Наша сеть партнеров Banwar
6. МАГНІТНІ МАТЕРІАЛИ Всі речовини є Магнетика і намагнічуються у зовнішньому магнітному полі. По магнітних властивостях матеріали підрозділяються на слабомагнітні (Діамагнетик і парамагнетики) і сильномагнітних (ферромагнетики і феримагнетики). Діамагнетик - речовини з магнітною проникністю μr <1, значення якої не залежить від напруженості зовнішнього магнітного поля. Діамагнетиками є речовини, атоми (молекули) яких за відсутності намагнічує поле мають магнітний момент дорівнює нулю: водень, інертні гази, більшість органічних сполук і деякі метали (Cu, Zn, Ag, Au, Hg), а також В i, Gа, Sb . Парамагнетики - речовини з магнітною проникністю μr> 1, яка в слабких полях не залежить від напруженості зовнішнього магнітного поля. До парамагнетикам відносяться речовини, атоми (молекули) яких за відсутності намагнічує поле володіють магнітним моментом відмінним від нуля: кисень, оксид азоту, солі заліза, кобальту, нікелю та рідкоземельних елементів, лужні метали, алюміній, платина. У діамагнетіков і парамагнетиків магнітна проникність μr близька до одиниці. Застосування в техніці як магнітних матеріалів носить обмежений характер. У сильномагнітних матеріалів магнітна проникність значно більше одиниці (μr >> 1) і залежить від напруженості магнітного поля. До них відносяться: залізо, нікель, кобальт і їхні сплави, а також сплави хрому і марганцю, гадоліній, ферити різного складу. 6.1. Магнітні характеристики матеріалів Магнітні властивості матеріалів оцінюють фізичними величинами, званими магнітними характеристиками. магнітна проникність Розрізняють відносну і абсолютну магнітні проникності речовини (матеріалу), які між собою пов'язані співвідношенням μa = μo · μ, Гн / м μo - магнітна постійна, μo = 4 π · 10-7Гн / м; μ - відносна магнітна проникність (безрозмірна величина). Для опису властивостей магнітних матеріалів застосовують відносну магнітну проникність μ (частіше звану магнітна проникність), а для практичних розрахунків використовують абсолютну магнітну проникність μa, яка обчислюється за рівнянням μa = В / Н, Гн / м Н - напруженість намагнічує (зовнішнього) магнітного поля, А / м В - магнітна індукція поля в магнетику. Велика величина μ показує, що матеріал легко намагнічується в слабких і сильних магнітних полях. Магнітна проникність у більшості магнетиков залежить від напруженості намагнічує магнітного поля. Для характеристики магнітних властивостей широко використовується безрозмірна величина, яка називається магнітною сприйнятливістю χ. μ = 1 + χ Температурний коефіцієнт магнітної проникності Магнітні властивості речовини залежать від температури μ = μ (T). Для опису характеру зміни магнітних властивостей з температурою використовують температурний коефіцієнт магнітної проникності. Залежність магнітної сприйнятливості парамагнетиків від температури T описується законом Кюрі де C - постійна Кюрі. Магнітні характеристики феромагнетиків Залежність магнітних властивостей феромагнетиків має більш складний характер, показаний на малюнку, і досягає максимуму при температурі близькій до Q к. Температура, при якій магнітна сприйнятливість різко знижується, майже до нуля, носить назву температури Кюрі - Q к. При температурах вище Q до процес намагнічування феромагнетика порушується через інтенсивне теплового руху атомів і молекул і матеріал перестає бути феромагнітним і стає парамагнетиком. Для заліза Q к = 768 ° C, для нікелю Q к = 358 ° C, для кобальту Q к = одна тисяча сто тридцять один ° C. Вище температури Кюрі залежність магнітної сприйнятливості феромагнетика від температури T описується законом Кюрі-Вейса Процес намагнічування сильномагнітних матеріалів (ферромагнетиков) володіє гістерезисом. Якщо виробляти намагнічування розмагніченого феромагнетика в