Глава 9. Магнитные материалы

Магнетизм веществ обусловлен наличием внутренних электрических токов, связанных, преимущественно, с движущимися ( вращающимися по орбитам или вокруг своей оси-спиновое движение) электронами в атомах и ионах.

Магнетизм из-за движения других заряженных частиц ничтожно мал по сравнению с магнетизмом от движения электронов.

Любое вещество,помещенное в магнитное поле,приобретает магнитный момент M. Магнитный момент единицы об`ема называется намагниченностью

J_М =M/V [А/м]

В каждой точке J_М может быть разной и направлен по разному, то есть Jм является векторной величиной:

J_М = dM/dV

Намагниченность прямо пропорциональна напряженности магнитного поля H:

J_М =k_МH

где k_М - безразмерная величина,называемая магнитной восприимчивостью

Магнитная индукция - плотность магнитного потока, это приходящееся на один виток отношение площади под кривой напряжения (от времени), индуцированного в катушке, к сечению катушки А. Она имеет размерность Вольт-секунда/м² = Тесла.

Индукция в веществе является суммой внешнего и собственного магнитного поля

B=B_о+B_i =_оH + _оJ_M

где _O =410^-7 Гн/м - магнитная постоянная (могнитная проницаемость вакуума), B_о - магнитная индукция в вакууме.

B=_оH(1+k_M) = _оH

где  =1+k_M - относительная магнитная проницаемость.

Энергия магнитного поля катушки [Дж] равна

W =_оAN²I²/2l = _оH²Al = BHV/2

где V - объем в м³.

- 69 -

По своему поведению в магнитном поле вещества разделяются на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики, а также на антиферромагнетики и ферримагнетики.

Диамагнетики характеризуются отрицательной величиной k_м .

Диамагнетизм обусловлен изменением угловой скорости орбитального вращения электронов в действующем магнитном поле. Фактически это магнитная индукция на атомном уровне, направленная на ослабление приложенного магнитного поля. К диамагнетикам относятся инертные газы,водород, азот,вода, нефть и др.органические вещества, а также металлы медь,серебро,золото,цинк,ртуть,галлий. Для этих веществ k_м =-(10^-6 -10^-7 ). Диамагнетики намагничиваются против направления приложенного магнитного поля. Диамагнетики выталкиваются из неоднородного магнитного поля.

Наиболее сильные диамагнетики - сверхпроводники. Выталкивающая сила в них настолько велика, что практически используется для создания “подшипников” без трения. Ротор со сверхпроводящей обмоткой диаметром 3 метра, вращающийся с большой скоростью, является хорошим накопителем электроэнергии атомных электростанций для покрытия пиковых нагрузок и заменяет накопительную гидроэлектростанцию средней мощности.

Парамагнетики - вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности магнитного поля.Величина k_м для парамагнетиков равна 10^-3 -10^-6 . Парамагнетики втягиваются в неоднородное магнитное поле. К парамагнетикам относятся кислород,окись азота, щелочные и щелочно-земельные металлы, а также  -железо.

В парамагнетиках магнитные моменты есть всегда, но в разупорядоченном состоянии, как диполи в полярных диэлектриках.

Ферромагнетики - вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью k_м до 10⁶ . В ферромагнетиках k_м сильно зависит от температуры, напряженности магнитного поля, им присуща внутренняя магнитная упорядоченность в пределах так называемых “доменов” - макроскопических областей с одинаково направленными (ориенти-рованными) магнитными моментами. Главная способность ферромагнетиков заключается в способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях.

Антиферромагнетики - вещества,в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Например, в кристалле оксида марганца MnO чередующиеся атомы Mn имеют противоположное направление магнитных моментов.

- 70 -

В этих веществах магнитная восприимчивость k =-10^-3 -10^-15 , причем k_м сильно зависит от температуры. При нагревании атомы антиферромагнетика переходят в парамагнитное состояние (при антиферромагнитной точке Кюри). К антиферомагнетикам относятся хром, марганец,редкоземельные металлы: церий (Се),неодим (Nd), самарий (Sm), а также галогениды, сульфиды,карбонаты , всего более 1000 соединений.

Ферримагнетики - вещества с нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Как у ферромагнетиков, у них высокая магнитная восприимчивость k_м , зависящая от напряженности магнитного поля и температуры. К этим веществам относятся оксиды, особенно ферриты.

Таким образом, по магнитным свойствам вещества делятся на слабомагнитные - диа-,пара- и антиферромагнетики и сильномагнитные -ферро- и ферримагнетики.

При комнатной температуре ферромагнитны металлы: альфа-железо, никель и кобальт (и гадолиний).

В кристаллах намагничивание происходит по разному в разных направлениях. Так, у железа в -форме (это объемноцентрированный куб ОЦК), легкое намагничивание происходит по ребру куба, а трудное намагничивание - по диагонали куба.

У кристалла Ni, имеющего структуру гранецентрированного куба (ГКЦ), легкое намагничивание происходит, наоборот, по диагонали.

Кобальт имеет гексагональную структуру, легкое намагничивание просходит по направлению перпендикулярному плоскости шестиугольников,а трудное - в плоскости шестиугольников.

Намагничивание ферромагнетиков просходит неравномерно в зависимости от напряженности магнитного поля и состоит в смещении доменных границ (перестройке размеров доменов) и в самой ориентации магнитных моментов внутри доменов, причем первый процесс идет более легко, а второй - более трудно.

В малых полях имеет место обратимое намагничивание, состоящее в упругом смещении доменных границ (увеличении объема доменов). На второй стадии смещение доменных границ (стенок) носит необратимый,скачкообразный характер. Если в этом диапазоне напряженностей подсоединить наушник к ферромагнетику, то будут слышны характерные щелчки (так называемый эффект Барнгаузена). На этой стадии кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну.

На третьей стадии происходит вращение магнитных диполей - ориентация магнитных моментов доменов.Этот процесс протекает более трудно, магнитная проницаемость =В/Н начинает снижаться - проходит через максимум.

- 71 -

Рис.24. Кривая В_м

н амагничивания

ферромагнетика

Н

3

1

2

H_c

В_r

В

Н

Рис.25. Магнитный гистерезис в переменном электромагнитном поле в материалах: 1-магнитомягком, 2- магнитожестком, 3- с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ).

Показаны также остаточная индукция В_r и коэрцитивная сила Н_с для магнитожесткого материала.

На четвертой стадии все магнитные моменты доменов ориентируются вдоль поля, наступает техническое насыщение B_s . Незначительный рост индукции B на участке насыщения обусловлен составляющей _оH и связано с увеличением намагниченности самого (уже ориентированного) домена.

С уменьшением напряженности магнитного поля H кривая намагниченности, мерой которой является величина магнитной индукции B, снижается, но не до нуля а до величины B_r ( остаточная индукция ).

- 72 -

При дальнейшем увеличении поля H обратной полярности только при напряженности H_c происходит изменение знака намагниченности. Эта напряженность поля ( при которой B=0) называется коэрцитивной силой. По величине H_c материалы подразделяются на магнитномягкие (с низкой

Н_c <800 А/М) и магнитножесткие (с высокой Н_c ). Магнитномягкие магнитные материалы имеют узкую петлю гистерезиса и малые потери на перемагничивание. Магнитотвердые материалы - с большой  , обычно >4000 А/м. Значение _м = B/_оH при H стремящейся к нулю, называется начальной магнитной проницаемостью.Это значение  определяют в слабых полях, менее 0,1 А/м. Наибольшее значение  называется максимальной _мах (определяется по максимальному углу наклона прямой, проведенной от нуля до касания с кривой намагничивания.Дифференциальной  называют величину,равную (1/_о)dB/dH. Нетрудно видеть, что дифференциальная  может быть больше максимальной  .

Нередко ферромагнетики используют при одновременном воздействии постоянного поля и слабого переменного поля H. Изменение намагничен- ности в этих условиях характеризуется динамической магнитной проницаемостью:

 =(1/ )В/Н

причем,  уменьшается с увеличением частоты поля из-за инерционности процессов перемагничивания.

Температурные зависимости магнитной проницаемости имеют экстремальный характер. В малых полях H величина  (начальная магнитная проницаемость) проходит через максимум при температурах несколько ниже критической температуры Кюри Т_К , при которой  обращается в нуль. В больших полях H, близких к насыщению, температурный максимум  более пологий и сам максимум имеет место при более низких температурах,чем при слабых полях.

Увеличение намагниченности с ростом температуры связано с облегчением смещения доменных стенок и облегчением ориентации доменов

(до Т_К ). Спад намагничиваемости при Т_К связано с резким уменьшением спонтанной намагниченности доменов - разрушением доменной структуры.

Магнитострикция.

Магнитострикцией называется изменение геометрических размеров ферромагнетика при его намагничивании:  = d(l/l)/dH.

Магнитострикция может быть спонтанной и линейной. Электрострикция ослабляет намагниченность и снижает эффективное значение  . Разные материалы могут иметь разные знаки магнитострикции. Так, в слабых полях железо и никель имеют разные знаки  . Это позволяет изготавливать материалы с большой магнитной проницаемостью   сплавы “пермаллой”.

Поведение катушки индуктивности с магнитным сердечником в электрическом поле может быть моделивано катушкой индуктивностью L включенной последовательно с резистором R. Индукционный ток опережает

- 73 -

ток проводимости (активный) на /2. Суммарный ток отстает от индуктивного на угол магнитных потерь _м . Магнитная проницаемость комплексная) складывается из упругой магнитной проницаемости _м' и “вязкой” _м":

_м^* =_м '-j_м "

Магнитные потери

P=I²Ltg_м

Кроме упомянутых выше магнитомягких и магнитотвердых материалов следует выделить магнитные материалы с прямоугольной петлей

гистерезиса ППГ.

К магнитномягким материалам, кроме требования высокой _м ,

предъявляется обычно требование наличия высокой индукции насыщения B_s, для того, чтобы через магнитопровод с данной площадью поперечного сечения можно было пропускать максимально большой магнитный поток. Поэтому у магнитномягкого железа B_s достигает 2 Тл.

Чем чище железо,тем лучше у него магнитные свойства, поэтому для повышения  его получают электролизом. Электролитическое железо имеет  = 15000. Другой способ получения чистого железа - разложение пентакарбонила железа:

Fe(CO)₅ =Fe + 5CO

Карбонильное железо получают в виде тонкого порошка, у него m =20000.

Другой магнитномягкий материал пермаллой (с малым содержанием никеля) имеет _нач =15000-40000 и _мах =15000-60000.

Монокристаллической железо и супермаллой (79% Ni, 15% Fe) имеют максимальные значения _нач =100000 и _мах =1500000.

Основной магнитный материал массового потребления - кремнистая электротехническая сталь (тонколистовая). Кремний вводят для того чтобы повысить электросопротивление и тем самым снизить потери на вихревые токи при перемагничивании. Оптимальное содержание кремния 3%.

Применяют два вида электротехнической стали-анизотропную (текстурованную) для сердечников трансформаторов,дросселей и изотропную (нетекстурованную) – для магнитопроводов электромоторов, генераторов и т.д.

Для снижения потерь на вихревые токи железо используется в виде изолированных между собой листов.

Другой распространенный магнитномягкий материал - пермаллой. Марки пермаллоя могут содержать буквы (русские) обозначающие добавки: Н-Ni, К-Со,М-Mn, Х-Cr, С-Si, Д-Cu, У - улучшенная марка, П - марка с прямоугольной петлей гистерезиса.

Более дешевый материал - альсифер. Это тройной сплав железа с кремнием и алюминием: (9,5% Si, 5,6% Al, остальное Fe). Материал твердый и хрупкий, применяется в виде фасонных отливок.Применяется для магнитных экранов, корпусов приборов. У альсифера _нач =354000, _мах =1170000, Н_с =1,8 А/м.

- 74 -

Ферриты - оксиды металлов сложного состава. Это кристаллические материалы, у которых минимуму потенциальной энергии системы соответствует антапараллельное расположение спинов с некоторым преобладанием одного направления над другим. Ферриты относятся к классу ферримагнетиков.Они имеют доменную структуру и точку Кюри, как и ферромагнетики.

Ферриты используются в виде монокристаллов или керамики.

Магнитномягкие ферриты - обычно оксиды,кристаллизующиеся в структуре шпинели, растворы замещения двух ферритов: ферримагнетика NiFe₂O₄ и немагнитного оксида ZnFe₂O₄ .

Различают низкочастотные (марка Н, дмапазон частот 0,1-50 МГц ), высокочастотные (марка ВЧ, 50-600 Мгц). В названиях марок присутствуют также буквыобозначающие марганец - цинковый М, никелево-цинковый - Н. Именно феррит последнего состава является ВЧ. Ферриты - это полупроводники или диэлектрики, у которых удельное объемное сопротивление падает с температурой по экспоненте в соответствии с уравнением:

 =_оe^W/kT

Ферриты заменяют в слабых полях листовые материалы -

электротехническую сталь и пермаллои. В средних и сильных полях замена нецелесообразна, так как B_s в ферритах ниже. Ферриты используются в сердечниках катушек индуктивности, фильтрах, трансформаторах, стержневых магнитных антеннах и др.

Магнитодиэлектрики - прессованные порошкообразные ферритомагнетики с изолирующим органическим или неорганическим связующим. В качестве ферромагнетика используют карбонильное железо, альсифер, молибденовый пермаллой,а в качестве связующего фенолформальдегидные смолы, полистирол, стекло и др. Положительное качество магнитодиэлектриков - высокая добротность Q=L/R. Отрицательное - низкая  = 10-250. Из них изготавливают сердечники катушек индуктивности, контуров для радиоприемников. Потери мощности в магнитодиэлектриках зависят от размера частиц наполнителя. Плохое намагничивание вызывается отсутствием смещения доменных стенок из-за малых размеров частиц. Из наполнителей самый дешевый - альсифер.

Ферриты и сплавы с ППГ применяются в автоматике, вычислительной технике, аппаратуре телеграфной связи . Они характеризуются коэффициентом прямоугольности К

К_пу = B_r /B_max

у наилучших материалов К_пу =1. Чаще применяются ферриты с ППГ, так как технология изготовления сердечников проста и экономна по сравнению с технологий изготовления сердечников из тонких лент.

Ферриты с ППГ - магний-марганцевые и литий-железные шпинели.

- 75 -

Эффект ППГ достигается за счет необратимого смещения доменных стенок. В системах автоматики Н_с должна быть невелика 10-20 А/м, а в устройствах хранения информации Н_с =100-200 А/м. Из ферритов с ППГ изготавливают,например, элементы памяти в виде кольцевых сердечников диаметром 0,3-0,4 мм. Магнитные пленки из ППГ-материалов получают распылением в вакууме.

Магнитострикционные материалы. Для высоких частот их изготавливают из никелевых, платино-железных сплавов . Используют также ферритную керамику из-за того, что малы потери на вихревые токи, что обуславливает ненужность многолистовых конструкций. Лучшим ферритом с высокими магнитострикционными свойствами является состав NiFeO₄ .

Магнитострикционные материалы используют в электромеханическим преобразователях, ультразвуковых фильтрах,резонаторах, чувствительных элементах автоматики и вычислительной технике.

Магнитнотвердые материалы - материалы, у которых площадь петли гистерезиса значительно больше, чем у магнитомягких. Величина Н_с выше. Эти материалы используют для изготовления постоянных магнитов, главное требование к которым - максимальное магнитное поле в зазоре и постоянство характеристик. Такие материалы получаются, если затруднить изменение границ доменных стенок, либо исключить эти границы уменьшением размера кристаллических зерен. Используются сплавы Fe-Ni-Al, Ni-Co,Al,Fe. Заготовки для постоянных магнитов охлаждают в сильном магнитном поле. Применяют также магнитодиэлектрики, изготовленные с использованием пластмассового связующего или изготавливают металлокерамические магниты.

Магнитотвердые ферриты. Из них следует отметить бариевые ферриты для использования при высоких частотах и более дешевые из сплава ЮНДК24.

Пленки для магнитной записи изготавливают с использованием

монодоменных частиц из -F₂O₃ и CrO₂ (диоксид хрома), нанесенных на носитель из полиэтилентерефталата

ЛИТЕРАТУРА

1. Крашенинников А.И., Бычков Р.А. Неметаллические материалы в приборостроении. Учебное пособие ВЗМИ, 1988 г.

2. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. М.,Высшая Школа, 1986 г.

3. Арзамасов Б.Н. Материаловедение. М., Высшая Школа, 1986 г.

4. Лущейкин Г.А. Методы исследования электрических свойств полимеров. М.Химия. 1988 г.

5. Лущейкин Г.А. Полимерные пьезоэлектрики. М.,Химия, 1990 г.

- 76 -

Приложение 1

Таблица 1

Механические свойства конструкционных материалов

№	Материал	Плот-ность кГ/м3	Временное сопротивление разрушению р,МПа	Предел текучести т, МПа
1	Сталь углерод.общего назначения Ст0	7800	310	215
2	То же Ст3	“	425	225
3	Сталь малоуглерод.качеств. 10		340	310
4	“ 45	“	800	550
5	Сталь среднеуглер.легиров. 40Х	“	1000	800
6	“ 40ХС	“	1250	1100
7	Сталь высокопроч. 30ХГСНА	“	1850	1670
8	“ 25Н25МЧГ	“	2000	1800
9	Медь электротех. отож.	8900	250	30
10	Медь эдектротех. нагортованная	8900	380	-
11	Латунь деформируемая	8600	450-750
12	Латунь литейная	8600	250-650
13	Бронза оловянистая деформируемая	8700	300-600
14	Бронза литейная	8700	180-200
15	Алюминий	2710	85	28
16	Дюралюминий	2790	400-500
17	Стеклотекстолит с эпоксид. смолой ЭПС	1600	530
18	“ СТЭН	1500	400
19	Полиамид-6	1140	45
20	Полиамид-6 стеклонапол.	1350	122-145
21	Полиамид-66	1140	60
22	Полиамид-66 стеклонап.	1375	120-155
23	Полистирол ударопроч.	1050	27
24	АБС-пластик	1030	21-27
25	Поликарбонат	1200	58
26	Поликарбонат стеклонапол.	1370	70-100
27	Полипропилен	925	32
28	Полипропилен стеклонапол.	1400	100
29	Углепластик	1300	1160- 1650