ИЭ / Лабораторные / 1 лаба / №1 Магнитные материалы НОВОЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: освоить методику исследования свойств магнитных материалов, получить первоначальные представления о нелинейных свойствах материалов, экспериментально определить параметры магнитных материалов.

Введение

Известно, что магнитные свойства материалов обусловлены наличием магнитного момента атомов вещества. Поведение вещества в магнитном поле и его магнитные свойства описываются уравнениями квантовой механики. Однако в боле простом виде можно сказать, что в зависимости от строения атомов вещества, то есть конфигурации электронных оболочек атомов, и от структуры вещества, то есть распределения атомов в кристаллической решетке, у различных материалов будут разные магнитные свойства. В большинстве случаев структура атомов вещества и структура материалов в целом таковы, что суммарный магнитный момент атомов близок к нулю. Такие материалы слабо взаимодействуют с внешним магнитным полем, то есть являются слабомагнитными. Тем не менее, у некоторых материалов суммарный момент атомов отличен от нуля. Такие материалы хорошо взаимодействуют с внешним магнитным полем, то есть являются сильномагнитными материалами.

Таким образом, можно провести классификацию всех материалов по их магнитным свойствам. Как говорилось ранее, все материалы в той или иной степени взаимодействуют с магнитным полем, однако, степень этого взаимодействия различна. Все материалы можно разделить на сильно магнитные и слабо магнитные (рис. 1). Применительно к электротехническим материалам нас будут интересовать только сильномагнитные материалы, поэтому условно их можно называть просто магнитными материалами, соответственно слабомагнитные можно условно называть немагнитными материалами. Физическим параметром, определяющим магнитные свойства материала, является относительная магнитная проницаемость μ. Для слабомагнитных материалов μ ≈ 1, а для сильномагнитных μ >> 1. В свою очередь слабомагнитные материалы подразделяются на диамагнетики, парамагнетики и антиферромагнетики. Данные материалы отличаются друг от друга степенью восприимчивости их магнитной проницаемости на изменение температуры и напряженности магнитного поля. К сильномагнитным материалам относятся ферромагнетики и ферримагнетики. Данные материалы отличаются структурой вещества, величиной удельного электрического сопротивления ρ, а также имеют различные магнитные свойства.

Рис. 1. Классификация материалов по магнитным свойствам

Основные свойства магнитных материалов

Известно, что магнитное поле создается электрическим током, то есть движением заряженных частиц. Проводник с током создает вокруг себя магнитное поле, которое характеризуется напряженностью H [А/м]. Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция B [Тл], которая связана с напряженностью поля выражением

где μ0 = 4π ∙ 10-7 – магнитная постоянная.

По характеру изменения зависимости B(H) различают материалы с линейной зависимостью, нелинейной и с петлей гистерезиса (рис. 2). К материалам с линейной зависимостью относятся диамагнетики и парамагнетики (а), антиферромагнетики имеют нелинейную зависимость (б). Ферро- и ферримагнетики, то есть все сильномагнитные материалы обладают петлей гистерезиса (в). Наличие гистерезиса в зависимости B(H), говорит о том, что характер изменения зависит от того, увеличивается или уменьшается значение H.

Рис. 2. Зависимости B(H) для материалов с различными характеристиками

На рис. 3(в) синим цветом отмечена основная кривая намагничивания. Данная крива образуется семейством петель гистерезиса, как максимальное и минимальное вершины петли. Другой физический смысл основной кривой намагничивания – это значение функции B(H) для полностью размагниченного материала. На петле гистерезиса отмечены точки Br и Hc, т.е. точки пересечения с осями. Точка Br называется остаточной намагниченностью – это то значение магнитной индукции, которое остается в материале после отключения внешнего магнитного поля. Точка Hc – это коэрцитивная сила, т.е. такая напряженность магнитного поля, которая необходима, чтобы полностью размагнитить материал.

Сильномагнитные материалы

К ферромагнитным материалам относятся Fe, Ni, Co и сплавы на их основе. Их относительная магнитная проницаемость принимает значение 103 – 106. Также к ферромагнитными свойствами обладают некоторые редкоземельные металлы: Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm. Однако, их относительная магнитная проницаемость хоть и выше, чем у слабомагнитных материалов, но принимает значение лишь ~ 10. Ферромагнетики обладают специфической структурой и состоят из доменов. Домен – микроскопическая область внутри материала (0.01 – 10 мм3), в которой спонтанно ориентирован магнитный момент частиц. При воздействии внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов ориентируются вдоль линий поля, придавая таким образом магнитные свойства материалу.

