Магнитные свойства вещества

Намагниченность любого вещества в магнитном поле J можно определить как отношение суммарного магнитного момента M материала к единичному объему V:

(8.1)

Намагниченность зависит от намагничивающего поля

(8.2)

где kм - магнитная восприимчивость.

Магнитная индукция B является основным параметром магнитного материала:

(8.3)

где μ0=4π.10-7 Гн/м магнитная постоянная, μ= 1+ kM относительная магнитная проницаемость.

Классификация веществ по магнитным свойствам

Диамагнетики вещества, в которых в "чистом" виде проявляется диамагнитный эффект, являющийся результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи. Магнитный момент, возникающий при этом эффекте, направлен навстречу внешнему полю. Диамагнетизм присущ всем веществам. km= -(10-6 10-7), μ <1, km слабо изменяется от температуры. Примеры диамагнетиков: все вещества с ковалентной химической связью, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла, медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и другие, водород, азот, вода и другие.

Парамагнетики намагничиваются в направлении вектора магнитной индукции внешнего поля. km= (10-6 10-3), μ >1. km в большинстве случаев сильно зависит от температуры. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты распределены хаотично (рисунок 8.1) и намагниченность вещества J = 0. Примеры парамагнетиков: щелочные и щелочно-земельные металлы,  соли железа, кобальта, никеля, редкоземельных металлов, кислород, окись азота. Al, Na, Mg, Ta, W. Ферромагнетики - магнитные моменты атомов ориентированы параллельно друг другу с образованием магнитных доменов. km сильно зависят от Н внешнего магнитного поля и температуры. Ферромагнетики легко намагничиваются уже в слабых магнитных полях. km до 106, μ » 1. Примеры ферромагнетиков: железо, никель, кобальт.

Антиферромагнетики магнитные моменты атомов приобретают антипараллельную ориентацию и полностью компенсируют друг друга поэтому антиферромагнетики не обладают магнитным моментом. km= (10-6 10-3), μ >1. При температуре Нееля Тн, (и выше) антиферромагнитный порядок разрушается и материал переходит в парамагнитное состояние. Примеры антиферромагнетиков: хром, марганец, цезий, неодим, самарий.

Ферримагнетики имеют доменную структуру, состоящую из двух или более подрешеток, которые образованы атомами (ионами) различных химических элементов или неодинаковым их количеством, и имеют различные по величине магнитные моменты, направленные антипараллельно..km до 106, μ » 1. При Т ≥ Тн материал переходит  парамагнитное состояние. К ферримагнетикам относятся некоторые оксидные соединения, например ферриты MnO*Fe2O3, BaO*6Fe2O3, (NiO*ZnO)Fe2O3, Li2O*Fe2O3.

Ориентация магнитных моментов

 

Рис. 8.1. Ориентация магнитных моментов в отсутствие внешнего магнитного поля

Магнитный гистерезис

Магнитный гистерезис вызывается необратимыми процессами намагничивания. (рисунок 8.2. а), где  Bs - индукция насыщения; Br - остаточная индукция; Hc - коэрцитивная сила., Изменение μ от Н показано на рисунке 8.2.б.

 

[Кривая намагничивания] 

                                                                                                                                               а                                                 б

Рис. 8.2. Кривая намагничивания и зависимость μ(Н)

Магнитная проницаемость

Абсолютная проницаемость μa=B/H, относительная проницаемость μa=1/μ0B/H. Зависимости μ=F(Т) показаны на рисунке 8.3.

 

Рис. 8.3. Зависимость магнитной проницаемости μ от температуры Т для различных напряженностей магнитного поля, (H4<H3<H2<H1)

 

Возрастание μнач объясняют тем, что при нагревании облегчается смещение доменных границ и поворот векторов намагниченности доменов. Уменьшение μнач при высоких температурах связывается с резким уменьшением спонтанной намагниченности доменов.

μнач  =(1/μo) lim(B/H)

                                                              Н→0

(8.4)

 

μмах =(1/μo) lim(Bм/Hм )

(8.5)

При одновременном воздействии на магнитный материал постоянного Нo и переменного Н~ магнитных полей и, обычно, при условии Н~<<Нo вводят понятие дифференциальной проницаемость μдиф

(8.6)

Потери в магнитных материалах

Потери на гистерезис, отнесенные к единице объема материала

(8.7)

Потери на вихревые токи для листового образца

(8.8)

где  Bmax -амплитуда магнитной индукции;  f -частота переменного тока,

d - толщина листа; γ- плотность; ρ-удельное сопротивление.

