Урок №55
Основные характеристики магнитных материалов. Классификация магнитных материалов. Магнитотвердые материалы. Магнитомягкие материалы.
1. Слабомагнитные материалы.
1.1 Диамагнитные материалы (диамагнетики) – это материалы, которые ослабляют внешнее магнитное поле внутри себя.
Инертные газы (гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe, радон Rn), водород Н2, органические соединения, медь Cu, свинец Pb, цинк Zn, золото Au, серебро Ag и др. материалы, которые состоят из атомов с полностью заполненными электронными оболочками.
1.2 Парамагнитные материалы (парамагнетики) – это материалы, которые не значительно усиливают внешнее магнитное поле внутри себя.
Кислород О2, окись азота NO, алюминий Al, платина Pt, соли железа Fe, никеля Ni, кобальта Co и др. материалы, которые состоят из атомов с не полностью заполненными электронными оболочками.
Применение: не нашли широкого применения в технике.
2. Сильномагнитные материалы (магнетики).
Ферромагнитные материалы (ферромагнетики) – это материалы, которые под действием внешнего магнитного поля намагничиваются и значительно усиливают его.
Железо Fe, никель Ni, кобальт Co, сплавы на их основе, сплавы хрома Cr и марганца Mn, ферриты различного состава MenOm +Fe2O3 и др. материалы, которые состоят из атомов с не заполненными электронными оболочками.
2.1 Магнитомягкие. Легко намагничиваются и размагничиваются.
а) Кремнистые стали сплав Fe – C – Si.
б) Пермаллои сплав Fe – Ni.
в) Альсиферы сплав Fe – Al – Si.
г) Ферриты (получаемые прессованием и спеканием смесей оксидов железа Fe2O3 и других металлов): никеля NiFe2O4, марганца MnFe2O4, цинка ZnFe2O4 (не обладает магнитными свойствами).
Применение: сердечники и магнитопроводы электрических машин и аппаратов, устройства магнитной памяти.
2.2 Магнитотвёрдые. С большим трудом намагничиваются, а намагниченные могут несколько лет сохранять магнитную энергию, т.е. служит источниками постоянного магнитного поля.
а) Мартенситные стали сплав Fe – C – легирующий элемент (хром Cr, вольфрам W. кобальт Со).
б) Железоникельалюминиевые сплавы Fe – Ni – Al.
в) Металлокерамические материалы (получаемые прессованием и спеканием металлических порошков): Cu – Ni – Co, Cu – Ni – Fe и др.
г) Ферриты: бариевые BaFe12O19, кобальтовые CoFe2O4.
Применение: постоянные магниты, устройства для записи и хранения информации.
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ
Магнитные характеристики позволяют оценить свойства материалов при воздействии на него магнитного поля.
1. Магнитная проницаемость (относительная) – показывает во сколько раз магнитное поле в материале сильнее или слабее чем в вакууме.
где μа – абсолютная магнитная проницаемость, учитывает влияние
материала на магнитное поле, Гн/м;
μо – абсолютная магнитная проницаемость вакуума, 4П·107 Гн/м.
Магнитная проницаемость в большой степени зависит от напряжённости Н магнитного поля, поэтому для оценки способности материала к намагничиванию учитывают начальную магнитную проницаемость μн и максимальную магнитную проницаемость μmax.
Диамагнетики μ<1 и не зависит от напряжённости внешнего магнитного поля.
Парамагнетики μ>1 и не зависит от напряжённости внешнего магнитного поля.
Ферромагнетики μ>>1 и зависит от напряжённости внешнего магнитного поля.
Чем больше значение μ, тем легче намагничивается материал.
2. Индукция насыщения Вs.
Если образец намагничивать, непрерывно повышая напряжённость магнитного поля Н, то магнитная индукция В тоже будет непрерывно возрастать по кривой намагничивания 1, от точки О до Вs.
Чем больше значение Вs тем выше магнитные свойства мате.
3. Остаточная магнитная индукция Вr и коэрцитивная сила Нс.
При уменьшении напряжённости Н магнитная индукция В также будет уменьшаться, но начиная с Вм её значения не будут совпадать со значениями начальной кривой намагничивания, и когда напряжённость магнитного поля станет равной нулю, в образце будет обнаруживаться остаточная магнитная индукция В r.
Для размагничивания надо чтобы напряжённость магнитного поля изменила своё направление на обратное -Н, и напряжённость поля, при которой индукция станет равной нулю, называют коэрцитивной силой Н с.
Если дальше продолжать намагничивать в противоположном направлении, то снова будет наблюдаться индукция насыщения -Вs. При уменьшении напряжённости магнитного поля до равного нулю и снова в первоначальном направлении +Н индукция будет непрерывно увеличиваться до индукции насыщения Вs. В результате образуется замкнутая петля, называемая статической петлёй гистерезиса.
