Намагничивание ферромагнетиков
Если ферромагнетик поместить в магнитное поле, то при увеличении напряженности внешнего поля B можно наблюдать возрастание магнитной индукции В (рис. 1.36), которое обусловлено двумя основными процессами: смещением доменных границ и поворотом магнитных моментов доменов.
В качестве исходного примем размагниченное состояние ферромагнетика. Этому состоянию соответствует ориентация спинов в доменах, показанная на рис. 1.37, а. При увеличении напряженности поля увеличивается объем тех доменов, магнитные моменты которых образуют наименьший угол с направлением внешнего поля (рис. 1.37, б), при этом магнитная восприимчивость не изменяется, а магнитная индукция возрастет пропорционально напряженности поля (участок 1 на рис. 1.36). После снятия поля доменные границы возвращаются в исходное положение.
В области более сильных полей смещение доменных границ носит необратимый характер (рис. 1.37, в). На участке необратимого смещения границ кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну (участок 2 на рис. 1.36).
По мере дальнейшего увеличения напряженности поля начинает работать второй механизм намагничивания — происходит поворот магнитных моментов доменов в направлении поля (участок 3 на рис. 1.36). Когда все магнитные моменты доменов оказываются сориентированными вдоль поля (рис. 1.37, г), наступает техническое насыщение намагниченности (участок 4 на рис. 1.36). Некоторое увеличение индукции на участке насыщения вызвано слагаемым μ0*H уравнении (1.29) и увеличением намагниченности самого домена.
Используя кривую намагничивания, можно построить график зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля, которая в соответствии с (1.29) равна
Магнитная проницаемость μ пропорциональна тангенсу угла наклона прямой линии, проведенной из начала координат через точку на кривой намагничивания. Зависимость проницаемости μ от напряженности поля H показана на рис. 1.38. Значение проницаемости в слабых полях называют начальной магнитной проницаемостью (μH). Наибольшее значение магнитной проницаемости называют максимальной проницаемостью (μmax).
Если после намагничивания ферромагнетика до насыщения уменьшать напряженность внешнего поля H, то индукция уменьшится, однако она будет больше, чем при начальном намагничивании. На рис. 1.39 представлены зависимости В =f(Н) при увеличении и уменьшении напряженности поля; они не тождественны вследствие явления гистерезиса. При уменьшении H до нуля в образце остается остаточная индукция ВГ. Для того чтобы уменьшить индукцию до нуля, необходимо изменить направление поля на противоположное, после чего увеличивать напряженность поля до величины - Нс, называемой коэрцетивной (задерживающей) силой. Если после этого продолжать увеличивать напряженность поля, то ферромагнетик намагнитится до насыщения -Bs. Изменяя циклически напряженность поля H, можно получить петлю гистерезиса.
Экспериментально установлено, что в монокристаллах ферромагнетиков существуют направления легкого и трудного намагничивания. Это явление называется магнитной анизотропией. Так, например, у железа, имеющего структуру объемно центрированного куба, направления легкого намагничивания совпадают с ребрами куба. Направления трудного намагничивания совпадают с диагоналями куба. Направления среднего намагничивания совпадают с диагоналями граней куба. У никеля, имеющего структуру гранецентрированного куба, наоборот, ось легкого намагничивания совпадает с диагональю куба, а ось трудного намагничивания — с ребром куба.
При намагничивании ферромагнетиков наблюдается изменение их размеров и формы. Такое явление называется магнитострикцией. Магнитострикцию оценивают значением относительной деформации материала в направлении магнитного поля: . Численное значение коэффициента магнитострикции λ зависит от типа структуры, кристаллографического направления, напряженности магнитного поля и температуры. При этом магнитострикция может быть как положительной, так и отрицательной, то есть размеры образца в направлении поля при намагничивании могут как увеличиваться, так и уменьшаться. Так, например, для монокристалла железа, намагниченного в направлении ребра куба, линейные размеры в этом направлении уменьшаются, при намагничивании вдоль диагонали куба увеличиваются.
Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле связан с потерями энергии, вызывающими нагрев материала. Эти потери обусловлены необратимым смещением границ доменов, они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменного магнитного поля. Мощность потерь, расходуемых на гистерезис, определяется формулой
где η — коэффициент, зависящий от свойств материала;
Bmax — максимальная индукция в течение цикла перемагничивания;
п = 1,6...2,0 — показатель степени, зависящий от Bmax;
f — частота;
V — объем образца.
