116

ЛЕКЦИЯ 14,15

Магнитные материалы.

Материалы, которые под действием внешнего магнитного поля намагничиваются, т.е. приобретают особые магнитные свойства, называются магнитными. Основными магнитными материалами являются железо, никель, кобальт и различные славы на основе химически чистого железа. Свойства магнитных материалов оцениваются магнитными характеристиками. Важнейшими магнитными характеристиками являются:

1. Относительная магнитная проницаемость _r является безразмерной величиной и входит в выражение абсолютной проницаемости, имеющей размерность (ГН/м):

а=_o*_r

где _o - магнитная постоянная =1,256 *10 –6 ГН/м.

Магнитная проницаемость определяет способность материала к намагничиванию: чем она больше, тем легче намагничивается материал, и наоборот, Магнитная проницаемость значительно зависит от действующей напряжённости Н, поэтому для оценки способности материала к намагничиванию приходится учитывать начальную магнитную проницаемость rн максимальную rмах. Чем выше значение этих характеристик конкретного материала, тем легче он намагничивается (рис. 55).

Рис.55.Зависимость _r =  (H).

Всякий магнитный материал обладает магнитными свойствами только до определённой температуры, называемой температурой (точкой) Кюри, по достижению которой магнитные свойства у материала исчезают. Это обусловлено дезориентацией внутренних областей (доменов) намагничивания из-за теплового движения атомов и молекул материала. Магнитные свойства у некоторых ферритов исчезают при температуре Кюри Тк=1131С.

2. Магнитная индукция В (плотность магнитного потока) может быть определена как отношение силы dF, с которой магнитное поле действует на элемент тока IdL, направленный по нормали к линии поля к этому элементу тока:

B=dF/IdL

И ндукцией насыщения Вs определяются свойства магнитных материалов, поведение которых в магнитном поле характеризуется начальной кривой намагничивания (участок 1, рис. 56).

Рис.56.Кривая намагниченности.

Эта кривая показывает изменение магнитной индукции В магнитного материала в зависимости от напряжённости Н в начале магнитная индукция растёт, затем её рост замедляется, а по достижении индукции Вs она остаётся постоянной. При этом говорят, что магнитный материал достиг насыщения, а индукцию Вs называют индукцией насыщения. Чем больше Вs , тем выше свойства магнитного материала. Единица измерения магнитной индукции – тесла (Тл).

Остаточная магнитная индукция Br и коэрцитивная сила также характеризуют свойства магнитных материалов. Если образец магнитного материала намагничивать, непрерывно повышая напряжённость магнитного поля Н, то магнитная индукция В также будет непрерывно возрастать по кривой намагничивания. Эта кривая начинается в точке О и заканчивается в точке, соответствующей индукции насыщения Вs . При уменьшении напряжённости магнитного поля индукция также будет уменьшаться, но начиная с точки Bм, её значение не будет совпадать со значением этой характеристики на начальной кривой намагничивания, и когда напряжённость магнитного поля станет равной нулю, в образце магнитного материала будет обнаруживаться остаточная магнитная индукция Br . Для размагничивания образца надо, чтобы напряжённость магнитного поля изменила своё направление на обратное (-Н), Напряжённость поля Нс , при которой индукция станет равной нулю, называют коэрцитивной силой.

Если после этого образец начать намагничивать в противоположном направлении, то снова будет наблюдаться индукция насыщения -Вs. При дальнейшем уменьшении напряжённости магнитного поля до Н=О и новом намагничивании в первоначальном направлении индукция будет непрерывно увеличиваться до индукции насыщения. Графически это отображается некоторой кривой, представляющую замкнутую петлю называемой статической петлей гистерезиса. Характеристики петли гистерезиса снимают при медленном изменении постоянного магнитного поля от +Н до –Н, когда магнитная индукция становится равной индукции насыщения Вs.

Коэффициент прямоугольности, характеризующий степень прямоугольности петли гистерезиса, рассчитывается по формуле

α_п= Вr/Bм

Чем больше α_п , тем прямоугольнее петля гистерезиса.

