Свойства магнитных материалов

Ферромагнетик – кристаллическое вещество, в котором результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля.

Антиферромагнетик – кристаллическое вещество, в котором результирующие магнитные моменты каждого из доменов равны нулю.

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 образованием внутри некоторых материалов ниже определенной температуры (точки Кюри) таких кристаллических структур, при которых в пределах макроскопических областей, называемых магнитными доменами, электронные спины оказываются ориентированными параллельно друг другу и одинаково направленными. Таким образом, характерным для ферромагнитного состояния вещества является наличие в нем самопроизвольной (спонтанной) намагниченности без приложения внешнего магнитного поля. Однако, хотя в ферромагнетике и образуются самопроизвольно намагниченные области, но направления магнитных моментов отдельных доменов получаются самыми различными, как это вытекает из закона о минимуме свободной энергии системы. Магнитный поток такого тела во внешнем пространстве будет равен нулю. Возможные размеры доменов для некоторых материалов составляют около 0,001 – 10 мм² при толщине по граничных слоев между ними в несколько десятков – сотен атомных расстояний. У особо чистых материалов размеры доменов могут быть и больше. Существование доменов удалось показать экспериментально. При очень медленном перемагничивании ферромагнитного образца в телефоне, соединенном через усилитель с катушкой, охватывающей образец, можно различать отдельные щелчки, связанные непосредственно со скачкообразными изменениями индукции. На полированной поверхности намагничиваемого образца ферромагнетика можно обнаружить появление типичных узоров, образующихся с помощью осаждения тончайшего ферромагнитного порошка на границах отдельных доменов; эти узоры получили название фигур Акулова.

Монокристаллы ферромагнитных веществ характеризуются магнитной анизотропией, выражающейся в различной легкости намагничивания вдоль разных осей. Направлением легкого намагничивания для ячейки монокристалла железа будет ребро куба, а наиболее трудного – диагональ; для ячейки никеля направление вдоль ребра куба будет соответствовать, наоборот, направлению трудного намагничивания. В тех случаях, когда анизотропия в поликристаллических магнетиках выражена достаточно резко, принято говорить, что ферромагнетик обладает магнитной текстурой. Получение заданной магнитной текстуры имеет большое значение и используется в технике для создания в определенном направлении повышенных магнитных характеристик материала.

Процесс намагничивания ферромагнитного материала под влиянием внешнего магнитного поля сводится:

1) к росту тех доменов, магнитные моменты которых составляют наименьший угол с направлением поля, и к уменьшению размеров других доменов (процесс смещения границ доменов);

2) к повороту магнитных моментов в направлении внешнего поля (процесс ориентации). Магнитное насыщение достигается тогда, когда рост доменов прекратится, и магнитные моменты всех спонтанно намагниченных микрокристаллических участков окажутся ориентированными в направлении поля.

При намагничивании ферромагнитных монокристаллов наблюдается изменение их линейных размеров; это явление носит название магнитострикции. Магнитострикция монокристалла железа различна для разных направлений в кристалле. Монокристалл железа, намагниченный в направлении ребра куба, удлиняется в направлении диагонали, т.е. сжимается в направлении намагничивания. Магнитострикция наблюдается и у поликристаллических материалов. Из трех основных ферромагнитных элементов (Fe, Ni, Co) наибольшей магнитострикцией обладает никель. Знак магнитострикционной деформации у различных материалов может быть как положительным (растяжение в направлении поля), так и отрицательным; изменение знака может наблюдаться также у одного и того же материала (например, железа) при изменении напряженности магнитного поля.

Кривые магнитострикционной деформации никеля по трем направлениям в кристалле

Кривые зависимости магнитной индукции (кривые намагничивания) и относительной магнитной проницаемости µr от напряженности внешнего магнитного поля

Протекание процессов намагничивания ферромагнитного материала практически характеризуют кривыми намагничивания В (Н), имеющими сходный характер для всех ферромагнетиков. Относительная магнитная проницаемость определяется по основной кривой намагничивания как отношение индукции В к напряженности магнитного поля Н в данной точке кривой намагничивания с учетом магнитной постоянной µ = 4π·10^-7 Гн/м;

µ_r = В/ µ_оН

В дальнейшем (как и для диэлектрической проницаемости) для краткости изложения будем просто писать – магнитная проницаемость.

Магнитную проницаемость µ_rн при Н ≈ 0 называют начальной проницаемостью, определяя ее при очень слабых полях, около 0,1 А/м. Наибольшее значение магнитной проницаемости носит наименование максимальной проницаемости и обозначается µ_rмакс.

При сильных полях в области насыщения магнитная проницаемость µ_r стремится к единице.

