Материаловедение Методичка для заочников (стр. 8 из 11)

Очевидно, що для різноманітного роду технічних застосувань в описі магнітних властивостей аналізу тільки статичної і початкової магнітної проникності недостатньо. Дійсно для роботи активного магнітного середовища в змінних або імпульсних магнітних полях використовують і інші визначення магнітної проникності. Зокрема, для оцінки ефективності роботи матеріалу на змінному магнітному полі широко застосовується поняття диференційної магнітної проникності. Цей параметр являє собою похідну від магнітної індукції по напруженості магнітного поля в кожній точці основної кривої намагнічування.

Для усіх феромагнетиків характерний магнітний гістерезіс -відставання намагніченості речовини від зовнішнього магнітного поля. Типова картина залежності В{Н) при циклічномунамагнічуванні, яка має назву гістерезісу магнітного матеріалу, приведена на рис. 5.3. Магнітний гістерезіс обумовлений необоротними процесами з втратою енергії, що протікають у феромагнетику при перемагнічуванні. З рис. 5.3 випливає,. що при знятті зовнішнього магнітного поля індукція феромагнетикане зменшується до нуля, а приймає цілком визначене, кінцеве значення. Цей параметр петлі гістерезісу зветься залишковою індукцією Ву . Для того щоб розмагнітити матеріал необхідно дозразка прикласти протилежно спрямоване магнітне поле величиною Н^ • У свою чергу, цей параметр називають коерцитивною силою. Чисельні значення залишкової індукції, коерцитивної сили і значення індукції насичення досить повно описують процес перемагнічування матеріалу. Ці параметри разом із даними по початковій і максимальній магнітній проникності матеріалу, як правило, приводяться в довідковій літературі.

До цього моменту основна увага приділялася польовим залежностям магнітних властивостей матеріалів. У той же час експерименти показують, що розглянуті параметри знаходяться в складній функціональній залежності від багатьох зовнішніх умов, зокрема від температури. Типова залежність магнітної проникності феромагнетика від температури приведена на рис. 5.4. Як випливає з рис. 5.4 при точно визначеній температурі магнітна проникність досягає свого максимального значення. Цю температуру називають температурою Кюрі. Такий характер температурної залежності магнітної проникності пояснюється підвищенням рухливості доменних стінок із зростанням температури, що сприяє росту намагніченості. Проте процес інтенсифікації руху меж доменів не може протікатибезмежно. Дійсно, після досягнення температури Кюрі тепловий рух стає настільки інтенсивним, що його енергії досить для руйнації доменів. Це означає, що речовина втрачає свої феромагнітні властивості і переходить у діамагнітний стан. Таким чином, температурний інтервал функціонування феромагнітних матеріалів у приладах електронної техніки є обмеженим поверх температурою Кюрі. %

Магнітні властивості феромагнетиків знаходяться в тісному зв'язку з наявністю в ньому механічних напруг. Взаємозв'язок механічних деформацій з утворюваним ними магнітним полем зветься магнітострикцією. Розрізняють прямий і обернений магнітострикційний ефект. З прямим магнітострикційним ефектом звичайно зв'язують зміну геометричних розмірів матеріалу в магнітному полі. Обернений ефект відображається в зміні намагніченості речовини при прикладенні до нього механічних напруг. Магнітострикційні ефекти широко застосовуються в різноманітних галузях електронної техніки, у тому числі і медичної. Звичайно на основі цього явища функціонують різноманітні перетворювачі для генерації і прийому звукових або ультразвукових коливань. Магнітострикційні перетворювачі відрізняє досить високий ККД аж до 70 - 80 % навіть при підвищених частотах. Традиційна область застосування цих перетворювачів - медичні прилади ультразвукової діагностики.

Магнітні параметри матеріалу залежать від частоти зовнішнього магнітного поля. Крива, що описує залежність В(Н) у швидкозмінному магнітному полі, зветься динамічноюпетлею гістерезісу. Експерименти показують, що зі збільшенням частоти вигляд динамічної петлі усе сильніше відрізняється від її статичного аналога: петля стає ширше, і площа її зростає. Відзначене явище знаходить своє відображення у частотній залежності магнітної проникності феромагнетика. При цьому аналізована залежність має тенденцію до зменшення з ростом частоти. Основними чинниками, що визначають такий хід залежності, є втрати на перемагнічування матеріалу, втрати на вихрові струми та інерційність магнітної взаємодії доменів.

Енергія магнітного поля в будь-якому середовищі й отже енергія, що затрачається на перемагнічування пропорційні добутку В на Н . Це означає, що втрати в цьому випадку з тим або іншим коефіцієнтом будуть пропорційні площі петлі гістерезісу і кількості циклів перемагнічування. Цей висновок підтверджується на практиці, де відзначена пряма пропорційність між питомою потужністю втрат, частотою й індукцією в ступені п (п = 1,6 - 3,5 ). Показник ступеня п є функцією параметрів матеріалу (форми петлі гістерезісу).

