Теоретические сведения о магнитных свойствах материалов

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент. Если взять катушку и помещать в неё сердечники из различных материалов, то магнитное поле, возникающее внутри сердечника, будет усиливать или ослаблять внешнее магнитное поле.

Намагниченность сердечника под влиянием внешнего поля можно охарактеризовать уравнением

B = μ_о ∙μ_r ∙H,

где В – магнитная индукция, Тл; μ_о – магнитная постоянная, μ₀ = 4π·10^-7 Гн/м;
μ_r – относительная магнитная проницаемость, о. е.

По магнитным свойствам все материалы можно разделить на две группы:

− слабомагнитные (μ_r ≈ 1);

− сильномагнитные (μ_r >> 1).

У слабомагнитных материалов μ_r = const, т.е. она не зависит от напряжённости внешнего поля.

Слабомагнитные материалы в технике применяются редко.

В качестве магнитных материалов техническое значение имеют ферромагнитные вещества и ферримагнитные химические соединения (ферриты).

У сильномагнитных материалов μ_r >>1 и зависит от напряжённости внеш­него поля. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и их сплавы. Они имеют доменную структуру, точку Кюри. Эти материалы широко используются в энергетике в качестве магнитных материалов.

Для некоторых кристаллических веществ минимуму потенциальной энергии системы отвечает антипараллельное расположение спинов с некоторым преобладанием одного направления над другим. Эти вещества называются ферримагнетиками. Они также имеют доменную структуру, точку Кюри и все характеристики, введенные для ферромагнитных веществ.

Ферримагнетики отличаются от ферромагнетиков меньшей индукцией насыщения, имеют более сложную температурную зависимость и повышенное, а для некоторых материалов и очень высокое, значение удельного сопротивления, превышающее ρ железа в 10⁶–10¹¹ раз.

Ферримагнетики – это магнитная керамика, сочетающая в себе высокие магнитные свойства, высокое удельное сопротивление и, следовательно, низкие потери на вихревые токи, что позволило их применять в области ВЧ и СВЧ, т.е. там, где металлические магнитномягкие материалы применять уже нельзя. Это важное преимущество ферритов перед другими магнитными материалами.

Ферриты представляют собой сложные системы окислов железа и двухвалентного (реже – одновалентного) металла, имеющие общую формулу

МеО ^. Fе₂О₃,

где Ме – символ двухвалентного металла.

Технические ферриты представляют собой, как правило, твердые растворы магнитных и немагнитных ферритов. К магнитомягким ферритам в первую очередь относятся две группы ферритов: никель-цинковые и марганец-цинковые, представляющие собой трехкомпонентные системы. Общая формула широко распространенных никель-цинковых ферритов имеет следующий вид:

m·NiO ^. Fe₂O₃ + n∙ZnО ^. Fе₂О₃ + p∙FeO ^. Fe₂O₃,

где m, n, p – коэффициенты, определяющие количественные соотношения между компонентами.

Процентный состав компонентов играет существенную роль в получении тех или иных магнитных свойств материала.

Немагнитные ферриты добавляют к магнитным для увеличения магнитной проницаемости и уменьшения коэрцитивной силы. Однако при этом снижается температура точки Кюри.

Начальная магнитная проницаемость μ_H − один из основных магнитных параметров магнитомягких ферритов. Ее величина у различных марок магнитомягких ферритов изменяется от 7 до 20000 (μ_H = 45−35000). Чем выше начальная магнитная проницаемость феррита данной группы, тем ниже его температура Кюри и менее стабильны магнитные свойства при изменении температуры. Магнитная проницаемость влияет также на величину критической частоты f_КР; чем больше μ_H, тем ниже f_КР. Ферриты, у которых μ_Н = 20−20000, во многих случаях в слабых полях эффективно заменяют пермаллои и электротехническую сталь. Однако в средних и сильных полях низкой частоты ферриты применять нецелесообразно, так как они имеют более низкую (сниженную
в 2−3,5 раза) индукцию насыщения, чем металлические ферромагнетики.

Температурная зависимость проницаемости под влиянием температуры принято характеризовать коэффициентом ТКµ, определяемым из выражения

TKμ = ,

где TKm – температурный коэффициент, град^-1; m₁ и m₂ – магнитные проницаемости при температурах t₁ и t₂ соответственно, причем t₂ > t₁.

Магнитная проницаемость ферримагнитных материалов при увеличении температуры увеличивается. Это объясняется тем, что облегчается переориентация доменов по полю и растёт магнитная проницаемость, но при температуре выше определённого значения, называемого точкой Кюри, происходит разрушение доменной структуры и магнитные материалы теряют свои ферримагнитные свойства. На рисунке 7.1 приведена типичная зависимость магнитной проницаемости от температуры.

Рис. 7.1. Зависимость магнитной проницаемости ферритов от температуры

В лабораторной работе определяется точка Кюри ферримагнитного материала. Ферримагнитный материал выбран потому, что у большинства этих материалов точка Кюри ниже 400 °С, и ее несложно определить в лабораторных условиях. А у ферромагнитных материалов она гораздо выше. Так, для чистого железа точка Кюри составляет – 768 °С, для никеля – 358 °С, для кобальта – 1131 °С.

Лабораторную работу выполняют на экспериментальном стенде. Внешний вид стенда представлен на рисунке 7.2. Стенд состоит из лабораторной электропечи сопротивления, двух цифровых приборов: АМ-3003 для измерения индуктивности и D-890G для измерения температуры нагрева и катушки индуктивности с ферритовым сердечником.