Кремнистая электротехническая сталь
Находит гораздо большее применение, чем железо. Представляет собой основной магнитомягкий материал массового потребления, то есть все магнитопровода трансформаторов делаются из неё.
Введением в состав стали кремния добиваются повышения удельного сопротивления и, соответственно, снижения потерь на вихревые токи. Кроме того, введение кремния в железо способствует выделению из него углерода и кислорода. При этом углерод выделяется в виде графита, в кислород – в виде оксида кремния.
В результате, такая операция приводит к увеличению максимальной магнитной проницаемости и к снижению потерь на перемагничивание. Наилучший эффект достигается при содержании кремния 6,8%, однако в промышленно выпускаемых марках стали, редко превышает 5%, так как введение кремния приводит к охрупчиванию сталей.
Кремнистая сталь обладает магнитной анизотропией. Поэтому механическая обработка в виде прокатки стали существенно улучшает магнитные характеристики стали.
Рисунок 51
Прокатанная сталь называется структурированной. Применяется изготовления ленточных магнитопроводов трансформаторов. Кроме того, использование лент или пластин необходимо для снижения потерь на вихревые токи. Поверхности этих лент обычно покрывают изоляцией, и при наборе пачки мы получаем относительно тонкие металлические слои, изолированные друг от друга, что препятствует возникновению сильных токов. Толщина ленты определяет частоту, на которой может быть использован данный магнитопровод: чем тоньше, тем выше частота.
Пермаллои
Это железоникелевые сплавы, обладающие большой магнитной проницаемостью по сравнению с железом, с очень малой коэрцитивной силой, при меньшей индукции насыщения.
Делятся на высоконикелевые (содержание Ni – 72…80%) и низконикелевые (содержание Ni – 40…50%).
Очень лёгкое намагничивание в слабых магнитных полях объясняется отсутствием магнитной анизотропии. Слабая анизотропия облегчает поворот магнитных моментов доменов, так как и железо и никель – ферромагнетики.
Свойства пермаллоев очень чувствительны к внешним механическим воздействиям и к изменению состава. Кроме того их свойства сильно зависят от режимов термообработки (скоростей нагрева и охлаждения, а не только от температуры). Поэтому применение пермаллоев, как правило, не считается желательным, так как с ними сложно работать. Кроме того, из-за высокого содержания никеля они дороже, но пригодны для изготовления очень тонких лент (из-за пластичности никеля).
Влияние примесей:
Mo, Cr увеличивают удельное сопротивление и магнитную проницаемость, уменьшает чувствительность к механической деформации и индукции насыщения.
Cu увеличивает постоянство магнитной проницаемости, температурную стабильность, удельное сопротивление, улучшает обрабатываемость.
Si, Mn увеличивают удельное сопротивление.
Маркировка состоит из букв: Н (никель), К (кобальт), М (марганец), Х (хром), С (кремний), Д (медь), У (с улучшенными свойствами), П (сплав обладает прямоугольной петлей гистерезиса). Число в маркировке – процент никеля. Например 80НХС.
Альсиферы
Это тройные сплавы Fe, Si и Al.
Оптимальный состав: 9,5% Si, 5,6% Al, остальное – железо.
Очень твёрды и одновременно очень хрупкий, вследствие чего не может быть подвергнут никакой механической обработке, за исключением лёгкой шлифовки. Он может быть отлит в деталь. Этот способ накладывает ограничение на размер, толщина проката не может быть менее 2мм, что ограничивает применение. Тем не менее по магнитным свойствам этот материал не уступает высоконикелевым пермаллоям, при этом он значительно дешевле.
Все вышерассмотренные магнитомягкие материалы низкочастотные, так как они ко всему прочему являются хорошими проводниками. С повышением частоты увеличиваются потери на гистерезис и вихревые токи. Поэтому для ВЧ материалов главным является большое значение удельного сопротивления.
К магнитомягким ВЧ материалам относятся ферриты – оксидные магнитные материалы с нескомпенсированным антиферромагнетизмом (с общей химической формулой МеFe2O4). Они имеют удельное сопротивление гораздо большее, чем сопротивление чистого железа: от 103 до 1013 раз больше. Следовательно, у этих материалов мы имеем комбинированные характеристики магнитных свойств и низкие потери на высоких частотах.
Ферриты применяют в двух вариантах: либо в виде керамики (феррокерамики), либо в виде монокристаллов.