Потери на магнитную вязкость (магнитное последействие) обусловлены инерционностью процессов перемагничивания доменов. Эти  потери находят как разность между полными потерями и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи

При перемагничивании происходит отставание по фазе В от Н магнитного поля. δм угол отставания, угол магнитных потерь. Тангенс угла магнитных потерь можно выразить через параметры эквивалентной схемы, показанной на рисунке 8.4.

 

Эквивалентная схема и векторная диаграмма индуктивной катушки с магнитным сердечником

Рис. 8.4. Эквивалентная схема (а) и векторная диаграмма (б) индуктивной катушки с магнитным сердечником

 

Пренебрегая емкостью и сопротивлением обмотки катушки, получаем tgδм=r/(ωL)

Активная мощность Ра=I2 ωL.tgδм.

Классификация магнитных материалов

Магнитомягкие материалы обладают высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на перемагничивание. Условно к магнитомягким относят материалы с Нс<800 А/м. Применяются в основном в качестве магнитопроводов дросселей, трансформаторов, электромагнитов, электрических машин и т.д.

Магнитотвердые материалы отличаются большой удельной энергией, которые тем больше, чем больше остаточная индукция Br и коэрцитивная сила Нс материала. К магнитотвердым относят материалы с Нс>4 кА/м. Используются главным образом для постоянных магнитов.

Магнитные материалы специального назначения. Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), магнитострикционные, термомагнитные, ферриты СВЧ и др.

Магнитомягкие материалы

Технически чистое железо и электротехнические стали

Технически чистое железо содержит менее 0.05% углерода и минимальное количество примесей других элементов. Низкоуглеродистая электротехническая сталь ("армко-железо") выпускается также в виде электролитического и карбонильного железа. Последнее получается из порошка путем конденсации газообразного пентакарбонила железа Fe(Cо)5. В таблице отражены основные магнитные характеристики железа.

Материал

m

Hc, А/м

Bs, Тл

r, мкОм.м

начальная

максимальная

Технически чистое железо

250-400

3500-4500

50-100

2.18

0.1

Электролитическое железо

600

15000

30

2.18

0.1

Карбонильное железо

2000-3000

20000-21500

6.4

2.18

0.1

 

Электротехнические стали сплавы железа с 0.5-5% кремния. Кремний действует как раскислитель, связывая вредные газы, увеличивает удельное сопротивление. В обозначении марок электротехнических сталей используются четыре цифры, обозначающие: первая - структурное состояние и вид прокатки: 1 горячекатанная изотропная; 2 холоднокатанная изотропная; 3 холоднокатанная анизотропная с ребровой текстурой; вторая содержание кремния в весовых процентах классы 0, 1, 2, 3, 4, 5 с содержанием кремния от 0.4% для класса 0 до 3.84.8% для класса 5; третья, четвертая гарантированные удельные потери и магнитная индукция.

Магнитомягкие ферриты

Это химические соединения окисла железа Fe2O3 с окислами других металлов. Монокристаллические ферриты выращивают в печах по методу Вернейля: исходную шихту просыпают через водородно-кислородную плазму, частички порошка, проходя через пламя, расплавляются и затем кристаллизуются на затравочном кристалле, который постепенно вытягивается вниз. Более широко распространены поликристаллические ферриты изготовляемые по керамической технологии с применением двукратного обжига в окислительной среде (в воздухе).

В качестве магнитомягких ферритов применяют никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты, представляющие собой твердые растворы замещения, образованные простыми ферритами NiFe2O4 и MnFe2O4, являющиеся ферромагнетиками с немагнитным ZnFe2O4.

Маркировка. Стоящее впереди число указывает номинальное значение μн. Следующие за числом буква Н или В означают соответственно низкочастотный или высокочастотный материал. Далее следует буква, указывающая состав феррита: М — марганец-цинковый, Н — никель-цинковый. Например, 2000НМ низкочастотный марганец-цинковый феррит с μн = 2000.

Пермаллои и альсиферы

Пермаллои — железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью в слабых полях. Существуют низконикелевые (40-50% Ni) и высоконикелевые (72-80 % Ni). На рисунке 8.5 показаны характеристики пермаллоев с различным содержанием никеля.

Рис. 8.5 - Магнитные характеристики пермаллоев в зависимости от содержания Ni (для μпоказана качественная зависимость)

Альсиферы сплавы Al-Si-Fe, оптимальный состав (9.6% Si, 5.4% Al) имеет следующие свойства: μнач=35400; μмакс=117000; Нс=1.76 А/м. Это нековкий, с высокой твердостью хрупкий материал (легко размалывается в порошки).

Магнитодиэлектрики (МД)

МД состоят из мелкоизмельченного ферромагнетика, частицы которого изолированы и скреплены немагнитным материалом. В качестве ферромагнетика наиболее часто используют альсифер, карбонильное железо, пермаллой, в качестве связки как органические материалы такие как бакелит, полистирол, шеллак, так и неорганические - жидкое стекло, стеклоэмали и другие. Примеры магнитных характеристик промышленных магнитодиэлектриков показаны в таблице.

Основа магнитодиэлектрика

Марка

mнач

Пределы линейности тангенса угла потерь

на частоте f, МГц

на величине H, А/м

Альсифер

ТЧ-90

79-91

До 0.5

До 240

ВЧ-22

19-24

>>20

>>1200

 

mэфф

 

Карбонильное железо

Р-10

2.9

100

2400

Р-100

1.55

100

 

Магнитотвердые материалы

Чтобы использовать магнитную энергию постоянных магнитов, нужно в замкнутом магнитопроводе создать воздушный зазор определенного размера, тогда на образовавшихся концах возникнут полюсы, создающие размагничивающее поле с напряженностью Hd, снижающее В внутри магнита до Bd < Вr. На рисунке  8.6 кривая I — кривая размагничивания на участке гистерезисной петли, расположенной во втором квадранте и кривая 2 — кривая изменения магнитной энергии в воздушном зазоре.

Удельная энергия Wd магнитного поля в единице объема воздушного зазора

Wd =BdHd/2  [Дж/м3]

(8.9)

где  Bd и Hd принадлежат т. D, расположенной на кривой размагничивания.

При изменение величины воздушного зазора точка. D будет перемещаться на кривой размагничивания. Если зазор между полюсами отсутствует, то Bd = Вr, а Wd → 0, так как Hd = 0. Если зазор очень велик, то Wd → 0, так как Bd =0, а Hd = Hс. При некоторых значениях Bd и Hd, равных наибольшим значениям (Bmах и Hmах), удельная магнитная энергия достигнет максимального значения Wм 

Wм=(BH)mах/2

(8.10)

 

Кривые размагничивания (а) и магнитной энергии в воздушном зазоре (б)

Рис. 8.6. а - кольцевой сердечник, б - зависимость магнитной энергии (Эd) от индукции B

Легированные мартенситные стали

Легирование высокоуглеродистых сталей W, Мо, Сr или Со и последующая термообработка для создания мартенситной структуры приводят к  возникновению большого количества внутренних напряжений, дислокаций и других дефектов, из-за этого происходит максимальное деформирование кристаллической решетки и повышается Hс материала. Обладают низкими магнитными свойствами, но сравнительно дешевы и допускают механическую обработку на металлорежущих станках. Величина Br≥0.81.0 Тл, Hс≥7.1612 кА/м, Wм =14 кДж/м3.

Сплавы на основе железа - никеля - алюминия

Это тройные сплавы системы FeAlNi. Высококоэрцитивное состояние этих сплавов достигается при концентрации никеля 2033% и алюминия 1117%. Магниты из этих сплавов изготавливают методом литья. Маркировка буквы Ю и Н, означают алюминий и никель соответственно, затем идут буквы легирующих элементов: Д — медь, К — кобальт, С — кремний, Т — титан, Б — ниобий. После буквы идет цифра, указывающая % содержание данного элемента. Буква А означает столбчатую кристаллическую структуру; АА — монокристаллическую структуру. Магнитные характеристики: Br ≥ 0.51,4 Тл, H с≥ 36110 кА/м, W ≥ 3.632 кДж/м3. У монокристаллических образцов Br ≥ 0.71.05 Тл, Hс≥110145 кА/м, Wм ≥  1840 кДж/м3.

Магнитотвердые ферриты

Магниты из магнитотвердых ферритов можно использовать при высоких частотах, что связано с высоким удельным сопротивлением. У бариевых ферритов, например ρ=104-107 Ом.м. Ферриты бария и стронция имеют гексагональную структуру с общей химической формулой МеО•nFе2О3 , где Me — барий или стронций, n — коэффициент, изменяющийся в зависимости от марки от 4.7 до 6.0. Промышленность выпускает бариевые изотропные (БИ), бариевые анизотропные (БА) и стронциевые анизотропные (СА) магниты, получаемые прессованием в магнитном поле.

Ферриты кобальта имеют кубическую структуру с общей химической формулой СоО•Fe2O3 Магнитные свойства феррита кобальта анизотропного (КА) заметно хуже, чем анизотропных ферритов бария и стронция, и стоимость выше. Однако в диапазоне температур -70°С¸+80°С КА имеет температурный коэффициент Вr в 34 раза меньше, чем у ферритов бария и стронция.