Ферримагнитные материалы (ферриты) получаются путем спекания смеси оксида железа Fe2O3 и других оксидов металлов. Технология производства ферритов схожа с производством керамических изделий. В начале происходит смешивание исходных компонентов (оксидов), далее идет формование изделия, которое в дальнейшем подвергается высокотемпературной обработке (спеканию). Конечно, данный технологический процесс описан весьма упрощенно, т.к. реальное производство как ферритов, так и электротехнической керамики, включает в себя значительно большее число стадий производства. Широкое применение нашли следующие оксидные смеси:

•MnO – ZnO – Fe2O3 марганец-цинковый феррит;

•NiO – ZnO – Fe2O3 никель-цинковый феррит;

•MgO – MnO – Fe2O3 магний-магниевый феррит;

•BaO – Fe2O3 бариевый феррит.

На самом деле существует очень большое количество различных типов ферритов, которые применяются в технике. Ферримагнитные материалы могут иметь одинаковый по состав химических элементов, но с разную концентрацию. В зависимости от концентрации оксидов ферриты имею различные магнитные свойства.

Ферро- и ферримагнитные материалы имеют схожие свойства. Принципиальным отличием является их значение удельного сопротивления. Так как ферромагнетики – это металлы, то есть они являются проводниками, они обладают низким удельным сопротивлением (10-7 – 10-6 Ом∙м). Ферримагнетики наоборот являются полупроводниками и диэлектриками, так как изготовлены из оксидов металлов, а все они обладают низкой электропроводностью. Удельное сопротивление ферримагнетиков достигает значений 106 – 109 Ом∙м.

Кроме отличия в значении удельного сопротивления, существует некоторое различие в частотной зависимости относительной магнитной проницаемости μ(f). Относительная магнитная проницаемость всех магнитных материалов снижается при увеличении частоты магнитного поля (рис. 3а). Это связано с тем, что магнитные моменты не успевают ориентироваться вдоль линий магнитного поля. Получается, что внешнее магнитное поле меняет свое направление быстрее, чем могут ориентироваться магнитные моменты внутри материала. Из рисунка видно, что значение μ в области низких частот выше для ферромагнетиков. При частоте ~ 105 Гц все ферромагнетики теряют свои магнитные свойства. Поэтому при частотах выше 105 Гц возможно использование только ферримагнитных материалов.

Рис. 3. Общий вид зависимостей относительной магнитной проницаемости от частоты и температуры для ферро- и ферримагнитных материалов

Также ферро- и ферримагнитные материалы отличаются своими механическим свойствами. Так как ферромагнетики являются металлами, то обладают пластичностью по сравнению с ферримагнитными, которые являются весьма хрупкими материалами.

Немаловажной особенностью всех сильномагнитных материалов является влияние температуры на их магнитные свойства, в частности на относительную магнитную проницаемость. С увеличением температуры подвижность носителей заряда увеличивается, а, следовательно, и увеличивается подвижность магнитных моментов атомов. Поэтому при увеличении температуры происходит рост

магнитной проницаемости. Однако, при достижение некоторой температуры происходит полная разориентация магнитных моментов, при этом значение магнитной проницаемости резко снижается до ~ 1 (рис. 3б). В таком состояние материал становится парамагнетиком, то есть слабомагнитным (немагнитным) материалом. Значение температуры, при которой материал теряет свои магнитные свойства, называется температурой Кюри Tc. Значение температуры Кюри для некоторых магнитных материалов приведено в таблице 1.

Таблица 1. Значение температуры Кюри для некоторых магнитных материалов

Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие электротехнические материалы характеризуются низким значением коэрцитивной силы Hc ≤ 800 А/м. Другими словами это такие материалы, которые легко намагнитить и также легко размагнитить.

Кмагнитомягким материалам относятся простые ферромагнетики Fe, Ni, Co,

атакже редкоземельные металлы. Однако, в чистом виде данные материалы не используются. Железо является относительно недорогим материалом и обладает хорошими магнитными свойствами. Тем не менее из-за высокой коррозии (взаимодействия с кислородом и образования оксида железа) в чистом виде железо не используется. Никель и кобальт являются более редкими элементами, поэтому в чистом виде не используются ввиду своей стоимости. Поэтому из ферромагитных материалов в технике используются только сплавы на основе Fe, Ni, Co. Также широкое применение находят магнитомягкие ферриты.

1) Низкоуглеродистая сталь.

Наиболее простым и одним из самых дешевых магнитомягким сплавом является сталь. Известно, что сталь представляет собой сплав железа и углерода. В зависимости от концентрации углерода в сплаве возможно получение: низкоуглеродистой, углеродистой или высокоуглеродистой стали. Однако, при концентрации C > 2.14% получается чугун, который не является магнитным материалом. Для низкоуглеродистой стали концентрация углерода не превышает

0.25%:

Fe + < 2.14% C → низкоуглеродистая сталь.