У магнитных материалов, применяемых в запоминающих устройствах

α_п= 0,98 .

При воздействии на материал переменного магнитного поля получают динамическую петлю гистерезиса.

При низких частотах и малой толщине магнитного материала динамическая кривая намагничивания совпадает со статической. В остальных случаях динамическая петля гистерезиса имеет большую площадь, чем статическая ,т.к. при воздействии переменного магнитного поля в материале ,кроме потерь на гистерезисе ,возникают потери на вихревые токи и магнитное последствие. Таким образом, площадь петли гистерезиса определяет потери в материале.

Потери энергии на вихревые токи РВ зависят от удельного электрического сопротивления магнитного материала ,чем оно больше, тем меньше потери на вихревые токи. Потери на вихревые токи пропорциональны также В²мах: f² и массе образца.

Согласно поведению в магнитном поле магнитные материалы делятся на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие материалы обладают большой начальной и максимальной магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой ( Нс< 4 кА/м ). Они легко намагничиваются и размагничиваются и отличаются малыми потерями на гистерезис ,т.е. им соответствует узкая петля гистерезиса.

Уровень магнитных характеристик магнитомягких материалов зависит от их химической чистоты и степени искажения кристаллической структуры. Чем меньше различных примесей в материале, тем выше его характеристики , тем больше магнитная проницаемость и индукция насыщения, меньше Нс и потери. Поэтому при их производстве стремятся обеспечить минимум вредных примесей углерода, фосфора, серы, кислорода и т.д.

Магнитомягкие материалы используется при изготовлении сердечников электрических машин, трансформаторов, реле и др. аппаратов.

Магнитотвёрдые материалы обладают большой коэрцитивной силой (Нс > 4кА/м) и остаточной индукцией и имеет широкую петлю гистерезиса. Эти материалы намагничиваются с трудом, а будучи намагниченными могут несколько лет сохранять магнитную энергию, т.е. служить источниками постоянного магнитного поля. Применяются, главным образом, для изготовления постоянных магнитов.

По составу все магнитные материалы делятся на металлические и неметаллические.

К металлическим относятся чистые железо, никель, кобальт и магнитные сплавы некоторых металлов, к неметаллическим – ферриты.

Из всего разнообразия классификации магнитных материалов следует отметить классификацию по характеру магнитного состояния вещества – это диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Эти группы различаются по величине и знаку магнитной восприимчивости Км = М/Н, где М – намагниченность, а также зависимости Км от температуры и напряжённости внешнего магнитного поля.

У диамагнетиков Км ~ -10^-5 и в большинстве случаев не зависит от температуры и напряжённости магнитного поля. Внешне диамагнетики отличаются тем, что выталкиваются из неоднородного магнитного поля.

У парамагнетиков при комнатной температуре Км ~ 10^-2 - 10^-5. Для большинства парамагнетиков имеет место значительная зависимость Км от температуры, подчиняющаяся закону Кюри. Однако, для некоторых парамагнетиков ( щелочные металлы) Км от температуры не зависит. Внешние парамагнетики отличаются тем, что втягиваются в магнитное поле.

Ферромагнетики обладают большими положительными значениями Км ( до сотен тысяч и миллионов) и сложной нелинейной зависимостью Км от температуры и напряжённости внешнего магнитного поля, т.е. характерной особенностью является способность намагничиваться даже при обычной температуре в слабых полях. Вторая особенность ферромагнетиков состоит в том, что при температурах больших точки Кюри, ферромагнитное состояние переходит в парамагнитное.

Для антиферромагнетиков Км ~ 10^-3- 10^-5 и имеет специфическую температурную зависимость. По мере повышения температуры, начиная от 0 К, Км растёт, достигает максимума при температуре, называемой точкой Нелля (Тн) и, далее, начинает падать, подчиняясь на этом участке закону Кюри-Вейса.

Свойства ферримагнетиков во многом подобны свойствам ферромагнетиков, однако они имеют ряд особенностей, например, они имеют меньшую, по сравнению с ферромагнетиками, намагниченность насыщения.