Общие сведения о магнитных свойствах

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент. По магнитным свойствам все материалы можно разделить на две группы: 1) слабомагнитные (μ ≈ 1); 2) сильномагнитные (μ >> 1). Слабомагнитные материалы в технике применяются редко, поэтому их рассматривать не будем. У сильно магнитных материалов μ >>1 и зависит от напряжённости внешнего поля. Эти материалы используются в энергетике в качестве магнитных материалов. К ним относятся железо, никель, кобальт, их сплавы, ферриты. Сильномагнитные материалы можно разделить на две подгруппы: а) ферромагнитные (железо, никель, кобальт и их сплавы);

б) ферримагнитные (ферриты – магнитная керамика, окислы металлов).

Магнитные свойства материалов в основном определяются магнитными свойствами электронов: орбитальным вращением электронов в атомах и вращением электронов вокруг собственных осей (электронные спины).

В ферромагнитных материалах образуются самопроизвольно намагниченные области – домены, в которых магнитные моменты электронов направлены параллельно друг другу. Магнитные моменты отдельных доменов расположены неупорядоченно, вследствие чего суммарная намагниченность их равна нулю. Если приложить внешнее поле, то начинается рост доменов, намагниченность которых совпадает с направлением внешнего поля или близка к направлению внешнего поля, с одновременным сокращением числа доменов, намагниченность которых существенно не совпадает с направлением внешнего поля. В сильных полях завершается рост доменов и повороты их векторов намагниченности, вследствие чего дальнейший рост внутреннего магнитного поля прекращается, и наступает насыщение.

 Рассмотрим зависимости В = f (H) и μ = f (H), характеризующие процесс намагничивания ферромагнетика, предварительно размагниченного (рис.12,а). В области очень слабых магнитных полей (участок 1) магнитная индукция растёт линейно с ростом напряжённости, магнитная проницаемость остаётся постоянной (μ_н ≈ const); это так называемая начальная относительная магнитная проницаемость. Эта область намагниченности используется в технике слабых токов (нелинейная зависимость между магнитной индукцией и напряжённостью поля приводит к искажению передаваемых сигналов).

В области слабых полей (участок 2) магнитная проницаемость резко возрастает и проходит через максимум. В первой части этого участка рост магнитной индукции происходит очень круто.

В области средних полей (участок 3) происходит лишь слабое увеличение магнитной индукции.

В области сильных полей (участок 4) рост магнитной индукции происходит очень замедленно (наступает насыщение).

                 а)                                                 б)

          Рис.12. Процесс намагничивания ферромагнетика:

                     а) первоначальный; б) петля гистерезиса

 

Если ферромагнетик включить под переменное напряжение, то кривая

В = f(H) примет форму замкнутой кривой – петли гистерезиса (рис.12,б). По ширине петли гистерезиса все магнитные материалы можно разделить на две группы: а) магнитомягкие; б) магнитотвёрдые.

Магнитомягкие материалы имеют малое значение Н_с (узкая петля), они легко перемагничиваются, и их используют в переменных полях для сердечников. Они имеют большое значение магнитной проницаемости μ в слабых и средних полях.

Магнитотвёрдые материалы имеют большое значение Н_с, их не следует использовать в переменных полях, а нужно применять для постоянных магнитов.

Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле связан с тепловыми потерями энергии магнитного поля, что внешне проявляется в нагревании материала.

Можно выделить два вида потерь: а) потери на перемагничивание;

б) динамические (потери на вихревые токи).

Потери на перемагничивание пропорциональны площади петли (S) гистерезиса и частоте (f) P~f S. Динамические потери вызваны возникновением внутри магнитного материала вихревых токов, эти потери пропорциональны квадрату частоты и обратно пропорциональны удельному электрическому сопротивлению (ρ):

P~ .

При высоких частотах в сердечниках приходится учитывать в первую очередь потери на вихревые токи. Уменьшить их можно путём увеличения удельного сопротивления ρ. Для этого сердечник делают из тонких листов ферромагнетика, разделённых лаком, тонкой бумагой и т. д. На высокой частоте целесообразнее использовать ферриты, у которых удельное сопротивление в 10⁶ - 10¹¹ раз больше железа.

Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от температуры. При увеличении температуры облегчается переориентация доменов по полю, и магнитная проницаемость растёт, но при температуре выше определённого значения, называемого точкой Кюри, происходит разрушение доменной структуры, и магнитные материалы теряют свои ферромагнитные свойства. Для чистого железа точка Кюри составляет 768 ^оС, для никеля 358 ^оС, для кобальта 1 131 ^оС.

Для характеристики изменения магнитной проницаемости с температурой пользуются температурным коэффициентом магнитной проницаемости (К^-1):

ТК_μ = .

Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы, обладая высокой магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис, используются в качестве сердечников трансформаторов, в электромагнитах, в измерительных приборах и везде, где необходимо при наименьших затратах достигнуть наибольшей индукции. В настоящее время выпускается много разновидностей магнитомягких материалов, мы рассмотрим электротехническую сталь и пермаллои.

Электротехническая сталь является основным магнитомягким материалом массового потребления. Если в железо добавить кремний, то изменяются следующие свойства:

а) увеличивается удельное сопротивление (следовательно, снижаются потери на вихревые токи). Удельное сопротивление при увеличении кремния до 5 % увеличивается от 0,1·10^-6 до 0,6·10^-6 ;

б) увеличиваются начальная магнитная проницаемость µ_н (при Н = 0) и максимальная магнитная проницаемость µ_max;

в) уменьшается коэрцитивная сила (следовательно, уменьшаются потери на гистерезис);

г) ухудшаются механические свойства, увеличивается хрупкость (при содержании кремния выше 5 % она становится непригодной для штамповки).

Ферромагнитные материалы характеризуются также магнитной анизотропией, выражающейся в различной легкости намагничивания вдоль различных осей. Анизотропия может усиливаться во время обработки стали.

Различают горячекатаную и холоднокатаную стали. При горячей прокатке происходит лишь слабая ориентация зёрен в направлении проката, сталь имеет незначительную анизотропию. При прокатке в холодном состоянии магнитные свойства в направлении проката улучшаются, но ухудшаются в поперечном направлении проката. Такую сталь нужно использовать так, чтобы магнитный поток проходил по направлению проката, так как сталь имеет резкую анизотропию.

 

Электротехническая сталь делится на марки: Э-1312, Э-2011 и т. д. Эти марки расшифровываются следующим образом:

– буква Э – электротехническая сталь;

– первая цифра: 1 – горячекатаная изотропная,

                     2 – холоднокатаная изотропная,

                     3 – холоднокатаная анизотропная;

– вторая цифра – примерное содержание кремния в процентах;

– третья и четвертая цифры – характеризует сталь по некоторым электрическим и магнитным свойствам (гарантируется значение в определенном диапазоне).

В настоящее время холоднокатаная сталь нашла более широкое применение, чем горячекатаная.

Пермаллои – это железоникелевые сплавы, обладающие большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых полей и узким гистерезисным циклом.

Пермаллои используются для изготовления сердечников дросселей, реле, измерительных трансформаторов и т.д. Различают высоконикелевые (72–80 % Ni) и низконикелевые (40–50 % Ni) пермаллои. В сплавы, кроме железа и никеля, также входят добавки молибдена, хрома, меди, марганца, кремния и т. д. Содержание никеля зависит от того, для каких целей будет использоваться пермаллой. Если сердечник предназначен для работы на высоких частотах, то предпочтительнее использовать низконикелевые пермаллои, так как у них удельное сопротивление почти в три раза больше, чем у высоконикелевых пермаллоев.

У высоконикелевых пермаллоев выше значения магнитной проницаемости: µ_н и µ_max. Они применяются для сердечников малогабаритных трансформаторов и реле. Стоимость высоконикелевых пермаллоев больше чем низконикелевых, поскольку никель дорог.

ЛЕКЦИЯ №13

Ферриты

Ферриты представляют собой системы из окислов железа и окислов двухвалентных и реже одновалентных металлов, соответствующие общей формуле , где Ме – символ двухвалентного металла (никель, цинк, марганец, кобальт, барий и т.д., иногда одновалентный литий). Ферриты имеют кубическую кристаллическую решетку, подобную решетке шпинели, встречающейся в природе.