зовнішньому полі, то він намагнічується по кривій намагнічування B = B (H). Якщо потім, починаючи з деякого значення H почати зменшувати напруженість поля, то індукція B буде зменшуватися з деяким запізненням (гистерезисом) по відношенню до кривої намагнічування. При збільшенні поля протилежного напрямку феромагнетик розмагнічується, потім перемагнічується, і при новій зміні напрямку магнітного поля може повернутися у вихідну точку, звідки починався процес розмагнічування. Отримана петля, зображена на малюнку, називається петлею гістерезису. При деякій максимальної напруженості Н м намагнічує поле речовина намагнічується до стану насичення, індукція в якому досягає значення В Н, яке називається індукцією насичення. Залишкова магнітна індукція В О - спостерігається в феромагнітному матеріалі, намагніченому до насичення, при його розмагнічування, коли напруженість магнітного поля дорівнює нулю. Для розмагнічування зразка матеріалу треба, щоб напруженість магнітного поля змінила свій напрямок на протилежне (- Н). Напруженість поля Н К, при якій індукція дорівнює нулю, називається коерцитивної силою (що утримує сила). Перемагнічування феромагнетика в змінних магнітних полях завжди супроводжується тепловими втратами енергії, які обумовлені втратами на гістерезис і динамічними втратами. Динамічні втрати пов'язані з вихровими струмами, індукованими в обсязі матеріалу, і залежать від електричного опору матеріалу, зменшуючись з ростом опору. Втрати на гістерезис W в одному циклі перемагнічування визначаються площею петлі гистерезиса і можуть бути обчислені для одиниці об'єму речовини за емпіричною формулою де η - коефіцієнт залежить від матеріалу, B Н - максимальна індукція, що досягається протягом циклу, n - показник ступеня, рівний в залежності від матеріалу 1,6 ¸ 2. Питомі втрати енергії на гістерезис Р Г - втрати, витрачені на перемагнічування одиниці маси в одиниці об'єму матеріалу за секунду. де f - частота змінного струму, T - період коливань. магнітострикція Магнітострикція - явище зміни геометричних розмірів і форми феромагнетика при зміні величини магнітного поля, тобто при намагнічуванні. Відносне зміна розмірів матеріалу Δ l / l може бути позитивним і негативним. У нікелю магнітострикція менше нуля і досягає величини 0,004%. Відповідно до принципу Ле Шательє про протидію системи впливу зовнішніх факторів, які прагнуть змінити цей стан, механічна деформація феромагнетика, що призводить до зміни його розміру повинна впливати на намагнічування цих матеріалів. Якщо при намагнічуванні тіло відчуває в даному напрямку скорочення своїх розмірів, то додаток механічної напруги стиснення в цьому напрямку сприяє намагничиванию, а розтягнення - ускладнює намагнічування. 6.2. Класифікація феромагнітних матеріалів Все феромагнітні матеріали з поведінки в магнітному полі діляться на дві групи. Магнитомягкие - з великою магнітною проникністю μ і малою величиною коерцитивної сили Н К <10 А / м. Вони легко намагнічуються і розмагнічуються. Мають малими втратами на гістерезис, тобто вузької петлею гистерезиса. Магнітні характеристики залежать від хімічної чистоти і ступеня спотворення кристалічної структури. Чим менше домішок (С, Р, S, О, N), тим вище рівень характеристик матеріалу, тому необхідно при виробництві феромагнетика їх і оксиди видаляти, і намагатися не спотворювати кристалічну структуру матеріалу. Магнітотверді матеріали - мають велику Н К> 0,5 · МА / м і залишковою індукцією (В Про ≥ 0,1Т). Їм відповідає широка петля гістерезису. Вони з великими труднощами намагнічуються, зате можуть кілька років зберігати магнітну енергію, тобто служити джерелом постійного магнітного поля. Тому з них виготовляються постійні магніти. По складу все магнітні матеріали діляться на: · Металеві; · Неметалеві; · Магнітодіелектрики. Металеві магнітні матеріали - це чисті метали (залізо, кобальт, нікель) і магнітні сплави деяких металів. До неметалліческімматеріалам відносяться ферити, одержувані з порошків оксидів заліза та інших металів. Їх пресують і обпалюють при 1300 - 1500 ° С і вони перетворюються в тверді монолітні магнітні деталі. Ферити, як і металеві магнітні матеріали, можуть бути магнитомягкими і магнітотверді. Магнітодіелектрики - це композиційні матеріали з 60 - 80% порошку магнітного матеріалу і 40 - 20% органічного діелектрика. Ферити і магнітодіелектрики мають велике значення питомої електричного опору (ρ = 10 ÷ 108 Ом · м), Високий опір цих матеріалів забезпечує низькі динамічні втрати енергії в змінних електромагнітних полях і дозволяє широко використовувати їх в високочастотної техніки. 6.3. Металеві магнітні матеріали 6.3.1. металеві магнитомягкие матеріали До металевих магнітомягкого матеріалів відносяться карбонильное залізо, пермаллои, альсифера і низьковуглецеві крем'янисті стали. Карбонильное залізо - отримують термічним розкладанням рідини пентакарбонила заліза F е (СО) 5 з отриманням часток чистого порошкоподібного заліза: F е (СО) 5 → Fе + 5 СО, при температурі близько 200 ° С і тиску 15 МПа. Частинки заліза мають сферичну форму розміром 1 - 10 мкм. Для звільнення від частинок вуглецю порошок заліза піддають термічній обробці в середовищі Н 2. Магнітна проникність карбонільного заліза досягає 20000, коерцитивної сила становить 4,5 ¸ 6,2 А / м. Застосовують порошок заліза для виготовлення високочастотних магнітодіелектріческіе сердечників, в якості наповнювача в магнітних стрічках. Пермаллои - пластичні железонікелевие сплави. Для поліпшення властивостей вводять Мо, З r, Сu, отримуючи леговані пермаллои. Мають високу пластичність, легко прокочуються в листи і стрічки до 1 мкм. Якщо вміст нікелю в пермалой 40 - 50%, то він називається нізконікелевие, якщо 60 - 80% - високо. Пермаллои мають високий рівень магнітних характеристик, який забезпечується не тільки складом і високою хімічною чистотою сплаву, а й спеціальної теплової вакуумної обробкою. Пермаллои мають дуже високий рівень початкової магнітної проникності від 2000 до 30000 (в залежності від складу) в області слабких полів, який обумовлений низькою величиною магнитострикции і ізотропності магнітних властивостей. Особливо високі характеристики має супермаллой, початкова магнітна проникність якого має значення 100000, а максимальна сягає 1,5 · 106 при B = 0,3 Тл. Пермаллои поставляють у вигляді стрічок, листів і прутків. Нізконікелевие пермаллои застосовують для виготовлення сердечників дроселів, малогабаритних трансформаторів і магнітних підсилювачів, високо пермаллои - для деталей апаратури, що працюють на звукових і надзвукових частотах. Магнітні характеристики пермаллоев стабільні при -60 +60 ° С. Альсифера - нековким тендітні сплави складу Al - Si - Fe, що складаються з 5,5 - 13% Аl, 9 - 10% Si, решта - залізо. Альсифера близький за властивостями до пермалой, але дешевший. З нього виготовляють литі сердечники, відливають магнітні екрани і інші порожні деталі з товщиною стінок не менше 2 - 3 мм. Крихкість альсифера обмежує області його застосування. Використовуючи крихкість альсифера, його розмелюють в порошок, який використовується в якості феромагнітного наповнювача в пресованих височастотних магнітодіелектриків (сердечники, кільця). Кремниста низьковуглецевий сталь (електротехнічна сталь) - сплав заліза і кремнію (0,8 - 4,8% Si). Основний магнитомягкий матеріал масового застосування. Вона легко прокочується в листи і стрічки 0,05 - 1 мм і є дешевим матеріалом. Кремній, що знаходиться в стали в розчиненому стані, виконує дві функції. · Підвищуючи питомий опір стали, кремній викликає зниження