5.1.6 Метамагнетики

Метамагнитными являются такие материалы, которые в слабых магнитных полях ведут себя как антиферромагнитные, а в сильных магнитных полях – как ферромагнитные, или наоборот. Антиферромагнитными в слабых полях являются MnAs₂, диспрозий Dy и эрбий Er. Ферромагнитными  MnAs, MnBi, гольмий Ho и тербий Tb.

5.1.7 Деление магнитных материалов на группы

Среди существующих в настоящее время веществ можно выделить большую группу магнитных материалов, которые используются в технике с учетом их магнитных свойств.

Общепринятым является разбиение магнитных материалов на магнитомягкие, магнитотвердые и материалы специализированного назначения, имеющие сравнительно узкие области применения.

Характерными свойствами магнитомягких материалов являются высокая магнитная про­ницаемость и малые потери на перемагничивание.

Магнитотвердые материалы (материалы для постоянных магнитов) должны обладать возможно большим произведением (ВН), которое тем больше, чем больше остаточная индукция В_r и коэрцитивная сила Н_с . Поскольку для различных материалов В_r изменяется значительно меньше, чем Н_с , разделять магнитомягкие и магнитотвердые материалы следует по значению коэрцитивной силы. Граница этого раздела является в значительной мере условной. Так, материалы, обладающие коэрцитивной силой Н_с =0,4 ... 4000 А/м, относятся к магнитомягким, а материалы, у которых Н_с > 4000 А/м , – к магнитотвёрдым.

Магнитомягкие материалы предназначены прежде всего для работы в переменных магнитных полях или в динамических режимах, магнитотвердые материалы – для работы в статическом режиме.

По типу химических связей магнитные материалы делят на металлические и неметаллические. Металлические материалы  на порошковые и монолитные. Неметаллические материалы (ферриты)  на простые, в молекулах которых кроме Fe₂O₃ содержится только один оксид металлического элемента; смешанные, в которых оксидов больше.

Магнитные материалы можно классифицировать и по их кристаллической структуре. Такое разделение используется у ферритов. Различают ферриты с кубической, гексагональной и гранатовой структурами.

Часто материалы делят на группы в соответствии с их применением. Так, различают материалы магнитострикционные, материалы для запоминающих устройств (с прямоугольной петлей гистерезиса), материалы для температурной компенсации магнитных цепей и т.п.

Иногда самостоятельные группы образуют материалы с определенными типичными свойствами, например, материалы с высокой магнитной индукцией насыщения, материалы с постоянной магнитной проницаемостью и т.п.

В число магнитных материалов включают, как особый тип материалов, немагнитные стали.

5.2 Основные характеристики магнитных материалов

Для характеристики намагничивания вещест­ва вводят величины: В – магнитная индукция (Тл), Н – на­пряжённость магнитного поля (А/м), М – намагниченность (А/м), χ – магнитная восприимчивость, μ – магнитная прони­цаемость (Гн/м), Ф – магнитный поток (Вб).

Магнитная индукция В – векторная величина, которая характеризует интенсивность магнитного поля и определяет силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Численное значение магнитной индукции может быть опре­делено из выражения

, (5.2)

где F –сила, действующая на проводник с током, находящим­ся в магнитном поле, Н; I - сила тока, А; l - длина проводника, м; α – угол между проводником и направлением магнитных силовых линий поля

. (5.3)

При перпендикулярном расположении проводника к магнит­ным линиям равномерного магнитного поля sinα = l.

Следовательно, если на проводник с током 1 А, длиной 1 м, расположенный в равномерном магнитном поле перпендикуляр­но к магнитным линиям, действует сила в 1 Н, то магнитная индукция такого поля равна 1 Тл.

Значение магнитной индукции зависит от строения и состояния вещества, от свойств среды, в которой возникло магнитное поле.

Электрический ток в проводе и его магнитное поле пред­ставляют собой неотделимые друг от друга стороны единого электромагнитного процесса, однако принято говорить, что электрический ток обладает свойством возбуждать магнитное поле. Это свойство тока характеризуют намагничивающей си­лой или, что то же самое, магнитодвижущей силой (МДС), ко­торую обозначают F_м.

Если ток проходит по контуру или по катушке с числом витков ω, то магнитодвижущая сила равна произведению силы тока и числа витков, т.е. F_м = Iω. Величина F_м измеряется в ампер-витках (А·в).

Магнитодвижущая сила в симметричных полях равномерно распределяется вдоль магнитной линии. Доля МДС, приходящаяся на единицу длины магнитной линии, называется напряжённостью магнитного поля Н и является одним из параметров поля.

Напряжённость магнитного поля в заданной точке зависит от силы тока, формы проводника и в однородной среде не за­висит от свойств среды (вещества). Напряжённость поля яв­ляется векторной величиной. Направление вектора напряжен­ности в изотропных средах, т. е. в средах с одинаковыми во всех направлениях магнитными свойствами, совпадает с на­правлением магнитной линии в данной точке. Напряженность магнитного поля определяется формулой

(5.4)

где l – средняя длина магнитной линии (средняя длина магнитопровода), м.