2) Кремнистая электротехническая сталь.

В отличие от низкоуглеродистой стали в электротехническую сталь добавляют 1 – 5 % Si с целью повышения магнитных свойств, в том числе увеличения магнитной проницаемости, а также увеличения удельного сопротивления сплава:

Fe + < 2.14% C + (1 – 5) % Si → электротехническая сталь.

3) Пермаллои.

Данные материалы представляют собой сплавы Fe и Ni, легированные Mo, Cr, Cu, Si, Mn, Co и другими элементами:

Fe + (35 – 80) % Ni + (Mo, Cr, Cu, Si, Mn, Co и др.) → пермаллой.

Отличительной особенностью пермаллоев является более высокое значение относительной магнитной проницаемости μ ≈ 105, по сравнению со сталью. Также можно отдельно выделить сплав супермаллой, который имеет μ ≈ 106:

16% Fe + 79%Ni + 5% Mo → супермаллой.

Недостатком пермаллоев является большое содержание Ni, что сильно отражается на стоимости данных материалов.

4) Альсифер.

Данный материал является более дешевым сплавом с высокой магнитной проницаемостью μ ≈ 105:

5.5% Al + 9.5% Si + 85% Fe → альсифер.

Недостатком данного сплава является его хрупкость.

5) Магнитодиэлектрики.

Магнитодиэлектрики – это композиционные материалы, состоящие из диэлектрической матрицы и магнитомягкого наполнителя. В качестве диэлектрической матрицы используются различные полимеры или керамика. В качестве магнитного наполнителя используются частицы вышеперечисленных материалов размером 1 – 100 мкм. Такие материалы обладают сравнительно небольшой магнитной проницаемостью μ ≈ 10 – 250, но более высоким удельным сопротивлением ρ ≥ 109 Ом∙м.

6) Магнитомягкие ферриты.

К магнитомягким ферритам относятся Mn – Zn, Ni – Zn, Li – Zn, Mg и другие ферриты. Отличие данных материалов в физических свойствах от магнитомягких ферромагнетиков описано выше.

Магнитомягкие материалы применяются в качестве магнитопроводов. Из данных материалов изготавливаются сердечники трансформаторов и катушек индуктивности. Ферриты применяются в качестве элементов ВЧ фильтров. Также магнитомягкие материалы используются для экранирования от внешних магнитных полей.

Магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы – это материалы, способные длительное время сохранять магнитную энергию. Для них характерно значение коэрцитивной силы Hc ≥ 4 кА/м. Такие материалы сложно намагнитить и сложно размагнитить и их также называют постоянными магнитами. Магнитотвердые материалы принято характеризовать величиной коэрцитивной силы и значением плотности магнитной энергии Wm [кДж/м3], которое определяется выражением

2

где H и B – напряженность магнитного поля и магнитная индукция внутри материала.

Обязательным этапом производства магнитотвердых материалов, в отличие от магнитомягких, является их намагничивание внешним магнитным полем. Намагничивание производится на последней стадии производства материала. При создании ферромагнитного сплава, его охлаждение осуществляют во внешнем магнитном поле. При создании магнитотвердых ферритов осуществляется спекание оксидов в магнитном поле. После создания окончательного изделия из магнитотвердого материала, его снова помещают во внешнее магнитное поле с целью насыщения магнитной энергией.

1) Углеродистая сталь.

Углеродистая сталь содержит 0.25 – 1 % С. Для улучшения электрических, магнитных и механических свойств добавляют легирующие добавки Mn, Cr, Si:

Fe + (0.25 – 1)% C + Mn, Cr, Si → углеродистая сталь.

Для углеродистой стали характерны значение Hc ≈ 15 кА/м и Wm ≈ 4 кДж/м3.

2) Сплавы.

Для получения магнитотвердых материалов широко используются сплавы на основе Al – Ni, Cu – Ni, Co + Fe и редкоземельных металлов:

Al + Ni + Cu + Fe → ални;

Al + Ni + Si + Cu + Fe → алниси; Al + Ni + Co + Cu + Fe → алнико; Cu + Ni + Co + Fe → кунифе;

Co + V + Fe → викаллой;

Sm + Co + (Fe, Cu, Zr) → самариево-кобальтовый сплав; Nd + Fe + B + Co + Al → неодимовый сплав.

Сплавы на основе Al – Ni, Cu – Ni и Co + Fe имеют Hc = 40 – 150 кА/м и Wm до 80 кДж/м3. Наибольшими значениями коэрцитивной силы и плотности магнитной энергии обладают сплавы на основе редкоземельных металлов. Наибольшими значениями среди всех магнитотвердых материалов обладает неодимовый сплав: Hc = 880 кА/м и Wm = 320 кДж/м3.

3) Магнитотвердые ферриты.