Металлокерамические и металлопластические  магниты

Металлокерамические магниты получают методом порошковой металлургии: из тонкодисперсных порошков сплавов системы FeAlNi, легированных Со, Si, Сu и др., прессуют изделия требуемой формы и размеров и при высокой температуре спекают. Полученные изделия содержат 35% по объему пор, которые понижают Вr и Wм на 1020% по сравнению с магнитами из литых сплавов, но практически не влияют на Hс.

Металлопластические магниты получают прессованием тонкодисперсного порошка сплавов тех же систем, что и для металлокерамических изделий, смешанного с порошком диэлектрика. В образовавшемся изделии связующим (фазой-матрицей) является диэлектрик, наполнителем (прерывистой фазой) — магнитный порошок. Механические свойства металлопластических магнитов лучше, чем у литых сплавов, но магнитные свойства хуже, так как содержат до 30% по объему неферромагнитную фазу из диэлектрика: Вr меньше на 3550%, Wм — на 4060%.

Пластически деформируемые сплавы

Это сплавы систем CuNiFeu 60%, Ni 20%, Fe 20%), называемые кунифе, Со—Ni—Си (Со 45%, Ni 25%, Сu 30%) - кунико, Fe-Co-Mo (Fe 72%, Со 12%, Mo 16%) комоль, V—Со — Fe (V 11%, Со 52%, Fe 37%) — викаллой и др. Все эти сплавы до термической обработки обладают хорошими пластическими свойствами и могут подвергаться всем видам механической обработки. Благодаря мелкодисперсной структуре, их магнитные свойства несколько лучше, чем у легированных мартенситных сталей. Сплавы приобретают магнитные свойства только после холодной деформации на 70—90% (прокатка, волочение) и последующей термообработки, после чего они приобретают магнитную анизотропию. Магнитные свойства этих сплавов: Br ≈ 0.91.25 Тл, Hс ≥ 1255 кА/м, Wм≈319 кДж/м3. Основной их недостаток — высокая стоимость.

Сплавы на основе редкоземельных металлов (РЗМ)

Сплавы на основе РЗМ обладают очень высокими значениями Нс и Wmax. Наибольший интерес представляют соединения RCo5 и R2Co17, где R редкоземельный металл. Для бинарных соединений этой группы Wmax = 190 кДж/м3, для тройных сплавов типа R2(Co1-xFex), где x < 0.6 на основе самария и празеодима Wmax= 240 кДж/м3. Магниты из этих сплавов получают спеканием из порошков. Основной недостаток: низкие механические свойства (высокая хрупкость) и высокая стоимость.

Вопросы для самопроверки

Вопрос. Какая классификация веществ по магнитным свойствам?

Ответ. Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики.

 

Вопрос. Какие виды потерь в магнитных материалах вам известны?

Ответ. Потери на гистерезис, потери на вихревые токи и дополнительные потери.

 

Вопрос. Какие отличия между магнитомягкими  и магнитотверыми материалами?

Ответ. У магнитомягких материалов меньше коэрцитивная сила, но больше магнитная проницаемость, чем у магнитотвердых материалов.

 

Вопрос. Для чего вводят кремний в электротехнические стали?

Ответ. Кремний увеличивает удельное сопротивление стали.

 

Вопрос. Что такое пермаллои?

Ответ. Пермаллои – это  железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью.

 

Вопрос. Что такое альсиферы?

Ответ. Альсиферы сплавы Al-Si-Fe, оптимальный состав (9.6% Si, 5.4% Al).

 

Вопрос. Что такое магнитомягкие ферриты?

Ответ. Магнитомягкие ферриты химические соединения окисла железа Fe2O3 с окислами других металлов (например марганца или цинка).

 

Вопрос. Что представляют собой магнитодиэлектрики?

Ответ. Магнитодиэлектрики  состоят из мелкоизмельченного ферромагнетика (альсифер, карбонильное железо или пермаллой) частицы которого изолированы и скреплены немагнитным материалом (бакелит, полистирол, шеллак, жидкое стекло).

 

Вопрос. Какие магнитотвердые ферриты применяются в электротехнике?

Ответ. Ферриты бария, феррит кобальта и феррит стронция.

 

Вопрос. Что представляют собой металлопластические магниты ?

Ответ. Металлопластические магниты получают прессованием порошка сплавов на основе никеля, алюминия  и железа, смешанного с порошком диэлектрика.

 

Вопрос. Какие пластически деформируемые сплавы вам известны?

Ответ. CuNiFeu 60%, Ni 20%, Fe 20%) кунифе, Со—Ni—Сu (Со 45%, Ni 25%, Сu 30%) кунико, Fe-Co-Mo (Fe 72%, Со 12%, Mo 16%) комоль, V—Со — Fe (V 11%, Со 52%, Fe 37%) викаллой