2014-02-09
1218
Магнитные материалы
ЛЕКЦИЯ №12
Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент. По магнитным свойствам все материалы можно разделить на две группы: 1) слабомагнитные (μ ≈ 1); 2) сильномагнитные (μ >> 1). Слабомагнитные материалы в технике применяются редко, поэтому их рассматривать не будем. У сильно магнитных материалов μ >>1 и зависит от напряжённости внешнего поля. Эти материалы используются в энергетике в качестве магнитных материалов. К ним относятся железо, никель, кобальт, их сплавы, ферриты. Сильномагнитные материалы можно разделить на две подгруппы: а) ферромагнитные (железо, никель, кобальт и их сплавы);
б) ферримагнитные (ферриты – магнитная керамика, окислы металлов).
Магнитные свойства материалов в основном определяются магнитными свойствами электронов: орбитальным вращением электронов в атомах и вращением электронов вокруг собственных осей (электронные спины).
В ферромагнитных материалах образуются самопроизвольно намагниченные области – домены, в которых магнитные моменты электронов направлены параллельно друг другу. Магнитные моменты отдельных доменов расположены неупорядоченно, вследствие чего суммарная намагниченность их равна нулю. Если приложить внешнее поле, то начинается рост доменов, намагниченность которых совпадает с направлением внешнего поля или близка к направлению внешнего поля, с одновременным сокращением числа доменов, намагниченность которых существенно не совпадает с направлением внешнего поля. В сильных полях завершается рост доменов и повороты их векторов намагниченности, вследствие чего дальнейший рост внутреннего магнитного поля прекращается, и наступает насыщение.
|
|
|
Рассмотрим зависимости В = f (H) и μ = f (H), характеризующие процесс намагничивания ферромагнетика, предварительно размагниченного (рис.12,а). В области очень слабых магнитных полей (участок 1) магнитная индукция растёт линейно с ростом напряжённости, магнитная проницаемость остаётся постоянной (μн ≈ const); это так называемая начальная относительная магнитная проницаемость. Эта область намагниченности используется в технике слабых токов (нелинейная зависимость между магнитной индукцией и напряжённостью поля приводит к искажению передаваемых сигналов).
В области слабых полей (участок 2) магнитная проницаемость резко возрастает и проходит через максимум. В первой части этого участка рост магнитной индукции происходит очень круто.
В области средних полей (участок 3) происходит лишь слабое увеличение магнитной индукции.
В области сильных полей (участок 4) рост магнитной индукции происходит очень замедленно (наступает насыщение).
|
|
|
а) б)
Рис.12. Процесс намагничивания ферромагнетика:
а) первоначальный; б) петля гистерезиса
Если ферромагнетик включить под переменное напряжение, то кривая
В = f(H) примет форму замкнутой кривой – петли гистерезиса (рис.12,б). По ширине петли гистерезиса все магнитные материалы можно разделить на две группы: а) магнитомягкие; б) магнитотвёрдые.
Магнитомягкие материалы имеют малое значение Нс (узкая петля), они легко перемагничиваются, и их используют в переменных полях для сердечников. Они имеют большое значение магнитной проницаемости μ в слабых и средних полях.
Магнитотвёрдые материалы имеют большое значение Нс, их не следует использовать в переменных полях, а нужно применять для постоянных магнитов.
Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле связан с тепловыми потерями энергии магнитного поля, что внешне проявляется в нагревании материала.
Можно выделить два вида потерь: а) потери на перемагничивание;
б) динамические (потери на вихревые токи).
Потери на перемагничивание пропорциональны площади петли (S) гистерезиса и частоте (f) P~f S. Динамические потери вызваны возникновением внутри магнитного материала вихревых токов, эти потери пропорциональны квадрату частоты и обратно пропорциональны удельному электрическому сопротивлению (ρ):
P~
.
При высоких частотах в сердечниках приходится учитывать в первую очередь потери на вихревые токи. Уменьшить их можно путём увеличения удельного сопротивления ρ. Для этого сердечник делают из тонких листов ферромагнетика, разделённых лаком, тонкой бумагой и т. д. На высокой частоте целесообразнее использовать ферриты, у которых удельное сопротивление в 106 - 1011 раз больше железа.
Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от температуры. При увеличении температуры облегчается переориентация доменов по полю, и магнитная проницаемость растёт, но при температуре выше определённого значения, называемого точкой Кюри, происходит разрушение доменной структуры, и магнитные материалы теряют свои ферромагнитные свойства. Для чистого железа точка Кюри составляет 768 оС, для никеля 358 оС, для кобальта 1 131 оС.
Для характеристики изменения магнитной проницаемости с температурой пользуются температурным коэффициентом магнитной проницаемости (К-1):
ТКμ = 
.
