§ 3. Магнитные материалы

Основные сведения. Магнитные свойства веществ зависят от внутренней скрытой формы движения электрических зарядов, пред­ставляющих собой элементарные круговые токи, обладающие маг­нитными моментами. Такими токами являются электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах.

Магнитные свойства материалов характеризуются магнитной проницаемостью. Для магнетиков она зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Обычно магнитную проницаемость ве­ществ сравнивают с магнитной проницаемостью вакуума. Относи­тельная магнитная проницаемость представляет собой отношение ин­дукции к соответствующей напряженности магнитного поля и маг­нитной постоянной вакуума (ц₀=4л-10-⁷ Гн/м) : ц=В/(Яц₀), где В — индукция, Тл; Н — напряженность магнитного поля, А/м.

Если производить намагничивание образца ферромагнетика во внешнем магнитном поле, а затем уменьшать напряженность поля, то индукция будет уменьшаться медленнее из-за гистерезиса (отста­вания). При создании поля противоположного направления образец может быть размагничен или перемагничен. При повторном измене­нии направления поля индукция может вернуться к исходному зна-» чению. В результате будет описана кривая, представляющая собой петлю гистерезисного цикла перемагничивания (рис. 2). Значение В при Я=0 в процессе размагничивания образца, намагниченного до насыщения B_s, называют остаточной индукцией В_т (на рис. 2 она равна отрезку ОМ или ОМ¹). Для того чтобы уменьшить индукцию от значения В_г до нуля, необходимо приложить обратно направлен­ную напряженность поля Н_с (равную отрезкам ON¹ или OJV), назы­ваемую коэрцитивной (задерживающей) силой.

Материалы с малой коэрцитивной силой и большой магнитной проницаемостью называют магнитно-мягкими. Они обычно обладают узкой петлей гистерезиса (рис. 2, а). Материалы с боль­шой коэрцитивной силой и малой магнитной проницаемостью отно­сят к магнитно-твердым. Они обладают широкой петлей гис­терезиса (рис. 2, б).

Рис. 2. Гистерезисные кривые:

а — магнитно-мягкого материала, б — магнитно-твердого мате­риала, в — феррита с прямоугольной петлей гистерезиса

При перемагничивании ферромагнетиков в переменных магнит­ных полях возникают потери энергии, приводящие к их нагреву, что обусловлено потерями на гистерезис и динамическими. Потери энер­гии на гистерезис могут быть определены по площади его статичес­кой петли. Динамические потери вызываются вихревыми токами, ин­дуктированными в массе магнитного материала, и магнитным после­действием или магнитной вязкостью. Чем больше удельное электрическое сопротивление ферромагнетика, тем меньше потери на вихревые токи.

Особую группу составляют ферримагнетики — сложные оксид­ные материалы специализированного назначения, называемые фер­ритами, которые отличаются от ферромагнетиков меньшей индук­цией насыщения, почти прямоугольной петлей гистерезиса (рис. 2, в), более сложной температурной зависимостью индукции и более вы­соким удельным сопротивлением.

Магнитные материалы классифицируют по назначению. Магнит­но-мягкие материалы разделяют на низко- и высокочастотные с по­вышенным удельным сопротивлением, а магнитно-твердые — на ма­териалы для постоянных магнитов и записи звука. Кроме того, при­меняют материалы специализированного назначения.

Магнитно-мягкие низкочастотные материалы. Их применяют для изготовления магнитопроводов трансформаторов, электромагнитов, электрических машин, измерительных приборов, в которых при ми­нимальных затратах энергии необходимо получить наибольшую ин­дукцию. В группу магнитно-мягких низкочастотных материалов вхо­дит особо чистое электролитическое железо, получаемое путем электролиза, и карбонильное железо, изготовляемое термическим разложением пснтакарбонила [Fe(CO)₅->Fe+5CO]. Эти материалы содержат весьма малое (менее 0,05%) количество при­месей.

Технически чистое железо (армко-желеэо) обычно содержит небольшое (до 0,1 %) количество примесей углерода, се­ры, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его маг­нитные свойства. Оно обладает относительно малым удельным со­противлением и используется для изготовления магнитопроводов по­стоянного магнитного потока.

Разновидностью технически чистого железа является низко­углеродистая электротехническая листовая сталь, выпускаемая толщиной листа от 0,2 до 4 мм и содержащая до 0,04 % углерода и 0,6 % других примесей. Магнитные свойства и содержание примесей железа и низкоуглеродистой стали приведены в табл. 10.