К данному классу материалов относятся Ba и Ba-Sr ферриты. Магнитотвердые ферриты имеют параметры Hc = 240 кА/м и Wm = 30 кДж/м3.

Магнитотвердые материалы применяются в качестве постоянных магнитов в устройствах, где ввиду малых размеров элементов нет возможность использовать электромагниты.

Магнитные материалы специального назначения

К материалам специального назначения относятся магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса и магнитострикционные материалы.

Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса применяются в устройствах автоматики, вычислительной техники, многоканальных импульсных системах радиосвязи в качестве элементов с двумя устойчивыми состояниями, которые характеризуются положительным и отрицательным значениями остаточной индукции, то есть противоположными направлениями намагниченности.

Магнитострикционные материалы – это материалы для которых характерно изменение геометрических размеров при воздействии внешнего магнитного поля. Явление магнитострикции используется для генерации и приема звуковых и ультразвуковых колебаний. Широко распространены магнитострикционные датчики для измерения механических напряжений или деформаций.

Магнитные жидкости

Магнитная жидкость – это композиционный материал, состоящий из жидкой (немагнитной) основы и магнитного наполнителя. В качестве жидкой основы используются вода, синтетические и натуральные масла, бензол и другие жидкости. В качестве магнитного наполнителя применяются мелкодисперсные частицы магнитотвердых материалов (10 нм – 1 мкм). Однако, для того чтобы частицы были равномерно распределены по всему объему необходимо добавление в композиционную жидкость поверхностно-активных веществ, которые взаимодействуют с частицами магнитного материала, препятствуя их оседанию. Примерами поверхностно-активных веществ для магнитных жидкостей являются олеиновая кислота C18H34O2, гидроксид тетраметиламмония (CH3)4NOH и другие.

Магнитные жидкости используются в электронных устройствах и машиностроении в качестве герметизирующих веществ, а также веществ для снижения трения подвижных частей.

Аморфные металлы

Аморфные металлы (металлические стёкла) — класс металлических твердых тел с аморфной структурой, характеризующейся отсутствием дальнего порядка и

От лабораторного автотрансформатора (ЛАТР) регулируемое напряжение подается на понижающий трансформатор Тр. Через сопротивление Rp = 0,22 Ом напряжение поступает на обмотку W1 (W1 = 1400 витков) пермеаметра “Перм”, служащего для создания испытательного магнитного поля. На вход горизонтального отклонения X осциллографа подается напряжение с сопротивления Rp, пропорциональное величине тока, протекающего по первичной обмотке пермеаметра, т. е. пропорциональное напряженности магнитного поля.

Образец “Обр” испытуемого материала в виде тонкой и узкой полоски вставляется внутрь измерительной катушки W2 (W2 = 200 витков) так, чтобы замкнуть магнитный поток пермеаметра. Сигнал с катушки W2 через интегрирующую RC-цепь (R = 620 кОм, С = 0.3 мкФ) поступает на усилитель с коэффициентом усиления Kу = 100 и далее на вход вертикального отклонения Y осциллографа “Осц”. Важно отметить, что это напряжение пропорционально индукции магнитного поля в образце.

Порядок выполнения работы

1.Включить осциллограф нажатием кнопки «Вкл» и дождаться появления сообщения о прохождении проверки (рис. 5).

2.Вставить USB-флеш-накопитель в USB-порт и дождаться появления сообщения о подключенном устройстве.

3.Включить установку поднятием тумблера, при этом ручка ЛАТРа должна быть повёрнута до упора влево.

4.Зафиксировать образец между сердечником пермеаметра и прижимной пластиной (рис. 6). Записать номер образца в протокол.

5.Поворотом ручки ЛАТРа по часовой стрелке увеличивать ток намагничивания до тех пор, пока петля гистерезиса не займёт весь экран.

6.Роликами «Смещение Y» для каждого канала осциллографа отрегулировать положение петли гистерезиса так, чтобы точки пересечения с осями занимали симметричное положение относительно начала координат

7.Кнопкой «Сохр» сохранить снимок экрана. Записать номер снимка в протокол

8.С учётом того, что должно получиться 5-6 точек основной кривой намагничивания, уменьшить ток намагничивания поворотом ручки ЛАТРа влево на приемлемый угол.

9.Повторить последовательность действий 7-9.

10.После этого повернуть ручку ЛАТРа влево до упора, достать образец, заменить его на следующий и повторить действия 6-10

11.После того, как будут выполнены измерения для всех образцов. Повернуть ручку ЛАТРа влево до упора, выключить установку нажатием тумблера вниз. Вынуть USB-флеш-накопитель из USB-порта. Выключить осциллограф.

12.Запросить у преподавателя информацию с описанием геометрических размеров и плотности исследованных образцов