По особенностям магнитных свойств все материалы могут быть разделены на парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики.
Диамагнетики и парамагнетики практически не намагничиваются.
Способность намагничиваться в магнитных полях в большой мера выражена у ферромагнетиков. К числу ферромагнетиков относятся железо, кобальт, никель, гадолиний и многие их сплавы. Ферромагнитными свойствами обладают также некоторые сплавы и соединения, содержащие алюминий, хром, марганец, медь, серебро.
Необходимо усвоить, что магнитные свойства материалов обусловлены внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи. Такими круговыми токами являются вращение электронов вокруг собственных осей - электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах.
Явление ферромагнетизма связано с доменным строением магнитного материала. Однако хотя в ферромагнетике и образуются самопроизвольно намагниченные области, но направления магнитных доменов получаются самыми разными. Магнитный поток такого тела во внешнем пространстве будет равен нулю. И только под влиянием внешнего магнитного поля материал намагничивается, т.е. происходит процесс смещения границ доменов и процесс ориентации доменов в направлении внешнего магнитного поля.
Из курса ТОЭ следует вспомнить количественное выражение магнитного поля - магнитный поток, интенсивность магнитного поля - магнитную индукцию и способность материалов намагничиваться - магнитную проницаемость,
В связи с нелинейностью процессов намагничивания ферромагнитных материалов их относительная магнитная проницаемость величина переменная. Она довольно быстро увеличивается от начального до максимального значения по мере возрастания напряженности магнитного поля. Но с началом процесса магнитного насыщения магнитная проницаемость уменьшается, приближаясь к единица при полном намагничивании материала.
В зависимости от того, в каких шлях (слабых, изменяющихся с малой или большой частотой) работает ферромагнетик, меняются требования, к нему предъявляемые. Поэтому следует знать для каждого материала его начальную и максимальную, статическую и динамическую магнитную проницаемость. У различных магнитных материалов величина максимальной относительной магнитной проницаемости неодинакова и может достигать десятков и даже сотен тысяч. Необходимо проанализировать зависимость магнитных свойств материалов от температуры.
Ферромагнитные материалы нашли широкое применение в качестве основных элементов магнитопроводов электрических машин, трансформаторов, измерительной и вспомогательной аппаратуры, электромагнитов и постоянных магнитов.
Важно разобраться в сути перемагничивания, которое происходит по петле гистерезиса. В предельной петле магнитного гистерезисе следует обратить внимание на индукцию насыщения, остаточную индукцию и коэрцитивную силу (рис. 3). В зависимости от величины двух последних параметров магнитные материалы подразделяются на магнитомягкие и магнитотвердые. Площадь петли гистерезиса позволяет судить о величине потерь энергии на перемагничивание материалов. Следует разобраться в способах уменьшения потерь в магнитных материалах.
Начальная кривая намагничивания и петли гистерезиса
Кроме потерь на перемагничивание, в магнитном материале имеют место потери на вихревые токи.
Литература: [3], с. 288-294; [6], т. 3, с. 6-14.
Металлические магнитные материалы
К металлическим магнитным материалам относятся магнитомягкие и магнитотвердые материалы.
Магнитомягкие материалы предназначены для работы в качестве магнитопроводов для переменного магнитного поля, создаваемого переменным электрическим током.
Такие материалы должны иметь малые потери на гистерезис и вихревые токи.
Они должны обладать большими величинами магнитной проницаемости и в то же время иметь малую коэрцитивную силу, большую индукцию насыщения. Последние две величины обуславливают узкую и высокую петлю гистерезиса, что является характерным признаком всех материалов, входящих в данную группу.
К магнитомягким материалам относятся технически чистое железо, листовая электротехническая сталь, сплавы железа с никелем, получившие название пермаллоев, и альсиферы - сплавы железа, кремния и алюминия и др. Все эти материалы имеют высокую магнитную проницаемость, очень малую коарцитивную силу и небольшие потери на гистерезис.
Технически чистое или так называемое армко-железо содержит очень мало примесей (сотые доли процента). Его выплавляют в мартеновских печах из особо чистых руд. Другой вид технически чистого железа - электролитическое железо получают методом электролитического осаждения из раствора сернокислого или хлористого железа.
Широкое применение получило железо высокой химической чистоты, называемое карбонильным железом. Оно представляет собой порошок, выделяемый из карбонила железа (Fе(СО)5) при температуре 200-250°С и давлении 150 МПа.
Армко-железо, электролитическое и карбональное железо используют в производстве магнитодиэлектриков.
Самым массовым магнитомягким материалом, имеющим широкую область применения, является листовая электротехническая сталь. Это сплав железа с кремнием, содержание которого в ней 0,8-4,8%.
Электротехническая сталь выплавляется в мартеновских печах. Листы изготовляются прокаткой стального слитка в горячем или холодном состоянии. Поэтому различают горячекатаную и холоднокатаную сталь. Горячекатаная сталь в магнитном отношении не анизотропна, то есть ее магнитные характеристики одинаковы во всех направлениях.
Применение повторной прокатки листов стали в холодном состоянии о последующим отжигом существенно меняет ее кристаллическую структуру за счет ориентации ребер кристаллов вдоль направления прокатки, т.е. происходит текстурирование стали. Текстурированная сталь отличается большой анизотропией: магнитные свойства ее в несколько раз выше в продольном (по ходу прокатки) направлении.
Необходимо разобраться в маркировке электротехнической стали, ее характеристиках и применении в электромашиностроении.
Пермаллой представляет собой железоникелевый сплав. Он предназначен для получения больших индукций в слабых магнитных полях. Различат высоконикелевый (о содержанием никеля до 80%) и низконикелевый (до 50%) пермаллой. Высоконикелевый пермаллой используется при изготовлении магнитных усилителей, слаботочных трансформаторов, катушек индуктивности аппаратуры связи и автоматики. Низконикелевый пермаллой используется в телефонии и радиотехнике для деталей электромагнитных реле, полюсных наконечников, магнитных экранов. Порошкообразный пермаллой применяют в производстве магнитодиэлектриков.
К числу материалов с большой начальной магнитной проницаемостью относится альсифер - сплав алюминия, кремния и железа. Он используется для магнитных экранов, корпусов приборов, деталей магнитопроводов для работы на постоянном токе. Альсифер, измельченный в тонкий порошок, применяется в производстве магнитодиэлектриков.
Магнитодиэлектрики предназначены для использования при повышенных и высоких частотах, так как они характеризуются большим удельным электрическим сопротивлением, а следовательно, и малым тангенсом угла диэлектрических потерь, Магнитодиэлектрики получают путем прессовки порошкообразного ферромагнетика с органической или неорганической связкой, изолирующей зерна друг от друга. В качестве основы применяют карбонильное железо, альсифер и др. Изолирующей связкой служат фенолформальдегидные смолы, полистирол, стекло и т.п.
К сплавам с особыми свойствами следует отнести: сплавы, отличающиеся незначительным изменением магнитной проницаемости при изменении напряженности поля. Это перминвар, представляющий собой тройной сплав Fе-Ni-Со, и изотерм, в состав которого входят железо, никель, алюминий или медь;
сплавы с сильной зависимостью магнитной проницаемости от температуры. Это термомагнитные сплавы: медноникелевый сплав - кальмаллой, железоникелевый - термаллой и железоникельхромовый - компенсатор;
сплавы с высокой магнитострикцией. При намагничивании ферромагнитных монокристаллов наблюдается изменение их линейных размеров. Это носит название магнитострикции.