Потери в магнитных материалах

В переменных полях площадь петли гистерезиса увеличивается за счет потерь на гистерезис и дополнительных потерь. Такая петля называется динамической, а суммарные потери полными или суммарными. Потери на гистерезис, отнесенные к единице объема материала (удельные потери).

, Дж/м³. (67)

При перемагничивании с частотой f (Гц)

, Вт/кг, (68)

где - плотность материала, кг/м³.

Рисунок 17 - Зависимость магнитной проницаемости от температуры Т

<<<

- соответствует ,- соответствует области насыщения

Потери на вихревые токи для листового образца

, (69)

где -амплитуда магнитной индукции, Тл;f - частота переменного тока, Гц; d - толщина листа, м; - плотность, кг/м³;- удельное электросопротивление, Ом·м

Дополнительные потери или потери на магнитную вязкость (магнитное последействие) обычно находят как разность между полными потерями и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи

. (70)

Магнитная вязкость зависит от времени действия магнитного поля (рис.18)J при включении магнитного поля Н быстро достигает значения J₁, а затем со временем возрастает в соответствии с формулой

, (71)

где J_no – намагниченность при t ,- время релаксации.

В магнитотвердых материалах время магнитной релаксации может достигать нескольких минут. Такое явление называютсверхвязкостью.

Тангенс угла магнитных потерь используется в переменных полях. Его можно выразить через параметры эквивалентной схемы.

Рисунок 18 - Зависимость намагничивания J магнитного материала от времени действия магнитного поля t

Индуктивную катушку с сердечником из магнитного материала представляют в виде последовательной схемы из индуктивности L и активного сопротивления R. Пренебрегая собственной емкостью и сопротивлением обмотки катушки, получаем

. (72)

Активная мощность

, (73)

где ;-магнитная восприимчивость

Лекция 1.4.2. Определение и основные характеристики магнитных материалов.

Магнитные материалы, вещества, магнитные свойства которых обусловливают их применение в технике (электротехнике, вычислительной технике, электронике, радиотехнике и других областях). Hаибольшее применение находят магнитоупорядоченные вещества: ферро-, ферри- и антиферромагнетики. К ферромагнетикам относятся в основном металлы и сплавы Fe, Co и Сu, РЗЭ (Nd, Sm, Gd, Tb, Dy и др.), некоторые соединения Mn и Сr, например MnBi, MnAl, CrPt;

Магнитные материалы могут быть металлы (в основном ферромагнетики), диэлектрики и полупроводники (главным образом ферри- и антиферромагнетики.

Основная характеристика магнитных материалов - намагниченность М, которая определяется как магнитный момент единицы объема вещества. Единица намагниченности в СИ - А/м. Зависимость М от напряженности поля H для ферро- и ферримагнетиков определяется кривой намагничивания с петлей гистерезиса (рис.19). Если напряженность поля достаточна для намагничивания образца до насыщения, соответствующая петля гистерезиса называют предельной; множество др. возможных петель, получаемых при меньших значениях H и лежащих внутри предельной петли, называют частными (непредельными). Если до начала действия внешнего поля образец был полностью размагничен, кривая зависимости М от H называют основной кривой намагничивания.

Рисунок 19 – Петля гистерезиса

Кривые намагничивания и размагничивания ферромагнетика: Н - напряженность внешнего магнитного поля; М-намагниченность образца; Н_c - коэрцитивная сила; М_r - остаточная намагниченность; М_s - намагниченность насыщения; 1 - предельная петля гистерезиса; 2 - непредельная (частная) петля; 3 - начальная кривая намагничивания.

Другие важные параметры магнитных материалов:

1. Остаточная намагниченность М_r [или остаточная магнитная индукция В_r, единица измерения - тесла (Тл)]; количественно оценивается величиной намагниченности, сохраняющейся в образце после того, как он был намагничен внешнем магнитным полем до насыщения, а затем напряженность поля сведена до нуля. Величина М_r (В_r) существенно зависит от формы образца, его кристаллической структуры, температуры, мех. воздействий (удары, сотрясения и т.п.) и других факторов.

2. Коэрцитивная сила H_с; измеряется в А/м; количественно определяется как напряженность поля, необходимая для изменения намагниченности тела от значения М_r до нуля. Зависит от магнитной, кристаллографической и других видов анизотропии вещества, наличия дефектов. способа изготовления образца и его обработки, а также внеш. условий, например температуры.

3. Oтносительная магнитная проницаемость m; характеризует изменение магнитной индукции В среды при воздействии поля H; связана с магнитной восприимчивостью c соотношением: m = 1 + c (в СИ). В ферромагнетиках и ферритах m сложным образом зависит от H; для описания этой зависимости вводят понятия дифференциальной (m_диф), начальной (m_н) и максимальной (m_макс) проницаемостей.

4. Максимальная удельная магнитная энергия W_макс (в Дж/м³) или пропорциональная ей величина (BH)_макс на участке размагничивания петли гистерезиса.

5. Намагниченность насыщения М_s (или магнитная индукция насыщения B_s).

6. Кюри точка Т_K. 