Магнитную проницаемость, определяемую производной от магнитной индукции по напряженности магнитного поля в данной точке основной кривой намагничивания, деленной на магнитную постоянную, называют дифференциальной магнитной проницаемостью.

Характеристикой, ферромагнетиков в переменных магнитных полях является динамическая магнитная проницаемость µ_r~, представляющая собой отношение наибольшего значения индукции к наибольшему значению напряженности магнитного поля.

С увеличением частоты переменного поля динамическая магнитная проницаемость уменьшается из-за инерционности магнитных процессов.

Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от температуры, переходя через максимум при температурах, близких к температуре (точке) Кюри. Для чистого железа точка Кюри составляет 768 ^оС, для никеля 358 ^оС, для кобальта 1131 ^оС. При температурах выше точки Кюри области спонтанного намагничивания нарушаются тепловым движением, и материал перестает быть магнитным. Для характеристики изменения магнитной проницаемости при изменении температуры пользуются температурным коэффициентом магнитной проницаемости (К^-1):

ТК µ_r = α_µr=1/µ_rt · dµ_r/dt,

определяемым так же, как и температурный коэффициент других характеристик.

Зависимость динамической магнитной проницаемости пермаллоя от частоты в слабом поле (Н = 0,8 А/м)	Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от температуры

Если медленно производить намагничивание ферромагнетика во внешнем магнитном поле, а затем, начиная с какой-либо точки основной кривой намагничивания, начать уменьшать напряженность поля, то индукция будет также уменьшаться, но не по основной кривой, а с отставанием, вследствие явления гистерезиса. При увеличении поля противоположного направления образец может быть размагничен, перемагничен и при новой перемене направления магнитного поля индукция снова может вернуться в исходную точку, характеризовавшую намагничивание образца, т.е. будет описана кривая, представляющая собой петлю гистерезисного цикла перемагничивания. В зависимости от различных значений напряженности внешнего магнитного поля можно построить семейство петель гистерезиса.

Гистерезисные петли при различных предельных значениях напряженности внешнего магнитного поля

Выберем из этих циклов предельный цикл, при котором достигается намагничивание материала до насыщения В_макс. Значение В при Н = 0 в процессе размагничивания образца, намагниченного до насыщения, называется остаточной индукцией В_r. Для того чтобы уменьшить индукцию от значения В_r до нуля, необходимо приложить обратно направленную напряженность поля Н_с, называемую задерживающей (коэрцитивной) силой.

Материалы с малым значением Н_с и большой магнитной проницаемостью называются магнитомягкими материалами. Материалы с большой коэрцитивной силой и сравнительной малой проницаемостью называются магнитотвердыми материалами.

Заметное влияние·на магнитные свойства ферромагнетиков оказывают упругие изменения их размеров. При отрицательной магнитострикции в данном материале при действии внешних напряжений наблюдается уменьшение проницаемости. Так, для никеля под действием растягивающего напряжения магнитную проницаемость можно довести до очень низкого значения. При положительной магнитострикции под действием растягивающих напряжений проницаемость возрастает. Внутренние напряжения в кристаллической решетке ферромагнетика препятствуют при намагничивании росту доменов и ориентации их магнитных моментов в направлении поля. С увеличением внутренних напряжений магнитная проницаемость уменьшается, а коэрцитивная сила возрастает. Внутренние напряжения возникают при холодной деформации в результате прокатки, ковки, протяжки, изгибания и т.п. Отдельные кристаллы дробятся, вытягиваются, вследствие чего возникает сложная система внутренних напряжений.

Для восстановления первоначальных магнитных свойств магнитомягкие материалы подвергают отжигу, который снимает внутренние напряжения и вызывает рекристаллизацию зерен. Магнитные свойства зависят от размера зерна. Поверхностные слои зерен вследствие искажения строения кристаллов характеризуются повышенной коэрцитивной силой. При мелкозернистом строении суммарная поверхность зерен в единице объема больше, чем при крупнозернистом материале, поэтому в материале, состоящем из мелких зерен, влияние поверхностных искажений слоев сказывается сильнее и у него коэрцитивная сила больше. Внутренние напряжения нередко связаны с наличием в материале различных загрязнений, например кислорода в чистом железе, примесей или присадок кобальта, хрома, вольфрама. Используя примеси, усложняющие кристаллическую решетку, вводя технологическую операцию закалки, а, иногда добиваясь ориентации структуры доменов в магнитном поле, получают магнитотвердые материалы. При перемагничивании ферромагнетиков в переменных магнитных полях всегда наблюдаются тепловые потери энергии. Они обусловлены потерями на гистерезис и динамическими потерями. Динамические потери вызываются вихревыми токами, индуцированными в массе магнитного материала, а отчасти и так называемым магнитным последствием, или магнитной вязкостью. Потери на вихревые токи зависят от электрического сопротивления ферромагнетика. Чем выше удельное сопротивление ферромагнетика, тем меньше потери на вихревые токи. Магнитное последействие особенно заметно проявляется в магнитомягких материалах в области слабых полей.

