Классификация и основные характеристики магнитных материалов

Магнитные материалы делят на слабомагнитные и сильномагнитные.

К слабомагнитнымотносят диамагнетики и парамагнетики.

К сильномагнитным – ферромагнетики, которые, в свою очередь, могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми.

Формально отличие магнитных свойств материалов можно охарактеризовать относительной магнитной проницаемостью.

Диамагнетиками называют материалы, атомы (ионы) которых не обладают результирующим магнитным моментом. Внешне диамагнетики проявляют себя тем, что выталкиваются из магнитного поля. К ним относят цинк, медь, золото, ртуть и другие материалы.

Парамагнетиками называют материалы, атомы (ионы) которых обладают результирующим магнитным моментом, не зависящим от внешнего магнитного поля. Внешне парамагнетики проявляют себя тем, что втягиваются в неоднородное магнитное поле. К ним относят алюминий, платину, никель и другие материалы.

Ферромагнетиками называют материалы, в которых собственное (внутреннее) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превышать вызвавшее его внешнее магнитное поле.

Любое ферромагнитное тело разбито на домены – малые области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. В отсутствие внешнего магнитного поля, направления векторов намагниченности различных доменов не совпадают, и результирующая намагниченность всего тела может быть равна нулю.

Магнитомягкие и магнитотвердые материалы

К магнитомягким материалам относят:

1. Технически чистое железо (электротехническая низкоуглеродистая сталь).

2. Электротехнические кремнистые стали.

3. Железоникелевые и железокобальтовые сплавы.

4. Магнитомягкие ферриты.

Магнитные свойства низкоуглеродистой стали (технически чистого железа) зависят от содержания примесей, искажения кристаллической решетки из-за деформации, величины зерна и термической обработки. По причине низкого удельного сопротивления технически чистое железо в электротехнике используется довольно редко, в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока.

Электротехническая кремнистая сталь является основным магнитным материалом массового потребления. Это сплав железа с кремнием. Легирование кремнием позволяет уменьшить коэрцитивную силу и увеличить удельное сопротивление, то есть снизить потери на вихревые токи.

Листовая электротехническая сталь, поставляемая в отдельных листах или рулонах, и ленточная сталь, поставляемая только в рулонах — являются полуфабрикатами, предназначенными для изготовления магнитопроводов (сердечников).

Магнитопроводы формируют либо из отдельных пластин, получаемых штамповкой или резкой, либо навивкой из лент.

Железоникелевые сплавы называют пермаллоями. Они обладают большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых магнитных полей. Пермаллои применяют для сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей и реле.

Ферриты представляют собой магнитную керамику с большим удельным сопротивлением, в 1010 раз превышающим сопротивление железа. Ферриты применяют в высокочастотных цепях, так как их магнитная проницаемость практически не снижается с увеличением частоты. Недостатком ферритов является их низкая индукция насыщения и низкая механическая прочность. Поэтому ферриты применяют, как правило, в низковольтной электронике.

К магнитотвердым материалам относят:

1. Литые магнитотвердые материалы на основе сплавов Fe-Ni-Al.

2. Порошковые магнитотвердые материалы, получаемые путем прессования порошков с последующей термообработкой.

3. Магнитотвердые ферриты. Магнитотвердые материалы – это материалы для постоянных магнитов, использующихся в электродвигателях и других электротехнических устройствах, в которых требуется постоянное магнитное поле.

Магнитное состояние вещества определяется:

намагниченностьюJ—величиной результирующего магнитного момента, отнесённого к единице объёма (или массы) вещества;

магнитной восприимчивостью c, магнитной проницаемостьюm, магнитной структурой.

К важнейшим характеристикам наиболее распространённых магнитных материалов — ферромагнетиков—относятся: кривые индукцииВ(Н) и намагничивания J(Н),то есть зависимости В и J от напряжённости поля Н,коэрцитивная сила, потери энергии на перемагничивание, максимальная магнитная энергия единицы объёма (или массы), размагничивающий фактор (коэффициент размагничивания) ферромагнитного образца.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Студент — человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10617 — | 7341 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Все вещества в природе являются магнетиками в том понимании, что они обладают определенными магнитными свойствами и определенным образом взаимодействуют с внешним магнитным полем.

Магнитными называют материалы, применяемые в технике с учетом их магнитных свойств. Магнитные свойства вещества зависят от магнитных свойств микрочастиц, структуры атомов и молекул.

