Классификация магнитных материалов

 

По значению магнитной восприимчивости c, ее зависимости от напряженности магнитного поля, температуры и других факторов выделяют следующие пять основных видов магнитных материалов: диа-, пара- и антиферромагнетики образуют группу слабомагнитных материалов; ферро- и ферримагнетики относятся к группе сильномагнитных материалов.

В изделиях электротехники и электроники наиболее часто применяются ферромагнетики. Все ферромагнетики характеризуются: большим значением c, способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых полях, гистерезисом зависимостью магнитных свойств от предшествующего состояния, точкой Кюри – предельной температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и другие материалы.

Ферромагнетизм заключается в существовании в веществе областей – доменов, в пределах которых материал намагничен до состояния насыщения. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков достигает значений 10⁵10⁶ и существенно зависит от температуры и напряженности магнитного поля.

 

Магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы

 

Различают магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы. Магнитомягкие материалы характеризуются значительными магнитной проницаемостью, индукцией насыщения, малой коэрцитивной силой (не более 4 кА/м) и, следовательно, узкой петлей гистерезиса. К магнитомягким материалам относятся: технически чистое железо; электротехнические стали; сплавы железа с углеродом; кремнистые стали (содержат 0,55% кремния); пермаллой – сплав железа с никелем с добавками других металлов; магнитомягкие ферриты – системы окислов железа, цинка, никеля, марганца и некоторых других металлов, магнитодиэлектрики – мелкодисперсные порошки высокопроницаемых материалов на основе карбонильного железа (Р10, Р20,..,Р100 и др.), альсифера (ТЧ-90,ТЧК-55), пермаллоев (П-250, П-160, ..), ферритов (НМ-5) в неферромагнитной связке.

Магнитотвердые материалы, напротив, имеют большую коэрцитивную силу, высокие значения объемной плотности энергии, малую магнитную проницаемость. К магнитотвердым материалам относятся стали с высоким содержанием углерода (ЕХ3, ЕВ6, ЕХ5К5), алнико – сплавы железа с алюминием, никелем, кобальтом, магнитотвердые ферриты, викаллой – сплав железа с ванадием, соединения на основе редкоземельных элементов - самария, празеодима и др.

Кроме указанных групп магнитных материалов, все большее распространение в технике находят магнитные материалы с цилиндрическими магнитными доменами, магнитострикционные, тонкопленочные, аморфные магнитные материалы, магнитные жидкости.

 

Петля гистерезиса

 

Магнитные свойства материалов описываются зависимостями индукции В от напряженности Н и потерь на перемагничивание Р от индукции и частоты. Зависимость вида В(Н) называют кривой намагничивания. При циклическом перемагничивании кривая намагничивания образует петлю гистерезиса (рис. 76).

Различают следующие типы зависимостей:

Частная петля гистерезиса 2 – петля, полученная при циклическом изменении напряженности, если H < H_m;

Предельная петля гистерезиса 3 – петля, полученная при циклическом изменении напряженности H ³ H_m.

Основная кривая намагничивания 1. Представляет собой геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса, получающихся при циклическом перемагничивании или при монотонном увеличении напряженности поля в предварительно размагниченном образце.

 

Рис. 76. Петля гистерезиса

 

При достаточно больших значениях H кривая 1 асимптотически приближается к прямой В = В_m + Н, где B_m – индукция насыщения. Начиная со значения H_m, при дальнейшем увеличении напряженности петля гистерезиса остается неизменной (за исключением продолжающих расти узких «носиков»). Все частные петли, как симметричные, так и несимметричные, лежат внутри предельной петли.

Основные параметры петли гистерезиса:

Остаточная индукция В_r индукция, которая остается в предварительно намагниченном образце после снятия внешнего магнитного поля;

Коэрцитивная сила Н_c размагничивающее поле, которое должно быть приложено к образцу, чтобы индукция стала равной нулю;

Потери на гистерезис при перемагничивании материала с частотой f: , где g плотность материала (кг/м³).

По основной кривой намагничивания могут быть определены также: начальная магнитная проницаемость

(6.2)

и дифференциальная магнитная проницаемость:

(6.3)

Магнитные свойства материалов характеризуются также реверсивной (обратимой) магнитной проницаемостью m_р, которая измеряется на переменном сигнале малой амплитуды на фоне большого смещающего поля. Реверсивная проницаемость обусловлена явлением гистерезиса в магнитных материалах.

Перемагничивание магнитных материалов в переменных полях возбуждает вихревые токи, магнитное поле которых направлено встречно внешнему полю. В результате напряженность магнитного поля в материале падает с удалением вглубь от поверхности. Вихревые токи вносят вклад в потери на перемагничивание. Для уменьшения потерь на вихревые токи на высоких частотах следует применять магнитомягкие высокочастотные материалы (магнитодиэлектрики, ферриты), у которых значение удельного сопротивления значительно больше, чем у низкочастотных материалов - электротехнических сталей, пермаллоев.

Таким образом, потери на перемагничивание состоят в основном из потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи: .

 

Расчетные соотношения

 

Согласно схемам измерений звуковой генератор вырабатывает синусоидальное напряжение в диапазоне частот 401000 Гц. Это напряжение поступает на намагничивающую обмотку образца, который изготовлен в форме кольца с намотанными на него двумя обмотками: намагничивающей обмоткой 1 и измерительной обмоткой 2. Напряженность магнитного поля в материале определяется током Iв намагничивающей обмотке по формуле:

, (6.4)

где n – плотность витков обмотки 1 (количество витков /м); w1 – количество витков; L – длина магнитопровода. Величина тока намагничивания определяется по значению падения напряжения на измерительном резисторе R1(R1 = 1,5 Ом), который включается последовательно с обмоткой 1, т.е.

(6.5)

ЭДС, наводимая в измерительной обмотке 2 образца, пропорциональна производной от индукции магнитного поля B. Напряжение обмотки 2 интегрируется интегрирующим усилителем, на выходе которого напряжение измерительного сигнала пропорционально уже непосредственно В. Формулы для расчета индукции по сигналу напряжения находятся в окне «Рабочая тетрадь» (рис. 77).

ЭДС, наводимая в измерительной обмотке 2:

, (6.6)

где w2 – число витков в измерительной обмотке 2, F – магнитный поток.

Выразив магнитный поток через индукцию, получим сигнал на выходе интегратора:

, (6.7)

где S – площадь сечения магнитопровода; t – постоянная времени интегратора:

(6.8)

Здесь Ri = 10 кОм; Ci = 0,22 мкФ

Следовательно, индукция будет определяться:

 

(6.9)