Намагниченность вещества связана с напряженностью маг­нитного поля соотношением

М = χ H, (5.5)

где χ – магнитная восприимчивость – величина, характеризующая свойства вещества намагничиваться в магнитном поле.

Из формулы (5.5) следует, что

. (5.6)

Намагниченность, как и напряжённость магнитного поля, является векторной величиной, характеризующей магнитное состояние вещества.

Отношение магнитной индукции к напряженности магнитного поля называется абсолютной магнитной проницаемостью μ_a

. (5.7)

Сравнивая магнитное поле в данной среде и в вакууме, установили, что в зависимости от свойств среды (материала) поле получается более интенсивным (парамагнитные материалы), чем в вакууме, или, наоборот, менее интенсивными (диа­магнитные материалы).

Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной μ₀. В системе СИ μ₀ = 4π 10^-7 Гн/м.

Абсолютную магнитную проницаемость различных материа­лов (сред) сравнивают с магнитной постоянной. Отношение абсолютной магнитной проницаемости какого-либо материала к магнитной постоянной называется магнитной проницаемостью μ (или относительной магнитной проницаемостью)

. (5.8)

Относительная магнитная проницаемость – отвлечённое число. Для диамагнитных материалов и сред μ < 1. Для парамагнитных веществ μ ≥ 1(например, для воздуха μ=1). В технических расчётах магнитная проницаемость диамагнитных и парамагнитных ма­териалов и сред принимается равной единице.

У ферромагнитных материалов, играющих исключительно важную роль в электротехнике, магнитная проницаемость достигает десятков тысяч и зависит от вида материала, темпера­туры, индукции и напряжённости магнитного поля.

Магнитный поток Ф можно представить (если условиться изображать его графически) общим числом магнитных линий, проходящих через всю рассматриваемую поверхность. В частно­сти, под магнитным потоком Ф, проходящим через площадь S, перпендикулярную к магнитным линиям, понимают произведе­ние магнитной индукции В на площадь, которая пронизывается этим потоком

Ф = BS. (5.9)

Подставив в эту формулу значение магнитной индукции в теслах и значение площади в квадратных метрах, получим магнитный поток в веберах.

Важным показателем свойств является точка (температура) Кюри, при нагреве до которой магнитные материалы переходят в парамагнитное состояние.

Магнитное насыщение характеризуется индукцией насыщения В_S. Часто она определяется как значение магнитной индукции, после которой при увеличении напряжённости поля в два раза при­рост индукции не более 5 %.

Остаточная индукция B_r – это магнитная индукция при нулевой напряжённости магнитного поля после предшествующего намагничива­ния до индукции насыщения.

Коэрцитивная сила по магнитной индукции Н_C – это напряжённость магнитного поля, которая необходима, чтобы после предшествую­щего намагничивания до насыщения магнитная индукция упала до нуля.

Остаточная индукция и коэрцитивная сила определяются по предель­ной петле гистерезиса. Эти показатели свойств указываются как для магнитомягких, так и для магнитотвёрдых материалов. Кроме них для определённых групп материалов приводят другие показатели свойств, которые характеризуют возможности их использования в определённом рабочем режиме.

Кроме того, разумеется, важны и такие показатели свойств, как плотность, температура плавления и т. п.

У магнитных материалов специального назначения к основным по­казателям свойств могут быть отнесены и некоторые специальные пока­затели, например коэффициент магнитострикции – у магнитострикционных материалов, или коэффициент прямоугольности петли гистерезиса – у ма­териалов для магнитных запоминающих устройств. У материалов, пред­назначенных для постоянных магнитов, главным показателем свойств является произведение (ВН)max, т.е. максимальное значение произве­дения магнитной индукции и напряжённости магнитного поля на кривой размагничивания образца материала. Это произведение равно удвоенному значению максимальной удельной магнитной энергии ма­териала. От этого показателя зависит объём магнита, необходимого для создания магнитного поля в заданном воздушном зазоре. Чем больше это произведение, тем меньше объём, а следовательно, и масса магнита.

Если ферромагнетик поместить в магнитное поле, то при увеличении напряжён­ности внешнего поля H можно наблюдать возрастание магнитной индукции В (рисунок 5.3), которое обусловлено двумя основными процессами: смещением до­менных границ и поворотом магнитных моментов доменов.

Рисунок 5.3 – Возрастание магнитной индукции с ростом напряжённости магнитного поля

В качестве исходного примем размагниченное состояние ферромагнетика. Этому состоянию соответствует ориентация cпинов в доменах, показанная на рисунке 5.4, а при увеличении напряжённости поля увеличивается объём тех доменов, магнитные моменты которых образуют наименьший угол с направлением внешнего поля (рисунок 5.4,б), при этом магнитная восприимчивость не изменяется, а магнитная индукция возрастает пропорционально напряжённости поля (участок 1 на рисунке 5.3). После снятия поля доменные границы возвращаются в исходное положение.

