Тема 2 металлические материалы
2.1 Магнитные стали и сплавы
2.1.1 Основные магнитные характеристики металлов
Из всех металлов только три (железо, кобальт, никель) обладают ферромагнетизмом, т.е. способностью значительно сгущать магнитные силовые линии, что характеризуется магнитной проницаемостью. Относительная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов достигает десятков и сотен тысяч единиц; для остальных она близка к единице.
Как известно, вещество, относительная магнитная проницаемость которого несколько больше единицы, является парамагнитным, меньше единицы - диамагнитным.
Основные сведения о магнитных свойствах дают кривые намагничивания, приведенные на рисунке 2.1.
Ферромагнитные материалы состоят из доменов - областей кристалла размером 10-4 - 10-6м , спонтанно намагниченных до насыщения вдоль осей легкого намагничивания кристалла и разделенных переходными слоями (стенками) шириной 10-7 - 10-8 м.
Если образец из ферромагнитного материала не подвергался действию магнитного поля, то магнитные моменты отдельных доменов в нем расположены хаотично и он находится в полностью размагниченном состоянии. Процесс намагничивания заключается в ориентировании намагниченности доменов вдоль приложенного внешнего поля.
Рисунок 2.1 – Петля гистерезиса ферромагнетка
При намагничивании изменяется доменная структура поликристалла ферромагнетика. На участке ОА намагничивание достигается посредством такого обратимого перемещения стенок доменов, что те из них, у которых направление намагничивания совпадает с направлением приложенного магнитного поля, растут за счет доменов с противоположным намагничиванием. На этом этапе движение стенок обратимо: если поле исчезает, они возвращаются в исходное положение. Затем процесс становится необратимым и сопровождается интенсивным ростом индукции (участок АВ). Процесс смещения доменных стенок продолжается до тех пор, пока не исчезнут домены, ориентированные невыгодно по отношению к полю. Доменная структура при этом исчезает и каждый кристалл становится однодоменным.
При увеличении напряженности поля до величины Нs (участок ВС), характерной для каждого материала, векторы намагниченности кристалла поворачиваются из положения легкого намагничивания до полного совпадения с направлением внешнего поля.
Процессы намагничивания характерны своей необратимостью. При уменьшении напряженности от Нs до нуля изменение индукции следует не по первоначальной кривой, а по линии СЕ. При Н=0 остаточная индукция сохраняет определенное значение Вr, называемое остаточной индукцией.
При изменении направления тока в соленоиде и его увеличении образец размагничивается (участок ЕF). При дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля до величины - Нs образец намагничивается в обратном направлении до индукции равной -Вs. Полный цикл изменения индукции образца при увеличении поля до насыщения сначала в одном направлении, а потом в другом и снова в первом характеризуется петлей гистерезиса, площадь которой пропорциональна работе, затрачиваемой на перемагничивание в течение одного цикла.
Важнейшими являются следующие характеристики, определяемые по кривой намагничивания.
Остаточная индукция Вr. Это магнитная индукция, остающаяся в образце после его намагничивания и снятия магнитного поля (измеряется в теслах, Тл).
Коэрцитивная сила Нс - напряженность поля, которая должна быть приложена к образцу для того чтобы его размагнитить ( измеряется в А/м).
Как видно из первоначальной кривой намагничивания, интенсивность намагничивания изменяется с изменением напряженности поля. Интенсивность намагничивания пропорциональна тангенсу угла наклона касательной к кривой начального намагничивания и численно равна отношению В/Н.
Интенсивность намагничивания называется магнитной проницаемостью; магнитная проницаемость в слабых магнитных полях называется начальной магнитной проницаемостью; размерность магнитной проницаемости Тл/(А/м).
Различают три группы магнитных сталей и сплавов: магнитотвердые, магнитомягкие и парамагнитные.
Магнитомягкие и магнитотвердые стали и сплавы отличаются формой гистерезисной кривой и значениями основных магнитных характеристик. Магнитотвердые материалы характеризуются главным образом большим значением Нс 4 кА/м (рис. 2.2.а) и применяются для постоянных магнитов. Магнитомягкие материалы характеризует малое значение Нс 4 кА/м (рис. 2.2.б) и малые потери на гистерезис. Их применяют как сплавы, подвергаемые переменному намагничиванию (например, сердечники трансформаторов).
Рисунок 2.2 – Гистерезисные кривые магнитотвердого (а) и магнитомягкого материала (б)