Магнитные материалы 2 (стр. 2 из 5)

Рисунок 2 – Петли гистерезиса

Площадь гистерезисных петель в промежуточных и предельном состояниях характеризует рассеивание электрической энергии в процессе перемагничивания материала, т.е. потери на гистерезис. Площадь гистерезисной петли зависит от свойств материала, его геометрических размеров и частоты перемагничивания.

2.3. Магнитная проницаемость.

Магнитная проницаемость, физическая величина, характеризующая связь между магнитной индукцией В и магнитным полем Н в веществе. Обозначается m, у изотропных веществ m= В/Н или m= В/

Н ( - магнитная постоянная).

У анизотропных тел (кристаллов) магнитная проницаемость - тензор. Магнитная проницаемость связана с магнитной восприимчивостью c соотношением m = 1 +c , m измеряется в безразмерных единицах. Для физического вакуума c = 0 и m= 1.

У диамагнетиков c<0 и m < 1, у парамагнетиков и ферромагнетиков c>0 и m > 1. В зависимости от того, измеряется ли m ферромагнетиков в статическом или переменном магнитном поле, её называют соответственно статической или динамической магнитной проницаемостью. Значения этих магнитных проницаемостей не совпадают, так как на намагничивание ферромагнетиков в переменных полях влияют вихревые токи, магнитная вязкость и резонансные явления. Магнитная проницаемость ферромагнетиков сложно зависит от Н, для описания этой зависимости вводят понятия дифференциальной, начальной и максимальной магнитной проницаемости.[2]

3 Классификация магнитных материалов

Существуют магниты двух разных видов. Одни - так называемые постоянные магниты, изготовляемые из «магнитнотвердых» материалов. Их магнитные свойства не связаны с использованием внешних источников или токов. К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из «магнитномягкого» железа. Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводу обмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.

Процессы намагничивания материалов обеих групп протекают одинаково: на первом этапе происходит смещение границ доменов, на втором – вращение магнитных моментов доменов в направлении намагничивающего поля, на третьем парапроцесс. Согласно кривой намагничивания смещение границ доменов требует меньших энергетических затрат, чем процессы вращения магнитных моментов и парапроцесс. В магнитомягких материалах намагничивание происходит в основном за счет смещения границ доменов. Магнитотвердые материалы намагничиваются преимущественно за счет вращения векторов намагничивания и парапроцесса.

3.1 Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы - магнитные материалы с малой коэрцитивной силой (

800 А/м) и высокой магнитной проницаемостью.

Коэрцитивная сила — такое размагничивающее внешнее магнитное поле напряженностью , которое необходимо приложить к ферромагнетику предварительно намагниченному до насыщения, чтобы довести до нуля его намагниченность или индукцию.

При температурах ниже точки Кюри магнитомягкие материалы спонтанно намагничены и состоят из хаотически ориентированных намагниченных до насыщения доменов.

Промышленные магнитомягкие материалы имеют значение

порядка 0,4 А/м. Поэтому они намагничиваются до индукции технического насыщения при невысоких напряженностях поля. Намагничивание происходит в основном за счет смещения доменных границ. Для таких материалов необходимо максимально облегчить движение доменных стенок при перемагничивании, уменьшить влияние магнитной анизотропии (анизотропный характер магнитного взаимодействия между атомными носителями магнитного момента в веществах) и магнитострикции (изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании). Чтобы облегчить процесс намагничивания, необходимо уменьшить количество дефектов в сплаве (примесей внедрения, дислокаций и др.), мешающих свободному движению доменных стенок.

В случае использования магнитомягких материалов в переменных магнитных полях желательно иметь большое значение электросопротивления магнетика. Диапазон рабочих частот для различных магнитомягких материалов определяется в значительной степени величиной их удельного сопротивления. Чем больше удельное сопротивление материала, тем при более высоких частотах его можно применять.

Магнитомягкие материалы по области применения делят на:

- материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей и

- на магнитомягкие высокочастотные материалы.

К магнитомягким материалам специального назначения относятся магнитострикционные материалы, с помощью которых электромагнитная энергия преобразуется в механическую энергию и термомагнитные сплавы, служащие для компенсации температурных изменений магнитных потоков в магнитных системах приборов.