динамічних втрат, пов'язаних з вихровими струмами. Опір підвищується за рахунок освіти кремнезему SiO 2 в результаті протікання реакції 2 FeO + S i → 2 Fe + SiO 2. · Наявність кремнію, розчиненого в металі, сприяє розпаду цементиту Fе 3 С - шкідливої домішки, що знижує магнітні характеристики, і виділенню вуглецю у вигляді графіту. При цьому утворюється чисте залізо, зростання кристалів якого підвищує рівень магнітних характеристик стали. Введення кремнію в сталь в кількості, що перевищує 4,8%, не рекомендується, так як, сприяючи поліпшенню магнітних характеристик, кремній різко підвищує крихкість стали і знижує її механічні властивості. 6.3.2. Металеві магнітотверді матеріали Магнітотверді матеріали - це ферромагнетики з високою коерцитивної силою (більше 1 кА / м) і великою величиною залишкової магнітної індукції В О. Застосовуються для виготовлення постійних магнітів. Поділяються залежно від складу, стану і способу отримання на: · Леговані мартенситні стали; · Литі магнітотверді сплави. Леговані мартенситні стали - пов про вуглецеві стали і стали, леговані Сr, W, З, Мо. Вуглецеві сталі швидко старіють і змінюють свої властивості, тому рідко застосовуються для виготовлення постійних магнітів. Для виготовлення постійних магнітів використовують леговані сталі - вольфрамову і хромистую (Н С ≈ 4800 А / м, В Про ≈ 1 Т), які виготовляються в вигляді прутків з різною формою перетину. Кобальтова сталь має більш високу коерцитивної силою (Н С ≈ 12000 А / м, В Про ≈ 1 Т) в порівнянні з вольфрамової і хромової. Коерцитивна сила Н С кобальтової стали зростає зі збільшенням вмісту С о. Литі магнітотверді сплави. Покращені магнітні властивості сплавів обумовлені спеціально підібраним складом і спеціальною обробкою - охолодженням магнітів після відливання в сильному магнітному полі, а також спеціальної багатоступінчастої тепловою обробкою у вигляді гарту і відпустки в поєднанні з магнітною обробкою, званої дисперсійним твердением. Для виготовлення постійних магнітів знаходять застосування три основних групи сплавів: · Залізо - кобальт - молібденовий сплав типу ремаллой з коерцитивної силою Н К = 12 - 18 кА / м. · Група сплавів: § мідь - нікель - залізо; § мідь - нікель - кобальт; § залізо - марганець, леговані алюмінієм або титаном; § залізо - кобальт - ванадій (F е - З - V). Сплав мідь - нікель - залізо називається куніфе (С u - Ni - Fе). Сплав F е - З - V (залізо - кобальт - ванадій) називається вікалой. Сплави цієї групи мають коерцитивної силу Н К = 24 - 40 кА / м. Випускаються у вигляді дроту і в листах. · Сплави системи залізо - нікель - алюміній (F е - Ni - Аl), відомі раніше під назвою сплав альні. Сплав містить 20 - 33% Ni + 11 - 17% Al, інше залізо. Додавання в сплави кобальту, міді, титану, кремнію, ніобію покращує їх магнітні властивості, полегшує технологію виготовлення, забезпечує повторюваність параметрів, покращує механічні властивості. Сучасна маркування марки містить букви, що позначають додаються метали (Ю - алюміній, Н - нікель, Д - мідь, К - кобальт, Т - титан, Б - ніобій, С - кремній), цифри - вміст елемента, буква якого стоїть перед цифрою, наприклад, ЮНДК15. Сплави мають високе значення коерцитивної сили Н К = 40 - 140 кА / м і великий запасеної магнітної енергією. 