6. Магнитные материалы

Материалы, способные под действием внешнего магнитного поля намагничиваться, т. е. приобретать особые магнитные свойства, называются магнитными. Основными из них являются железо, никель, кобальт и различные сплавы и компоненты на их основе. Магнитные материалы с ярко выраженными магнитными свойствами называют ферромагнетиками.

Основной причиной магнитных свойств материалов являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов, представляющих собой элементарные круговые токи. Такими токами являются; вращение электронов вокруг собственной оси (спины) и орбитальное движение электронов вокруг ядер в атомах. В ферромагнитных материалах при температуре ниже точки Кюри образовываются элементарные кристаллические структуры, называемые магнитными доменами, в пределах которых электронные спины оказываются ориентированы одинаково.

Существование доменов доказано экспериментально. Однако эти элементарные самопроизвольно намагниченные области между собой ориентированы хаотично. поэтому общее магнитное поле материала равно нулю. Если к магнитному материалу приложить внешнее магнитное поле, то начинает происходить ориентация доменов в направлении поля вследствие роста доменов в направлении поля и поворота векторов магнитных моментов. В сильных полях, когда рост доменов прекращается и все они окажутся ориентированными по полю достигается так называемое магнитное насыщение материала.

П ри намагничивании моно-кристаллических ферромагнетиков наблюдается изменение их линейных размеров - магнитострикция. Из трех основных ферромагнитных эле-ментов (Fe, Ni, Co) наибольшей магнитострикцией обладает никель. Величина магнитострикции различна по различным направлениям кри-сталла ферромагнетика.

Рис. 6.1. Вид начальных кривых намагничивания.

Поведение ферромагнитного материала в магнитном поле характеризуется начальной кривой намагничивания, показывающей зависимость магнитной индукции В в материале от напряженности магнитного поля Н - рис. 6.1.

6.1. Магнитные характеристики материалов

Абсолютная магнитная проницаемость _а материала представляет собой отношение магнитной индукции В к напряженности магнитного поля в заданной точке кривой намагничивания. Измеряется в генри на метр (Гн/м).

_а = В/Н,

где В - индукция, Тл; Н - напряженность поля, А/м.

Относительная магнитная проницаемость материала есть отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной. Величина безразмерная.

 = _а/₀

Магнитная постоянная ₀ - характеризует магнитное поде в вакууме (μ₀ = 1,2563 10 Гн/м). Параметр pa применяется только для расчетов, для оценки свойств магнитных материалов используется величина , не зависящая от выбранной системы единиц.

Магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля -рис. 6.2. Различают начальную μ_н и максимальную μ_м и магнитную проницаемости. Начальную магнитную проницаемость измеряют при близкой к нулю напряженности поля. Большие значения _к и _м показывают, что данный материал легко намагничивается в слабых и сильных полях. При сильных полях в области насыщения магнитная проницаемость стремится к единице.

Р ис.6.2. Зависимость магнитной проницаемости от напряженности поля:

1 - пермаллой;

2 - чистое железо.

Характеристикой ферромагнетиков в переменных магнитных полях является величина динамической магнитной проницаемостью  определяемой отношением амплитудного значения индукции к амплитудному значению напряженности магнитного поля:

 = Вм/Нм.

С увеличением частоты перемагничивания  уменьшается из-за инерционности магнитных процессов.

Процесс перемагничивания материала в переменном магнитном поле иллюстрируется динамической кривой намагничивания, называемой петлей гистерезиса (запаздывания) - рис. 6.4. Предельный из всех циклов (петель гистерезиса), при котором достигается намагничивание материала до насыщения, носит название предельной петли гистерезиса.

Температурный коэффициент магнитной проницаемости TK характеризует температурную стабильность магнитной проницаемости материала. В узком диапазоне температур, когда можно допустить линейное изменение магнитной проницаемости от температуры, ТКи вычисляют по формуле:

TK=(₂-₁)/ ₁(Т₂ –T₁),

где ₁ и ₂ - магнитные проницаемости соответственно при температурах T₁ и Т₂.

Рис. 6.3. Зависимость магнитной проницаемости от температуры

Е диница измерения 1/°С. Типичная зависимость магнитной проницаемости от температуры показанные на рис. 6.3. Температура, при которой магнитная проницаемость резко снижается почти до нуля, называется температурой Кюри Тк. При температуре выше Тк материал теряет ферромагнитные свойства. Так, для чистого железа Тк = 768 °С. для никеля - 358 °С, для кобальта -1131 °С.

Индукция насыщения Bs характеризует магнитное насыщение материала -рис. 6.4. После достижения магнитным материалом индукции насыщения дальнейшее увеличение, напряженности магнитного поля почти не увеличивает индукцию. Чем больше значение Bs, тем лучше данный магнитный материал. Bs  Вм.

И ндукция Вм характеризует магнитное состояние вещества, при котором уменьшение напряженности поля ниже Нм приводит к размагничиванию по кривой гистерезиса, не совпадающей с начальной кривой намагничивания. При индукциях больших Вм кривая гистерезиса и начальная кривая намагничавания совпадают.

Рис. 6.4. начальная кривая намагничивания и предельная петля гистерезиса.

Остаточная магнитная индукция Вr наблюдается в материале при снятии внешнего магнитного поля после намагничивания. Для размагничивания образца материала надо изменить направление поля на обратное. Напряженность поля Не, при которой материал полностью размагничивается и его индукция становится равной нулю, называется коэрцитивной силой. Чем больше коэрцитивная сила Нс, тем в меньшей степени материал подвержен размагничиванию.

Удельные потери энергии на гестерезис - Рг - это потери, затрачиваемые на перемагничивание единицы массы материала за один цикл. Приближенно удельные потери Рг (Вт/кг) можно вычислить по формуле:

Рr = Не Bs 10-6 /d,

где Не - коэрцетивная сила, А/м; Bs - индукция насыщения, Тл; d - плотность материала, кг/м³.

Удельные потери определяются площадью петли гистерезиса: чем больше петля гистерезиса, тем больше потери в материале.

Потери энергии на вихревые токи Рв возникают при перемагничивании материала в переменном магнитном поле и зависят от удельного электрического сопротивления  магнитного материала. На эти потери влияют также частота пере-магничивания, толщина образца, плотность материала и амплитуда магнитной индукции. Для листового материала потеря Рв (Вт/кг) подсчитывают по формуле:

Pв = 1,64h²B²mf ²/d,

где h - толщина листа, м:  - удельное сопротивление, Омм; Вм - амплитуда магнитной индукции, Тл; f- частота, Гц,

Для оценки формы гистерезисной петли пользуются коэффициентом прямоугольности, вычисленному по предельной петле гистерезиса (рис. 6.4):

Кп = Вr/ Вм.

Чем больше Кп, тем прямоугольнее гистерезисная петля. Для магнитных материалов, применяемых в автоматике и вычислительной технике, значение Кп достигает 0,9 и более.

Удельная объемная энергия Wm - характеристика, используемая для оценки свойств магнитных материалов, используемых в постоянных магнитах. Значение Wм (Дж/м³) вычисляется по формуле;

Wм = B_d H_d/2.

где B_d - индукция, соответствующая максимальному значению удельной объемной энергии, Тл; H_d - напряженность поля, соответствующая максимальному значению удельной объемной энергии, А/м. Wм меняется с изменением индукции и при некотором ее значении B_d приобретает максимальное значение. Это наибольшая величина энергии, создаваемая постоянным магнитом в воздушном зазоре между его полюсами, отнесенная к единице объема магнита. Чем больше численное значение Wм, тем более пригоден магнитный материал для изготовления постоянных магнитов.