42. Классификация магнитных материалов.

Различают следующие виды магнитных материалов: Магнитомягкие материалы способны намагничиваться до насыщения в слабых полях, обладают высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на перемагничивание. Условно к магнитомягким относят материалы с Н_с>800 А/м. Применяются в основном в качестве магнитопроводов дросселей, трансформаторов, электромагнитов, электрических машин и т.д. Магнитотвердые материалы отличаются большой удельной энергией, которые тем больше, чем больше остаточная индукция B_r и коэрцитивная сила Н_с материала. К магнитотвердым относят материалы с Н_с>4 кА/м. Используются главным образом для постоянных магнитов.

Основой наиболее широко используемых в электротехнике магнитных материалов является низкоуглеродистая электротехническая сталь. Она выпускается в виде листов, толщиной от 0.2 мм до 4 мм, содержит не выше 0.04% углерода и не выше 0.6% других примесей. Максимальное значение магнитной проницаемости m_max~ 4000, коэрцитивной силы Н_с~ 65-100 А/м. Наблюдается интересная закономерность: чем чище железо и чем лучше оно отожжено - тем выше магнитная проницаемость и тем ниже коэрцитивная сила.

Если к железу добавить никель, то полученные материалы будут обладать повышенной магнитной проницаемостью (до 100000 у 79НМ, 79% никеля и небольшое количество марганца). Такие сплавы называются пермаллои, они используются для изготовления сердечников малогабаритных силовых и импульсных трансформаторов. Практически такие же результаты по магнитной проницаемости можно получить, добавляя к железу кремний (9.5%) и алюминий(5.6%). Такие сплавы называются альсиферами. Добавки к железу и никелю молибдена, хрома, меди приводит к еще большему росту начальной магнитной проницаемости, более 100 тысяч. Такие материалы используются в миниатюрных магнитных устройствах.

Практически отсутствуют потери на вихревые токи в ферритах. Дело в том, что ферриты представляют собой оксидную керамику МеО+Fe₂O₃, которая является диэлектриком, либо полупроводником. Типичное удельное сопротивление феррита 10³-10⁴ Ом.м. Это на 9-10 порядков превышает сопротивление металлов. Ясно, что вихревые токи в таком материале не возникнут. Применение в энергетике магнитомягких ферритов - высокочастотные трансформаторы, в ряде материалов потери малы вплоть до частот гигагерцового диапазона. Большую роль играют ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ). Они используются в качестве логических элементов в ЗУ, в качестве термодатчиков. Основной параметр - коэффициент прямоугольности петли гистерезиса, представляющий собой отношение остаточной индукции к максимальной, измеренной при Н = 5 Н_с. Желательно, чтобы этот коэффициент был ближе к 1.

43. Магнитомягкие материалы.

Металлические магнитные материалы – это в основном материалы на основе железа (низкоуглеродная сталь, листовая электротехническая сталь и др.), а также сплавы пермаллой, пермендюр, альсифер. По своим свойствам они относятся к магнитомягким и используются в остро динамических ситуациях в условиях быстро изменяющихся полей в качестве сердечников трансформаторов, электромагнитов, в измерительных приборах, где нужно при наименьших затратах энергии достигнуть наибольшей индукции.

