Характеристики магнитотвердых материалов

Магнитный гистерезис – неоднозначная зависимость магнитной индукции (намагниченности) магнитного материала от напряженности внешнего магнитного поля при его квазистатическом изменении. Причинами магнитного гистерезиса магнитотвердых материалов являются необратимые процессы изменения магнитного состояния при намагничивании. В настоящее время выделяют три основных причины магнитного гистерезиса:

задержка смещения границ доменов;

задержка образования устойчивого зародыша перемагничивания;

необратимые процессы вращения вектора намагниченности в однодоменных частицах.

Каждый из этих механизмов различным образом определяет величину коэрцитивной силы H_c материала. При задержке смещения границ доменов коэрцитивная сила определяется максимальным градиентом энергии доменной границы:

= ,

(1)

где I_s – намагниченность насыщения, А/м;

m_о = 4p×10^-7 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума;

– максимальный градиент энергии доменной границы, Дж/м³.

Причиной изменения энергии доменной границы могут быть или неферромагнитные включения, или внутренние напряжения. При наличии только неферромагнитных включений:

,

(2)

а при наличии только внутренних напряжений

,

(3)

где d ‑ толщина доменной границы, м;

S ‑ площадь доменной границы, м²;

s ‑ внутренние напряжения, Н/м²;

K₁ – константа одноосной кристаллической анизотропии, Дж/м³;

– магнитострикция.

При задержке образования устойчивого зародыша перемагничивания коэрцитивная сила H_c определяется полем старта Н_ст, при приложении которого такой зародыш возникает. Поле старта сложным образом зависит от дефектной структуры материала, локальных значений констант анизотропии и величины приложенного при намагничивании поля.

Перемагничивание ферромагнетиков путем вращения может осуществляться в том случае, когда в материале исключена возможность возникновения зародышей перемагничивания, а, следовательно, исключены процессы смещения границ между доменами. Такой механизм перемагничивания имеет место в однодоменных ферромагнитных частицах, разделенных неферромагнитной матрицей.

Hc = 2Kэф/Is,

(4)

где К_эф – эффективная константа одноосной анизотропии,

Константа К_эф может приобретать различные значения, а именно: для одноосной кристаллической анизотропии – (К₁), для одноосной анизотропии упругих напряжений – (3l_ss/2) и для одноосной анизотропии формы, когда магнитотвердая однодоменная частица представляет собой вытянутый эллипсоид вращения с размагничивающим фактором N_a вдоль длинной оси эллипсоида и N_b вдоль его короткой оси – (I_s²(N_b – N_a)/2).

Основная функция постоянных магнитов – создание требуемого по величине магнитного поля в требуемом рабочем объеме. В случае применения постоянных магнитов мы имеем дело с магнитной цепью, которая кроме постоянного магнита включает магнитопровод из магнитомягкого материала и воздушный зазор, в котором создается требуемое постоянное магнитное поле. Наличие воздушного зазора приводит к образованию свободных полюсов и размагничивающего поля, в котором находится постоянный магнит. Согласно ГОСТ 19693, размагничивание – это процесс, в результате которого под воздействием внешнего магнитного поля уменьшается намагниченность магнитного поля. Таким образом, для характеристики магнитотвердого материала существенную роль играет часть петли гистерезиса, которая лежит во 2-м квадранте, так называемая кривая размагничивания (рис. 1).

Рисунок 1 – Кривая размагничивания по индукции В(Н) и кривая энергетического произведения ВН(В)

 

Чтобы полностью охарактеризовать кривую размагничивания, а, следовательно, и магнитотвердый материал, достаточно знать три величины: остаточную индукцию B_r, коэрцитивную силу H_c и максимальную магнитную энергию (BH)_max. В соответствии с ГОСТ 19693 [1]:

остаточная индукция (B_r) – это индукция, сохраняющаяся в магнитном материале после намагничивания его до намагниченности технического насыщения и уменьшения напряженности магнитного поля в нем до нуля.

коэрцитивная сила (H_c) – величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения магнитной индукции или намагниченности от остаточной индукции или остаточной намагниченности до нуля.

Однако при разработке магнитотвердых материалов в качестве основной оптимизируемой величины чаще всего используют магнитную энергию. Произведение (BH)_max соответствует оптимальному размагничивающему фактору магнитной системы и представляет собой наибольшую магнитную энергию, которую можно получить от данного магнитотвердого материала при наивыгоднейшей конструкции постоянного магнита. Максимальную магнитную энергию можно повышать путем увеличения коэффициента выпуклости кривой размагничивания. Коэффициент выпуклости кривой размагничивания зависит главным образом от наличия в материале текстуры (магнитной или кристаллической), а его величина определяется выражением:

=

(5)

Значения коэффициента для различных магнитотвердых материалов может находиться в пределах 0,25≤ ≤1. Для материалов с близкими значениями остаточной индукции и коэрцитивной силы коэффициент характеризует степень текстуры: чем выше , тем совершеннее текстура.

Улучшение основных характеристик магнитотвердых материалов заключается в увеличении их остаточной индукции, коэрцитивной силы и максимальной магнитной энергии. Однако, на практике величину (BH)_max повышают путем увеличения или B_r, или H_c.

Кроме основных характеристик магнитотвердых материалов большое значение имеют кривые возврата и обратимая проницаемость, которая характеризует частные циклы гистерезиса. Согласно ГОСТ 19693:

прямая возврата – это прямая линия от точки на кривой размагничивания до точки, которая соответствует увеличенному значению индукции, вызванному изменением внешнего размагничивающего поля;

проницаемость возврата – это дифференциальная магнитная проницаемость на прямой возврата.

Обратимая проницаемость µ_r входит в расчетные формулы всех постоянных магнитов, испытывающих в процессе работы (или в условиях сборки) воздействие внешнего магнитного поля или изменение внешней магнитной проводимости. Величина µ_r бывает порядка нескольких единиц и до некоторой степени отражает прямоугольность петли гистерезиса и величину (BH)_max: чем выше энергия и больше прямоугольность, тем меньше µ_r.

Стабильность постоянных магнитов (неизменность свойств в процессе эксплуатации) является их очень важной характеристикой. От стабильности постоянных магнитов во многом зависит надежность работы различных приборов и измерительной аппаратуры. Очень важно знать, какие внешние факторы оказывают влияние на свойства магнитотвердых сплавов в процессе их эксплуатации, каковы причины их нестабильности. Среди главных факторов, определяющих нестабильность магнитов, следует выделить влияние времени, влияние температуры эксплуатации, влияние механических воздействии (ударов, вибраций) и влияние внешних магнитных полей.