Классификация магнитных материалов

Магнитные материалы делят на слабомагнитные и сильномагнитные.

К слабомагнитным относят диамагнетики и парамагнетики.

К сильномагнитным – ферромагнетики, которые, в свою очередь, могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми. Формально отличие магнитных свойств материалов можно охарактеризовать относительной магнитной проницаемостью.

Диамагнетиками называют материалы, атомы (ионы) которых не обладают результирующим магнитным моментом. Внешне диамагнетики проявляют себя тем, что выталкиваются из магнитного поля. К ним относят цинк, медь, золото, ртуть и другие материалы.

Парамагнетиками называют материалы, атомы (ионы) которых обладают результирующим магнитным моментом, не зависящим от внешнего магнитного поля. Внешне парамагнетики проявляют себя тем, что втягиваются в неоднородное магнитное поле. К ним относят алюминий, платину, никель и другие материалы.

Ферромагнетиками называют материалы, в которых собственное (внутреннее) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превышать вызвавшее его внешнее магнитное поле.

Существует три типа процессов намагничивания ферромагнетиков:

1. Процесс обратимого смещения магнитных доменов. В данном случае происходит смещение границ доменов, ориентированных наиболее близко к направлению внешнего поля. При снятии поля домены смещаются в обратном направлении. Область обратимого смещения доменов расположена начальном участке кривой намагничивания.

2. Процесс необратимого смещения магнитных доменов. В данном случае смещение границ между магнитными доменами не снимается при снижении магнитного поля. Исходные положения доменов могут быть достигнуты в процессе перемагничивания.

Необратимое смещение границ доменов приводит к появлению магнитного гистерезиса – отставанию магнитной индукции от напряженности поля.

3. Процессы вращения доменов. В данном случае завершение процессов смещения границ доменов приводит к техническому насыщению материала. В области насыщения все домены поворачиваются по направлению поля. Петля гистерезиса, достигающая области насыщения называется предельной.

Предельная петля гистерезиса имеет следующие характеристики: Bmax – индукция насыщения; Br – остаточная индукция; Hc — задерживающая (коэрцитивная) сила.

Материалы с малыми значениями Hc (узкой петлей гистерезиса) и большой магнитной проницаемостью называются магнитомягкими.

Материалы с большими значениями Hc (широкой петлей гистерезиса) и низкой магнитной проницаемостью называются магнитотвердыми.

При перемагничивании ферромагнетика в переменных магнитных полях всегда наблюдаются тепловые потери энергии, то есть материал нагревается. Эти потери обусловлены потерями на гистерезис и потерями на вихревые токи. Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса. Потери на вихревые токи зависят от электрического сопротивления ферромагнетика. Чем выше сопротивление – тем меньше потери на вихревые токи.

Магнитомягкие и магнитотвердые материалы

К магнитомягким материалам относят:

1. Технически чистое железо (электротехническая низкоуглеродистая сталь).

3. Железоникелевые и железокобальтовые сплавы.

4. Магнитомягкие ферриты.

Железоникелевые сплавы называют пермаллоями . Они обладают большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых магнитных полей. Пермаллои применяют для сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей и реле.

Ферриты представляют собой магнитную керамику с большим удельным сопротивлением, в 1010 раз превышающим сопротивление железа. Ферриты применяют в высокочастотных цепях, так как их магнитная проницаемость практически не снижается с увеличением частоты.

Недостатком ферритов является их низкая индукция насыщения и низкая механическая прочность. Поэтому ферриты применяют, как правило, в низковольтной электронике.

К магнитотвердым материалам относят:

1. Литые магнитотвердые материалы на основе сплавов Fe-Ni-Al.

Диапазон изменения различных магнитных свойств у магнитных материалов весьма неодинаков. Сопоставляя параметры петли гистерезиса широкого круга промышленных магнитных материалов, можно заметить, что индукция насыщения и остаточная индукция изменяются всего в несколько раз, в то время как коэрцитивная сила — в сотни тысяч и миллионы раз.

Для материалов с малым значением Н_с характерны однородность структуры, незначительная кристаллографическая анизотропия и магнитострикция, минимум механических напряжений, различных примесей и включений. Такое состояние магнитного материала характеризуется также высокими значениями магнитной проницаемости.

