Основні характеристики магнітних матеріалів

1. Основні характеристики магнітних матеріалів.

2. Процес намагнічення.

3. Класифікація магнітних матеріалів.

За особливостями магнітних властивостей всі магнітні матеріали можуть бути розділений на:

- Парамагнетики – при поміщенні їх в магнітне поле підсилюють його усередині себе внаслідок збігу напряму їх намагніченості з напрямом зовнішнього поля.

- Діамагнетики послаблюють усередині себе магнітне поле, діюче ззовні, внаслідок того, що напрям їх намагніченості протилежний напряму зовнішнього поля (мідь, золото, срібло, цинк і ін.).

- Феромагнетики легко намагнічуються в слабких полях. До них відносяться залізо, нікель, кобальт, гадоліній і багато їх сплавів.

Магнітні властивості матеріалів пов'язані з обертанням електронів в атомних ядрах. Електрони, що обертаються в атомі, є елементарними магнітиками даного тіла. В парамагнетиках зовнішнє поле посилюється внутрішніми елементарними магнітиками, в діамагнетиках – послабляється. Намагніченість даної речовини під впливом зовнішнього магнітного поля можна характеризувати рівнянням.

J = k_м Н

де J – намагніченість (інтенсивність намагнічення);

k_м – магнітна сприйнятливість, що є параметром матеріалу;

Н – напруженість магнітного поля.

Важливим параметром магнітних матеріалів, що працюють в змінних електромагнітних полях, є відносна магнітна проникність, яка може бути виражена через магнітну проникність згідно з рівнянням

m _r = k_м + 1

де m _r - відносна магнітна проникність.

У діамагнетиків магнітна проникність дещо менше 1, у парамагнетиків трохи більше 1. У тих і у інших магнітна проникність не залежить від напруженості зовнішнього поля. У феромагнетиків відносна проникність значно більше одиниці і залежить від напруженості магнітного поля.

Для основної характеристики феромагнетиків в змінних полях звичайно користуються рівнянням

m _r = В /Н m _о

де В – магнітна індукція, Тл;

m _о = 4 p 10^-7 = 1,256637 10^-6 Гн/м – магнітна постійна.

При температурі вище певного значення, званого точкою Кюрі, відбувається руйнування доменної структури і магнітні матеріали втрачають свої феромагнітні властивості. Для різних матеріалів точка Кюрі має різні значення, будучи параметром магнітного матеріалу

2. Сучасна теорія феромагнетизму визнає наявність спонтанного намагнічення, під впливом якого у феромагнетиках утворюються особливі області – домени, в яких магнітні моменти електронів направлені паралельно один одному, що відповідає певному стану намагніченості. Магнітні моменти окремих доменів розташовані неврегульовано, внаслідок чого сумарна намагніченість їх дорівнює нулю. При накладенні зовнішнього магнітного поля відбувається зростання доменів, намагніченість яких збігається із зовнішнім полем або близька до напряму зовнішнього поля, з одночасним скороченням розмірів доменів, намагніченість яких сильно не збігається з напрямом зовнішнього поля. При достатньо сильному зовнішньому полі можуть мати місце повороти векторів намагніченості деяких доменів до їх повного збігу з напрямом зовнішнього поля. В достатньо сильних полях завершується зростання доменів і повороти їх роторів намагніченості, унаслідок чого посилення внутрішнього магнітного поля із зростанням напруженості зовнішнього поля послабляється, наступає магнітне насичення. Описаний вище процес показаний на рисунку 3.1.

m _r , В

В

1 2 3 4

m _r

Н

Рисунок 3.1. – Основна крива індукції і магнітної проникності феромагнітного матеріалу.

1 – область найслабкіших полів; 2 – область слабких полів;

3 – область середніх полів; 4 – область сильних полів.

В області дуже слабких магнітних полів (відрізок 1) магнітна індукція зростає лінійно із зростанням напруженості, магнітна проникність залишається постійною; це так звана початкова відносна магнітна проникність. Ця область намагніченості використовується звичайно в техніці слабких струмів (нелінійна залежність). В області середніх полів (відрізок 2) магнітна проникність різко зростає і проходить максимум. В першій частині цього відрізка зростання магнітної індукції відбувається дуже круто. В області середніх полів (відрізок 3) відбувається лише слабке збільшення магнітної індукції. В області сильних полів (відрізок 4) зростання магнітної індукції відбувається дуже сповільнено по пологій прямій (наступає насичення). При циклічній зміні напруженості магнітного поля від 0 до + Н1, від +Н1 до –Н1 крива зміни індукції прийме форму замкнутої кривої – петлі гістерезису (рис 3.2)

В В В

Вr

Вr Вr

- Нс Нс Н -Нс Нс Н - Нс Нс Н

- Вr

- Вr - Вr

Рисунок 3.2 – Різні типи петель гістерезису.