Таблица 10

Материал	Коэрци-тивная сила. А/м	Максималь- ная магнит­ная прони- цаемость	Содержание примесей, %
			углерод	кислород
Электролитическое желе­зо	28	15000	0,02	0,01
Карбонильное железо Технически чистое железо	6,4 64	21000 7000	0,005 0,02	0,005 0,06
Низкоуглеродистая элек- тротехническая сталь	64	4500	0,04	—

Таблица 11

Степень легиро­вания стали кремнием	Вторая цифра марки	Удельное сопро­тивление, мкОм м	Плотность, Мг/м	Степень легиро­вания стали кремнием	Вторая цифра марки	Удельное сопро­тивление, мкОм-м	Плотность, Мг/м
Нелегирован­ная	0	0,14	7,85	Среднелегиро-ванная	3	0,4	7,75
Слаболегиро- -ванная	1	0,17	7,82
Нижесредне-леги рованная	2	0,25	7,8	Повышенно-ле­гированная	4	0,5	7,65
				Высоколегиро­ванная	5	0,6	7.55

Кремнистая электротехническая тонколисто­вая сталь обладает повышенными удельным сопротивлением (за счет введения в нее кремния) и магнитной проницаемостью, мень­шими коэрцитивной силой и потерями на гистерезис. Сталь, содержа­щая свыше 5 % кремния, становится очень хрупкой. Плотность и удельное электрическое сопротивление электротехнической стали за­висят от степени ее легирования кремнием (табл. 11). Толщина выпускаемых листов стали составляет 0,1 — 1 мм. Путем специализиро» ванной прокатки и особой термообработки получают текстурованную сталь с лучшими магнитными свойствами, что позволяет при исполь­зовании ее в сетевых трансформаторах и радиотрансформаторах уменьшать на 20 — 40 % их массу и габаритные размеры. Зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля для стали 1521 толщиной 0,35 мм показана на рис. 3.

Электротехническую сталь маркируют четырьмя цифрами (на­пример, 2013). Первые три цифры означают тип (марку) стали, а четвертая — его порядковый номер. Первая цифра марки указывает класс по структурному состоянию и виду прокатки (1 — горячеката­ная, 2 — холоднокатаная изотропная, 3 — холоднокатаная авизо-тройная); вторая цифра — степень легирования кремнием (0 — с со­держанием Si до 0,4%; 1 — от 0,4 до 0,8%; 2 — от 0,8 до 1,8%; 3 — от 1,8 до 2,8%; 4 — от 2,8 до 3,8%; 5 — от 3,8 до 4,8%), третья — группу, устанавливаемую по основной нормируемой харак­теристике (0 — удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц P_1,7/50, 1 — при 1,5 Тл и 50 Гц P_1,5/50, 2 — при 1 Тл и 400 Гц P_1/400, 6 — магнитная индукция в слабых магнитных по­лях при напряженности поля 0,4 А/м — В_0,4, 7 — -магнитная индук­ция в средних магнитных полях при 10 А/м — Вю). Предельные зна­чения потерь и индукции для стали класса 3 приведены в табл. 12,

Рис. 3. График зависимости магнитной индукции от на­пряженности магнитного по­ля электротехнической ста­ли

Таблица 12

Марка	Толщина, мм	Удельные потери, Вт/кг			Магнитная индукция, Тл, при напряженности магнитного поля, А/м
		Р1/50	Р1.5/50	Р1.7/50	100	250	2500
3411	0,50	1,10	2,45	3,20			1,75
	0,35	0,80	1,75	2,50	—	—	1,75
3411	0,50	0,70	1,50	2,20	1,6	1,7	1,88
	0,35	0,50	1,10	1,60	1,6	1,7	1,88
3415	0,35	0,46	1,03	1,5	1,61	1,71	1,93

Низко коэрцитивные сплавы включают пермаллой и альсиферы. Пермаллой — железоникелевый сплав, обладающий боль­шой магнитной проницаемостью и очень малой коэрцитивной силой. Высоконикелевые сплавы содержат 72 — 83 % Ni, а низконикелевые — 40 — 50 %. Для улучшения свойств пермаллоев (кроме никеля Н) в них вводят легирующие добавки: кобальт (буква К в условном обозначении), марганец (М), хром (X), кремний (С) и др.

