Основные магнитные характеристики материалов

К основным магнитным характеристикам материалов относят­ся магнитная восприимчивость, магнитная индукция и магнитная про­ницаемость.

Магнитная восприимчивость к атомов величина, характеризующая связь намагниченности вещества J с напряженностью магнитного поля Н:

к = J/H. (4.20)

Уравнение (4.20) не распространяется на ферромагнетики.

Магнитная восприимчивость может быть как положительной, так и отрицательной. Отрицательной магнитной восприимчивостью обладают диамагнетики (они намагничиваются против поля) положи­тельной − парамагнетики и ферромагнетики, (они намагничиваются по полю).

Магнитная восприимчивость характеризует способность ве­ществ к намагничиванию под действием магнитного поля. Она опре­деляется, главным образом, содержанием ферромагнитных включе­ний, а также их формой, размером и расположением относительно друг друга. Магнитная восприимчивость одного и того же вещества меняется в зависимости от величины магнитного поля и его магнит­ной предыстории, так как в процессе намагничивания в ферромаг­нитных включениях могут происходить обратимые и необратимые явления. С учетом последнего различают обратимую и необратимую магнитную восприимчивость.

Магнитная индукция В − среднее результирующее магнитное поле вещества, представляющее собой среднее значение суммарной напряженности микроскопических магнитных полей, созданных от­дельными электронами и другими элементарными частицами, Тл:

В = µ_o(H + J) , (4.21)

где µ_o = 1,257^.10^-6 Гн/ м −магнитная постоянная.

Магнитная проницаемостьµ − величина, показывающая, во сколько раз увеличивается (уменьшается) магнитная индукция в ве­ществе при воздействии магнитного поля напряженностью Н.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков сложно зависит от Н. Различают (рис. 4.15) начальную магнитную проницаемость µ_н, измеряемую в очень слабых магнитных полях − при значениях на­пряженности магнитного поля Н, близких к нулю, и максимальную магнитную проницаемость µ._м.

Рис. 4.15. Кривая намагничивания

Параметрами магнитной проницаемости являются: относительная магнитная проницаемость µ. и абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м:

µ_а = µ_о µ. (4.22)

Между величинами магнитной восприимчивости и магнитной проницаемости существует зависимость:

к = µ - 1. (4.23)

Графическое изображение зависимости намагниченности фер­ромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля называет­ся кривой намагничивания(см. рис. 4.15). Кривые намагничивания опре­деляют характеристики магнитных материалов и служат для расчетов магнитных цепей электромагнитов, магнитных пускателей, реле и других электротехнических устройств и приборов.

Кривые намагничивания ферромагнитных материалов при перемагничивании образуют петлю магнитного гистерезиса(если пер­воначально ненамагниченное вещество намагнитить до насыщения, а затем уменьшать и снова увеличивать напряженность магнитного поля. то изменение индукции не будет следовать начальной кривой). Площадь петли магнитного гистерезиса пропорциональна энергии, теряемой в образце на его нагревание за один цикл изменения поля (гистерезисные потери). Характерными точками магнитного гистере­зиса являются коэрцитивная сила и остаточная намагниченность.

Коэрцитивная сила Н_с − значение напряженности магнитного поля, в котором ферромагнитный образец, первоначально намагни­ченный до насыщения, полностью размагничивается.

Коэрцитивная сила, в отличие от намагниченности на­сыщения, является структурно чувствительным свойством. Наличие в образцах примесей и других дефектов кристаллической решетки затрудняет движение границ магнитных доменов и тем самым повышает коэрци­тивную силу. Чистые металлы, а также твердые растворы, не претерпевающие упорядочения, как правило, характеризуются низкой коэр­цитивной силой. Применение пластической деформации повышает коэрцитивную силу этих металлов и сплавов, но по абсолютной вели­чине она остается невысокой.

У сплавов с гетерогенной структурой коэрцитивная сила по­вышенная: при этом тем больше, чем выше дисперсность структуры. Рост коэрцитивной силы особенно значителен при высокой дисперс­ности ферромагнитной фазы, каждая частица которой является однодоменной и анизотропной. Коэрцитивную силу также увеличивает рост микронапряжений и плотности дислокаций, как, например, в случае закалки стали на мартенсит.

Остаточная намагниченность В_r — величина намагниченно­сти, которую ферро- или ферримагнитный материал имеет при на­пряженности внешнего поля, равной нулю.

Остаточная намагниченность обусловлена задержкой измене­ния намагниченности при уменьшении напряженности (после преды­дущего намагничивания образца) из-за влияния магнитной анизотро­пии и структурных неоднородностей образца. Наиболее устойчивой остаточной намагниченностью обладают материалы с высокой коэр­цитивной силой. При нагревании ферромагнитных материалов выше температуры, превышающей точку Кюри, они теряют остаточную намагниченность. К уменьшению остаточной намагниченности при­водят также механические сотрясения и вибрации.

