Магнитные материалы

Любое вещество, помещённое в магнитное поле приобретает магнитный моментМ. Магнитные момент единицы объёма называют намагниченностьюj_m, [А/м]:

.

При неравномерном намагничивании оценивают величину Jm:

.

Связь намагниченности с напряжённостью магнитного поля:

,

где - магнитная восприимчивость, Н – напряжённость магнитного поля.

Магнитная восприимчивость – способность вещества намагничиваться. Намагниченное тело, находящееся во внешнем поле, создаёт собственное магнитное поле, направленное в изотропных средах параллельно или антипараллельно внешнему полю. Вследствие этого величина магнитной индукции вещества будет равна алгебраической сумме внешнего и внутреннего полей:

где - относительная магнитная проницаемость – показывает, во сколько раз магнитная индукция в веществе больше чем в вакууме.

Классификация веществ по магнитным свойствам

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества делятся на 5 групп:

• Диамагнетики

• Парамагнетики

• Ферромагнетики

• Антиферромагнетики

• Ферримагнетики

Диамагнетики

К ним относятся вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряжённости внешнего магнитного поля.

Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электронов в атоме при попадании этого атома в магнитное поле. Изменение скорости – проявление закона электромагнитной индукции на атомарном уровне. При этом орбита электрона рассматривается как некий замкнутый контур, по которому течёт ток, и этот контур не имеет активного сопротивления.

Очевидно, что диамагнетизм универсален, присущ всем веществам, однако в большинстве случаев он маскируется другими более сильными магнитными проявлениями.

[Можно провести параллель в диэлектриками: электронная поляризация маскируется более сильными видами поляризации]

К чистым диамагнетикам относят инертные газы, многие жидкости (вода, нефть и её производные), ряд металлов (Cu,Ag,Au,Zn,Hg,…), большинство полупроводников (элементарные, соединенияA^IIIB^V,A^IIB^VI, органические соединения и неорганические стёкла) и многие другие.

Численное значение магнитной восприимчивости составляет ─1(10^-6…10^-7). Она слабо зависит от температуры, так как определяется внутриатомными процессами. Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля.

Парамагнетики

К ним относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от внешнего магнитного поля.

В парамагнетике атомы обладают элементарным магнитным моментом даже в отсутствии внешнего магнитного поля. Но из-за теплового движения суммарный заряд без внешнего магнитного поля равен нулю. Внешнее поле, накладываемое на парамагнетик создаёт преимущественную ориентацию, которая тем не менее не является строгой.

Температура сильно влияет на магнитную восприимчивость материала. Зависимость магнитной восприимчивости от температуры определяется законом Кюри – Вейса. При комнатной температуре величина k_mсоставляет у разных веществ от 10^-3до 10^-6. Следовательно, из магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы.

Физическое проявление парамагнетизма – втягивание парамагнетика в неоднородное магнитное поле.

К числу парамагнетиков относят кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы (Al), соли железа, кобальта, никеля.

[аналог дипольно-релаксационной поляризации]

Ферромагнетики

К ним относят вещества с большим положительным значением магнитной восприимчивости (до 10⁶), которая сильно зависит от температуры и напряжённости внешнего магнитного поля.

Им присуща внутренняя магнитная упорядоченность, которая характеризуется наличием макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов (доменов).

Важнейшей особенностью является способность намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях. Намагниченность до насыщения ведёт к переходу в однодоменное состояние.

[аналог спонтанной поляризации]

Антиферромагнетики

К ним относят вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки.

Для антиферромагнетиков характерна небольшая положительная магнитная восприимчивость: у разных веществ от 10^-3до 10^-5, она сильно зависит от температуры. При нагревании как и ферромагнетики испытывают фазовый переход в парамагнетическое состояние. У ферромагнетиков такой переход происходит в точке Кюри, а у антиферромагнетиков – в точке Нееля (или антиферромагнитной точке Кюри).

При комнатной температуре к ним относятся хром, марганец, редкоземельные элементы (цезий, неодим, самарий, таллий и др.). Типичные антиферромагнетики – простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы: оксиды, галогениды, сульфиды, карбонаты и тому подобные. Всего около 1000 химических соединений.

Ферримагнетики

К ним относятся вещества, с нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от температуры и напряжённости внешнего магнитного поля. Имеются некоторые различия: ферримагнетикам не присуще доменное строение вещества.

Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные сплавы металлов, но главным образом – оксидные соединения, среди которых наибольший интерес представляют ферриты (именно от них и получила название группа).