Исходя из различий в коэрцитивной силе в технике принято разделение магнитных материалов на магнитомягкие и магнитотвердые. Характерными свойствами магнитомягких материалов является малое значение коэрцитивной силы, в связи с чем они способны намагничиваться до насыщения даже в слабых полях. Эти материалы обладают высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на перемагничивание.

Магнитотвердые материалы (материалы для постоянных магнитов) обладают высокими значениями коэрцитивной силы, большой удельной энергией. Эта энергия пропорциональна произведению остаточной индукции на величину коэрцитивной силы.

Магнитомягкие, т. е. легко намагничивающиеся материалы, имеют узкую петлю гистерезиса небольшой площади при высоких значениях индукции (рис. 19.10, а, б, в, табл. 19.1). Материалы этого типа с округлой петлей гистерезиса (рис. 19.10, а, б) применяют для работы в низкочастотных магнитных полях. Магнитомягкие материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (рис. 19.10, в) используют в импульсных устройствах магнитной памяти.

Магнитотвердые материалы намагничиваются с трудом, но способны длительное время сохранять сообщенную им энергию. Для них характерна широкая петля гистерезиса большой площади (рис. 19.10, г), служат эти материалы для изготовления постоянных магнитов.

Границы значений коэрцитивной силы, по которым материал можно отнести к группе магнитомягких или магнитотвердых, достаточно условны. К магнитомягким относят материалы с величиной Н_с менее 4кА/м, а к магнитотвердым — материалы с величиной Н_с более 4кА/м.

К слабомагнитным веществам относятся диамагнетики и парамагнетики.

Парамагнетики отличаются тем, что при помещении этих веществ в магнитное поле они усиливают его внутри себя. Это происходит из-за совпадения направления намагниченности парамагнетиков с направлением внешнего поля. К парамагнетикам относят алюминий, платину и др.

Диамагнетики характеризуются тем, что ослабляют внутри себя то магнитное поле, которое действует извне. Это происходит вследствие того, что их намагниченность направлена против внешнего поля. К этим веществам относят большинство органических соединений и ряд металлов: медь, серебро, золото, свинец и др.

Наибольший интерес с точки зрения технического применения представляют сильномагнитные вещества к которым относят ферромагнетики и ферримагнетпкн.

Ферромагнетики характеризуются, во-первых, способностью сильно намагничиваться даже в слабых полях. Вторая их особенность состоит в том, что выше определенной температуры, называемой температурой Кюри ферромагнитное состояние вещества переходит в парамагнитное, т. е. магнитная восприимчивость, снижается на три-четыре порядка. К ферромагнетикам относят железо, никель, кобальт и их сплавы, сплавы хрома и марганца и др.

Ферримагнетики — это вещества, получившие название от сложных оксидных материалов—ферритов. Они имеют свойства, во многом подобные свойствам ферромагнетиков, но значительно уступают им по величине предельной намагниченности. Под ферритами понимают соединения оксида железа Fe2O3 с оксидом металла МеО типа МеО·Fe2O3. Магнитные свойства ферримагнетиков тесно связаны с взаимным расположением в кристаллической решетке ионов железа и металла.

По данным современной теории в ферромагнитном веществе в отсутствие внешнего магнитного поля существуют самопроизвольно намагниченные области, называемые магнитными доменами. В доменах магнитные моменты электронов ориентированы параллельно друг другу. В зависимости от кристаллической структуры вещества домены имеют различную форму. Линейные размеры доменов составляют от тысячных до десятых долей миллиметра. Направления намагниченности отдельных доменов располагаются неупорядоченно, из-за чего общая намагниченность материала равна нулю (рис. 19.1).

Ферро- и ферримагнетики являются кристаллическими веществами. Намагничивание отдельных кристаллов (монокристаллов) ферромагнитных веществ имеет свои особенности: в кристаллах различают направления наилучшего (легкого) и наихудшего (трудного) намагничивания (магнитная анизотропия). На рис. 19.2 показаны направления легкого и трудного намагничивания трех основных ферромагнитных элементов: железа, никеля и кобальта. Железо и его сплавы Fe-Ni, Fe-Si кристаллизуются в кубической структуре и осями легкого намагничивания у них являются ребра куба, а самого трудного — пространственные диагонали. Для никеля, имеющего также кубическую структуру, распределение осей намагничивания противоположное. Направления легкого и трудного намагничивания кристалла кобальта, имеющего гексагональную структуру, показаны на рис. 19.2, в.