Помимо потерь на гистерезис перемагничивание магнитного материала сопровождается динамическими потерями, обусловленными вихревыми токами, которые магнитный поток индуцирует в магнитном материале. Эти токи возникают в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Мощность потерь на вихревые токи определяется формулой
где ζ, — коэффициент, зависящий от удельной проводимости, формы и размеров поперечного сечения материала.
Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах применяют сердечники из тонких листов ферромагнитных материалов, изолированных друг от друга и обладающих высоким удельным электрическим сопротивлением.
Магнитомягкие материалы
Магнитомягкие материалы — это такие материалы, которые обладают малой коэрцетивной силой Hс и высокой магнитной проницаемостью μ. Они характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание и используются в основном в качестве сердечников трансформаторов, дросселей, электромагнитов и др. Условно к магнитомягким материалам относят материалы, у которых Hс< 800 А/м. Такими материалами являются низкоуглеродистые кремнистые стали, карбонильное железо, пермаллои и альсиферы.
Низкоуглеродистые кремнистые сталипредставляют собой сплавы железа, включающие 0,8-4,8 % кремния. Введение кремния повышает удельное электрическое сопротивление стали и снижает потери на вихревые токи. Чем больше содержание кремния, тем лучше магнитные характеристики, однако при этом повышается хрупкость материала. Кремнистая сталь прокатывается в виде тонких листов толщиной 0,05-1,0 мм. Она характеризуется следующими основными параметрами: μH, = 300...900, μmax, = (2...35)*103, Hс = 10...30 А/м.
Карбонильное железо получают путем термического разложения пентакарбонила железа Fe(CO)5, результатом чего является порошок, состоящий из частиц чистого железа и оксида углерода, имеющих сферическую форму диаметром от 1 до 8 мкм. Из этого порошка путем прессования изготовляют высокочастотные сердечники, характеризуемые следующими основными параметрами: μmax = 20*103, HC = 4.5…6.2 A/м
Пермаллои представляют собой пластичные железоникелевые сплавы с содержанием никеля 45-80 %.Чем выше содержание никеля, тем больше и. и меньше Нс. Пермаллои обладают высокой пластичностью, поэтому они легко прокатываются в тонкие листы толщиной до 1 мкм. Для улучшения магнитных характеристик в пермаллои добавляют молибден, хром, кремний или медь. Пермаллои характеризуются следующими основными параметрами: μH = (2...14)*103, μmax = (50...270)*103, Hс = 2...16 А/м.
Алъсиферы представляют собой хрупкие нековкие сплавы, содержащие от 5 до 15 % алюминия, от 9 до 10 % кремния, остальное — железо. Из этих сплавов изготовляют литые сердечники, работающие на частотах до 50 кГц. Альсиферы имеют следующие основные параметры: μH, = (6...7)*103, μmax = (ЗО...35)*1О3, Нс = 2,2 А/м.
Ферриты представляют собой соединения оксида железа (Fe2O3) с оксидами других металлов (ZnO, NiO и др.). Ферриты получают из порошкообразной смеси оксидов этих металлов. Основным достоинством ферритов является сочетание высоких магнитных параметров с большим электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются потери в области высоких частот. Марганцево-цинковые ферриты имеют параметры μH, = (1...6)*103, Hс = 12...80 А/м и граничную частоту до 1,6 МГц, никель-цинковые — μH = 10...150, Hс - 560...800 А/м и граничную частоту до 250 МГц. Приведенные параметры свидетельствуют о том, что чем меньше начальная магнитная проницаемость феррита, тем выше граничная частота, до которой он может применяться. В устройствах автоматики, вычислительной техники, аппаратуре телефонной связи широкое применение находят ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ). Такие сердечники имеют два устойчивых состояния, соответствующих различным направлениям остаточной магнитной индукции, что позволяет использовать их в качестве элементов для хранения и переработки двоичной информации.