Що стосується втрат на вихрові струми, то можна стверджувати, що їх питома потужність відповідно до закону Джоуля-Ленца буде пропорційна квадратам магнітної індукції і частоти (теплова потужність пропорційна квадрату струму). Отже, можна стверджувати, що з підвищенням частоти переважними будуть втрати на вихрові струми, тоді як при низьких частотах основний внесок у загальні втрати буде визначаться характером перемагнічування матеріалу.

Вихрові струми визначають не тільки величину втрат у магнітних матеріалах, але вони відповідальні і за створення в речовині поля, що її розмагнічує. Дійсно, відповідно до правила Ленца напрямок індукційних струмів такий, що утворюване ними магнітне поле спрямоване протилежно зовнішньому. Це створює розмагнічуючий ефект, що відбивається на зменшенні магнітної проникності при підвищенні частоти поля. З висловлених загальних розумінь випливає висновок про неможливість застосування матеріалів із низьким питомимопором на високих частотах через неминучі величезні теплові втрати. Така ситуація дозволяє розділити феромагнітні речовини за магнітними параметрами і величиною втрат на такі групи: магнітом'які матеріали для низьких і високих частот і магнітотверді матеріали.

5.1.3. ВИДИ МАГНІТНИХ МАТЕРІАЛІВ

Магнітом'які матеріали характеризуються спроможністю намагнічуватися до насичення в слабких магнітних полях із малими втратами на перемагнічування. Цей комплекс властивостей можна забезпечити коли матеріал має вузьку петлю гістерезісу, високе значення початкової магнітної проникності і високої індукції насичення. Для магнітом'яких високочастотних матеріалів особливу роль набуває вимога максимального питомого опору, тому що тільки в такому випадку можна домогтися мінімальних втрат на вихрові струми.

Основною вимогою до магнітом'яких матеріалів для низьких частот є максимально можлива магнітна проникність і індукція насичення. Це дозволить одержувати в потужних магнітопроводах найбільшу густину магнітного потоку при мінімальних габаритах. Чисте залізо - одна з речовин, що задовольняє зазначеним вимогам. Магнітні властивості заліза багато в чому залежать від способу його одержання, чистоти вихідної сировини, його термічної обробки. Всі відзначені параметри багато в чому визначаються технологією отримання матеріалу. В даний час промисловістю випускається низьковуглецева нелегірована тонколистова гаряче- і холодно-качана сталь, електролітичне і карбонільне залізо. Слідством розходження в технологічних процесах отримання, кінцеві магнітні параметри заліза можуть різнитися в декілька разів. Це відкриває досить широкі перспективи в керуванні властивостями матеріалу.

Більш перспективними магнітними середовищами варто визнати електротехнічні сталі, де з метою підвищення питомого опору в залізо додається кремній. Такі сталі знаходять широке застосування в електротехніці при виробництві електродвигунів, силових трансформаторів, генераторів і т.д.

У залізно-нікелевих сплавах (пермалоїв) магнітна проникність після відповідної обробки може бути в десятки разів більша, ніж в електротехнічних сталях. Ці матеріали знаходять широке застосування в радіотехніці, тому що забезпечують значний магнітний потік при мінімальних габаритах виробів.

На високих частотах серед магнітом'яких матеріалів поза конкуренцією залишаються ферити. Завдяки високому, на 6-11 порядків вище чим у заліза, питомому електричному опорові, ферити зберігають свої магнітні властивості аж до надвисоких частот. Верхня частотна межа їх застосування обмежується лише швидкістю релаксації самих доменів у змінному полі. Цей же параметр у феритів також дуже високий.

Оскільки магнітними параметрами ферита можна керувати впливом зовнішнього магнітного поля, то вони є основою цілого ряду приладів НВЧ-техніки: фазообертачів, фільтрів, циркуляторів 'і т.д. Найбільш широке застосування в електронній техніці знайшли ферити цинку, нікелю, марганцю, а також матеріали зі структурою гранату. Як і у випадку напівпровідникових твердих розчинів широке застосування знаходять і тверді розчини на основі магнітних шпінелей і гранатів.

До магнітотвердих матеріалів відносяться висококоерцитивні матеріали з великою площею петлі гістерезісу. Магнітотверді матеріали використовують для виготовлення постійних магнітів, магнітних стрічок, барабанів, дисків для обчислювальної техніки, голівок вимірювальних приладів, електричних машин, радіоелектронних приладів і т.д.