Очевидно, что сильными магнитными свойствами обладают две крупы: ферромагнетики и ферримагнетики. Именно они представляют интерес для дальнейшего изучения.

Природа ферромагнитного состояния

Для образования сильных магнитных свойств у вещества необходимо выполнение двух условий:

1. Наличие элементарного магнитного момента атомов вещества4

2. Должна быть параллельная ориентация этих магнитных моментов.

Отличным от нулю магнитным моментом обладают те атомы и ионы, которые в своих электронных оболочках имеют нескомпенсированные спины. Как известно, на одной орбитали атома не может находиться не более двух электронов с противоположными спиновыми моментами. Если на орбитали останется один электрон, то его движение вокруг ядра атома создает пусть очень маленькое, но магнитное поле, которое и будет тем самым элементарным магнитным моментом атома.

Параллельную, антипараллельную или хаотическую ориентацию элементарных магнитных моментов создаёт обменное взаимодействие электронных оболочек соседних атомов. Сила обменного взаимодействия (А) существенно зависит от размера атома (d) и от расстояния между атомами (а).

Рисунок 49

Iантипараллельное расположение элементарных магнитных моментов. Антиферромагнетики.

IIпараллельное расположение элементарных магнитных моментов. Ферромагнетики (Fe,Co,Ni).

IIIхаотическое расположение элементарных магнитных моментов. Парамагнетики.

С этой позиции очевидно, что величина и знак силы обменного взаимодействия определяются для каждого конкретного вещества расстоянием между соседними атомами. Поскольку оно изменяется с изменением температуры, она оказывает сильное влияние на магнитные свойства этих веществ, а при некоторой температуре антиферромагнетики и ферромагнетики переходят в парамагнитное состояние, когда обменное взаимодействие ослабляется очень сильно.

Формирование магнитных свойств ферримагнетиков

Ферримагнетики получили своё название от ферритов – соединений окислов железа с окислами других металлов. Общая формула имеет вид Fe₂O₃·МеО.

В технике находят применение сотни различных ферритов. Наиболее широкое распространение характерно для ферритов со структурой шпинели.

Химический сосав ферритов (феррошпинелей) соответствует формуле МеFe₂O₄. Наличие или отсутствие магнитных свойств у ферритов определяется порядком расположения атомов металла, железа и кислорода. Магнитоактивные катионы металла и железа в ферритах находятся относительно друг от друга, и их взаимодействие очень слабо. Однако здесь имеет место так называемое косвенное обменное взаимодействие всех атомов, входящих в химическое соединение. При этом атомы металла и железа приобретают сонаправленные элементарные магнитные моменты за счёт участия в обменном взаимодействии атома кислорода.

Ме Fe O

Магнитомягкие материалы

Используются для постоянного и НЧ магнитного поля.

Они отличаются высокой магнитной проницаемостью, большой индукцией насыщения и малой коэрцитивной силой. График зависимости магнитной индукции от напряжённости магнитного поля:

Рисунок 50

Индукция насыщения – точка, в которой все домены ориентированы по полю. Её величина показывает, какой магнитный поток может протекать через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. Чем больше В, тем больше магнитный поток и тем меньше геометрические размеры магнитной системы.

Наличие петли гистерезиса определяет величину потерь энергии при перемагничивании. Таким образом, магнитомягкие материалы – материалы, способные пропускать большой магнитный поток через малую площадь с относительно небольшими потерями при перемагничивании.

Типичные представители: железои низкоуглеродистые стали. Они являются основными компонентами большинства магнитных систем.

Магнитные свойства железа существенно зависит от количества и состава примесей и от структуры материала.

Железо обладает самой большой индукцией насыщения – 2,2Тл.

Особо чистое железо с концентрацией примесей менее 0,05% может быть получено двумя способами:

1. Электролиз из раствора сернокислого или хлористого железа, в результате которого получается порошок, в дальнейшем подвергается вакуумной плавке.

2. Переработка пента карбоната железа Fe(CO)₅. Под действием температуры он разлагается по схеме:

Fe(CO)₅Fe+5CO_(г)

В результате получается карбонильное железо, представляющее собой мелкодисперсный порошок, удобный для изготовления прессованных деталей (сердечников).

Примеси относительно слабо влияют на магнитные свойства железа, если их концентрация ниже предела растворимости. Следовательно, вредными примесями являются те, которые плохо растворяются в железе: С, O,N,S. Из-за плохой растворимости при охлаждении расплава они выделяются в виде фаз, затрудняющих смещение доменных границ, что мешает намагниченности до насыщения.

