Магнитные материалы

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Магнитными называются такие материалы, которые под действием внешнего магнитного поля способны намагничиваться, т. е. приобретать особые магнитные свойства.

Основные магнитные материалы — это железо, никель, кобальт и различные сплавы на основе технически чистого железа. Свойства магнитных материалов оμенивают с помощью величин, называемых магнитными характеристиками. Важнейшими магнитными характеристиками являются следующие.

Магнитная проницаемость. Для характеристики поведения магнитных материалов в поле с напряженностью Н пользуются понятиями абсолютной магнитной проницаемости μа и относительной магнитной проницаемости μ:

μ а = В/H

Относительная магнитная проницаемость μ. ‑ величина безразмерная. Она входит в выражение абсолютной магнитной проницаемости:

μа = μоμ,

μ = В/(μ0Н) =μа/μ0,

где: μа - абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м;

μ0 - магнитная постоянная, равная 1,257 мкГн/м

Магнитная проницаемость — величина, определяющая способность материала к намагничиванию. Чем больше величина µ тем легче намагничивается материал, и наоборот, чем меньше величина μ, тем в меньшей степени он может быть намагничен. Магнитная проницаемость в большой степени зависит от напряженности H, действующей в материале (рис. 37). Поэтому для оценки способности материала к намагничиванию приходится учитывать начальную магнитную проницаемость µн и максимальную магнитную проницаемость μм

Магнитную проницаемость при Н = 0 называют начальной магнитной проницаемостью μн. Ее значение определяется при очень слабых полях (примерно 0,1 А/м).

В сильных полях в области насыщения магнитная проницаемость стремится к единице.

Чем выше значения этих характеристик у данного материала, тем легче он намагничивается. Всякий магнитный материал обладает магнитными свойствами только до определенной температуры (температура Кюри ӨК), по достижении которой магнитные свойства у материала исчезают, т. е. он не может быть намагничен. Это обусловлено дезориентацией внутренних областей (доменов) намагничивания из-за интенсивного теплового движения его атомов и молекул.

Индукия насыщения ВS. Поведение магнитного материала в магнитном поле характеризуется начальной кривой намагничивания (рис. 38).

Начальная кривая намагничивания (1) и петля гистерезиса (2)

Эта кривая показывает изменение магнитной индукции В в магнитном материале в зависимости от напряженности Н. Из рассмотрения кривой следует, что магнитная индукция вначале растет, затем ее рост замедляется, а по достижении индукции ВS, она остается постоянной. Говорят, что магнитный материал достиг насыщения, а индукμию ВS называют индукией насыщения. Чем больше величина ВS тем выше свойства магнитного материала. Магнитная индукция измеряется в тесла (Тл).

Остаточная магнитная индукция Вr и коэрцитивная сила Hс. Если образец магнитного материала намагничивать, непрерывно повышая напряженность магнитного поля H, то магнитная индукция В тоже будет непрерывно возрастать по кривой намагничивания. Эта кривая начинается в точке 0 и заканчивается в точке, соответствующей индукции насыщения ВS. При уменьшении напряженности Н магнитная индукция будет также уменьшаться, но начиная с величины ВM значения индукции не будут совпадать со значениями этой характеристики на начальной кривой намагничивания, и, когда напряженность магнитного поля становится равной нулю, в образце магнитного материала будет обнаруживаться остаточная магнитная индукция Вr. Для размагничивания образца материала надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на обратное ( — Н). Напряженность поля Hс, при которой индукция становится равной нулю, называется коэрцитивной силой.

Если после этого образец магнитного материала намагничивать далее в противоположном направлении, то в материале снова будет наблюдаться индукция насыщения (— ВS). При дальнейшем уменьшении напряженности магнитного поля до величины H=0 и новом намагничивании в первоначальном направлении индукция будет непрерывно увеличиваться до величины индукции насыщения ВS. В результате образуется замкнутая петля, которую называют предельной, или статической, петлей гистерезиса. Предельная петля гистерезиса снимается при медленном изменении постоянного магнитного поля от +H до —H, когда величина магнитной индукции становится равной индукции насыщения ВS.

Электрорадиоматериалы, применяемые в технике с учетом их магнитных свойств, разделяют на магнитно-мягкие и магнитотвердые.

Магнитно-мягкие материалы имеют малое значение коэрцитивной силы Нс, поэтому способны намагничиваться до насыщения даже в слабых магнитных полях. Они обладают следующими свойствами:

- узкая петля гистерезиса небольшой площади при высоких значениях индукции и небольшой коэрцитивной силой Нс<4 кА/м;

- однородность структуры;

- минимальные механические напряжения;

- минимальное количество примесей и включений;

- незначительная кристаллографическая анизотропия.

Магнитно-мягкие материалы с округлой петлей гистерезиса применяют для работы в низкочастотных магнитных полях. Из магнитно-мягких материалов изготовляют сердечники электрических машин, трансформаторов, реле и других электрических аппаратов.

Магнитно-твердые материалы имеют большие значения коэрцитивной силы Hс, трудно намагничиваются, но способны длительное время сохранять намагниченность. Они обладают широкой петлей гистерезиса с большой коэрцитивной силой НС>4 кА/м.

Магнитно-твердые материалы служат для изготовления постоянных магнитов. Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса применяют для изготовления устройств магнитной памяти.

Основными металлическими магнитно-мягкими материалами, применяемыми в электротехнике, являются пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремнистые стали.

Пермаллои — пластичные железоникелевые сплавы с содержанием никеля от 36 до 80 %. С целью улучшения тех или иных свойств в них вводят молибден, хром или медь, получая легированные пермаллои. Пермаллои, содержащие 36—50% никеля, называются низконикелевыми, а 60—80% — высоконикелевыми.

Все пермаллои отличаются высоким уровнем магнитных характеристик.

Альсиферы представляют собой нековкие хрупкие сплавы, состоящие из 5,5÷ 13 % алюминия, 9— 10 % кремния, остальное железо. Промышленные сорта альсифера имеют следующие характеристики: μн = 6000 ÷ 7000; μм = 30000 ÷ 35 000; Нс = 2,2 А/м; ρ = 0,8 мкОм*м. Альсиферы предназначались для замены дорогих пермаллоев, но они заменили пермаллои в сравнительно ограниченной области применения. Из альсифера изготовляют литые сердечники, работающие в диапазоне частот не более 20кГц, так как на более высоких частотах в них возникают большие потери на вихревые токи. Из альсифера отливают полые детали с толщиной стенок не менее 2 мм.

Электротехнические кремнистые стали представляют собой низкоуглеродистые стали, в которые вводят от 0,8 до 4,8 % кремния с целью улучшения магнитных свойств стали. Кремний, находящийся в стали в растворенном состоянии, реагирует с закисью железа FеО. При этом из стали выделяется чистое железо и образуется кремнезем

2FеО + Si → 2Fе + SiO2

Магнитно-твердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов и других деталей. Первое требование, предъявляемое к постоянным магнитам, заключается в том, что они должны создавать в воздушном зазоре между своими полюсами магнитное поле с постоянными по величине напряженностью и магнитной индукцией. Постоянный магнит должен обладать большой магнитной энергией, т. е. магнитно-твердые материалы должны иметь возможно большие коэрцитивную силу и остаточную магнитную индукцию.

У всякого постоянного магнита с течением времени уменьшается магнитный поток, а, следовательно, и удельная магнитная энергия. Этот процесс называется старением магнита.

Вторым требованием, предъявляемым к магнитно-твердым материалам, является устойчивость к старению.

Металлические магнитно-твердые материалы можно разделить на три основные группы: мартенситные высокоуглеродистые стали; сплавы на основе железа — алюминия — никеля; металлокерамические.

Требования к электротехническим сталям: анизотропия, малая коэрцитивная сила для уменьшения потерь на перемагничивание….