобальт – молибденовый сплав типа ремаллой с коэрцитивной силой Н _К = 12 – 18 кА/м.

§ медь – никель – железо;

§ медь – никель – кобальт;

§ железо – марганец, легированные алюминием или титаном;

§ железо – кобальт – ванадий ( F е – Со – V ).

Сплав медь – никель – железо называется кунифе ( С u – Ni — Fе ). Сплав F е – Со – V (железо – кобальт — ванадий) называется викалой . Сплавы этой группы имеют коэрцитивную силу Н _К = 24 – 40 кА/м. Выпускаются в виде проволоки и в листах.

· Сплавы системы железо – никель – алюминий ( F е – Ni – Аl ), известные ранее под названием сплав альни . Сплав содержит 20 — 33 % Ni + 11 – 17 % Al , остальное железо. Добавление в сплавы кобальта, меди, титана, кремния, ниобия улучшает их магнитные свойства, облегчает технологию изготовления, обеспечивает повторяемость параметров, улучшает механические свойства. Современная маркировка марки содержит буквы, обозначающие добавляемые металлы (Ю – алюминий, Н – никель, Д – медь, К — кобальт, Т – титан, Б – ниобий, С – кремний), цифры — содержание элемента, буква которого стоит перед цифрой, например, ЮНДК15.

Сплавы обладают высоким значением коэрцитивной силы Н _К = 40 – 140 кА/м и большой запасенной магнитной энергией.

Ферриты представляют собой керамические ферромагнитные материалы с малой электронной электропроводностью. Низкая электропроводность в сочетании с высокими магнитными характеристиками позволяет широко использовать ферриты на высоких частотах.

Изготовляют ферриты из порошкообразной смеси, состоящей из окиси железа и специально подобранных окислов других металлов. Их прессуют, а затем спекают при высоких температурах. Общая химическая формула имеет вид:

где Ме символ двухвалентного металла.

Ферриты обладают кубической решеткой типа шпинели MgOAl ₂ O ₃ — алюмината магния. Не все ферриты обладают магнитными свойствами. Наличие магнитных свой ств св язано с расположением ионов металлов в кубической решетке шпинели. Так система ZnFe ₂ O ₄ не обладает ферромагнитными свойствами.

Ферриты изготовляют по керамической технологии. Исходные порошкообразные окислы металлов измельчают в шаровых мельницах, прессуют и обжигают в печах. Спекшиеся брикеты размалывают в тонкодисперсный порошок, вводят пластификатор, например раствор поливинилового спирта. Из полученной массы прессуют ферритовые изделия – сердечники, кольца, которые обжигают на воздухе при 1000 – 1400 °С. Полученные твердые хрупкие изделия в основном черного цвета можно обрабатывать только шлифованием и полированием.

Магнитомягкие ферриты

Магнитомягкие ферриты широко применяют в области высоких частот электронной техники и приборостроении для изготовления фильтров, трансформаторов усилителей низких и высоких частот, антенн радиопередающих и радиоприемных устройств, импульсных трансформаторов, магнитных модуляторов. Промышленностью выпускаются следующие виды магнитомягких ферритов с широким спектром магнитных и электрических свойств: никель – цинковые, марганец – цинковые и литий – цинковые. Верхняя граничная частота применения феррита зависит от их состава и изменяется у разных марок ферритов от 100 кГц до 600 МГц, коэрцитивная сила составляет около 16 А /м.

Достоинством ферритов является стабильность магнитных характеристик, относительная простота изготовления радиодеталей. Как все ферромагнитные материалы ферриты сохраняют свои магнитные свойства только до температуры Кюри, которая зависит от состава ферритов и колеблется в пределах от 45 ° до 950 °С.

Магнитотвердые ферриты

Для изготовления постоянных магнитов используют магнитотвердые ферриты, наибольшее применение имеют ферриты бария ( ВаО ·6 Fе ₂ О ₃ ). Они имеют гексагональную кристаллическую структуру с большой Н _К . Ферриты бария представляют собой поликристаллический материал. Могут быть изотропными — одинаковость свойств феррита во всех направлениях обусловлена тем, что кристаллические частицы ориентированы произвольно. Если в процессе прессования магнитов порошкообразную массу подвергнуть воздействию внешнего магнитного поля большой напряженности, то кристаллические частицы феррита будут ориентированы в одном направлении, и магнит будет являться анизотропным.

Бариевые ферриты отличаются хорошей стабильностью своих характеристик, но чувствительны к изменению температуры и механическим воздействиям. Магниты из бариевых ферритов дешевы.

6.5. Магнитодиэлектрики

Магнитодиэлектрики — это композиционные материалы, состоящие из мелкодисперсных частиц магнитомягкого материала, связанных друг с другом органическим или неорганическим диэлектриком. В качестве магнитомягких материалов применяют карбонильное железо, альсифер и некоторые сорта пермаллоев, измельченные до порошкообразного состояния.

В качестве диэлектриков применяют полистирол, бакелитовые смолы, жидкое стекло и др.

Назначение диэлектрика не только в том, чтобы соединить частицы магнитного материала, но и изолировать их друг от друга, а, следовательно, резко повысить величину удельного электрического сопротивления магнитодиэлектрика . Удельное электрическое сопротивление r магнитодиэлектриков составляет 10 3 – 10 4 Ом × м

Магнитодиэлектрики применяют для изготовления сердечников высокочастотных узлов радиоаппаратуры. Процесс производства изделий проще, чем из ферритов, т.к. они не нуждаются в высокотемпературной тепловой обработке. Изделия из магнитодиэлектриков отличаются высокой стабильностью магнитных свойств, высоким классом чистоты поверхности и точностью размеров.

Наиболее высокими магнитными характеристиками обладают магнитодиэлектрики, наполнителем в которых служит молибденовый пермаллой или карбонильное железо.