
Лекция 2
Тема: Магнитные материалы
В лекции рассматриваются следующие вопросы:
1. Классификация магнитных материалов
2. Магнитомягкие материалы
Литература
Классификация магнитных материалов
Магнитным называют материал, применяемый в технике с учетом его магнитных свойств.
Существуют несколько видов классификации магнитных материалов:
по магнитной восприимчивости (проницаемости) различают диамагнетики (χ = -10-5, µ < 1); парамагнетики (χ = 10-2…10-5, µ > 1); ферромагнетики (χ = 103…106, µ >> 1);
по величине коэрцитивной силы ферромагнитные материалы делятся на магнитомягкие (Нс < 4 кА/м); магнитотвердые (Нс > 4 кА/м); промежуточное положение занимают материалы со специальными свойствами (рисунок 1). Границы значений коэрцитивной силы, по которым материал можно отнести к магнитомягким или магнитотвердым, условны и по мере развития техники расширяются и претерпевают существенные изменения;
Рисунок 1
по величине электропроводности магнитомягкие материалы делятся на проводящие, полупроводящие и диэлектрики. К проводящим материалам относятся электротехнические стали и сплавы (типа пермаллоев); к полупроводящим – ферриты; к диэлектрикам - магнитодиэлектрики;
по химическому составу - на металлические ферромагнетики (железо, сплавы); неметаллические ферромагнетики (магнитные окислы, простые ферриты и смешанные ферриты); магнитодиэлектрики (альсифер, карбонильное железо, простые ферриты, пресс – пермы и др.);
по области применения – на материалы для сильноточной аппаратуры(машино- и аппаратостроение); слаботочной аппаратуры (проводная связь, приборостроение, автоматика и др.).
Но более целесообразно классифицировать по технологическому признаку с учетом магнитных свойств материалов:
технически чистое железо;
электротехнические стали;
пермаллои;
аморфные сплавы;
магнитомягкие ферриты;
магнитодиэлектрики;
прочие специальные материалы.
Магнитомягкие материалы обладают способностью намагничиваться до насыщения уже в слабых магнитных полях (высокая магнитная проницаемость), имеют малые потери на перемагничивание, обладают высокой начальной и максимальной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Для промышленных магнитомягких материалов наименьшая Нс ≈ 0,4 А/м. Магнитомягкие материалы находят широкое применение в различных областях техники, особенно в электротехнике, электронике и связи.
В зависимости от конкретных условий применения данного класса материалов в электромагнитных устройствах к ним предъявляются следующие требования:
1. Магнитный материал должен легко намагничиваться и размагничиваться, обладая узкой петлей гистерезиса, малой коэрцитивной силой, большим значением µнач и µмакс.
2. Магнитный материал должен обладать большой индукцией насыщения, т.е. обеспечивать прохождение максимального магнитного потока через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода (при этом уменьшаются габариты и масса устройства).
3. Магнитный материал должен иметь возможно меньшую мощность потерь.
Но в некоторых случаях, например, в реакторах фильтров при малых протекающих токах и малых потерях (при незначительных перегревах), рационально использовать материалы с большими потерями: тогда затухание высоких частот будет вызываться не только фильтрующим действием самого фильтра, но и демпфированием, возникающим из-за потерь в магнитопроводе.
4. Магнитный материал должен быть пластичным и обеспечивать высокое качество штамповок, должен иметь гладкую поверхность и слабую зависимость магнитных свойств от механических напряжений. Чем меньше эта зависимость, тем больше материал можно обжать при сборке сердечника. От механических напряжений зависят начальная и максимальная проницаемости и коэрцитивная сила.
5. Желательно иметь стабильные магнитные характеристики при действии дестабилизирующих факторов (температуры, вибраций и т.п.). Важны также стоимость и дефицитность материалов.
Магнитотвердые материалы характеризуются большой удельной энергией в воздушном зазоре, которая будет тем больше, чем больше остаточная индукция и коэрцитивная сила материала. Потери для магнитотвердых материалов большой роли не играют, так как намагничивание происходит один раз. Магнитотвердые материалы имеют широкую петлю гистерезиса с большой коэрцитивной силой. Для магнитотвердых материалов - наибольшая НС ≈ 800 кА/м. Для них характерен пологий подъем кривой намагничивания, т.е. они обладают низкой проницаемостью в слабых полях.
К числу магнитотвердых материалов относятся: железо и железокобальтовые сплавы, сплав типа альни (Al · Ni), альниси (Al · Ni · Si), альнисити (Al · Ni · Si · Ti) и альнико (Al · Ni · Co); бариевые (BaO · 6Fe2O) и кобальтовые (CoO · Fe2 · O3) ферриты, сплавы типа комоль (Fe · Co · Mo), вако (Fe · Y · Co), кунифе (Cu · Ni · Fe), кунико (Cu · Ni · Co), нихром (Fe · Ni · Cr).
Важными параметрами магнитотвердых материалов являются механическая прочность, обрабатываемость, плотность, электросопротивление, стабильность свойств и стоимость.
Используются для изготовления постоянных магнитов, для магнитной записи.
Специальные магнитные материалы. К материалам специального назначения, как видно из рисунка 1, относятся, например, магнитострикционные материалы. Магнитострикцией называют изменение линейных размеров магнитного материала при намагничивании в направлении магнитного поля и в перпендикулярном к нему направлении. Магнитострикционные материалы делятся на:
материалы с отрицательной магнитострикцией,
материалы с положительной магнитострикцией.
Изменения линейных размеров зависят от индукции в материале и характеризуются коэффициентом магнитострикции, т.е. относительным изменением линейного размера изделия из магнитного материала в направлении, параллельном полю, при увеличении последнего от нуля до значения, соответствующего техническому насыщению. Если, например, магнитопровод из магнитострикционного материала механически зажат, то при изменении поля в нем возникнут механические напряжения, вызывающие магнитострикционные колебания.
В таблице 1 приведены индукции насыщения различных магнитных материалов.
Таблица 1
Материал |
ВS, Тл |
1 |
2 |
Технически чистое железо |
2 |
Карбонильное железо |
2,1 |
Электротехническая сталь |
1,4 - 2 |
Пермаллой |
0,7 – 1,5 |
Пермендюр |
2,4 |
Аморфные сплавы |
0,5 – 1,5 |
Феррит |
0,5 |
Альсифер |
1,2 |