3.1.1 Материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей

Помимо высокой магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силы эти магнитомягкие материалы должны обладать большой индукцией насыщения, т.е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. В магнитном материале, используемом в переменных полях, должны быть возможно меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и на вихревые токи.

Для уменьшения потерь на вихревые токи для трансформаторов выбирают магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением или собирают магнитопроводы из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. В этом случае магнитные потери будут зависеть от толщины листа (ленты). К листовым и ленточным материалам предъявляется требование высокой пластичности. Магнитные свойства материалов зависят также от частоты магнитного поля. Важным требованием к магнитомягким материалам является обеспечение стабильности их свойств во времени, и по отношению к внешним воздействиям, таким, как температура и механические напряжения. Из всех магнитных характеристик наибольшим изменениям в процессе эксплуатации материала подвержены магнитная проницаемость и коэрцитивная сила.

К низкочастотным магнитомягким материалам относятся железо (армко-железо), электротехнические стали, в том числе кремнистая электротехническая сталь, низкокоэрцитивные сплавы, такие как пермаллой и альсифер.

3.1.2 Высокочастотные магнитомягкие материалы

Высокочастотные магнитомягкие материалы должны выполнять функции магнетиков при частотах свыше нескольких сотен или тысяч герц. По частотному диапазону их можно подразделить на материалы для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот, для высоких радиочастот и для СВЧ.

По физической природе и строению высокочастотные магнитомягкие материалы подразделяют на магнитодиэлектрики и ферриты. При звуковых, ультразвуковых и низких радиочастотах можно использовать тонколистовые рулонные холоднокатаные электротехнические стали и пермаллои.

Широко применяются в технике слабых токов смешанные ферриты (например, соединение из цинкового и никелевого ферритов), а также феррогранаты. Для них характерно исключительно высокое электрическое сопротивление и практическое отсутствие скин-эффекта. Феррогранаты применяются при очень высоких частотах (если невелики диэлектрические потери).

Свойствами магнитомягких материалов обладают также некоторые аморфные магнетики и аморфные металлы.

В электро- и радиотехнике магнитомягкие материалы применяют для изготовления датчиков магнитного поля, считывающих головок для чтения магнитной записи, сердечников трансформаторов, дросселей, магнитопроводов, полюсных наконечников, телефонных мембран, магнитных экранов и т.д. В микроэлектронике их используют как элементы интегральных схем.[3]

3.2 Магнитострикционные материалы

Магнитострикционные материалы - магнитомягкие материалы, у которых достаточно велик эффект магнитострикции: никель, алфер, пермаллой, пермендюр, ряд ферритов и др. Применяются в качестве преобразователей электромагнитной энергии в другие виды (например в механическую), для датчиков давления и т. п.

Металлические магнитострикционные материалы изготавливают в виде лент толщиной 0,1—0,3 мм, из которых штампуют или навивают сердечники, ферриты-шпинели применяют в виде монолитных сердечников, ферриты-гранаты — в виде монокристаллов.[4]

Магнитострикционные датчики уровня позволяют проводить самые точные непрерывные измерения уровня жидкостей бесконтактным способом с точностью до 0,005%. Принцип действия магнитострикционных датчиков основан на прохождении радиочастотного импульса по волноводу из магнитострикционного материала. Благодаря отсутствию трущихся частей, датчики совершенно не подвержены механическому износу, чем гарантируется очень надежная и стабильная их работа на протяжении очень длительного времени. Магнитострикционные датчики применяются в области механических тестирующих и симулирующих систем, машин контроля материала, измерительно приводной техники, систем разлива и контроля уровня жидкости в нефтяной, химической, пищевой промышленностях и многих других областях.

Широкое применение в магнитострикционных устройствах находит ферритовая керамика. По сравнению с никелем и металлическими сплавами, магнитострикционные свойства которых также выражены довольно сильно, магнитострикционные ферриты имеют ряд преимуществ. Благодаря высокому удельному сопротивлению в них пренебрежимо малы потери на вихревые токи, поэтому отпадает необходимость расслаивать материал на отдельные пластины. В отличие от металлических сплавов ферриты не подвержены действию химически агрессивных сред. С помощью керамической технологии можно изготовить преобразователи практически любых форм и размеров.