7. Уд. электрическое сопротивление r (в Ом • м). В ряде случаев существенны и др. параметры, например температурные коэффициенты остаточной индукции и коэрцитивной силы, характеристики временной стабильности основных параметров. 

Из аморфных магнитных материалов наиболее распространены материалы на основе Fe, Ni, Со с аморфизующими добавками В, Р, С, Si, Ge, а также аморфные сплавы РЗЭ с Fe и Со. Аморфные магнитные материалы получают из жидкой фазы сверхбыстрым охлаждением (скорость охлаждения св. 10⁵ К/с) либо осаждением из газовой фазы на холодную подложку. При нагревании до 300-450°С аморфные магнитные материалы переходят в кристаллическое состояние.

Для многих технических приложений, главным образом в электротехнике и радиоэлектронике, необходимы магнитные материалы, обладающие большой величиной остаточной намагниченности. В зависимости от величины коэрцитивной силы различают магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы. 

Магнитомягкие магнитные материалы намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно слабых магнитных полях (не св. 4 кА/м). Для них характерны высокие значения магнитной проницаемости (m_макс достигает 10⁶), узкая петля магнитного гистерезиса, малые потери энергии при перемагничивании. 

Магнитомягкими магнитными материалами являются:

1) электротехническое железо и стали (низкоуглеродистые и кремнистые);

2) кристаллические сплавы на основе Fe-Ni - в т.ч. бинарные (пермаллои) и легированные Мо (суперпермаллои), Mn (муметалл), Сr, Ti, Nb, Сu, Аl (изопермы); на основе Fe-Co с добавками V (пермендюры); на основе Fe-Ni-Co с добавками Mn и Сr (перминвары); на основе Fe-Al (алферы, алфенолы) и Fe-Si-Al (альсиферы, сендасты и др.);

3) аморфные сплавы на основе Fe (типа 80% Fe, 20% В), Fe-Ni (типа 40% Fe, 40% Ni, 20% SiB), Co-Fe (типа 70% Co, 5% Fe, 10% Si, 15% B), Co-Zr, Co-Zr-Mo;

4) ферриты-шпинели, ферриты-гранаты, ортоферриты (со структурой перовскита);

5) композиты ферромагнитного металлического порошка (карбонильное железо, пермаллой. алсифер) с диэлектрическим связующим на основе смол (напр., шеллака), полистирола, жидкого стекла, талька и т.п. (магнитодиэлектрики).

Металлические магнитомягкие магнитные материалы обладают наибольшими значениями магнитной проницаемости (напр., у суперпермаллоя m_макс = 10⁶ при коэрцитивной силе H_с = 0,3 А/м) и магнитной индукции насыщения (напр., у пермендюра B_s = 2,4 Тл), температурной стабильностью свойств. Аморфные сплавы (обычно изготовляют в виде тонкой ленты) сочетают высокие магнитные свойства с хорошими прочностными характеристиками, коррозионной стойкостью, температурной и деформационной стабильностью. Ферриты и магнитодиэлектрики характеризуются сравнительно небольшими значениями магнитных характеристик (начальная магнитная восприимчивость m_н = 5.10⁴ - 2.10⁴, B_s = 0,3-0,5 Тл, H_с = 3.10³ А/м) и высоким удельным электрическим сопротивлением (r ~ 10¹⁴ Ом.м). Магнитные и электрические свойства ферритов можно регулировать изменением хим. состава, режимов спекания и термообработки. 

Магнитомягкие магнитные материалы применяют для изготовления магнитопроводов, трансформаторов и магнитных усилителей, дросселей, реле, дефектоскопов, магнитных головок для видео- и звукозаписи, магнитных экранов, сердечников высокодобротных катушек индуктивности (в колебательных контурах, электрических фильтрах, элементах памяти и др.), линий задержки.

Рисунок 20 - Типы изделий из магнитомягких материалов

Металлические магнитные материалы используют в основном для работы на частотах переменного поля до нескольких десятков кГц, т.к. из-за относительно низкого удельного электрического сопротивления при повышении рабочей частоты в них резко возрастают вихревые токи. Это приводит к снижению эффективного сечения магнитопроводов и повышению потерь на перемагничивание. Ферриты используют для работы на частотах до нескольких МГц. Композиционные Магнитные материалы применяют для создания экранирующих устройств от СВЧ полей; металлические компоненты материалов используют в виде пленок или мелкодисперсных порошков. Многокомпонентные слоистые материалы с ферромагнитной составляющей позволяют создавать поглотители полей с минимальными геометрическими размерами. 

Магнитотвердые магнитные материалы (магнитожесткие, высококоэрцитивные Магнитные материалы) намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в относительно сильных магнитных полях (св. 4 кА/м). Высококоэрцитивными магнитные материалы иногда наз. только Магнитные материалы с коэрцитивной силой Н_с > 20 кА/м. Магнитотвердые Магнитные материалы применяют как постоянные магниты, в качестве носителей магнитной памяти, в гистерезисных двигателях, различных механических удерживающих устройствах, в узлах радиоаппаратуры и др. 

Выделяют следующие группы магнитотвердых магнитных материалов:

1. Стали, закаливаемые на мартенсит (углеродистые, легированные Сr, W, Со). Они обладают сравнительно малыми H_с(4-12 кА/м) и W_макс (0,6-1,4 кДж/м³).

2. Диффузионно-твердеющие сплавы на основе Fe-Ni-Аl (ални) с добавками Со, Сu, Ti и др. Значения магнитных параметров этой группы магнитных материалов зависят от состава и наличия текстуры (кристаллографической, магнитной). В целом они характеризуются умеренными значениями Н_с (36-145 кА/м), высокими значениями В_r (0,5-1,4 Тл) и W_макс (3,6-40 кДж/м³), наименьшими из всех магнитных материалов температурными коэффициентами основных параметров (температурный диапазон использования до 770 К); эти магнитные материалы хрупки, обрабатываются только шлифованием. 

3. Дисперсионно-твердеющие сплавы Fe-Ni-Сu (кунифе), Co-Ni-Cu (кунико), Fe-Co-V (викаллой), Fe-Cr-Co и др. По своим магнитным свойствам они близки к диффузионно-твердеющим сплавам, но менее хрупки и подвергаются обработке давлением, а некоторые - и термомагнитообработке. Применение диффузионно-твердеющих и дисперсионно-твердеющих сплавов ограниченно из-за дефицитности ряда компонентов (особенно Со). 

4. Сплавы с использованием благородных металлов (напр., Pt, Ir, Pd) с высокими значениями коэрцитивной силы (до 400 кА/м). Применение их также весьма ограниченно из-за высокой стоимости. Сплавы Co-Pt, однако, применяют для изготовления сверхминиатюрных магнитов, т.к. они обладают высокой пластичностью, допускающей холодную вытяжку в тонкую проволоку.

5. Бариевые и стронциевые ферриты с гексагональной кристаллической решеткой и кобальтовый феррит со структурой шпинели. Характеризуются сравнительно низкими значениями В_r (0,19-0,42 Тл), весьма высокими H_c (130-350 кА/м) и W_макс (3-18 кДж/м³), температурной стабильностью (вплоть до 700 К), высоким удельным электрическим сопротивлением. Последнее обусловливает их широкое применение при высоких частотах переменного поля. Достоинство всех магнитотвердых ферритов - высокое удельное электрическое сопротивление, позволяющее применять их при высоких частотах переменного поля. Доступность компонентов гексагональных бариевых и стронциевых ферритов, возможность автоматизации производства постоянных магнитов из них и невысокая стоимость обусловили широкое применение этих магнитных материалов в различных областях техники. Основной недостатки ферритовых магнитных материалов - высокая твердость, хрупкость, ограниченный температурный диапазон использования (230-500 К). 

6. Интерметаллические соединения металлов группы железа с РЗЭ. Обладают очень высокой кристаллической анизотропией. Распространены бинарные сплавы "редкая земля - кобальт", например SmCo₅, квазибинарные соединения "2-17" типа R₂(CoFe)₁₇. На основе таких сплавов разработаны магнитные материалы с рекордными значениями H_с (640-1300 кА/м) и W_макс (55-80 кДж/м³) при достаточно высоких В_r (0,77-1,0 Тл) и удовлетворит. характеристиках температурной стабильности. Недостатки этих Магнитные материалы - высокая твердость, хрупкость, дороговизна. Применяют их в основном в таких системах, где важно снижение массы и габаритных размеров магнитов. Разработаны также составы типа "редкая земля - железо - бор", например Nd₂Fe₁₄B, (YEr)₂Fe₁₄B. Такие магнитные материалы не только обладают высокими значениями магнитной энергии (BH)_макс но и значительно дешевле, чем SmCo₅. 

7. Композиционные магнитные материалы на основе порошкообразных ферритов и интерметаллических веществ (5-я и 6-я группы) и связующего. Различают магнитопласты (связующее - пластическая масса) и магнитоэласты (связующее - каучук). Из-за сравнительно большого количества немагнитных компонентов эти магнитные материалы по своим магнитным параметрам хуже, чем материал исходного порошка, но они значительно более технологичны и позволяют изготовлять магниты сложной формы. 

8. Материалы для магнитной записи, получаемые нанесением магнитных материалов в виде тонкой пленки или тонкодисперсного порошка на немагнитную подложку. Используют порошки оксидов переходных металлов, ферритов или покрытия из сплавов Co-Ni, Co-Pt, Co-W, Co-Ni-P, Co-Ni-Cr, Со-Сr и др., получаемые вакуумным напылением, гальванопластическим или химическим осаждением. При создании таких магнитных материалов стремятся получить наибольшую В_r и умеренную Н_с (обычно 20-80 кА/м в зависимости от плотности записи, способа записи информации и т. п.). Перспективными материалами для магнитооптической записи информации являются высококоэрцитивные аморфные пленки на основе соединений типа "редкая земля -железо - кобальт" (Tb-Fe, Cd-Tb-Co, Tb-Gd-Fe-Co, Nd-Dy-Fe-Со); их коэрцитивная сила Н_с = (1 - 5).10⁵ А/м.