Помимо примесей на магнитные свойства влияет структура вещества, то есть размер кристаллитов, их взаимная ориентация, число границ зёрен в единице объёма и т.д.

Чистое железо обычно применяется только для магнотопроводов постоянного тока (для постоянных магнитов), так как оно имеет хорошую проводимость, и переменные поля возбуждают в нём сильные вихревые токи, что говорит о больших потерях в таком магнитопроводе.

Кремнистая электротехническая сталь

Находит гораздо большее применение, чем железо. Представляет собой основной магнитомягкий материал массового потребления, то есть все магнитопровода трансформаторов делаются из неё.

Введением в состав стали кремния добиваются повышения удельного сопротивления и, соответственно, снижения потерь на вихревые токи. Кроме того, введение кремния в железо способствует выделению из него углерода и кислорода. При этом углерод выделяется в виде графита, в кислород – в виде оксида кремния.

В результате, такая операция приводит к увеличению максимальной магнитной проницаемости и к снижению потерь на перемагничивание. Наилучший эффект достигается при содержании кремния 6,8%, однако в промышленно выпускаемых марках стали, редко превышает 5%, так как введение кремния приводит к охрупчиванию сталей.

Кремнистая сталь обладает магнитной анизотропией. Поэтому механическая обработка в виде прокатки стали существенно улучшает магнитные характеристики стали.

Рисунок 51

Прокатанная сталь называется структурированной. Применяется изготовления ленточных магнитопроводов трансформаторов. Кроме того, использование лент или пластин необходимо для снижения потерь на вихревые токи. Поверхности этих лент обычно покрывают изоляцией, и при наборе пачки мы получаем относительно тонкие металлические слои, изолированные друг от друга, что препятствует возникновению сильных токов. Толщина ленты определяет частоту, на которой может быть использован данный магнитопровод: чем тоньше, тем выше частота.

Пермаллои

Это железоникелевые сплавы, обладающие большой магнитной проницаемостью по сравнению с железом, с очень малой коэрцитивной силой, при меньшей индукции насыщения.

Делятся на высоконикелевые (содержание Ni– 72…80%) и низконикелевые (содержаниеNi– 40…50%).

Очень лёгкое намагничивание в слабых магнитных полях объясняется отсутствием магнитной анизотропии. Слабая анизотропия облегчает поворот магнитных моментов доменов, так как и железо и никель – ферромагнетики.

Свойства пермаллоев очень чувствительны к внешним механическим воздействиям и к изменению состава. Кроме того их свойства сильно зависят от режимов термообработки (скоростей нагрева и охлаждения, а не только от температуры). Поэтому применение пермаллоев, как правило, не считается желательным, так как с ними сложно работать. Кроме того, из-за высокого содержания никеля они дороже, но пригодны для изготовления очень тонких лент (из-за пластичности никеля).

Влияние примесей:

Mo,Crувеличивают удельное сопротивление и магнитную проницаемость, уменьшает чувствительность к механической деформации и индукции насыщения.

Cuувеличивает постоянство магнитной проницаемости, температурную стабильность, удельное сопротивление, улучшает обрабатываемость.

Si,Mnувеличивают удельное сопротивление.

Маркировка состоит из букв: Н (никель), К (кобальт), М (марганец), Х (хром), С (кремний), Д (медь), У (с улучшенными свойствами), П (сплав обладает прямоугольной петлей гистерезиса). Число в маркировке – процент никеля. Например 80НХС.

Альсиферы

Это тройные сплавы Fe,SiиAl.

Оптимальный состав: 9,5% Si, 5,6%Al, остальное – железо.

Очень твёрды и одновременно очень хрупкий, вследствие чего не может быть подвергнут никакой механической обработке, за исключением лёгкой шлифовки. Он может быть отлит в деталь. Этот способ накладывает ограничение на размер, толщина проката не может быть менее 2мм, что ограничивает применение. Тем не менее по магнитным свойствам этот материал не уступает высоконикелевым пермаллоям, при этом он значительно дешевле.

Все вышерассмотренные магнитомягкие материалы низкочастотные, так как они ко всему прочему являются хорошими проводниками. С повышением частоты увеличиваются потери на гистерезис и вихревые токи. Поэтому для ВЧ материалов главным является большое значение удельного сопротивления.

К магнитомягким ВЧ материалам относятся ферриты– оксидные магнитные материалы с нескомпенсированным антиферромагнетизмом (с общей химической формулой МеFe₂O₄). Они имеют удельное сопротивление гораздо большее, чем сопротивление чистого железа: от 10³до 10¹³раз больше. Следовательно, у этих материалов мы имеем комбинированные характеристики магнитных свойств и низкие потери на высоких частотах.

