Магнитные свойства и характеристики материалов

Урок №55

Основные характеристики магнитных материалов. Классификация магнитных материалов. Магнитотвердые материалы. Магнитомягкие материалы.

1. Слабомагнитные материалы.

1.1 Диамагнитные материалы (диамагнетики) – это материалы, которые ослабляют внешнее магнитное поле внутри себя.

Инертные газы (гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe, радон Rn), водород Н₂, органические соединения, медь Cu, свинец Pb, цинк Zn, золото Au, серебро Ag и др. материалы, которые состоят из атомов с полностью заполненными электронными оболочками.

1.2 Парамагнитные материалы (парамагнетики) – это материалы, которые не значительно усиливают внешнее магнитное поле внутри себя.

Кислород О₂, окись азота NO, алюминий Al, платина Pt, соли железа Fe, никеля Ni, кобальта Co и др. материалы, которые состоят из атомов с не полностью заполненными электронными оболочками.

Применение: не нашли широкого применения в технике.

2. Сильномагнитные материалы (магнетики).

Ферромагнитные материалы (ферромагнетики) – это материалы, которые под действием внешнего магнитного поля намагничиваются и значительно усиливают его.

Железо Fe, никель Ni, кобальт Co, сплавы на их основе, сплавы хрома Cr и марганца Mn, ферриты различного состава Me_nO_m +Fe₂O₃ и др. материалы, которые состоят из атомов с не заполненными электронными оболочками.

2.1 Магнитомягкие. Легко намагничиваются и размагничиваются.

а) Кремнистые стали сплав Fe – C – Si.

б) Пермаллои сплав Fe – Ni.

в) Альсиферы сплав Fe – Al – Si.

г) Ферриты (получаемые прессованием и спеканием смесей оксидов железа Fe₂O₃ и других металлов): никеля NiFe₂O₄, марганца MnFe₂O₄, цинка ZnFe₂O₄ (не обладает магнитными свойствами).

Применение: сердечники и магнитопроводы электрических машин и аппаратов, устройства магнитной памяти.

2.2 Магнитотвёрдые. С большим трудом намагничиваются, а намагниченные могут несколько лет сохранять магнитную энергию, т.е. служит источниками постоянного магнитного поля.

а) Мартенситные стали сплав Fe – C – легирующий элемент (хром Cr, вольфрам W. кобальт Со).

б) Железоникельалюминиевые сплавы Fe – Ni – Al.

в) Металлокерамические материалы (получаемые прессованием и спеканием металлических порошков): Cu – Ni – Co, Cu – Ni – Fe и др.

г) Ферриты: бариевые BaFe₁₂O₁₉, кобальтовые CoFe₂O₄.

Применение: постоянные магниты, устройства для записи и хранения информации.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ

 

Магнитные характеристики позволяют оценить свойства материалов при воздействии на него магнитного поля.

1. Магнитная проницаемость (относительная) – показывает во сколько раз магнитное поле в материале сильнее или слабее чем в вакууме.

где μ_а – абсолютная магнитная проницаемость, учитывает влияние

материала на магнитное поле, Гн/м;

μ_о – абсолютная магнитная проницаемость вакуума, 4П·10⁷ Гн/м.

Магнитная проницаемость в большой степени зависит от напряжённости Н магнитного поля, поэтому для оценки способности материала к намагничиванию учитывают начальную магнитную проницаемость μ_н и максимальную магнитную проницаемость μ_max.

Диамагнетики μ<1 и не зависит от напряжённости внешнего магнитного поля.

Парамагнетики μ>1 и не зависит от напряжённости внешнего магнитного поля.

Ферромагнетики μ>>1 и зависит от напряжённости внешнего магнитного поля.

Чем больше значение μ, тем легче намагничивается материал.

2. Индукция насыщения В_s.

Если образец намагничивать, непрерывно повышая напряжённость магнитного поля Н, то магнитная индукция В тоже будет непрерывно возрастать по кривой намагничивания 1, от точки О до В_s.

Чем больше значение В_s тем выше магнитные свойства мате.

3. Остаточная магнитная индукция В_r и коэрцитивная сила Н_с.

При уменьшении напряжённости Н магнитная индукция В также будет уменьшаться, но начиная с В_м её значения не будут совпадать со значениями начальной кривой намагничивания, и когда напряжённость магнитного поля станет равной нулю, в образце будет обнаруживаться остаточная магнитная индукция В _r.

Для размагничивания надо чтобы напряжённость магнитного поля изменила своё направление на обратное -Н, и напряжённость поля, при которой индукция станет равной нулю, называют коэрцитивной силой Н _с.

Если дальше продолжать намагничивать в противоположном направлении, то снова будет наблюдаться индукция насыщения -В_s. При уменьшении напряжённости магнитного поля до равного нулю и снова в первоначальном направлении +Н индукция будет непрерывно увеличиваться до индукции насыщения В_s. В результате образуется замкнутая петля, называемая статической петлёй гистерезиса.

При воздействии на материал переменного тока получают:

- динамическую магнитную проницаемость и кривую намагничивания (при низких частотах и малой толщине материала совпадают со статической);

- динамическую петлю гистерезиса, имеет несколько большую площадь, т.к. кроме потерь на гистерезис возникают потери на вихревые токи.

4. Магнитные потери связаны с потерями части энергии магнитного поля, которые проявляются в нагревании материала.

4.1 Потери на гистерезис связаны с явлением намагничивания и с необратимым перемещением границ внутренних областей (доменов), которые пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменного магнитного поля.

4.2 Потери на вихревые токи вызываются токами, которые индуцируются в магнитном материале внешним магнитным полем, которые пропорциональны квадрату частоты переменного магнитного поля.

Чем больше частота магнитного поля, тем больше потери, поэтому на высоких частотах применяют материалы с высоким электрическим сопротивлением.

5. Температура Кюри θ – температура, при которой магнитные свойства материала исчезают, и он не может быть намагничен (железо Fe θ=768 ⁰С).

Это обусловлено дезориентацией внутренних областей (доменов) намагничивания из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул материала.

6. Коэффициент прямоугольности – характеризует степень прямоугольности петли гистерезиса.

У материалов для запоминающих устройств в электронных вычислительных машинах α_п=0,98, а у других материалов значительно меньше.

Чем больше значение α_п, тем более прямоугольная петля гистерезиса.