При воздействии на материал переменного тока получают:
- динамическую магнитную проницаемость и кривую намагничивания (при низких частотах и малой толщине материала совпадают со статической);
- динамическую петлю гистерезиса, имеет несколько большую площадь, т.к. кроме потерь на гистерезис возникают потери на вихревые токи.
4. Магнитные потери связаны с потерями части энергии магнитного поля, которые проявляются в нагревании материала.
4.1 Потери на гистерезис связаны с явлением намагничивания и с необратимым перемещением границ внутренних областей (доменов), которые пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменного магнитного поля.
4.2 Потери на вихревые токи вызываются токами, которые индуцируются в магнитном материале внешним магнитным полем, которые пропорциональны квадрату частоты переменного магнитного поля.
Чем больше частота магнитного поля, тем больше потери, поэтому на высоких частотах применяют материалы с высоким электрическим сопротивлением.
5. Температура Кюри θ – температура, при которой магнитные свойства материала исчезают, и он не может быть намагничен (железо Fe θ=768 0С).
Это обусловлено дезориентацией внутренних областей (доменов) намагничивания из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул материала.
6. Коэффициент прямоугольности – характеризует степень прямоугольности петли гистерезиса.
У материалов для запоминающих устройств в электронных вычислительных машинах αп=0,98, а у других материалов значительно меньше.
Чем больше значение αп, тем более прямоугольная петля гистерезиса.
МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Свойства (общие):
- зависят от химического состава;
- зависят от степени искажения кристаллической структуры и внутренних напряжений (для сплавов при холодной прокатке кристаллические частицы ориентируются в одном направлении, что приводит к повышению магнитных характеристик в направлении проката);
- большая начальная и максимальная магнитная проницаемость;
- большая индукция насыщения;
- малая коэрцитивная сила (‹4кА/м);
- малые потери на гистерезис, т.е. узкая петля гистерезиса.
1. Кремнистые стали (электротехническая сталь). Низкоуглеродистые стали (0,04% углерод С) 0,8-4,8% кремния Si. Основной материал для сердечников и магнитопроводов.
Свойства: кремний увеличивает удельное электрическое сопротивление (от 0,1 до 0,6 при 5% Si) и магнитную проницаемость (max при 6,8% Si), уменьшает коэрцитивную силу и ухудшает механические свойства (непригоден для штамповки).
Применение: холоднокатаные: сердечники электрических машин, трансформаторов и другие конструкции, где направление магнитного потока совпадает с направление прокатки; горячекатаные: сердечники электрических машин круглой формы.
2. Пермаллои. Пластичные железоникелевые сплавы:
а) низконикелевые пермаллои – 40-50% никеля Ni;
б) высоконикелевые пермаллои – 72-80% никеля Ni;
Свойства: чувствительны к механическим деформациям (резке, штамповке и др.), поэтому детали, подвергают дополнительной тепловой обработке – отжигу.
Применение: низконикелевые: сердечники электрических аппаратов и малогабаритных трансформаторов, работающих в переменных полях; высоконикелевые: сердечники мощных силовых трансформаторов (большие магнитные потоки).
3. Альсиферы. Нековкие хрупкие сплавы 77-85,5% железо Fe, 9-10% кремния Si, 5,5-13% алюминия Al.
Свойства: высокая твёрдость и хрупкость, поэтому изделия получают литьём, магнитные свойства не отличаются от пермаллоев.
Применение: литые сердечники, работающие в постоянных или медленно меняющихся магнитных полях (не более 20кГц, более большие потери на вихревые токи).
4. Ферриты.
Свойства:
- хрупкие, возможность обработки только шлифованием;
- высокое удельное электрическое сопротивление, т.е. малые потери на вихревые токи;
- с ростом температуры их удельное сопротивление уменьшается, т.к. являются полупроводниками;
- высокая коррозийная стойкость;
- в слабых магнитных полях могут заменить кремнистые стали и пермаллои, в средних и сильных имеют более низкую индукцию насыщения и их применение нецелесообразно, а в высокочастотных полях имеют более высокую индукцию;
- простота изготовления деталей.
1.1 Никелево-цинковые ферриты. NinZn1-nFe2O4.
n –доля содержания оксида металла в материале (n=0,4-0,6).
Применение: сердечники электрических машин и аппаратов, работающих в полях с частотами от 500кГц до 200 МГц.
1.2 Марганцево-цинковые ферриты. MnnZn1-nFe2O4.
Применение: сердечники электрических машин и аппаратов, работающих в полях с частотами от звуковых (от 20 Гц до 20 кГц) до нескольких МГц.