Основні характеристики магнітних матеріалів
Механізми магнетизму: зонний магнетизм, молекулярний магнетизм. Зонний магнетизм - магнетизм металів і сплавів, що інтерпретується в рамках моделей, заснованих на зонної теорії. Типовими представниками зонних магнетиков (ЗМ) є перехідні метали Fe, Co, Ni, Сr, Мn, їх сплави і з'єднання.
Фізичне явище, що характеризує магнітні властивості молекул - мікроскопічних об'єктів. При об'єднанні безлічі цих молекул в макрооб'єкт, ймовірне виникнення якісно нового магнетизму за рахунок кооперативних міжмолекулярних взаємодій. Нижче певних температур магнітні моменти окремих молекул макрооб'єктами шикуються в певний порядок. Ця речовина називається магнетиком. Окремі молекули виступають в якості будівельних блоків магнетика. Технічне значення, як магнітних матеріалів, мають феромагнітні речовини і феромагнітні хімічні сполуки (ферити). Магнітні властивості матеріалів обумовлені внутрішніми прихованими формами руху електричних зарядів, що представляють собою елементарні колові струми (обертання електронів навколо власних осей - електронні спини і орбітальне обертання електронів в атомах)
Магнітні властивості матеріалів характеризується петлею гистерезиса, кривої намагнічування, магнітною проникністю, втратою енергії при перемагнічування, [4].
Магнітна проникність характеризує зв'язок між магнітною індукцією В і магнітним полем Н в речовині. Позначається m, у ізотропних речовин m = В / Н (для системи СГСМ) або m = В / Н (для системи СІ, Гн / м - абсолютна магнітна постійна).
У анізотропних тіл (кристалів) магнітна проникність - тензор. Магнітна проникність пов'язана з магнітною сприйнятливістю в співвідношенні μ = 1 + c. де m вимірюється в безрозмірних одиницях. Для фізичного вакууму c = 0 і μ = 1.
У діамагнетіков c<0 и µ <1, у парамагнетиков и ферромагнетиков
c> 0 і μ> 1. В залежності від того, вимірюється чи m феромагнетиків в змінному або статичному магнітному полі, її називають відповідно динамічної або статичної магнітної проникністю. Значення цих магнітних проникностей не збігаються, так як на намагнічування феромагнетиків в змінних полях впливають резонансні явища, вихрові струми і магнітна в'язкість. Магнітна проникність феромагнетиків складно залежить від Н, для опису цієї залежності вводять поняття диференціальної, початкової і максимальної магнітної проникності, [4].
Класифікація магнітних матеріалів
Існують магніти двох різних видів. Одні - так звані постійні магніти, виготовляють з «магнітнотвердих» матеріалів. Магнітні властивості цих матеріалів не пов'язані з використанням зовнішніх джерел або струмів. Другий вид магнітів - електромагніти з сердечником з «магнітномягкого» заліза. Створювані магнітномягкімі матеріалами магнітні поля обумовлені в основному тим, що по дроту обмотки, яка охоплює сердечник, проходить електричний струм.
Процеси намагнічування матеріалів двох видів протікають однаково: на першому етапі відбувається зміщення кордонів доменів, на другому - обертання магнітних моментів доменів у напрямку намагнічує поле, на третьому парапроцесс. Згідно кривої намагнічування зсув границь доменів вимагає невеликих енергетичних витрат, ніж процеси обертання магнітних моментів і парапроцесс. У магнитомягких матеріалах намагнічування відбувається за рахунок зміщення меж доменів. Магнітотверді матеріали намагнічуються в основному за рахунок обертання векторів намагнічування і парапроцесса, [5].
Магнитомягкие матеріали - магнітні матеріали з малою коерцитивної силою (5 кА / м) і високою магнітною проникністю.
Коерцитивна сила - розмагнічуюче зовнішнє магнітне поле напруженістю, яке необхідно прикласти до феромагнетика попередньо намагнічених до насичення, щоб довести до нуля його намагніченість або індукцію. При температурах нижче точки Кюрі магнитомягкие матеріали спонтанно намагнічені і складаються з хаотично орієнтованих намагнічених до насичення доменів.
Промислові магнитомягкие матеріали мають значення порядку 0,4 А / м. Тому вони намагнічуються до індукції технічного насичення при невеликих напряженностях поля. Намагнічення відбувається за рахунок зміщення доменних меж. Для таких матеріалів потрібно максимально полегшити рух доменних стінок при перемагнічуванні, зменшити вплив магнітної анізотропії (анізотропний характер магнітного взаємодії між атомними носіями магнітного моменту в речовинах) і магнітострикції (зміна розмірів і форми кристалічного тіла при намагнічуванні). Для полегшення процесу намагнічування, необхідно зменшити кількість дефектів в сплаві (домішок впровадження, дислокацій та ін.), Які заважають вільному руху доменних стінок.
