Классификация магнитных материалов

Магнитные материалы

Общие сведения о магнетизме

Любое вещество, будучи помещенным в магнитное поле, приобретает некоторый магнитный момент М. Магнитный момент единицы объема вещества называют намагниченностью J_М:

J_М=М/V (2.20)

При неравномерном намагничивании тела:

J_М=dМ/dV (2.21)

Намагниченность является векторной величиной; в изотропных телах она направлена либо параллельно, либо антипараллельно напряженности магнитного поля Н. В системе СИ намагниченность выражается в единицах напряженности магнитного поля (А/м).

Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля соотношением

J_М=k_M ·H, (2.22)

где k_M – безразмерная величина, характеризующая способность данного вещества намагничиваться в магнитном поле и называемая магнитной восприимчивостью.

Магнитная восприимчивость численно равна намагниченности при единичной напряженности поля. Кроме объемной магнитной восприимчивости k_М иногда используют понятие удельной и молярной

магнитных восприимчивостей, которые относят соответственно к единице массы или к молю вещества.

Намагниченное тело, находящееся во внешнем поле, создает собственное магнитное поле, которое в изотропных материалах направленно параллельно или антипараллельно внешнему полю. Поэтому суммарная магнитная индукция в веществе определяется алгебраической суммой индукции внешнего и собственного полей:

B=B₀+B_i=μ₀H+ μ₀J_M, (2.23)

где μ₀ =4π·10^-7 Гн/м – магнитная постоянная в системе СИ.

Из (2.22) и (2.23) следует

B= μ₀H(1+k_M)= μ₀ μH, (2.24)

где μ=1+ k_M – относительная магнитная проницаемость, показывающая во сколько раз магнитная индукция В поля в данной среде больше, чем магнитная индукция В₀ в вакууме.

Первопричиной магнитных свойств вещества являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов, представляющие собой элементарные круговые токи, обладающие магнитными моментами. Такими токами являются электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах. Магнитные моменты протонов и нейтронов приблизительно в тысячу раз меньше магнитного момента электрона. Поэтому магнитные свойства атома определяются целиком электронами, а магнитным моментом ядра можно пренебречь.

Классификация магнитных материалов

Применяемые в радиотехнике магнитные материалы подразделяют на две основные группы: магнитомягкие и магнитотвердые. В отдельную группу выделяют материалы специализированного назначения.

Магнитомягкие

Магнитотвердые

Магнитные материалы

Рисунок 2.16 – Классификация магнитных материалов

К магнитомягким относят магнитные материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электро-измерительных приборов и т.п. К магнитомягким материалам можно отнести низкоуглеродистые стали, кремнистую электротехническую сталь, низкокоэрцитивные сплавы, ферриты и магнитодиэлектрики. Приведем пределы изменения параметров магнитомягких материалов:

М_НАЧ =5 – 35000(100000); Н_С =0.08 – 800 А/м;

М_МАХ =3500 – 200000(900000); В_S =0.13 – 2.45 Т.

Магнитотвердые материалы характеризуются широкой петлёй гистерезиса, то есть они имеют большое значение коэрцитивной силы и остаточной индукции. Магнитотвердые материалы применяются при изготовлении постоянных магнитов для записи и хранения звука и изображения. Постоянный магнит работает при наличии размагничивающего поля, поэтому его остаточная индукция не равна В_r, а несколько ниже, и свойства постоянного магнита определяются характером изменения индукции по участку петли гистерезиса, лежащего во втором квадранте, - по кривой размагничивания. Специфической характеристикой магнитопровода с зазором является энергия, выделяемая в зазор: W=(B∙H)/2.

Если в первом квадранте изобразить график изменения энергии, то эта кривая пройдет через максимум, так как в двух крайних точках энергия, выделяемая в зазор, равна нулю(рисунок 2.17): при В=В_r Н=0, отсюда В∙Н=0 и при В=0 Н=Н_С, В∙Н=0. Верхняя нулевая точка соответствует отсутствию зазора, нижняя – бесконечному зазору. Правильно сконструировать постоянный магнит – значит найти такое соотношение длины магнитопровода и зазора, при котором энергия в зазоре была бы максимальна. Чем выше В_r и Н_С материала и чем прямоугольнее петля гистерезиса, тем выше энергия зазора. Форму кривой размагничивания оценивают коэффициентом выпуклости

. (2.25)

Повышение B_r достигается применением материалов с высокой плотностью магнитных моментов и увеличением степени прямоугольности петли. Прямоугольность петли повышается созданием магнитных текстур, при этом домены переориентируются примерно в одинаковых полях. Коэрцитивную силу повышают за счет создания внутренних механических напряжений, что затрудняет переориентацию доменов.

В процессе работы постоянного магнита возможно смещение рабочей точки (точка, при которой W максимальна). Это вызывается изменением величины воздушного зазора, под действием внешних магнитных полей, температуры, тряски, ударов и т.п. Изменение магнитного состояния во всех перечисленных случаях происходит по кривым возврата, которые представляют собой частные петли гистерезиса с вершиной, лежащей на кривой размагничивания. Как правило, эти кривые возврата узки и их обычно заменяют прямыми линиями (смотрим рисунок 2.17). Ход прямой возврата оцениваетсякоэффициентом возврата μ_∆=∆В/∆Н, μ_∆≈ 1 – 10. Чем меньше коэффициент возврата, тем стабильнее магнитная цепь. Кроме основных параметров магнитотвердых материалов оказываются существенными механическая прочность, технологичность, электросопротивление, стоимость, стабильность. Магнит считается стабилизированным, если он не меняет свойств с течением времени и возвращается к первоначальному магнитному состоянию после устранения внешней причины, которая вывела его из этого состояния.

Нестабильность свойств может быть обратимой и необратимой. Обратимые процессы связаны с изменением доменного строения материала, которое может быть восстановлено в результате термомагнитной обработки. Необратимые процессы связаны с кристаллографическими деформациями, которые уже невозможно восстановить. На практике для стабилизации свойств магнита применяют предварительное искусственное старение (обработка температурными циклами), частичное размагничивание и др. При этом необратимые процессы резко уменьшаются.

К материалам специализированного назначения относятся материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы.