Классификация материалов по магнитным свойствам Диамагнетики

Классификация материалов по магнитным свойствам • Диамагнетики – вещества с магнитной проницаемостью чуть меньше 1 и отличающиеся тем, что они выталкиваются из области магнитного поля. • Парамагнетики – вещества с некомпенсированными магнитными моментами и отсутствием магнитного атомного порядка. Магнитный момент парамагнетика равен нулю. Ферромагнетики – вещества, в которых (ниже температуры Кюри) наблюдается магнитная упорядоченность, соответствующая параллельному расположению спинов в макроскопических областях (доменах) даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Коэффициент магнитной восприимчивости ферромагнетиков (также как и μr) достигает больших положительных значений, сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

• Антиферромагнетики - материалы, которые характеризуются антиферромагнитным атомным порядком, возникающим из-за антипараллельной ориентации одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. • Для антиферромагнетиков km составляет 10– 3– 10– 5 и сильно зависит от температуры • Ферримагнетики – это вещества с нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Как и антиферромагнетизм существует при температуре не выше точки Нееля. Выше этой температуры ферримагнетики переходят в парамагнитное состояние. • К ферримагнетикам относятся некоторые упорядоченные металлические и различные оксидные соединения, наибольший интерес среди которых представляют ферриты Mn. O*Fe 2 O 3, Ba. O*6 Fe 2 O 3, (Ni. O*Zn. O)Fe 2 O 3, Li 2 O*Fe 2 O 3 и др.

Поведение диамагнетика в магнитном поле

Парамагнетик и диамагнетик

Антиферромагнетик Mn. F 2

Структура антиферромагнетика Mn. O

Общие свойства магнитных материалов • Наличие кристаллической структуры • Относительная магнитная проницаемость μr >> 1 и зависит от напряженности внешнего магнитного поля; • Наличие магнитного гистерезиса • Наличие температуры Кюри, то есть такого предельного значения температуры, выше которого ферромагнитный материал теряет свои свойства и становиться парамагнетиком (μr = 1). • Наличие анизопропии

μo = 4. 10– 7 Гн/м – магнитная постоянная, μr – относительная магнитная проницаемость материала, Н – напряженность магнитного поля.

Удельная энергия магнитного поля зависит от напряженности и индукции: Согласно закону Био-Савара: напряженность магнитного поля пропорциональна силе тока и равна: где I – сила тока, R – расстояние (радиус).

Ферромагнетики в основном кристаллизуются в трех типах решеток: кубической гранецентрированной (никель), кубической объемно–центрированной (железо) и гексагональной (кобальт)

• Каждый реальный магнитный материал разделен по всему объему на множество замкнутых областей – доменов, в каждом из которых самопроизвольная намагниченность однородна и направлена по одной из осей легкой намагниченности. • Домен – это малая область самопроизвольной намагниченности, возникающая даже в отсутствие внешнего магнитного поля, в которой магнитные моменты атомов ориентированы параллельно. Обладают исключительно большой магнитной проницаемостью, доходящей до миллиона

В • Основной характеристикой магнитного материала является кривая намагничивания – зависимость магнитной индукции материала В от напряженности внешнего магнитного поля Н.

В 4 3 Вmах 2 αmax 1 Вн αн Н 0 Нн Нmах Основная кривая намагничивания Область от 0 до 1 – Процессы смещения границ доменов носят обратимый характер, это область слабых магнитных полей Н < 0, 1 А/м. Область от 1 до 2 – Процессы необратимого смещения границ доменов. Здесь происходит неупругое смещение границ доменом, то есть процесс необратимый. В этой области магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость изменяются за счет роста напряженности внешнего магнитного поля Область от 2 до 3 – Процессы вращения. Происходит поворот векторов собственного намагничивания и их ориентация в направлении внешнего магнитного поля. Индукция изменяется за счет процесса вращения Область от 3 до 4 – Область насыщения. Магнитная проницаемость здесь примерно равна единице. Наблюдается очень небольшое увеличение В, за счет роста намагниченности самого домена.

Магнитная проницаемость • • Абсолютная магнитная проницаемость Относительная магнитная проницаемость Начальная и максимальная магнитные проницаемости. Магнитную проницаемость при Н ~ 0 называют начальной проницаемостью, определяя ее при очень слабых полях, около 0, 1 А/м • Наибольшее значение магнитной проницаемости называется максимальной проницаемостью. При сильных полях в области насыщения относительная магнитная проницаемость стремиться к единице. • Дифференциальная магнитная проницаемость определяется как отношение производной индукции по напряженности магнитного поля в данной точке основной кривой намагничивания и деленной на магнитную постоянную. Динамическая магнитная проницаемость определяется при одновременном воздействии на магнитный материал постоянного Нo и переменного Н~ магнитных полей и, обычно, при условии Н~<< Нo

μR r μrнач μrmаx 1 H Зависимость магнитной проницаемости от напряженности внешнего поля

Процесс намагничивания магнитного материала

Температура Кюри • Предельно допустимая температура, выше которой сильномагнитный материал теряет свои магнитные свойства и становится парамагнетиком, называется точкой Кюри. • Температура Кюри для каждого материала имеет определенные значения, например, чистого железа она равна 768 0 С, для никеля – 358 0 С, а для кобальта – 1131 0 С.

Магнитный гистерезис • Магнитный гистерезис – это явление отставания изменения индукции магнитного материала (В) от напряженности внешнего магнитного поля (Н) при его квазистатическом изменении. • Магнитный гистерезис вызывается необратимыми процессами намагничивания. • К основным параметрам петли гистерезиса относятся: • индукция насыщения Bs; • остаточная индукция Br ; • коэрцитивная сила Hc.

. Петля гистерезиса ферромагнитного материала

• Петля гистерезиса – это замкнутая кривая, выражающая зависимость магнитной индукции материала от амплитуды напряженности магнитного поля при периодическом достаточно медленном изменении последнего. • Предельная петля гистерезиса – это симметричная петля, максимальное значение которой соответствует намагниченности насыщения материала. • Намагниченность насыщения BS – максимальная намагниченность, которая достигается в сильных полях, когда все магнитные моменты доменов ориентированы вдоль магнитного поля. • Остаточная индукция Br – индукция магнитного поля на обратном ходе петли гистерезиса при нулевой напряженности магнитного поля. • Коэрцитивная сила Нс – напряженность поля на обратном ходе петли гистерезиса, при которой магнитная индукция равна нулю.

• Магнитострикция – это обратимое изменение формы и размеров кристалла магнитного материала при намагничивании. • Линейная магнитострикция – это изменение линейных размеров монокристалла. • Знак магнитострикционной деформации у разных материалов может быть как положительным (растяжение в направлении поля), так и отрицательным (сжатие в направлении поля). • У одного материала может наблюдаться изменение знака магнитострикции в зависимости от направления намагничивания ( например, железо)

Коэффициент магнитострикции . Линейная магнитострикция – это изменение линейных размеров монокристаллов ферромагнетиков Знак магнитострикционной деформации у разных материалов может быть как положительным (растяжение в направлении поля), так и отрицательным (сжатие в направлении поля).

При каждом цикле перемагничивания часть магнитной энергии, запасаемой в материале, теряется - переходит в тепло. Эти потери энергии называются потерями на перемагничивание. (РГ пропорциональны площади кривой гистерезиса). В переменных магнитных полях наблюдаются: • потери на гистерезис РГ, • потери на вихревые токи РВТ , • дополнительные потери РД. Сумма этих потерь называется полными или суммарными магнитными потерями .

Удельные магнитные потери

Классификация магнитных материалов • Основным критерием для классификации магнитных материалов является значение коэрцитивной силы. По значению коэрцитивной силы все магнитные материалы можно разделить на два больших класса: • Магнитномягкие материалы Нс < 800 А/м • Магнитотвердые материалы Нс > 4 к. А/м.

Магнитомягкие материалы • Магнитомягкие материалы обладают следующими общими свойствами: • малая коэрцитивная сила Нс; • высокая магнитная проницаемость μr; • малые потери на перемагничивание для получения максимальных значений магнитной индукции материала (узкая петля гистерезиса); • независимость магнитных свойств от величины механических напряжений, приложенных к магнитопроводу; • узкая петля гистерезиса; • высокая пластичность, обеспечивающая качественную вырубку пластин для магнитопроводов

Магнитотвердые материалы • Магнитотвердые материалы обладают следующими общими свойствами: • высокими значениями коэрцитивной силы Нс (выше 4 к. А/м); • большой удельной энергией Wmax (к. Дж/м 2), которые тем больше, чем больше остаточная индукция Br и коэрцитивная сила Нс материала; • широкой петлей гистерезиса; • невысокими значениями магнитной проницаемости μr (чем «тверже» магнитный материал, тем ниже значение μr); • трудно намагничиваются, но длительное время сохраняют намагниченность.

Магнитомягкие материалы делятся на следующие группы: электротехнические стали: низкоуглеродистые (нелегированные); кремнистые (легированные кремнием). материалы для техники слабых токов: материалы с высокой магнитной проницаемостью; магнитомягкие ферриты; материалы с особыми свойствами.

Электротехнические стали 1. Низкоуглеродистые электротехнические стали подразделяется на технически чистое железо и особо чистое железо. У технически чистого железа содержание углерода и примесей до 0, 1 %, а у особо чистого железа – менее 0, 05 %. 2. Электротехнические кремнистые стали – электротехнические стали с содержанием углерода не более 0, 05 % и легированные кремнием Si (от 0, 5 до 5 %).

Материалы с высокой магнитной проницаемостью; • К этой группе материалов относятся пермаллои и альсиферы. • Пермаллой – это железоникелевый сплав с высокой проницаемостью в слабых полях, что связано с практическим отсутствием у них анизотропии и магнитострикции • По химическому составу пермаллои делятся на низконикелевые (40– 50 % Ni) и высоконикелевые (72 – 80 % Ni). • Альсиферы – сплавы Al–Si–Fe (9, 6% Si, 5, 4% Al). Альсиферы близки по своим свойства к высоконикелевым пермаллоям.

ФЕРРИТЫ • Формула феррита может быть представлена в следующем виде Me. O∙Fe 2 O 3, , • где Me – какой–либо двухвалентный катион, (например, цинк, кадмий, литий, железо). • В ферритах по сравнению с металлическими ферромагнетиками удельное электрическое сопротивление много выше, сопоставимо с удельным сопротивлением полупроводников. Например, для феррита иттрия удельное сопротивление – 1010– 1012 Ом. м, • для феррита никеля – 103– 105 Ом. м, • для феррита лития – 1– 10 Ом. м.

Магнитомягкие материалы с особыми свойствами 1. Сплавы, обладающие незначительным изменением магнитной проницаемости при изменении напряженности поля, например сплав перминвар – это сплав железа (29, 4 %), никеля (45 %), кобальта (25 %) и марганца (0, 6 %). Магнитная проницаемость его равна 300 и сохраняет постоянное значение при напряженности поля до 200 А/м и индукции 0, 1 Тл. 2. Сплавы с сильной зависимостью магнитной проницаемости от температуры, к ним относится сплавы никель–медь и железо–никель–кобальт. 3. Сплавы с высокой магнитострикцией: сплавы железо– платина, железо–кобальт, железо–алюминий, чистый никель, а также некоторые виды пермаллоев и различные ферриты. 4. Сплавы с особо высокой индукцией насыщения, например, пермендюр – сплав железа и кобальта (кобальт 50 – 70 %), у которого индукция насыщения до 2, 4 Тл.

Аморфные магнитомягкие сплавы ферромагнитные сплавы с узкой петлёй гистерезиса. Особенностью магнитомягких аморфных сплавов по сравнению с кристаллическими является большое (около 20 %) содержание немагнитных элементов, как бор, углерод, фосфор и проч. , необходимых для сохранения аморфной структуры. Наличие этих элементов снижает максимальные значения индукции насыщения в аморфных сплавах по сравнению с кристаллическими и увеличивает температурный коэффициент магнитных свойств. Эти же элементы увеличивают электросопротивление, повышают твёрдость и прочность аморфных сплавов, а также их коррозионную стойкость

Аморфные осплавы имеют целый ряд преимуществ: • Низкие удельные потери. • Высокое электрическое сопротивление. • Отличные электромагнитные характеристики в широком диапазоне частот (до 1 МГц). • Возможность дальнейшей миниатюризации и повышения эффективности электронных устройств. • Снижение искрового тока и подавление шумов. • Экономия электроэнергии. • Более короткий (на 25 %) цикл производства изделий из аморфных лент по сравнению с пермаллоями, что снижает энергетические затраты заводов–изготовителей. • Экологически достаточно чистое производство изделий из аморфных материалов по сравнению, например, с ферритами. • В настоящее время аморфные магнитомягкие материалы находят применение в различных отраслях:

Магнитотвердые материалы • К основным магнитотвердым материалам относятся: • высокоуглеродистые легированные мартениситные стали, • литые магнитотвердые сплавы, • магнитотвердые ферриты, • порошковые магнитотвердые материалы (металлокерамические и металлопластические магниты), • сплавы на основе редкоземельных металлов.

Основные характеристики магнитотвердых материалов: • значение коэрцитивной силы; • значение остаточной магнитной индукции; • значение максимальной удельной магнитной энергии. Для характеристики магнитотвердых материалов обычно используют ту часть кривой гистерезиса, которая лежит во втором квадранте – эта кривая носит название кривой размагничивания. В первом квадранте обычно изображают изменение удельной магнитной энергии W от индукции В.

Кривая размагничивания и зависимость удельной магнитной энергии от индукции

Высокоуглеродистые легированные мартенситные стали – – это стали с содержанием углерода не менее 0, 7 % и легирующими добавками, такими как вольфрам, хром, молибден, кобальт, закаленные до мартенсита. Наиболее известны марки сталей ЕХ 3, ЕХ 5 К 5, ЕХ 9 К 15 М. Это самые простые и доступные материалы для изготовления постоянных магнитов. Значение максимальной удельной энергии Wmax составляет 1– 4 КДж/м 3, индукции Br составляет от 0, 8 до 1 Тл, Нс изменяется в пределах от 4, 6 до 14 к. А/м. В настоящее время эти материалы мало применяются, в виду их невысоких магнитных свойств.

Литые магниты – сплавы на основе «железа–никеля–алюминия» • применяются в основном легированные медью, кобальтом, титаном, вольфрамом (наиболее часто легированные медью и кобальтом). • Буквы в маркировке сплавов означают: Ю – алюминий, Н – никель, Д – медь, К – кобальт, Т – титан. • Бескобальтовые сплавы (АЛЬНИКО, ЮНД и другие) – это дешевые материалы для изготовления магнитов, но магнитные свойства у них относительно низкие. • Высококобальтовые сплавы, с содержанием кобальта более 15 % (сплавы АЛЬНИКО) – более дорогие материалы для изготовления магнитов, но их магнитные свойства значительно выше.

Магнитотвердые ферриты – это ферриты на основе: • бария Ba. O∙ 6 Fe 2 O 3, • кобальта Co. O∙Fe 2 O 3 • стронция Sr. O∙ 6 Fe 2 O 3. • Высокая коэрцитивная сила Нс этих материалов связана с малым размером кристаллических зерен и сильной магнитокристаллической анизотропией. • Магниты из ферритов можно использовать при высоких частотах (т. к. высокое удельное сопротивление, например, у бариевых ферритов ρ = 104– 107 Ом∙м). • Выпускаются бариевые изотропные (БИ) и бариевые анизотропные (БА) (Анизотропные магниты обладают более высокими магнитными свойствами (Wmax, Hc)).

Сплавы на основе редкоземельных металлов (РЗМ) • Сплавы на основе редкоземельных металлов (РЗМ): самарий, цезий, празеодим и др. , обладают очень высокими значениями Нс и Wmax (удельная энергия, Wmax достигает значения равного 240 к. Дж/м 3 (теоретическое значение)). Наибольший интерес представляют соединения RCo 5 и R 2 Co 17, где R – редкоземельный металл. • Магниты из этих сплавов получаются наиболее часто жидкофазным спеканием из порошков. Например, магниты на основе Sm. Co 5 спекаются после прессования при температуре 1100 о. С в течение 30 минут в атмосфере чистого аргона.

Индуктивность катушки с сердечником ЭДС трансформатора