Магнитодиэлектрики представляют собой композиционные материалы, состоящие из мелкодисперсных частиц магнитомягкого материала, соединенных друг с другом каким-либо органическим или неорганическим диэлектриком. В качестве мелкодисперсных магнитомягких материалов применяют карбонильное железо, альсифер и некоторые сорта пермаллоев, измельченные до порошкообразного состояния. В качестве диэлектриков применяют эпоксидные и бакелитовые смолы, полистирол, жидкое стекло и др. Диэлектрик соединяет частицы магнитомягкого материала, одновременно изолируя их друг от друга, благодаря чему повышается удельное электрическое сопротивление магнитодиэлектрика, что резко снижает потери на вихревые токи и позволяет использовать магнитодиэлектрики на частотах до 100 МГц.
Магнитные характеристики магнитодиэлектриков несколько хуже, чем у ферритов, но зато эти характеристики более стабильны. Кроме того, производство изделий из магнитодиэлектриков значительно проще, чем из ферритов.
Магнитотвердые материалы
Магпитотвердые материалы отличаются от магнитомягких высокой коэрцетивной силой и остаточной индукцией. Площадь петли гистерезиса у них значительно больше, чем у магнитомягких материалов, следовательно, они трудно намагничиваются. Будучи намагниченными, они могут долго сохранять магнитную энергию, то есть служить источником постоянного магнитного поля, поэтому их применяют главным образом для изготовления постоянных магнитов, которые должны создавать в воздушном зазоре между своими полюсами магнитное поле.
Величина магнитной энергии в рабочем зазоре магнита определяется соотношением
Наглядное представление о том, как зависит энергия от индукции, дает рис. 1.40, где в первом квадранте показана зависимость магнитной энергии W от индукции В, а во втором квадранте показан участок петли гистерезиса, соответствующий размагничиванию, то есть зависимость В от Я. Нетрудно понять, что каждой точке на графике В =f(H) соответствует ордината графика W~f(B) и существует такое положение точки на графике В = f(H), которой соответствует максимум магнитной энергии Wmax. Значение Wmn определяет наилучшее использование магнита, поэтому эта энергия является наиболее важной характеристикой, определяющей качество материала.
Магнитотвердые материалы по составу и способу получения подразделяют на пять групп:
□ литые высококоэрцитивные сплавы;
□ металлокерамические и металлопластические магниты;
□ магнитотвердые ферриты;
□ сплавы на основе редкоземельных металлов;
□ материалы для магнитной записи информации.
К группе литых высококоэрцитивных сплавов относятся железо-никель-алюминевые и железо-никель-кобальт-алюминевые сплавы, легируемые медью, никелем, титаном и ниобием. Магнитная энергия таких сплавов достигает 36 кДж/м, коэрцитивная сила — 110 кА/м.
Металлокерамические и металлопластические магниты создаются методами порошковой металлургии. Металлокерамические магниты получают путем прессования порошка, состоящего из измельченных тонкодисперсных магнитных сплавов, и последующего спекания при высокой температуре. Из-за пористости материалов их магнитная энергия на 10-20 % ниже, чем у литых сплавов. Металлопластические магниты получают из порошка магнитного сплава, смешанного с порошком диэлектрика. Процесс изготовления магнитов состоит в прессовании и нагреве заготовок до 120-180 °С для полимеризации диэлектрика. Из-за того, что около 30 % объема занимает неферромагнитный связующий диэлектрический материал, их магнитная энергия на 40-60 % меньше, чем у литых сплавов.
Из магнитотвердых ферритов наибольшее распространение получили бариевый феррит и кобальтовый феррит. Магнитная энергия этих ферритов достигает 12 кДж/м.
Магнитотвердые материалы из сплавов на основе редкоземельных металлов весьма перспективны, но еще недостаточно изучены и освоены в техническом отношении. Практически известны сплавы самария и празеодима с кобальтом, магнитная энергия которых достигает 80 кДж/м. Недостатками этих сплавов являются их высокая хрупкость и значительная стоимость.
В качестве материалов для магнитной записи информации применяют тонкие металлические ленты из нержавеющих сплавов и ленты на пластмассовой основе с порошковым рабочим слоем. В технике магнитной записи наибольшее распространение получили полимерные ленты с нанесенным слоем магнитного лака, состоящего из магнитного порошка, связующего вещества, летучего растворителя и различных добавок, уменьшающих абразивность рабочего слоя.