Якщо використовуються магнитомягкие матеріали в змінних магнітних полях, то бажано мати велике значення електроопору магнетика. Діапазон робочих частот для різних магнитомягких матеріалів визначається в значній мірі величиною їх питомої опору. Чим більше питомий опір матеріалу, тим при більш високих частотах його можна застосовувати.
Магнитомягкие матеріали по області застосування ділять на:
- матеріали для постійних і низькочастотних магнітних полів і
- на високочастотні магнитомягкие матеріали.
До магнітомягкого матеріалами спеціального призначення відносяться магнітострикційні матеріали, за допомогою яких електромагнітна енергія перетворюється в механічну енергію і термомагнітні сплави, службовці для компенсації температурних змін магнітних потоків в магнітних системах приладів, [5].
Матеріали для постійних і низькочастотних магнітних полів
Крім високої магнітної проникності і малої коерцитивної сили магнитомягкие матеріали повинні володіти великою індукцією насичення, тобто пропускати максимальний магнітний потік через задану площа поперечного перерізу магнітопроводу. Магнітний матеріал, який використовується в змінних полях, повинен мати менші втрати на перемагнічування, які складаються в основному з втрат на гістерезис і вихрові струми.
Для зменшення втрат на вихрові струми для трансформаторів вибирають магнитомягкие матеріали з підвищеним питомим опором або збирають магнітопроводи з окремих ізольованих один від одного тонких листів. В цьому випадку магнітні втрати будуть залежати від товщини листа або стрічки. Потрібно, щоб листові і стрічкові матеріали були високопластичний. Також, магнітні властивості матеріалів залежать від частоти магнітного поля. Важлива вимога до магнітомягкого матеріалами - забезпечення стабільності їх властивостей в часі, і по відношенню до зовнішніх впливів, таким, як температура і механічні напруги. В процесі експлуатації матеріалу найбільших змін з усіх магнітних характеристик схильні магнітна проникність і коерцитивної сила.
До низькочастотних магнітомягкого матеріалів відносяться залізо (армко-залізо), електротехнічні стали, в тому числі кремниста електротехнічна сталь, низькокоерцитивною сплави, такі як пермаллой і альсифера, [5].
Магнітотверді матеріали - магнітні матеріали, що характеризуються високими значеннями коерцитивної сили. Якість магнітотвердих матеріалів характеризують також значення залишкової магнітної індукції, максимальної магнітної енергії, що віддається матеріалом в простір і коефіцієнта опуклості. Матеріали також повинні мати високу тимчасову і температурну стабільність перерахованих параметрів і задовільні міцність і пластичність.
Магнітотверді матеріали намагнічуються до насичення і перемагнічуються в порівняно сильних магнітних полях.
Найважливіша вимога до постійного магніту - отримання максимального магнітної енергії в робочому зазорі, тому питома магнітна енергія (енергія, віднесена до одиниці об'єму магніту) - одна з найважливіших характеристик магнітотвердих матеріалів. Вона пропорційна добутку:
де B і H - максимальні значення залишкової індукції всередині магніту і розмагнічуючої напруженості, відповідно.
Магнітотверді речовини характеризують твором. яке називається енергетичним твором.
З посиленням прямоугольности петлі гистерезиса коефіцієнт опуклості наближається до одиниці.
Чим більше залишкова індукція, коерцитивної сила і коефіцієнт опуклості, тим більше максимальна енергія магніту. Магнітотверді матеріали намагнічуються насилу, але зате тривалий час зберігають повідомлену енергію. Намагнічення відбувається в основному за рахунок обертання вектора намагніченості.
Литі висококоерцитівниє сплави
До цієї групи належать сплави систем Fe-Ni-Al (алні) і Fe-Ni-Co-Al, модифіковані різними добавками. Литі висококоерцитівниє сплави є основними промисловими матеріалами для виготовлення постійних магнітів. Вони є активними елементами багатьох приладів і характеризуються сприятливим співвідношенням між магнітними властивостями і вартістю виробництва. Їх магнітні властивості: = 30-110 кА / м, = 3-30 кДж / м3.
Магнітна текстура висококоерцитівниє сплавів створюється шляхом їх охолодження в сильному магнітному полі. Кристалічну текстуру створюють методом спрямованої кристалізації сплаву, залитого в форму, використовуючи особливі умови тепловідведення. Сплави, отримані спрямованою кристалізацією, мають специфічну столбчатую структуру. Поєднання кристалічної і магнітної текстур дозволяє поліпшувати всі параметри магнітотверді матеріалу.
Бескобальтовие сплави найбільш дешеві. Сплави, що містять кобальт, застосовуються в тих випадках, коли потрібні підвищені магнітні властивості і потрібен ізотропний магнітний матеріал. Сплави з 24% кобальту (магнико), що володіють високими магнітними властивостями в напрямку магнітної текстури, використовують при направленому магнітному потоці. Сплави з спрямованою кристалізацією володіють найбільшим запасом магнітної енергії, [4].