22. Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы – магнитные материалы обладающие свойствами ферромагнетика или ферримагнетика, и коэрцитивной силой по индукции, не превышающей 4 кА/м (ГОСТ 19693-74). Магнитомягкие материалы также обладают высокой магнитной проницаемостью (способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях) и малыми потерями на гистерезис.

Процессы намагничивания магнитомягких и магнитотвердых материалов протекают аналогично, но количественное соотношение процессов смещения границ доменов и вращения различно. Так как процесс смещения границ доменов требуют меньших затрат энергии, то в магнитомягких материалах он является преимущественным, в магнитотвердых же материалах намагничивание происходит в основном за счет смещения вектора намагниченности.

Сравнивая петли гистерезиса, характерные для обеих групп материалов, можно отметить, что форма петли, индукция насыщения и остаточная индукция примерно одинаковы, а разница в коэрцитивной силе является весьма существенной (рис. 3.2). Для промышленных магнитомягких материалов наименьшая H_c достигает значений меньших 0.4 А/м, а для магнитотвердых, наибольшая H_c превышает значения 800 кА/м, т. е. разница составляет порядка 2·10⁶. Отсюда можно сделать вывод, что магнитомягкие материалы характеризуются значительно более узкой петлей гистерезиса в отличие от магнитотвердых материалов.

Внутри своей группы магнитомягкие материалы принято классифицировать по основному химическому составу, который в значительной степени определяет технологию их производства, свойства и области применения.

• Технически чистое железо – железо, содержащее ограниченное количество примесей ~0.08 – 0.1 %, в том числе углерода до 0.05 %. Технически чистое железо получают методами прямого восстановления чистых руд, а так же с применением электролитического или карбонильного процессов. Данный материал обладает повышенной устойчивостью к коррозии, высокой электропроводностью, магнитной проницаемостью (μ=10 мГн/м), пластичностью и малой коэрцитивной силой (H_c=66 А/м). По причине малого значения электрического сопротивления (0.1 мкОм·м) технически чистое железо применяется лишь в магнитных цепях постоянного тока.

• Электротехнические (кремнистые) стали – тонколистовые стали, представляющие собой твердый 0.5–4.5 % раствор кремния в железе. Электротехническая сталь используется при изготовлении шихтованных магнитопроводов электротехнического оборудования (электромагниты, трансформаторы, генераторы, электродвигатели и т. п.).

Чем выше частота перемагничивания сердечника, тем тоньше следует выбирать листовой материал. Обычно, толщину материала h рекомендуется выбирать, руководствуясь соотношения (3.6).

(3.6)

где ρ – удельное сопротивление материала, [Ом·мм²/м]; μ_{a max} – максимальная абсолютная магнитная проницаемость материала, [Гн/м]; f – частота перемагничивания, [Гц].

Здесь следует отметить, что при достаточно тонком материале, когда практически можно пренебречь влиянием вихревых токов, наблюдается расширение динамической петли гистерезиса, обусловленное магнитной вязкостью.

• Пермаллои – сплавы железа (45–82 %) и никеля, или железа никеля и кобальта, выпускаемые промышленностью в основном в виде лент толщиной 0.003–0.5 мм. Пермаллои обладают высокой магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой, практически нулевой магнитострикцией и значительным магниторезистивным эффектом (электрическое сопротивление пермаллоя меняется в пределах 5 %, в зависимости от силы и направления действующего магнитного поля). Наиболее часто пермаллои используются для изготовления трансформаторных пластин, чувствительных элементов магнитных датчиков, а так же в ряде устройств автоматики и вычислительной техники. Кроме этого, пермаллои получили широкое распространение при изготовлении магнитоэкранирующих защитных кожухов для особо чувствительных к магнитному полю элементов электронной техники.

• Магнитомягкие ферриты – соединения, представляющие собой твердый раствор определенных оксидов металлов, обладающих ферримагнетизмом, с коэрцитивной силой не более 4 кА/м.

Благодаря уникальному сочетанию высоких магнитных свойств и низкой электропроводности, магнитомягкие ферриты не имеют конкурентов среди других магнитных материалов в технике высоких частот (f > 100 кГц). Ферриты используют в качестве магнитных материалов в радиотехнике, электронике, автоматике и вычислительной технике в качестве ферритовых поглотителей электромагнитных волн, антенн, элементов памяти и т.д.

• Магнитодиэлектрики – конгломерат из измельченного ферромагнетика, частицы которого электрически изолированы друг от друга пленками из немагнитного материала, являющегося одновременно механической связкой.

Потери энергии в магнитодиэлектрике на основе металлических ферромагнитных порошков в синусоидальных полях характеризуются тангенсом угла потерь, который в значительной степени зависит от размера частиц, качества и характера изоляции между ними.

Как правило, для магнитодиэлектриков tan(δ) << 1, а так же имеют место равенства (3.7), (3.8).

tan(δ) = δ_f f+ δ_h H_A+ δ_п, (3.7)

где δ_f – коэффициент потерь на вихревые токи; δ_h – коэффициент потерь на гистерезис; δ_п – коэффициент потерь на последействие.

μ=μ_н(1+α_нH_A), (3.8)

где μ_н – начальная проницаемость материала; α_н – коэффициент амплитудной нестабильности; H_A – амплитуда напряженности магнитного поля.

Магнитодиэлектрики применяют для изготовления сердечников катушек индуктивности, фильтров, дросселей, радиотехнических броневых сердечников, работающих при частотах 10⁴–10⁸ Гц.

• Пермендюры – сплавы железа с кобальтом, обладающие очень высокими значениями индукции насыщений и повышенной магнитной проницаемостью. Пермендюры применяются для изготовления полюсных наконечников электромагнитов, роторных пластин малогабаритных электродвигателей и т. п.

• Аморфные магнитомягкие материалы – относительно новая группа материалов со своеобразной атомной структурой (например, металлическое стекло), отличающейся от структуры кристаллических магнитных материалов. Уровень их электромагнитных свойств превышает уровень аналогичных свойств у электротехнических сталей, и соответствует уровню электромагнитных свойств пермаллоев, но они меньше подвержены влиянию механических напряжений, обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью и твердостью при сохранении пластичности.