6.4. Неметалеві магнітні матеріали. ферити Ферити являють собою керамічні феромагнітні матеріали з малою електронною електропровідністю. Низька електропровідність в поєднанні з високими магнітними характеристиками дозволяє широко використовувати ферити на високих частотах. Виготовляють ферити з порошкоподібної суміші, що складається з окису заліза і спеціально підібраних оксидів інших металів. Їх пресують, а потім спекают при високих температурах. Загальна хімічна формула має вигляд: Мео · Fе 2 О 3 або МеFе 2 О 4, де Ме символ двовалентного металу. наприклад, ZnO · Fe 2 O 3 або NiO · Fe 2 O 3 або NiFe 2 O 4 Ферити мають кубічної гратами типу шпінелі MgOAl 2 O 3 - алюмінату магнію. Не всі ферити намагнічені. Наявність магнітних свій ств св язано з розташуванням іонів металів в кубічної решітці шпінелі. Так система ZnFe 2 O 4 не володіє феромагнітними властивостями. Ферити виготовляють по керамічної технології. Вихідні порошкоподібні оксиди металів подрібнюють у кульових млинах, пресують і обпалюють в печах. Спеклися брикети розмелюють в тонкодисперсний порошок, вводять пластифікатор, наприклад розчин полівінілового спирту. З отриманої маси пресують громадських закладів - сердечники, кільця, які обпалюють на повітрі при 1000 - 1400 ° С. Отримані тверді крихкі вироби в основному чорного кольору можна обробляти тільки шліфуванням і поліруванням. магнитомягкие ферити Магнитомягкие ФЕРИТ широко застосовують в області високих частот електронної техніки и пріладобудуванні для виготовлення фільтрів, трансформаторів підсілювачів низьких и високих частот, антен радіопередавальніх и радіопріймальніх прістроїв, імпульсніх трансформаторів, магнітніх модуляторів. Промисловістю випускаються наступні види магнитомягких феритів з широким спектром магнітних і електричних властивостей: нікель - цинкові, марганець - цинкові і літій - цинкові. Верхня гранична частота застосування фериту залежить від їх складу і змінюється у різних марок феритів від 100 кГц до 600 МГц, коерцитивної сила становить близько 16 А / м. Перевагою феритів є стабільність магнітних характеристик, відносна простота виготовлення радіодеталей. Як усі феромагнітні матеріали ферити зберігають свої магнітні властивості тільки до температури Кюрі, яка залежить від складу феритів і коливається в межах від 45 ° до 950 ° С. магнітотверді ферити Для виготовлення постійних магнітів використовують магнітотверді ферити, найбільше застосування мають ферити барію (ВаО · 6 Fе 2 О 3). Вони мають гексагональну кристалічну структуру з великою Н К. Ферити барію є полікристалічний матеріал. Можуть бути ізотропним - однаковість властивостей фериту в усіх напрямках обумовлена тим, що кристалічні частки орієнтовані довільно. Якщо в процесі пресування магнітів порошкоподібну масу піддати впливу зовнішнього магнітного поля великої напруги, то кристалічні частки фериту будуть орієнтовані в одному напрямку, і магніт буде анізотропним. Барієві ферити відрізняються гарною стабільністю своїх характеристик, але чутливі до зміни температури і механічних впливів. Магніти з барієвих феритів дешеві. Магнітодіелектрики - це композиційні матеріали, що складаються з дрібнодисперсних частинок магнітомягкого матеріалу, пов'язаних один з одним органічним або неорганічним діелектриком. Як магнитомягких матеріалів застосовують карбонильное залізо, альсифера і деякі сорти пермаллоев, подрібнені до порошкоподібного стану. Як діелектриків застосовують полістирол, бакелітові смоли, рідке скло і ін. Призначення діелектрика не тільки в тому, щоб з'єднати частки магнітного матеріалу, а й ізолювати їх один від одного, а, отже, різко підвищити величину питомої електричного опору магнітодіелектрика. Питомий електричний опір r магнітодіелектриків становить 103 - 104 Ом × м Магнітодіелектрики застосовують для виготовлення сердечників високочастотних вузлів радіоапаратури. Процес виробництва виробів простіше, ніж з феритів, тому що вони не мають потреби в високотемпературної тепловій обробці. Вироби з магнітодіелектриків відрізняються високою стабільністю магнітних властивостей, високим класом чистоти поверхні і точністю розмірів. Найбільш високими магнітними характеристиками мають магнітодіелектрики, наповнювачем в яких служить молібденовий пермаллой або карбонильное залізо. 
, Дж / м3 