Технически чистое железо содержит небольшие количества (в сумме 0,08 – 0,1 %) С, S, Mn, Si. Эти примеси ухудшают магнитные свойства. Магнитные свойства технически чистого железа значительно улучшаются при легировании кремнием и (или) алюминием. Низкоуглеродистая электротехническая листовая сталь содержит примесей больше, чем технически чистое железо: менее 0,04 % С и менее 0,6 % других примесей. Оно выпускается в виде листов толщиной от 0,05 до 4 мм. Особо чистое железо содержит примесей менее 0,05 %, получают электролитическим методом и методом карбонильной металлургии. Основным магнитомягким материалом массового применения является кремнистая электротехническая сталь. Кремний (до 4%) в сталь вводят для повышения удельного сопротивления и, соответственно, снижения потерь на вихревые токи P_f = ξ f² B²_max V, где ξ – коэффициент, зависящий от типа ферромагнетика и, главным образом, от его удельного сопротивления. Кремний также увеличивает μ_н, уменьшает Н_с и снижает потери на гистерезис, но, одновременно, ухудшаются механические свойства – растёт хрупкость, снижается точка Кюри с 770 ^оС до 740 ^оС. Применяется для изготовления сердечников трансформаторов. Пермаллои – это железоникелевые сплавы со структурой твёрдых растворов, обладающие большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых полей. Различают высоконикелевые (70 - 83 % Ni) и низконикелевые (40 - 50 % Ni) пермаллои. Наибольшее значение максимальной магнитной проницаемости имеет сплав, содержащий 78,5 % Ni: μ_н = 8000, μ_макс = 100000. Для модификации пермаллоев в них вводят легирующие добавки – Mo, Cr, Cu, Si, Mn. Разработан супермаллой с очень высокой μ_н в слабых полях = 100000 и μ_макс = 1500000, содержащий 79 % Ni, 5 % Mo, 0,5 % Mn и 15 % Fe. Точка Кюри пермаллоев в зависимости от состава изменяется от 360 до 450 ^оС. Пермаллои очень чувствительны к механическим напряжениям. Железо-кобальтовые сплавы имеют самую высокую индукцию насыщения В_s из всех известных ферромагнетиков – до 2,43 Тл. У железа В_s не превышает 2,1 Тл. Сплавы, содержащие 50 – 70 % Со называются пермендюры. Однако железо-кобальтовые сплавы имеют невысокое ρ_v и высокую стоимость, поэтому их применяются только в специальной аппаратуре: - в динамических репродукторах, осциллографах, телефонных мембранах, сердечниках магнитных линз электронных микроскопов и др. Альсиферы – сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав альсифера: 9,5 % Si, 5,6 % Al, остальное – Fe. Магнитные свойства не уступают высоконикелевым пермаллоям: μ_н = 35500, μ_макс = 120000, Н_с = 1,8 А/м, ρ = 0,8 мкОм^.м. Альсиферы обладают твёрдостью и хрупкостью, поэтому перерабатываются в изделия главным образом литьём. Благодаря хрупкости альсиферы можно размалывать в порошок и использовать, как и карбонильное железо, для изготовления выскочастотных магнитодиэлектриков.

Магнитодиэлектрики – это композиционные материалы, в которых дисперсионной средой служат диэлектрики (полимеры, стекло, керамика), а дисперсной фазой – порошкообразные ферромагнетики (альсиферы, карбонильное железо, аморфные магнитные сплавы и др.). Магнитодиэлектрики не обладают электропроводимостью, поэтому в них нет вихревых токов и их можно использовать при повышенных и высоких частотах. Используя в качестве дисперсионной среды (связующего) эластомеры или высокопластифицированные полимеры удаётся изготавливать эластичные магнитные материалы, применяемые, в частности, для защиты от электромагнитных излучении (ЭМИ).

Потребность в высокочастотных магнитомягких материалах побудило разработку ферритов, представляющих собой магнитную керамику с незначительной электронной проводимостью. Ферриты относятся к ферримагнетикам. Химический состав ферритов описывается общей формулой МеFе₂О₄, где Ме – символ двухвалентного металла. Чаще общую формулу ферритов изображают в виде оксидов МеО^.Fе₂О₃, тем самым подчёркивая технологию их изготовления, заключающуюся в спекании соответствующих оксидов. Ферриты имеют кубическую кристаллическую решётку. Ферриты, обладающие наиболее интересными магнитными свойствами и нашедшие техническое применение, представляют собой, как правило, твёрдые растворы замещения нескольких простейших соединений, в том числе и немагнитных.