Основные свойства и параметры магнитных материалов

Кривая намагничивания – зависимость магнитной индукции B (или намагниченности М) от напряженности магнитного поля Н – приведена на рис.5.8. Основная кривая намагничивания – геометрическое место вершины симметричных петель – перемагничивания – отвечает требованиям хорошей воспроизводимости и широко используется для определения параметров магнитных материалов. По основной кривой намагничивания определяется магнитная проницаемость, например, для точки А: .

Основная кривая намагничивания и зависимость μ от Н могут быть разделены на четыре области в соответствии с возможным различием процессов намагничивания при увеличении напряженности намагничивающего поля [8].

Первая область (см. рис.5.8) – область слабых полей – характеризуется обратимым смещением границ доменов. Магнитная проницаемость в этой области называется начальной и имеет постоянное значение, практически определяется при H≈0,1А/м. При этом происходит рост доменов, вектор намагниченности которых составляет с направлением поля наименьший угол (рис.5.9, б).

Вторая область – область необратимого смещения границ доменов. Магнитная проницаемость в этом случае проходит через максимум (рис.5.9, в).

Третья область – область вращения вектора намагниченности. Магнитная проницаемость уменьшается, приближаясь к единице (рис.5.9, г).

Четвертая область – область насыщения (парапроцессы).

Магнитный гистерезис, свойственный ферромагнетикам, – отставание намагниченности ферромагнитного материала от внешнего магнитного поля (см. рис.5.4), вследствие этого неоднозначна зависимость В от Н. Магнитный гистерезис обусловлен необратимыми изменениями магнитных свойств ферромагнетика под влиянием тех магнитных процессов, которым он ранее подвергался. Необратимость связана: 1) с задержками в смещении границ доменов, вызываемыми различного рода искажениями кристаллической решетки; 2) с процессами зарождения обратных доменов (зародышами перемагничивания). Эти зародыши образуются около границ между кристаллитами или у наружной поверхности вещества.

Для материалов, состоящих из однодоменных частиц, перемагничивание идет за счет вращения вектора намагничивания и причиной гистерезиса является магнитная анизотропия.

Форма петли гистерезиса зависит от исходного состояния материала, скорости перемагничивания и максимальных значений напряженности магнитного поля. Для слабых полей петля гистерезиса имеет вид эллипса. С увеличением Н возрастает ширина петли и изменяется ее форма. Петля гистерезиса, полученная при условии насыщения, называется предельной. Петля, полученная при медленном изменении поля, называется статической.

По петле магнитного гистерезиса определяются следующие основные параметры магнитных материалов: индукция насыщения B_S, остаточная индукция B_r, коэрцитивная сила H_C. Удельные магнитные потери на гистерезис за один цикл перемагничивания определяются на площади петли гистерезиса:

(Дж/м3)

(5.3)

Удельные магнитные потери зависят от ряда факторов: состава и примесей, технологии изготовления материала, температуры и механических напряжений. Участок петли гистерезиса, лежащий во втором квадрате, называется кривой размагничивания. Размагничивать можно, пропуская через катушку ток встречного направления.

Удельная магнитная энергия . При B=B_r H=0, поэтому W=0. Это состояние соответствует замкнутой магнитной цепи, т.е. отсутствию воздушного зазора. При Н=Н_D W=0, W_D=W_MAX, где – коэффициент выпуклости кривой размагничивания, 0,25<γ<1 (см. рис.5.10). С ростом частоты циклического изменения поля вид петли гистерезиса, основной кривой намагничивания и зависимость μ(H) изменяются. Петля гистерезиса, соответствующая высокой частоте перемагничивания, называется динамической. Динамическая кривая шире статической. Площадь динамической петли пропорциональна мощности полных магнитных потерь, которые определяются равенством:

(5.4)

где P_r – потери на гистерезис; P_B – потери на вихревые токи; P_D – потери на последействие.