Ферриты применяют в двух вариантах: либо в виде керамики (феррокерамики), либо в виде монокристаллов.

Керамические ферриты получают почти так же, как любую керамику. Единственное отличие заключается в том, что исходные компоненты должны быть очень тонко измельчены, для чего применяются водные шаровые мельницы и в технологический процесс вводится операция ферритизации продукта, то есть образование непосредственно феррита в результате термической обработки (спекание исходных компонентов). Как и всякая керамика, феррокерамика представляет собой твёрдый хрупкий материал, не допускающий применения операций резания, допускающий обработку только в виде мягкой шлифовки.

Являются диэлектриками.

Ферриты в настоящий момент дёшевы: раньше выход годных изделий составлял 3%.

В качестве магнитомягких материалов применяются никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты. Они представляют собой твёрдые растворы замещения, образованные двумя простыми ферритами, один из которых либо NiFe₂O₄, либоMnFe₂O₄, является сильно магнитным, а второйZnFe₂O₄– немагнитный.

Для ферритов, используемых с переменных полях кроме начальной магнитной проницаемости, одной из важнейших характеристик является tgδ. Потери на вихревые токи стремятся к нулю, ими можно пренебречь. В слабых магнитных полях незначительными оказываются и потери на гистерезис, поэтому именно по значениюtgδи определяют возможность использования феррита в данном частотном диапазоне.

Критическая частота – это частота, выше которой использование феррита не допустимо, tgδ=0,1.

До частот в 1 МГц предпочтительнее использовать марганец-цинковые ферриты, так как они имеют значительно меньший tgδ, большую индукцию насыщения и термическую стабильность. В то же время, никель-цинковые ферриты обладают более высокими удельными сопротивлениями и лучшими частотными свойствами.

Наиболее распространённая маркировка феррита представляет собой: на первом месте стоит численное значение начальное магнитной проницаемости, затем буква, обозначающая частотный диапазон Н (до 50МГц), ВЧ (50-600МГц), далее буквы, определяющие состав М – марганец-цинковый, Н – никель-цинковый. Например, 600НН – никель-цинковый феррит, низкочастотный, с начальной проницаемостью 600.

Применение. Магнитомягкие материалы с начальной магнитной проницаемостью от 400 до 20000 в случае помех не редко заменяют с успехом листовые материалы и электротехническую сталь. В средних и сильных полях замена листовых ферромагнетиков ферритами нецелесообразна, так как у них меньшая индукция насыщения и, следовательно, размеры и масса магнитной системы увеличиваются. Применяются в качестве сердечников контурных катушек постоянной и переменной индуктивности, фильтров, сердечников импульсных и широкополосных трансформаторов, стержневых магнитных антенн, сердечников магнитных линий задержек (в основном это феррокерамика).

Монокристаллические магнитомякие ферритыв основном находят применение при изготовлении магнитных головок записи, воспроизведения различных сигналов. Выращиваются газоплазменным методом Вернейля.

Магнитодиэлектрики

Получают методом прессования порошкообразного ферромагнетика с изолирующей (в электрическом смысле) органической или неорганической связкой.

В качестве магнитной основы применяют порошки карбонильного железа, альсифера или молибденового пермаллоя. В качестве связки используется фенолформальдегидные смолы, полистирол, стекло и другие.

Магнитная основа должна обладать как можно лучшими магнитными характеристиками, а связка должна образовывать тонкие, желательно одинаковой толщины, слои между кристаллитами ферромагнетика.

В результате получается материал с относительно невысокой магнитной проницаемостью (на более 250), с плохими механическими свойствами (хрупкий). При чём малая магнитная проницаемость объясняется разобщением частиц ферромагнетика.

Для магнитодиэлектриков характерны следующие положительные свойства: из-за сильного размагничивающего фактора они имеют близкую к линейной зависимость индукции от напряжённости внешнего магнитного поля, так как у них практически нет петли гистерезиса, следовательно, малые потери на гистерезис. По этой же причине магнитная проницаемость практически не зависит от внешнего магнитного поля, вследствие этого индуктивность катушки, в которую вставлен стержень из магнитодиэлектрика, растёт быстрее, чем активное сопротивление. Следовательно имеет место очень высокая добротность.

Область применения: катушки фильтров генераторов, частотомеров, контуров радиоприёмников.

Магнитотвёрдые материалы

Отличаются от магнитомягких большей коэрцитивной силой.