1 – магнітом`який матеріал (електротехнічна крем'яниста сталь);

2 – магнітом`який матеріал (пермалой);

3 – магнітотвердий матеріал.

Циклічне перемагнічування матеріалу відбувається з певною втратою енергії, що виділяється усередині матеріалу у вигляді тепла. Втрати на один цикл перемагнічування залежать від якості матеріалу і пропорційні площі петлі гістерезису.

У змінному магнітному полі всередині магнітного матеріалу індуктуються вихрові струми, які також є причинами розсіяння енергії, причиною додаткових втрат. Втрати на вихрові струми прямо пропорційні квадрату частоти і обернено пропорційні питомому електричному опору. Величина втрат на вихрові струми залежить також від товщини листів матеріалу: втрати приблизно пропорційні квадрату товщини. Тому сердечники електромагнітів, що працюють в змінних полях, звичайно складаються з тонких листів, розділених один від одного електроізоляційним прошарком: шаром лакового покриття, тонким папером, а іноді і просто окалиною.

3. Як матеріали, що працюють в змінних полях, застосовують ті, які мають вузькі петлі гістерезису, що пов'язано з малою коерцитивною силою. Такі матеріали називають магнітом`якими, вони відрізняються малим запасом магнітної енергії, здатністю легко перемагнічуватися і розмагнічуватися, високою магнітною проникністю в слабких і середніх полях. На відміну від них матеріали з широкою петлею гістерезису, з великою коерцитивною силою відрізняються великим запасом магнітної енергії і стійким намагніченням. Їх називають магнітотвердими і застосовують для виготовлення постійних магнітів.

Магнітом`які матеріали застосовуються у виробництві електричних машин, трансформаторів, різних апаратів і приладів. Як правило, виготовляють їх або в листах, або в рулонах (тонкі матеріали), проте деякі магнітом`які сердечники виготовляють пресуванням з низкокоерцитивного магнітного порошку одним з описаних нижче способів.

Один спосіб називають металокерамічним (спосіб порошкової металургії). Сутність його полягає в пресуванні деталей з порошку одного або декількох металів або сплавів під великим тиском (порядка 10⁹ Па) з подальшим спіканням при високій температурі у відновному газовому середовищі або у вакуумі. При застосуванні достатньо великого тиску і подальшому опресовуванні в нагрітому стані після спекания можна отримати деталі, що за густиною і магнітними властивостями наближаються до литих.

Другий спосіб називають металопластичним або металоелектричним, а матеріали, що виходять, – магнітодіелектриками. Цей спосіб полягає в пресуванні магнітного порошку з електроізоляційним (органічним або неорганічним) мастилом.

Властивості магнітодіелектриків залежать не тільки від властивостей феромагнітного компоненту, але і від тиску при пресуванні, від кількості і якості зв'язуючого. Особливо доцільно використовувати металокерамічний і металопластичні способи при виготовленні дрібних деталей.

Магнітотверді матеріали застосовують як постійні магніти, що створюють власне магнітне поле в машинах малої потужності, в різних апаратах і приладах. У ряді випадків використовуються надто дрібні деталі. Деякі магнітотверді матеріали можуть оброблятися звичайними металургійними прийомами – куванням, литвом; з інших через особливість їх властивостей можна отримати деталі тільки металокерамічним або металопластичним способом.

Добрі магнітні властивості деяких металокерамічних композицій дозволяє їх використовувати для виготовлення постійних магнітів методом пресування порошку, що складається з подрібнених магнитотвердих сплавів з подальшим спіканием при високій температурі. В результаті такої технології вироби виходять достатньо точних розмірів і не вимагають подальшої обробки. Металокерамічні магніти мають високу механічну міцність, але знижені магнітні властивості в порівнянні з литими магнітами, що обумовлене в основному великим змістом (до 30%) немагнітної зв'язуючої речовини. Промисловість випускає 11 марок металокерамічних магнітів (МК1-МК11), у яких залишкова індукція 0,48-1,1 Тл, а запасена магнітна енергія не більше 3-16 кДж/м³. Економічна ефективність металокераміки, що володіє магнітними властивостями, істотно зростає при масовому автоматизованому виробництві магнітів невеликих розмірів і складної форми.