Все материалы по величинам магнитных восприимчивости и проницаемости делятся на ферромагнитные µ ≥ 1, к > 0), парамагнит­ные (µ > 1, к > 0) и диамагнитные (µ < 1, к < 0).

Величина магнитной восприимчивости для пара- и диа­магнитных материалов очень мала (10^-4...10^-6); для ферромагнитных материалов (металлов переходных групп) — от нескольких десятков до тысяч единиц, причем она сильно и сложным образом зависит от напряженности намагничивающего поля.

По величине магнитной проницаемости существует деление элек­тротехнических материалов на немагнитные и магнитные.

Немагнитные материалы— пара-, диа- и слабоферромагнит­ные материалы с магнитной проницаемостью менее 1,5. К немагнит­ным материалам относится большинство металлов и сплавов (в том числе некоторые стали), полимеры, дерево, стекло и т.д.

Магнитные материалыклассифицируют по их физической при­роде и величине коэрцитивной силы.

По физической природе магнитные материалы делят (отрасле­вое деление) на три группы: металлические материалы, неметалличе­ские материалы и магнитодиэлектрики.

К неметаллическим магнитным материалам относятся ферри­ты − ферримагнитные материалы, получаемые из порошкообразной смеси оксидов некоторых переходных металлов и оксида железа пу­тем прессования с последующим спеканием. По магнитным свойст­вам ферриты аналогичны ферромагнетикам.

Магнитодиэлектрики− композиционные материалы, состоя­щие из 70...80 % порошкообразного магнитного материала (ферро- или ферримагнетика) и 30...20 % диэлектрического материала (на­пример, полистирола, резины и др.). Магнитодиэлектрики применя­ются в приборостроении (постоянные магниты, эластичные гермети­заторы для разъемных соединений и др.).

Ферриты и магнитодиэлектрики отличаются от металлических магнитных материалов высокими значениями объемного удельного сопротивления (ρ₀ = 10...10⁸ Ом^.м), что резко снижает потери на вих­ревые токи. Это позволяет использовать данные материалы в технике вы­соких частот. Кроме того, ферриты обладают стабильностью своих магнитных характеристик в широком диапазоне частот.

По величине коэрцитивной силы магнитные материалы делят­ся на материалы:

магнитно-мягкие — не более 4 А/м;

магнитно-твердые {магнитно-жесткие) − более 4 А/м.

Магнитно-мягкие материалынамагничиваются до насыщения и перемагничиваются в относительно слабых магнитных полях на­пряженностью Н ~ 8...800 А/м (~0,1...10 Э). При температурах ниже точки Кюри эти материалы спонтанно намагничены, но внешне не проявляют магнитных свойств, так как состоят из хаотически ориен­тированных намагниченных до насыщения доменов. Магнитно-мягкие материалы обладают относительно большими значениями магнитной проницаемости, малой коэрцитивной силой и относитель­но большой индукцией насыщения. Эти материалы отличаются ма­лыми потерями на гистерезис и вихревые токи на один цикл намагни­чивания.

К магнитно-мягким материалам относятся: чистое (электро­магнитное) железо, листовая электротехническая сталь, железо-армко, пермаллои (железоникелевые сплавы) и др.; металлические стекла и некоторые ферриты. К магнитно-мягким материалам специального назначения относятся термомагнитные сплавы и магнитострикционные материалы.

Магнитно-мягкие материалы применяются для изготовления магнитопроводов трансформаторов, электрических машин и аппара­тов, магнитных экранов и др., где требуется быстрое намагничивание с малыми потерями энергии. Термомагнитные материалы служат для компенсации температурных изменений магнитных потоков в маг­нитных системах приборов, а магнитострикционные материалы − для преобразования электромагнитной энергии в механическую.

Магнитно-твердые материалынамагничиваются до насыще­ния и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях, напряженностью в тысячи и десятки тысяч А/м. Они отличаются широкой гистерезисной петлей, то есть обладают большой коэрци­тивной силой и большой остаточной индукцией. Эти материалы, бу­дучи намагниченными, могут длительное время сохранять сообщен­ную им энергию, то есть могут служить источниками постоянного магнитного поля. Магнитно-твердые материалы оценивают еще ве­личиной максимальной удельной энергии W_м (энергии, создаваемой магнитом в воздушном зазоре в режиме намагничивания между по­люсами магнита и отнесенной к единице объема магнита): W_м = = ВН/ 2, Дж/ м³.

К металлическим магнитно-твердым материалам относятся ле­гированные стали, закаливаемые на мартенсит; специальные сплавы на основе Fe-Ni-Al и Fe-Ni-Co, легированных медью, титаном, нио­бием и др. Большое значение в технике приобрели порошковые спла­вы и ферриты. В качестве магнитно-твердых материалов используют­ся также магнитопластыи магнитоэластыиз порошков сплавов и ферритов со связкой из пластмасс и резины.

Магнитно-твердые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов.