Материалы с особыми магнитными свойствами

Все материалы, помещенные во внешнее магнитное поле, намагничиваются. Макроскопической характеристикой намагничивания материалов служит величина намагниченности М, равная суммарному магнитному моменту атомов единицы объёма.
Установлена связь намагниченности М с напряжённостью Н (А/м) внешнего магнитного поля:

М = k_m Н,

где k_m – безразмерный коэффициент пропорциональности называют магнитной восприимчивостью материала.

В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости все материалы подразделяют:

• Диамагнетики;
• Парамагнетики;
• Ферромагнетики;

Диамагнетики – материалы, которые намагничиваются противоположно приложенному полю и ослабляют его, т.е. имеют отрицательную магнитную восприимчивость (k_m < 0). К ним относятся инертные газы, непереходные металлы (Ве, Рb, Сu, Аg и др.), полупроводники (Ge, Si), диэлектрики (полимеры, стёкла), сверхпроводники.

Парамагнетики – материалы, которые имеют k_m > 0 и слабо намагничиваются внешним полем. К ним относятся металлы, атомы которых имеют нечётное число валентных электронов (исключение составляют Cu, Ag, Au и др.) К, Na, Al и др., переходные металлы Мо, W, Ti, Pt и др. с недостроенными электронными оболочками атомов.

Ферромагнетики – характеризуются большим значением магнитной восприимчивости (k_m >> 1), а также её нелинейной зависимостью от напряжённости поля и температуры. Железо, никель, кобальт и редкоземельный металл гадолиний имеют чрезвычайно большое значение k_m ~ 10⁶. Их способность намагничиваться широко используется в технике.

Для ферромагнитных материалов основными характеристиками являются остаточная индукция В_r,коэрцитивная сила H_с и магнитная проницаемость μ = В/Н. Остаточной индукцией, измеряемой в теслах (1 Тл = 10⁴ Гс(гаусс)), называют магнитную индукцию, остающуюся в образце после его намагничивания и снятия магнитного поля. Коэрцитивной силой, измеряемой в А/м, называют напряженность магнитного поля обратного знака, которая должна быть приложена к образцу для его размагничивания. Магнитная проницаемость μ, измеряемая в Генри на метр [1 Г/м = (10⁷/4π) Гс/Э(гаусс/эрстед)], характеризует интенсивность намагничивания и определяется как тангенс угла наклона к первичной кривой намагничивания В = f (H).

В зависимости от формы гистерезисной кривой и значений основных магнитных характеристик, магнитные материалы делятся на магнитотвердые и магнитомягкие сплавы.

Магнитотвердые сплавы (рис. 22.1, а) характеризуются широкой петлей гистерезиса, высоким значением коэрцитивной силы H_c и применяются для изготовления постоянных магнитов.

Магнитомягкие сплавы работают в условиях циклически изменяющихся магнитных полей и непрерывного перемагничивания. Они, наоборот, имеют узкую петлю гистерезиса, малые значения Н_с и характеризуются небольшими потерями на гистерезис (рис. 22.1, б). Из них изготавливают сердечники трансформаторов, электродвигателей и генераторов, детали слаботочной техники, т. е. такие изделия, которые подвергаются многократному переменному намагничиванию.

Рис. 22.1. Зависимость магнитной индукции В
от напряженности магнитного поля Н:
а) магнитотвердые материалы; б) магнитомягкие материалы; 1 — первичная кривая намагничивания;
2 — гистерезисная кривая намагничивания

К магнитомягким материалам относят:

1. Технически чистое железо (электротехническая низкоуглеродистая сталь).

2.Электротехнические кремнистые стали.

3. Железоникелевые (премалои) и железокобальтовые сплавы.

4. Магнитомягкие ферриты.

Магнитные свойства низкоуглеродистой стали (технически чистого железа) зависят от содержания примесей, искажения кристаллической решетки из-за деформации, величины зерна и термической обработки. По причине низкого удельного сопротивления технически чистоe железo в электротехнике используется довольно редко, в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока.

Листовая электротехническая сталь, поставляемая в отдельных листах или рулонах, и ленточная сталь, поставляемая только в рулонах - являются полуфабрикатами, предназначенными для изготовления магнитопроводов (сердечников).
Магнитопроводы формируют либо из отдельных пластин, получаемых штамповкой или резкой, либо навивкой из лент.

Железоникелевые сплавы называют пермаллоями. Они обладают большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых магнитных полей.
Пермаллои применяют для сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей и реле.

Ферриты представляют собой магнитную керамику с большим удельным сопротивлением, в 1010 раз превышающим сопротивление железа.
Ферриты применяют в высокочастотных цепях, так как их магнитная проницаемость практически не снижается с увеличением частоты.
Недостатком ферритов является их низкая индукция насыщения и низкая механическая прочность. Поэтому ферриты применяют, как правило, в низковольтной электронике.

К магнитотвердым материалам относят:

1. Литые магнитотвердые материалы на основе сплавов Fe-Ni-Al.

2. Порошковые магнитотвердые материалы, получаемые путем прессования порошков с последующей термообработкой.

3. Магнитотвердые ферриты. Магнитотвердые материалы – это материалы для постоянных магнитов, использующихся в электродвигателях и других электротехнических устройствах, в которых требуется постоянное магнитное поле.