Технология изготовления ферритов оказывает существенное влияние на свойства готовых изделий. В промышленности в основном используется метод смешивания оксидов металлов. Исходные оксиды взвешивают, тонко измельчают и тщательно перемешивают в шаровых или вибрационных мельницах. Затем осуществляют предварительный обжиг при температуре ниже температуры окончательного обжига. После этого следует второй помол. Для улучшения пластичности в порошок добавляют пластификаторы (поливиниловый спирт, парафин и др.). Из полученной массы прессуют под большим давлением изделия требуемой формы и обжигают при температуре 1 100–1 400 ^оС в окислительной среде (обычно в воздухе). При этом про-исходит спекание и образование твёрдых растворов ферритов. Усадка ферритов при обжиге может достигать 20 %. Ферритовые изделия отличаются высокой твердостью и хрупкостью. Их можно шлифовать и полировать, резать можно только инструментом из синтетических алмазов.

Магнитомягкие ферриты. В настоящее время основное применение нашли следующие группы смешанных ферритов:

 – марганец-цинковые;

 – никель-цинковые;

    – литий-цинковые.

   Максимальная индукция феррита составляет 0,3 Тл, поэтому в сильных магнитных полях их применять нецелесообразно. Но у них большое магнитное сопротивление (в 10⁶ – 10¹¹ раз больше электротехнической стали), поэтому они нашли широкое применение при повышенных и высоких частотах. Они используются для изготовления сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, статоров и роторов высокочастотных электродвигателей и т. д.

Обозначение ферритов:

– первая цифра означает численное значение начальной магнитной проницаемости µ_н;

– первые буквы: Н – ферриты для низких частот (от 0,2 до 20 МГц),

                      ВЧ – ферриты для высоких частот (от 20 до 300 МГц);

– следующие буквы обозначают состав материала:

                        М – марганец-цинковые,

                      Н – никель-цинковые и т. д.

Примеры обозначения: 1 000 НН, 6 000 НМ, 150 ВЧ.

Ферриты, как и электротехническая сталь, имеют точку Кюри, при которой разрушается доменная структура. Точка Кюри для магнитомягких ферритов лежит в диапазоне 70 – 400 ^оС.

Магнитотвёрдые ферриты применяются для магнитов в электродинамических громкоговорителях, для микродвигателей, измерительных приборов. Известны кобальтовые и бариевые ферриты.

Кобальтовые ферриты применяются ограниченно из-за дефицитности и дороговизны кобальта, а также недостаточно высоких магнитных свойств по сравнению с более дешёвыми бариевыми ферритами.

Бариевые магниты дешевы, имеют большое удельное сопротивление, устойчивы к действию внешних размагничивающих полей. Но они отличаются большой хрупкостью и не способны к обычным видам механической обработки. Кроме того, они имеют необратимое изменение магнитных свойств после охлаждения их от комнатной до низких температур (-60 ^оС) и последующего нагревания до первоначальной температуры.

 

Магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов – источников постоянных магнитных полей, которые во многих случаях выгоднее, чем электрические. Магнитотвердые материалы по составу и способу получения подразделяются на группы:

– легированные мартенситные стали;

– литые магнитотвердые сплавы;

– магниты из порошков.

Характеристиками материалов для постоянных магнитов служат: коэрцитивная сила Н_с; остаточная индукция В_r; максимальная энергия, отдаваемая магнитом во внешнее пространство W_max.

Величины коэрцитивной силы Н_с с остаточной индукцией В_r определяются на петле гистерезиса (рис.12,б). Поясним, что такое максимальная энергия W_max. Если магнит изготовлен в виде кольцевого сердечника, то магнитная энергия находится внутри его. Если убрать внешнее поле, то остаточная индукция в магните будет равна В_r. Возьмём кольцевой сердечник, намагнитим его, после этого выпилим из него кусок длиной d. Такого вида сердечники используют в приборах и в реле.

В результате объём магнитного материала уменьшился, следовательно, уменьшится и магнитный поток. Индукция внутри магнита снизится до величины В_d, которая меньше В_r (индукция в магните и воздухе одинакова и составляет значение В_d, но напряжённость магнитного поля (Н) в воздухе больше в 1/µ₀ раз).

   Удельная магнитная энергия (Дж/м³) поля, создаваемая в воздушном зазоре магнита, равна W_d = , где Н_d – напряжённость поля, соответствующая индукции В_d,А/м.

Зазор нужно взять оптимальным, чтобы энергия в воздушном зазоре была максимальной W_max. Величина W_max является важнейшей при оценке качества материала.

Легированные мартенситные стали. Эти стали являются наиболее простыми и доступными для изготовления постоянных магнитов. Мартенситные стали начали применять для производства постоянных магнитов раньше всех других материалов. Стали легируются следующими добавками: кобальта (до 15 %), хрома (до 3 %), вольфрама (до 8 %). У них низкое значение W_max = (1–4) кДж/м³. В настоящее время они имеют ограниченное применение в виду их невысоких магнитных свойств, но полностью от них не отказываются, так как они дёшевы и допускают  механическую обработку на металлорежущих станках.  Наличие добавок в стали можно определить по марке стали. Например, сталь ЕХ легирована хромом. Другие добавки обозначаются следующими буквами: вольфрам – В, молибден – М, кобальт – К. Цифры указывают процентное содержание элемента, например, ЕХ3 (3% хрома).

Литые магнитотвердые стали. В этой группе наибольшее распространение получили тройные сплавы: железо-никель-алюминий (Fe-Ni-Al). Они имеют большую магнитную энергию, чем мартенситные стали. Для улучшения магнитных свойств эти сплавы легируют: кобальтом (2–40 %), медью (2–8 %), титаном (0–9 %), ниобием, кремнием. Магнитная энергия лучших сплавов достигает W_max = 40 кДж/м³.

Изделия из этих сплавов получают в основном методом литья, недостатками сплавов являются особая хрупкость и высокая твёрдость, поэтому обработка на металлорежущих станках затруднена. В основном их обрабатывают шлифовкой.

Магниты из порошков. Невозможность получить особенно мелкие изделия со строго выдержанными размерами из литых сплавов обусловила использование методов порошковой металлургии для производства постоянных магнитов. Среди них рассмотрим следующие виды магнитов:

а) металлокерамические магниты (получены из измельченных сплавов типа Аl-Ni-Fe);

б) металлопластические магниты (получены из сплавов типа Аl-Ni-Fe и связующего материала).

Металлокерамические магниты изготавливают из измельченных порошков сплавов Cu-Ni-Fe, Cu-Ni-Co, Fe-Co-Ni-Al путем прессования и дальнейшего спекания при высоких температурах. Такой способ выгодно применять для производства мелких магнитов и магнитов сложной конфигурации, так как при такой технологии получаются достаточно точные размеры, и дальнейшая обработка не требуется. Металлокерамические магниты обычно имеют пористость 3 – 5 %, а запасенная магнитная энергия и остаточная индукция у них на 10–20 % ниже, чем у литых магнитов из соответствующего сплава. Зато по механической прочности они превосходят литые магниты в 3 – 6 раз.

Металлопластические магниты, как и металлокерамические, получают из металлического порошка сплавов типа Аl-Ni-Fe, смешанных с порошком диэлектрика (например, феноло-формальдегидной смолы). Процесс изготовления магнитов заключается в прессовании смеси под давлением

500 МПа, нагревании заготовок до температуры 120–180 ^оС для полимеризации диэлектрика. Магнитные свойства металлопластических магнитов довольно низкие. Коэрцитивная сила у них по сравнению в литыми магнита-

ми из соответствующего сплава ниже на 10–15 %, остаточная индукция – на

35–50 %, а запасенная магнитная энергия – на 40–60 %.

Понижение магнитных свойств объясняется большим содержанием (до 30%) немагнитного связующего вещества. Однако они обладают большим электрическим сопротивлением, малой плотностью, меньшей стоимостью. Благодаря высокому электрическому сопротивлению их можно применять в аппаратуре для переменного магнитного поля повышенной частоты.

 

ЛЕКЦИЯ №14