Рисунок 52

Следовательно, площадь петли гистерезиса у твердых значительно больше, чем у мягких.

По применению их можно разделить на материалы для постоянных магнитов, материалы для магнитной записи информации, и материалы специального назначения.

Литые высококоэрцитивные сплавы

В основном представляют собой сплавы систем FeNiAlиFeNiСоAl, модифицированные различными добавками. Они близки к оптимуму между магнитными свойствами и стоимостью технологического процесса изготовления. Высококоэрцитивное состояние этих сплавов обусловлено тем, что в процессе охлаждения их из расплава до комнатной температуры, в объёме сплава происходит дисперсионный распад на две фазы. Одна из фаз близка к чистому железу, и является, соответственно сильно магнитной. Другая состоит из никеля и алюминия, и слабомагнитна. Железо выделяется в виде столбчатых кристаллитов, каждый из которых отделён от соседней прослойкой немагнитной фазы.

Состав: 28%Ni, 14%Al, остальное –Fe.

Помимо кобальта в качестве добавок используют Cu,Ti,Nb. Добавки улучшают магнитные свойства и обеспечивают лучшую повторяемость характеристик.

Используются в основном для изготовления постоянных магнитов. Чтобы обеспечить именно кристаллизацию проводят в сильных магнитных полях, что обуславливает изначальную ориентацию магнитных включений. Таком образом создаётся силовая магнитная анизотропия с преимущественным направлением лёгкого намагничивания.

Кристаллическую структуру материала создают методом направленной кристаллизации сплава.

Недостатки данных сплавов: трудность изготовления из них изделий точных размеров. Очень тверды и допускают механическую обработку только в виде шлифовки. Поэтому в последнее время такие материалы создаются методами порошковой металлургии путём спекания из порошка этих сплавов изделий.

Процесс напоминает обычный высокотемпературный обжиг керамики, то есть эти изделия можно считать металлокерамическими, но такие изделия обладают худшими (на 30%) магнитными свойствами.

Магнитотвёрдые ферриты

Наиболее известен бариевый феррит BaO·6Fe₂O₃, или так называемый ферроксдюр.

В отличие от магнитомягких материалов, он имеет не кубическую, а гексагональную кристаллическую решетку и как следствие, одноосную анизотропию. Высокая коэрцитивная сила обеспечивается малым размером кристаллических зерен и сильной магнитной кристаллографической анизотропией.

Технология изготовления аналогична технологии изготовления магнитомягких ферритов. Отличие заключается в том, что при достижении малых размеров кристаллитов применяют очень тонкий помол в водной среде, а спекание для обеспечения текстурирования производят в сильных магнитных полях и при относительно низких температурах во избежание рекристаллизации. В результате получается материал с очень низкой механической прочностью (из-за низкой температуры спекания). При этом главным недостатком такого материала является термическая нестабильность в области низких температур (при -60°С необратимо теряют свои свойства).

Большей температурной стабильностью обладают кобальтовые ферриты, но они существенно дороже.

Металлические и неметаллические материалы для магнитной записи информации

Как правило, носители информации представляют собой ленты и пластины из тонких слоев либо нержавеющих сплавов, либо пластмассовой основы с порошковым рабочим слоем.

Любой магнитный носитель информации тем меньше подвержен саморазмагничиванию, чем выше коэрцитивная сила материала. С ростом коэрцитивной силы увеличивается также защита от копир-эффекта, т.е. от намагничивания соседних участков. Однако, большая коэрцитивная сила имеет и свою отрицательную сторону, так как сильно затрудняется процесс стирания информации. Оптимум величины Hcнаходится в пределах от 20 до 50 кА/м. В дополнение к этому материал должен иметь возможно более высокую остаточную намагниченность и температурную стабильность.

В настоящее время наибольшее применение находят носители на полимерной основе, в качестве которой используется лавсан с нанесенным на нее магнитным лаком. Магнитный лак, в свою очередь, состоит из магнитного порошка и связующего вещества, а также растворителя и присадок, регулирующих, например, смачиваемость.

Содержание магнетика в лаке 30-40% объема. Частицы порошка должны иметь игольчатую форму, причем ориентация этих частиц, «иголочек», - в направлении намагничивания.

Рисунок 53

Сразу после смачивания ленту помещают в сильное магнитное поле, которое обеспечивает такую ориентацию магнетика и высушивают в сильном магнитном поле. Это повышает качество записи информации. Для уменьшения абразивности ленты ее подвергают каландрированию, то есть пропускают между двумя нагретыми роликами – каландрами, которые вдавливают кристаллиты в объем пленки.