Таблица 13

Группа	Марка	Магнитная прони­цаемость		Коэрцитивная сила, А/м	Индукция в ре­жиме насыщения, Тл	Удельное сопро­тивление, мкОм-м
		начальная	максимальная
Нелегирован­ные низкони­келевые	45Н, 50H	1700 — 3000	16000 — 35000	32 — 10	~1,5	0,45
Легированные низконике­левые	50 НХС	1500 — 3200	15000 — 30000	20 — 8	1,0	0,9
Легированные высоконике­левые	79 НМ, 80 НХС	16000 — 35000	50000 — 220000	5,2 — 1	0,65	0,55
Супермаллой (79%Ni, 5% Mo, 15 % Fe, 0,5 % Mn)		100000	До 1 500 000 (при В — = 0,3 Тл)	0,3	0,8	0,6
Альсифер	—	35400 — 117000	—	1,8	—	0,8

Альсиферы — тройные сплавы железа (85 %) с кремнием (9,5 %) и алюминием (5,5 %), отличаются твердостью и хрупкостью. Параметры пермаллоев и альсифера приведены в табл. 13. Пермаллои применяют для изготовления сердечников малогабаритных транс-форматоров, дросселей, реле, а альсиферы — высокочастотных прес­сованных сердечников.

Магнитно-мягкие высокочастотные материалы. Эти материалы по­частотному диапазону предназначаются для низких, высоких и сверх­высоких частот, а по физической природе и строению их делят на магнитодиэлектрики и ферриты,

Магнитодиэлектрики получают прессованием порошко­образного ферромагнетика (карбонильного железа, альсифера) с изолирующей связкой (полистирол, стекло и др.). Прессованные сер­дечники из магнитодиэлектрика применяют в индуктивных катушках генераторов, контуров радиоприемников и т. д. Введение сердечника в катушку увеличивает ее индуктивность L, повышает добротность Q = wL/r, где (о — угловая частота; г — активное сопротивление ка­тушки. Сердечники на основе карбонильного железа имеют высокую стабильность, малые потери, положительный температурный коэф­фициент магнитной проницаемости и могут работать в широком дьа-пазоне частот.

Ферриты являются двойными оксидами железа и других ме­таллов (цапример, ZnO-FeaOs, CdO-FezOa) и представляют собой твердые растворы нескольких простейших соединений. Иногда их на­зывают оксиферами. Они обладают высоким удельным сопротивле­кием (а следовательно, малыми потерями энергии в области высо­ких частот) и высокой магнитной проницаемостью, благодаря чему широко применяются .в радиоэлектронике. Ферриты тверды и хруп­ки, поэтому их обработку можно производить только шлифованием.

Различают магнитно-мягкие низко- и высокочастотные, сверх­высокочастотные, с прямоугольной петлей гистерезиса и магнитно-твердые ферриты.

Магнитно-мягкие ферриты применяют при изготовлении контур­ных катушек, магнитных экранов, сердечников импульсных транс­форматоров и т. д.

Они имеют относительно большую диэлектрическую проницае­мость. С ростом частоты проницаемость снижается, а тангенс угла потерь возрастает. Параметры некоторых ферритов приведены в табл. 14.

Таблица 14

Марка	Магнитная проницае­мость		Коэрцитивная сила, А/м	Остаточная индук­ция, Тл	Граничная частота, МГц	Удельное объемное сопротивление, Ом-м	Плотность, Мг/ма
	начальная	макси­мальная
20000 НМ	15000	35000	0,24	0,11	0,1	0,001	—
6000 НМ	4800 — 8000	10000	8	0,11	0,5	0,1	5
1000 НМ	800 — 1200	1800	28	0,11	5	0,5	4,5
1000 НН	800 — 1200	3000	24	0,1	.3	10	4,9
600 НН	500 — 800	1500	40	0,12	5	100	4,8
2000 НМ1	1700-3500	3500	25	0,12	1,5	5	5
700 НМ1	550 — 850	1800	25	0,05	8	4	4,8
100 ВЧ	80 — 120	280	300	0,15	80	105	4,8
20 ВЧ2	16 — 24	45	1000	0,1	300	106	4,7
9 ВЧ	9 — 13	30	1500	0,06	600	107	4,4
Ферриты	6 — 85	12 — 300	30 — 800	0,1 —	—	108
СВЧ				0,5*		— 1011	—

Индукция насыщения.

В обозначении магнитно-мягких ферритов на первом месте стоят цифры (перед буквами), указывающие значение начальной магнит­ной проницаемости, затем буквы, определяющие верхнюю границу частотного диапазона, при которой начинается быстрый рост потерь. У низкочастотных ферритов Н граничная частота от 0,1 до 50 МГц, у высокочастотных ВЧ — 50 — 600 МГц. Последующие буквы обо­значают материал (М — марганец-цинковый, Н — никель-цинковый и тли). Цифры, введенные в обозначение высокочастотных ферри­тов после букв, указывают на разновидность материалов.

Сверхвысокочастотные ферриты применяют для коммутации энергии с помощью внешнего поля по разным направлениям за счет поворота плоскости поляризации ВЧ-колебаний в намагниченном феррите (магнитооптический эффект Фарадея) и для поглощения отраженных волн в волноводах в процессе их взаимодействия с вра­щающимися электронами феррита (ферромагнитный резонанс), а также для других целей.

СВЧ-ферриты должны обладать высоким удельным объемным сопротивлением (порядка 10⁷ Ом м), малыми диэлектрическими, а также магнитными потерями вне области резонанса, обеспечивающи­ми незначительное затухание сигнала в феррите, высокой чувстви­тельностью материала к управляющему полю и температурной ста­бильностью свойств. Обобщенные параметры СВЧ-ферритов приве­дены в табл. 15.

Материалы специализированного назначения. Ферриты о прямоугольной петлей гистерезиса ППГ (см. рис. 2,в) используют в счетно-вычислительной технике для хранения дискретной информации Основным параметром материалов с ППГ является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса K_п — от­ношение остаточной индукции к максимальной (измеренной при Hмакс=5Hс). Кл=Вr/В_макс. Для получения быстрого перемагничи-вания сердечники должны иметь небольшой коэффициент переклю­чения S_q, равный количеству электричества, которое необходимо для его перемагничивания из одного состояния остаточной индукции в противоположное

Следует учитывать температурную нестабильность свойств фер-ригов С повышением температуры от — 20 до +60°С наблюдается снижение (в 1,5 — 2 раза) коэрцитивной силы, остаточной индукции (на 15 — 20%) и коэффициента прямоугольности (на 5 — 30 %). Большую термостабильность параметров и лучшие магнитные свой­ства имеют ленточные микронные сердечники из пермаЛлоев.

Сравнительные параметры ферритов с ППГ и микронных сер­дечников из пермаллоев приведены в табл. 15.

Таблица 15

Материал	Коэрци­тивная сила, А/м	Остаточная индукция, Тл	Коэффициенты
			прямоуголь­ности	переключе­ния мккл/м
Ферриты различ- ных марок	10 — 1200	0,15 — 0,25	0,9	110 — 630
Микронные сер- дечники из пер­маллоев (толщи­на ленты 2 —10 мкм)	8-50	0,6 — 1,5	0,85 — 0,9	25 — 100

К магнитострикционным материалам относят ни­кель, алферпермаллой, ряд ферритов, некоторые редкоземельные металлы, их сплавы и соединения. При намагничивании ферромаг­нитных монокристаллов изменяются их линейные размеры (магнито-стрикция). Магнитострикционная деформация материалов может быть как положительной так и отрицательной. Явление магнито-стрикции используется в генераторах звуковых и ультразвуковых колебаний, дефектоскопах и других устройствах.

Магнитно-твердые материалы. Они характеризуются высокой коэрцитивной силой, большой площадью петли гистерезиса (см. рис. 2, б) и остаточной индукцией. Кроме этого важной характеристикой материалов для постоянных магнитов является максимальная энер­гия, отдаваемая магнитом во внешнее пространство. Удельная маг­нитная энергия, заключенная в воздушном зазоре между полюсами магнита, 9d=BdHd/2, где На — напряженность поля, соответствую­щая индукции Bd при размагничивании.

По способу получения и составу различают легированные мар-тенситные стали, литые высококоэрцитивные сплавы, магниты из порошков, магнитно-твердые ферриты, ленты (металлические и не­металлические) для записи звука.

Легированные мартенситные стали являются наи­более простыми и дешевыми материалами для постоянных магнитов. Стали легируются добавками вольфрама, молибдена, хрома. Свой­ства мартенситных сталей для постоянных магнитов и их состав при­ведены в табл. 16.

Таблица 16

Марка	Химический состав					Магнитные свойства
	С	Сг	W	Со	Мо	остаточная индукция, Тл	коэрцитивная сила, кА/м
EX	0,95—	1,3—			—	0,9	4,6
	1,1	1,6
ЕХЗ	0,9-	2,8—	—	—	—	0,95	4,8
	1,1	3,6
Е7В6	0,68—	0,3-	5,2-	—	—	1	5
	0,78	0,5	6,2
ЕХ5К5	0,9—	5,5—	—	5,5-	—	0,85	8
	1,05	6,5		6,5
ЕХ9К15М	0,9—	8—10	—	13,5—	1,2—	0,8	13,6
	1,05			16,5	1,7

Литые высококоэрцитивные сплавы представляют собой тройные сплавы А! — Ni — Fe (раньше называли сплавами альни), обладаю­щие большой магнитной энергией Для улучшения магнитных свойств и механических характеристик в сплав альни вводят добавки крем­ния (сплав альнисн) или кобальта (сплав альнико, при содержании кобальта 24% — магнико) В настоящее время эти сплавы имеют буквенно-цифровую маркировку.

В марках сплавов приняты следующие обозначения: 10 — алю­миний, Н — никель, Д — медь, К — кобальт, Т — титан, Б — ниобий, С — кремний, А — столбчатая, АА — монокристаллическая структу­ра. Если за буквой следуют цифры, они указывают на содержание металла,

Магнитные свойства сплавов определяются не только их соста­вом, но и видом обработки. Основные свойства магнитно-твердых сплавов приведены в табл. 17.

Таблица 17

Марка	Удельная магнит­ная энергия, кДж/м8	Коэрцитив­ная сила, кА/м	Остаточная индукция, Тл
ЮНД4 ЮНДК15	3,6 6,0	40 48	0,50 0,75
ЮН15ДК24	18	52	1,15
ЮН13ДК25А	28	44	1,40
ЮНДК40Т8АА	32	145	0,90

Магниты из металлокерамических порошков марок ММК1 — ММК11 имеют коэрцитивную силу от 24 до 128 кА/м, остаточную индукцию от 0,48 до 1,1 Тл и запасенную энергию от 3 до 16 кДж/м³.

Магнитно-твердые ферриты (бариевые ВаО-6Ре₂Оз — феррокс-дюр) выпускают марок БИ (бариевые изотропные) и БА (бариевые анизотропные) с коэрцитивной силой до 240 кА/м, превосходящей магниты системы альни, однако уступающие этим сплавам по оста­точной индукции (0,38 Тл) и запасенной магнитной энергии (12,4 кДж/м³). Параметры магнитов из феррита бария и кобальта нриведены в табл. 18.

Таблица 18

Параметры	Марка
	1БИ	1 БИС	2.4БА	3.1БА	1.5КА	2КА
Максимальная магнитная энергия, кДж/м3	3,2	3,6	9,6	12,4	5,6	7 2
Коэрцитивная сила, кА/м Остаточная индукция, Тл	128 0,19	128 0,21	224 0,33	168 0,38	128 0,24	128 0,28

Материалы для записи звука включают магнитно-твердые стали и сплавы, позволяющие изготовлять из них ленту или проволоку, а также пластмассовую ленту с нанесенными на ее по­верхность порошкообразными ферритами

Магнитно-твердый сплав викаллой (34 % Ре; 52 % Со; 14 % V) с коэрцитивной силой 36 кА/м и остаточной индукцией 1 Тл позво­ляет изготовлять из него ленту и проволоку. Железоникельалюми-ниевые магнитно-твердые -сплавы могут наноситься на медную лен­ту. Однако эти материалы не обеспечивают оптимальное соотноше­ние коэрцитивной силы к остаточной индукции, при котором гаран­тируется качественная запись в широком диапазоне частот.

Применяют одно- и двухслойную магнитные пленки. Двухслой­ная пленка представлчет собой ацетилцеллюлозную- ленту шириной 65 мм и толщиной 35 мкм, на которую нанесен слой лака, содержащий до 40 % магнетика. Такая пленка имеет коэрцитивную силу от 6,4 до 20 кА/м и остаточную индукцию от 0,8 до 0,4 Тл (их от­ношение достигает 40), что позволяет вести запись звука при малых скоростях. Пленка хорошо сохраняется при температуре 15 — 20 °С и относительной влажности воздуха 50 — 60 %. Однослойные пленки изготовляют из поливанилхлорида с магнитным наполнителем.