Зависимость коэрцитивной силы трансформаторной стали от толщины листа

Электротехническая сталь

Листовая электротехническая сталь является основным магнитомягким материалам массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивления, что дает снижение потерь на вихревые токи.

Кроме того, присутствие в стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также почти полному раскислению стали. Это дает увеличение µ_а, уменьшение Н_с и снижение потерь гистерезис.

Вместе с тем кремний неблагоприятно влияет на механические свойства железа, увеличивая его хрупкость и затрудняя прокатку в листы.

При содержании кремния до 4 % сталь обладает еще достаточными механическими свойствами, но при наличии выше 5 % она становится очень хрупкой.

Магнитные свойства текстурированной стали (подвергшейся особой термической обработки) в направлении прокатки значительно выше, чем стали, не подвергшейся подобной обработке. При увеличении содержания кремния снижается плотность стали и возрастает её удельное сопротивление.

Высоколегированная сталь находит применение для сердечников трансформаторов. Текстурированная сталь анизотропна и применяется для сердчников трансформаторов, изготовляемых по способу "намотки". Применение этой стали в силовых трансформаторах позволяет уменьшить вес и габаритные размеры на 20 – 25 %, а в радиотрансформаторах – на 40 %.

Пермаллой и альсифер

Пермаллой – пластинчатые железоникелевые сплавы с содержанием никеля 36 – 80 %. Промышленные сорта пермаллоя имеют следующие характеристики:

µ_н = 4 000 14 000;

µ_м = 30 000 270 000;

Н_с = 2 12 А/м;

ρ=0,25 0,95 Ом·мм²/м.

Пермаллой поставляют в виде лент толщиной 0,002 – 0,5 мм, листов толщиной 1 – 2 мм и прутков диаметром 5 – 10мм и более. Низконикелевые пермаллои применяют для изготовления сердечников дросселей, малогабаритных трансформаторов и магнитных усилителей. Высоконикелевые – для изготовления деталей аппаратуры, работающих на частотах несколько выше звуковых.

Магнитные характеристики пермаллоев стабильны в интервале температур от -60 до +60 ^оС.

Альсиферы представляют собой нековкие хрупкие сплавы, состоящие из 5,5 – 13 % алюминия, 9 – 10 % кремния, остальное – железо. Промышленные сорта альсифера имеет следующие характеристики:

µ_н = 6 000 7 000;

µ_м = 30 000 35 000;

Н_с = 2,2 А/м;

ρ=0,8 Ом·мм²/м.

Альсифер заменил пермаллой в сравнительно ограниченной области применения. Из него изготовляют литые сердечники, работающие в диапазоне частот не более 50 кГц, т.к. на более высоких частотах в них возникают большие потери на вихревые токи. Из альсиферы отливают магнитные экраны и другие полые детали с толщиной стенок не менее 2 мм. Используя хрупкость альсиферы, его размалывают в порошок, служащий ферромагнитным наполнителем в магнитодиэлектриках, используемых на высоких частотах.

Ферриты

Ферриты – вещества, в которых обменное взаимодействие осуществляется не непосредственно между магнитоактивными атомами, а через немагнитный ион кислорода.

Основным достоинством ферритов является сочетание высоких магнитных параметров с большим электрическим сопротивлением, которое превышает сопротивление ферромагнитных металлов и сплавов в 10³...10¹³ раз, и, следовательно, они имеют относительно малые потери в области повышенных частот, что позволяет использовать их в высокочастотных электромагнитных устройствах. Ферриты подразделяются на магнитотвердые и магнитомягкие.

Магнитотвердые ферриты. Наибольшее распространение получили магнитотвердые материалы на основе бариевого (стронциевого) феррита BaFe₁₂О₁₉ (BaO – 6Fе₂0₃) и кобальтового феррита CoFe₂О₄, (CoO – Fе₂О_з). Кобальтовый феррит имеет структуру типа шпинели, а бариевый – структуру природного минерала магнитоплюмбита с гексагональной решеткой. Бариевые и стронциевые магниты обладают большой магнитной анизотропией, которая наряду с мелкозернистой структурой приводит к повышенным значениям коэрцитивной силы (до 350 кA/м). Промышленность выпускает бариевые, стронциевые и смешанные бариево-стронциевые ферриты, содержащие изотропные (маркировка БИ) и анизотропные (БА, СА – стронциевый и РА – смешанный) редкоземельные добавки. Технология производства магнитов БИ не отличается от технологии магнитомягких ферритов.