Потери на гистерезис:

(5.5)

где η – коэффициент, зависящий от материала; f – частота поля; B_m – максимальная индукция; n – показатель степени в пределах 1,6…3,5; V – объем материала.

Потери на вихревые токи определяются из равенства:

(5.6)

где ξ – коэффициент, зависящий от материала.

Дополнительные потери P_D, связанные с магнитной вязкостью:

(5.7)

Зависимость μ от f называется дисперсией магнитной проницаемости. Она имеет релаксационный или резонансный характер. Магнитная релаксация происходит в два этапа: а) быстрая релаксация – за счет сравнительно сильных обменных взаимодействий устанавливается абсолютное значение магнитной проницаемости; б) медленная релаксация спин-орбитального взаимодействия устанавливает магнитные моменты вдоль оси легкого намагничивания. Процесс магнитной релаксации необратим и связан с потерей энергии.

Резонансные явления связаны с избирательным поглощением энергии электромагнитного поля при частотах, совпадающих с собственными частотами колебаний границ доменов или частотами прецессии магнитных моментов электронной системы.

Магнитная анизотропия – неодинаковость магнитных свойств материала по различным направлениям. Энергия магнитной анизотропии складывается из энергии кристаллографической магнитной анизотропии и энергии магнитострикционной деформации (рис.5.11).

Энергия, которая требуется для намагничивания единицы объема материала, определяется площадью S. Наибольшей энергией обладает кристалл, намагниченный вдоль оси трудного намагничивания, а наименьшей – кристалл, намагниченный по оси легкого намагничивания. Разность этих энергий соответствует энергии магнитной кристаллографической анизотропии. С ростом температуры энергия уменьшается.

При намагничивании имеют место изменения формы и размеров тела. Это явление называется магнитострикцией. Параметр, характеризующий магнитострикцию, обозначается λ_S: – относительное удлинение в направлении поля. λ_S =10^-5…10^-3

Ход кривой зависимости магнитострикции от Н и намагниченности зависит от структурных особенностей образца (рис.5.12), связанных с наличием примесей, и режимов термической обработки.

На рис.5.13 приведены кривые магнитострикционной деформации монокристалла никеля для различных направлений и напряженности (кА/м).

Магнитоупругая энергия – это энергия, возникающая под действием внешних механических напряжений. Магнитостатическая энергия – это энергия, связанная с размагничивающим полем свободных полюсов. Магнитная энергия – это энергия, обусловленная взаимодействием намагниченности материала с внешним полем. Полная энергия – сумма всех энергий. Форма доменов и их расположение соответствуют минимуму результирующей энергии.

ВИДЫ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Магнитные материалы делятся: а) на магнитомягкие; б) магнитотвердые; в) материалы специального назначения. Магнитомягкие материалы характеризуются способностью намагничиваться до насыщения в слабых полях, имеют узкую петлю гистерезиса, малое значение H_C, большое μ, большое B_S, малые магнитные потери. Магнитотвердые материалы характеризуются удельной магнитной энергией. Они должны иметь большую W_m, а значит, большие H_C, B_r, γ. Граница значений соответствует: H_C=4кА/м. H_C<4кА/м – магнитомягкие, H_C>4кА/м – магнитотвердые материалы.

Свойства магнитных материалов зависят от химического состава, способа изготовления, механической и термической обработки (см. рис.5.14). К структурно-нечувствительным свойствам, которые определяются основным химическим составом, относят намагниченность насыщения, точку Кюри, λ_S.

К структурно-чувствительным свойствам относят μ, H_C, потери на гистерезис. Они сильно изменяются от наличия примесей. Структурно-чувствительные свойства зависят от способа изготовления и термической обработки материала.

Под действием механических напряжений магнитные свойства ферромагнетиков изменяются настолько сильно, что механические воздействия можно считать одним из факторов, влияющих на магнитные свойства (см. рис.5.15). Для восстановления магнитных свойств после механической обработки магнитомягкие материалы подвергают термической обработке – отжигу.