В области более сильных полей смещение доменных границ носит необратимый характер (рисунок 5.4, в). На участке необратимого смещения границ кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну (участок 2 на рисунке 5.3).

Р исунок 5.4 – Разные случаи ориентации спинов в домéнах

По мере дальнейшего увеличения напряжённости поля начинает работать второй механизм намагничивания – происходит поворот магнитных моментов доменов в направлении поля (участок 3 на рисунке 5.3). Когда все магнитные моменты доменов оказываются сориентированными вдоль поля (рисунок 5.4, г), наступает техническое насыщение намагниченности (участок 4 на рисунке 5.3). Некоторое увеличение индукции на участке насыщения вызвано произведением в уравнении (5.12) и увеличением намагниченности самого домена.

Если после намагничивания ферромагнетика до насыщения уменьшать напряжён­ность внешнего поля Н, то индукция уменьшится, однако она будет больше, чем при начальном намагничивании. На рисунке 5.5 представлены зависимости B = f (H) при увеличении и уменьшении напряжённости поля; они не тождественны вслед­ствие явления гистерезиса. При уменьшении Н до нуля в образце остаётся остаточная индукция В_r. Для того чтобы уменьшить индукцию до нуля, необходимо изменить направление поля на противоположное, после чего увеличивать напряжённость поля до величины H_с , называемой коэрцитивной (задерживающей) силой. Если после этого продолжать увеличивать напряжённость поля, то ферромагнетик намагнитится до насыщения B_S. Изменяя циклически напряжённость поля H, можно получить петлю гистерезиса.

Экспериментально установлено, что в монокристаллах ферромагнетиков суще­ствуют направления лёгкого и трудного намагничивания. Это явление называ­ется магнитной анизотропией. Так, например, у железа, имеющего структуру объёмноцентрированного куба, направления легкого намагничивания совпадают с рёбрами куба. Направления трудного намагничивания совпадают с диагона­лями куба. Направления среднего намагничивания совпадают с диагоналями гра­ней куба. У никеля, имеющего структуру гранецентрированного куба, наоборот, ось легкого намагничивания совпадает с диагональю куба, а ось трудного намаг­ничивания – с ребром куба.

Рисунок 5.5 – Петля гистерезиса при намагничивании и размагничивании ферромагнетика

П ри намагничивании ферромагнетиков наблюдается изменение их размеров и формы. Такое явление называется магнитострикцией. Магнитострикцию оценива­ют значением относительной деформации материала в направлении магнитного поля

(5.14)

Численное значение коэффициента магнитострикции зависит от типа структуры, кристаллографического направления, напряженности магнитного поля и температуры. При этом магнитострикция может быть как положительной, так и отрицательной, то есть размеры образца в направлении поля при намагничивании могут как увеличиваться, так и уменьшаться. Так, например, для монокристалла железа, намагниченного в направлении ребра куба, линейные размеры в этом направ­лении уменьшаются, при намагничивании вдоль диагонали куба – увеличиваются.

Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле связан с потерями энергии, вызывающими нагрев материала. Эти потери обу­словлены необратимым смещением границ доменов; они пропорциональны пло­щади петли гистерезиса и частоте переменного магнитного поля. Мощность потерь, расходуемых на гистерезис, определяется

, (5.15)

где η – коэффициент, зависящий от свойств материала; B_max – максимальная индукция в течение цикла перемагничивания; п = 1,6–2,0 – показатель степени, зависящий от B_max; f – частота; V – объём образца.

Помимо потерь на гистерезис перемагничивание магнитного материала сопро­вождается динамическими потерями, обусловленными вихревыми токами, кото­рые магнитный поток индуцирует в магнитном материале. Эти токи возникают в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Мощность потерь на вихревые токи определяется формулой

, (5.16)

где ξ – коэффициент, зависящий от удельной проводимости, формы и размеров поперечного сечения материала.

Для работы в переменных магнитных полях используют ма­териалы с узкой петлёй гистерезиса, т. е. с очень малой коэр­цитивной силой. Например, коэрцитивная сила высоконикеле­вых легированных пермаллоев лежит в пределах 1–5 А/м. Для уменьшения потерь, кроме того, применяют специальные меры. Так, для уменьшения потерь на вихревые токи стараются по­высить удельное электрическое сопротивление магнитных мате­риалов. В электротехнических сталях повышение электриче­ского сопротивления достигается легированием кремнием. При­менение в магнитопроводах тонких листов ферромагнитных материалов, изолированных друг от друга лаком или окалиной, уменьшает потери на вихревые токи. В порошковых магнитных материалах частицы самого магнитного материала покрыты электроизоляционной связкой.

Применяющиеся в электротехнике магнитные материалы обычно разделяют на магнитомягкие, магнитотвёрдые и мате­риалы с особыми свойствами.