Лекция 24. Магнитные материалы

Магнитные материалы, вещества, существенно изменяющие значение магнитного поля, в которое они помещены. Ещё в древности был известен природный намагниченный минерал магнетит, из которого в Китае изготовляли стрелки магнитного компаса уже более 2 тысяч лет назад. Магнетит — слабый магнетик; значительно более сильным магнетиком оказалось железо. Практическое применение железа как магнитного материала началось в 19 веке после открытия Х. К. Эрстедом, М. Фарадеем, Э. Х. Ленцем законов электромагнетизма, изобретения Б. С. Якоби машин постоянного тока, П. Н. Яблочковым — трансформатора и генератора переменного тока, М. О. Доливо- Добровольским — трёхфазного тока. С 1900 в электротехнике начали применять железо-кремнистые стали, несколько позднее — легко намагничивающиеся в слабых полях Fe — Ni сплавы, получившие широкое распространение в технике связи.

Значительно ускорило процесс разработки новых магнитных материалов, развитие теории ферромагнетизма. В середине 20 века появились оксидные магнитные материалы — ферриты, слабо проводящие электрический ток, их стали использовать в технике высоких и сверхвысоких частот.

Классификация магнитных материалов.

1. Магнитотвердые

2. Магнитомягкие

1. К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой Нс. Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат для изготовления постоянных магнитов.

2. Магнитомягкие материалы обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электроизмерительных приборов и т. п.

По масштабам применения в электронной технике среди материалов специального назначения следует выделить материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы.

Ферриты.

Ферриты представляют собой оксидные магнитные материалы, у которых спонтанная намагниченность доменов обусловлена некомпенсированным антиферромагнетизмом.

Большое удельное сопротивление, превышающее удельное сопротивление железа в 103-1013 раз, а следовательно, и относительно незначительные потери энергии в области повышенных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронике. Магнитные свойства ферритов зависят от механических напряжений, которые могут возникать при нанесении обмотки, креплении изделий и по другим причинам. Чтобы не было ухудшения магнитных характеристик, ферриты следует оберегать от механических нагрузок. Для ферритов, используемых в переменных полях, кроме начальной магнитной проницаемости одной из важнейших характеристик является тангенс угла потерь tgX. Благодаря низкой проводимости составляющая потерь на вихревые токи в ферритах практически мала и ею можно пренебречь. В слабых магнитных полях незначительными оказываются и потери на гистерезис. Поэтому значение tgX в ферритах на высоких частотах в основном определяется магнитными потерями, обусловленными релаксационными и резонансными явлениями.

Дополнительным преимуществом высокопроницаемых марганец-цинковых ферритов является повышенная индукция насыщения и более высокая температура Кюри. В то же время никель-цинковые ферриты обладают более высоким удельным сопротивлением и лучшими частотными свойствами.

Применение ферритов.

Ферриты получают в виде керамики и монокристаллов. Благодаря невысокой стоимости и относительной простоте технологического цикла керамические материалы занимают ведущее место среди высокочастотных магнетиков.

При изготовлении ферритовой керамики в качестве исходного сырья наиболее часто используют окислы соответствующих металлов. Исходные окислы подвергают тщательному измельчению и перемешиванию в шаровых или вибрационных мельницах тонкого помола, а затем после брикетирования или гранулирования массы осуществляют предварительный обжиг с целью ферритизации продукта, т.е. образования феррита из окислов. Ферритизованный продукт вновь измельчают и полученный таким образом ферритовый порошок идет на формовку изделий.

Получение спеченных материалов.

Спеченные магниты изготавливаются по технологии порошковой металлургии, обладают высокими магнитными свойствами, но дороги в производстве и хрупки.

Основным методом получения порошка Nd-Fe-B является восстановительная диффузная химическая реакция. Реакция должна осуществляться в вакууме во избежание окисления сильноактивных металлов. Затем полученные слитки дробят ( как правило это многоступенчатый процесс) а измельченный порошок Nd-Fe-B прессуют в постоянном магнитном поле так чтобы ориентировать магнитные моменты зёрен в образце в одном направлении.

После этого полученные образцы спекают до окончательного уплотнения. Для получения материала с повышенной анизотропией его необходимо подвергнуть дополнительной обработке.

Преимущества и недостатки магнитных материалов.

К основным преимуществам материалов можно отнести высокую механическую прочность, стабильность магнитных свойств в широкой области температур, высокие значения намагниченности насыщения, однако магниты обладают низким значением коэрцитивной силы.

Ферритовые магнитные материалы отличаются высоким значением коэрцитивной силы, к недостаткам же их следует отнести механическую хрупкость, сложность в обработке, сильную зависимость магнитных свойств от температуры.

Применение постоянных магнитов

автомобильные детали, такие как системы зажигания, сенсоры, стартеры, дверные замки, системы открывания/закрывания окон;

магазинные принадлежности, такие как электрические ножницы/пилы, шлифовальные станки;

детские игрушки;

ускорители частиц высоких энергий и лазеры со свободными электронами;

вакуумные фильтры, стиральные машины и сушилки;

акустические системы, часы, весы, микроволновые печи;

маломощные моторы и приводы в аудио- и видеокамерах и магнитофонах;

Подвижные катушки.

Важное применение постоянных магнитов - в подвижных катушках (соленоидах), используемых в акустических динамиках, микрофонах а также при позиционировании компьютерных дисков и лентопротяжных устройств, зеркал в лазерных сканерах и т.д. Подвижные катушки успешно конкурируют с моторами постоянного тока и с шаговыми моторами в приложениях, связанных с точным позиционированием, т.к. у них нет "мертвого хода". Нет у них и проблем, связанных с неравномерным движением или потерей энергии при преобразовании кругового движения в поступательное.

Подвижные катушки.

На рис. 1 а, б представлены два возможных способа конфигурации постоянного магнита и катушки. В первом случае постоянный магнит имеет форму обычного диска, во втором постоянный магнит намагничен в радиальном направлении.

В первом случае постоянный магнит имеет форму обычного диска, во втором

постоянный магнит намагничен в радиальном направлении. Постоянный магнит крепко закреплен и неподвижен, а катушка двигается линейно и поступательно в воздушном зазоре. В катушке нет железа и других магнитных материалов, а ее механическая прочность обеспечивается, как правило, пропиткой эпоксидными смолами - таким образом, исключаются потери на гистерезис и неточности в позиционировании катушки. Для уменьшения инертности, катушка должна иметь как можно меньшую массу, обеспечивая тем самым более высокое быстродействие прибора.

Магнитные сенсоры.

Сенсоры используются для контроля параметров движения самых различных механизмов - от деталей самолета до промышленных моторов и автомобильных противоугонных систем. Соответствующие выступы на цилиндре намагничены. Вблизи поверхности выступов расположен датчик магнитного поля Холла, который по изменению напряженности магнитного поля "чувствует" когда под ним выступ, а когда впадина, тем самым четко контролируя движение колеса сенсора. Чем больше вырезов (а значит и выступов) на поверхности цилиндра, тем большей чувствительностью обладает сенсор. Чувствительность также повышается при повышении плотности магнитного потока над выступами.