Особенность производства анизотропных магнитов состоит в том, что после предварительного обжига в результате мокрого помола приготовляется полужидкая масса порошка феррита, которая прессуется в сильном магнитном поле при откачке влаги. В результате в материале создается магнитная текстура, и он становится анизотропным. В названии марок первые цифры обозначают значение (BH)_max, три цифры в конце – значение коэрцитивной силы по намагниченности, буквы в середине – тип феррита.

Все магниты, на основе гексагональных ферритов обладают высокой стабильностью при воздействии магнитных полей, вибрации и ударном воздействии, их можно использовать в магнитных цепях, работающих в высокочастотных полях, так как сопротивление бариевых магнитов велико (до 10⁶...10⁹ Ом·м).

К недостаткам бариевых магнитов относятся низкая остаточная индукция, высокая хрупкость и твердость, а также значительная зависимость магнитных свойств от температуры. Кобальтовые ферриты более температуростабильны.

Магнитомягкие ферриты. Химический состав магнитомягких ферритов с высокой магнитной проницаемостью может быть записан химической формулой МеОFе₂О₃, или MeFe₂О₄, где в качестве металла используются двухвалентные ионы Мn²⁺, Fe²⁺, Со²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Mg²⁺ и др. Ионы двухвалентного металла характеризуют феррит, который получает название по характеризующему металлическому иону, например NiFe₂О₄ – никелевый феррит, ZnFe₂О₄ – цинковый феррит. Кристаллическая структура приведенных ферритов аналогична структуре природного минерала – благородной шпинели MgAl₂O₄, поэтому их называют ферритами со структурой шпинели или феррошпинели. Такая структура представляет собой гранецентрированную плотноупакованную кубическую решетку, в которой наиплотнейшую упаковку образуют большие ионы кислорода (ионный радиус 0,132 нм). Металлические ионы, имеющие меньший ионный радиус (0,04 ... 0,1 нм), располагаются в промежутках (узлах), которые образуются между ионами кислорода.

Магнитомягкие ферриты используют для изготовления сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, магнитных антенн, статоров и роторов высокочастотных электрических моторов небольшой мощности, деталей отклоняющих систем телевизионной аппаратуры. Магнитомягкие ферриты маркируются следующим образом: на первом месте ставится примерное значение магнитной проницаемости, затем стоят буквы, определяющие частотный диапазон. Ферриты для частот 0,1 ... 50 МГц обозначают буквой Н (низкочастотные), для диапазона 50 ... 600 МГц высокочастотные ферриты обозначаются ВЧ. Далее в маркировке следуют буквы, означающие состав материала: М – марганеццинковые, Н – никель-цинковые и т.д. Никель-цинковые ферриты маркируются также маркой ВЧ.

Ферриты получают методом керамической технологии. В промышленности в основном используются метод смешивания оксидов или карбонатов нерастворимых в воде и метод термического разложения солей различных металлов. Наиболее простым является метод смешивания оксидов или карбонатов. Технология получения ферритов по этому методу состоит в следующем: исходные оксиды взвешивают, подвергают первому помолу и тщательному перемешиванию в шаровых или вибрационных мельницах. Затем, после сушки и прессования брикетов (или гранулирования), осуществляют предварительный обжиг при температуре на несколько сот градусов ниже температуры окончательного обжига. После этого следует второй помол, и порошок и в дальнейшем используют для получения изделий.

Ферритовые спеченные изделия отличаются высокой твердостью и хрупкостью. Ферриты можно обрабатывать абразивным инструментом из синтетических алмазов или подвергать их резке, шлифовке и полировке.

Список литературы

а) Основная литература.

1.Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И.Макарова, Г.Г. Мухин и др.; под. общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 5-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 648с.: ил.

2.Алан С.Н. Технология конструкционных материалов / под. ред. А.Н. Ростовцева. – М.: Просвещение, 1986. – 303с.: ил.

3.Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. 7-е изд., переработанное. Л.: Энергия, 1985. – 352с.: ил.

4.Конструкционные и электротехнические материалы / под. ред. В.М. Филикова. – М.: Высшая школа, 1990. – 296с.: ил.

б) Дополнительная литература

1.Казарновский Д.М., Яманов С.А. Радиотехнические материалы. – М.: Высшая школа, 1972. – 312с.: ил.

2.Электротехнические и конструкционные материалы: Учебное пособие для студ. учреждений сред. проф. образования / В.Н. Бородулин, А.С. Воробъев, В.М. Матюнин и др.: под. ред. В.А. Филикова. – М.: Мастерство: Высшая школа, 2000. – 280с.: ил.

3.Электротехнический справочник. В 4т. т.1. Общие вопросы. Электротехнические материалы / под. общ. ред. В.Г. Герасимова и др. – 8-е изд. М.: Издательство МЭП, 1995. – 440с.: ил.