Керамические ферриты получают почти так же, как любую керамику. Единственное отличие заключается в том, что исходные компоненты должны быть очень тонко измельчены, для чего применяются водные шаровые мельницы и в технологический процесс вводится операция ферритизации продукта, то есть образование непосредственно феррита в результате термической обработки (спекание исходных компонентов). Как и всякая керамика, феррокерамика представляет собой твёрдый хрупкий материал, не допускающий применения операций резания, допускающий обработку только в виде мягкой шлифовки.
Являются диэлектриками.
Ферриты в настоящий момент дёшевы: раньше выход годных изделий составлял 3%.
В качестве магнитомягких материалов применяются никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты. Они представляют собой твёрдые растворы замещения, образованные двумя простыми ферритами, один из которых либо NiFe2O4, либо MnFe2O4, является сильно магнитным, а второй ZnFe2O4 – немагнитный.
Для ферритов, используемых с переменных полях кроме начальной магнитной проницаемости, одной из важнейших характеристик является tgδ. Потери на вихревые токи стремятся к нулю, ими можно пренебречь. В слабых магнитных полях незначительными оказываются и потери на гистерезис, поэтому именно по значению tgδ и определяют возможность использования феррита в данном частотном диапазоне.
Критическая частота – это частота, выше которой использование феррита не допустимо, tgδ=0,1.
До частот в 1 МГц предпочтительнее использовать марганец-цинковые ферриты, так как они имеют значительно меньший tgδ, большую индукцию насыщения и термическую стабильность. В то же время, никель-цинковые ферриты обладают более высокими удельными сопротивлениями и лучшими частотными свойствами.
Наиболее распространённая маркировка феррита представляет собой: на первом месте стоит численное значение начальное магнитной проницаемости, затем буква, обозначающая частотный диапазон Н (до 50МГц), ВЧ (50-600МГц), далее буквы, определяющие состав М – марганец-цинковый, Н – никель-цинковый. Например, 600НН – никель-цинковый феррит, низкочастотный, с начальной проницаемостью 600.
Применение. Магнитомягкие материалы с начальной магнитной проницаемостью от 400 до 20000 в случае помех не редко заменяют с успехом листовые материалы и электротехническую сталь. В средних и сильных полях замена листовых ферромагнетиков ферритами нецелесообразна, так как у них меньшая индукция насыщения и, следовательно, размеры и масса магнитной системы увеличиваются. Применяются в качестве сердечников контурных катушек постоянной и переменной индуктивности, фильтров, сердечников импульсных и широкополосных трансформаторов, стержневых магнитных антенн, сердечников магнитных линий задержек (в основном это феррокерамика).
Монокристаллические магнитомякие ферриты в основном находят применение при изготовлении магнитных головок записи, воспроизведения различных сигналов. Выращиваются газоплазменным методом Вернейля.
Магнитодиэлектрики
Получают методом прессования порошкообразного ферромагнетика с изолирующей (в электрическом смысле) органической или неорганической связкой.
В качестве магнитной основы применяют порошки карбонильного железа, альсифера или молибденового пермаллоя. В качестве связки используется фенолформальдегидные смолы, полистирол, стекло и другие.
Магнитная основа должна обладать как можно лучшими магнитными характеристиками, а связка должна образовывать тонкие, желательно одинаковой толщины, слои между кристаллитами ферромагнетика.
В результате получается материал с относительно невысокой магнитной проницаемостью (на более 250), с плохими механическими свойствами (хрупкий). При чём малая магнитная проницаемость объясняется разобщением частиц ферромагнетика.
Для магнитодиэлектриков характерны следующие положительные свойства: из-за сильного размагничивающего фактора они имеют близкую к линейной зависимость индукции от напряжённости внешнего магнитного поля, так как у них практически нет петли гистерезиса, следовательно, малые потери на гистерезис. По этой же причине магнитная проницаемость практически не зависит от внешнего магнитного поля, вследствие этого индуктивность катушки, в которую вставлен стержень из магнитодиэлектрика, растёт быстрее, чем активное сопротивление. Следовательно имеет место очень высокая добротность.
Область применения: катушки фильтров генераторов, частотомеров, контуров радиоприёмников.
Магнитотвёрдые материалы
Отличаются от магнитомягких большей коэрцитивной силой.
Рисунок 52
Следовательно, площадь петли гистерезиса у твердых значительно больше, чем у мягких.
По применению их можно разделить на материалы для постоянных магнитов, материалы для магнитной записи информации, и материалы специального назначения.