10.3. Магнитные свойства материалов

Все вещества в разной степени обладают магнитными свойствами, так как электроны, протоны и нейтроны, из которых построены атомы, имеют магнитное взаимодействие (магнитный момент). По значению и знаку магнитной восприимчивости все вещества можно разделить на три основных группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики – вещества, у которых при внесении их в магнитное поле во всем объеме индуктируются незатухающие вихревые микротоки, создающие собственное магнитное поле, направленное навстречу внешнему. Диамагнетизм присущ всем веществам, но у некоторых он перекрывается более сильными эффектами.

К диамагнитным металлам относятся медь, серебро, золото, ртуть, цинк, кадмий, сурьма, бериллий, висмут и др.

Парамагнетики – вещества, которые, находясь во внешнем магнитном поле, приобретают намагниченность, совпадающую по направлению с напряженностью этого поля. Парамагнетизм обусловлен ориентацией во внешнем магнитном поле постоянных магнитных моментов атомов парамагнитного вещества, которыми они обладают независимо от напряженности намагничивающего поля.

К парамагнитным металлам относятся молибден, вольфрам, алюминий, кальций, барий и др.

Ферромагнетики – вещества, которые самопроизвольно намагничиваются, обладают высокими значениями магнитной проницаемости (до 10⁵…10⁶), изменяют форму и размеры под действием магнитного поля (магнитострикция). Характерными представителями ферромагнетиков являются железо, никель, кобальт и их славы, а также ряд редкоземельных металлов – гадолиний, тербий и их сплавы.

Магнитотвердые (магнитожесткие) материалы – ферромагнитные материалы, которые намагничиваются и перемагничиваются в сильных магнитных полях, характеризующиеся высокой коэрцитивной силой и остаточной магнитной индукцией. В технике используют литые и порошковые магнитные материалы на основе железа и кобальта с добавлением других веществ (в т. ч. и редкоземельных). Из магнитотвердых материалов делают постоянные магниты, используемые в измерительных приборах, электродвигателях и других устройствах.

Ални – общее название группы магнитотвердых сплавов на основе железа, образованное от первых букв главных компонентов: алюминия (11…18%) и никеля (20…34%). Легирующими элементами могут быть кобальт, медь, кремний, титан.

Кроме того, известен магнитотвердый материал магнико на основе железа, содержащий кобальт (24%), никель (14%), алюминий (8%) и медь(3%). Этот сплав имеет высокое значение остаточной магнитной индукции и коэрцитивной силы. Анизотропию магнитных свойств магнико получают термической обработкой в магнитном поле.

Постоянные магниты изготовляют из материалов, которые способны намагничиваться и сохранять намагниченность. Для сердечников электромагнитов применяют металл, который намагничивается во включенном состоянии и размагничивается в выключенном. Мощные магниты отливают из сплавов железо – никель – кобальт и алюминий – никель – кобальт (альнико), содержащий 10…12% алюминия, 20…21% никеля и 5…10% кобальта. Поскольку этот материал хрупок, обработку отливки выполняют шлифованием.

Магнитомягкие материалы – это ферромагнитные материалы, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в слабых магнитных полях. Эти материалы характеризуются высокими значениями магнитной проницаемости (10²…10⁵) и небольшой коэрцитивной силой (напряженность магнитного поля для полного размагничивания). К ним относятся широко известные сплавы – железоникелевые (пермаллой), железокобальтовые (пермендюр), смешанные ферриты, а также электротехнические стали для электрических машин и специального назначения термомагнитные сплавы и магнитострикционные материалы.

Магнитострикция – это явление, связанное с изменением размеров и формы тела при его намагничивании. По своему значению магнитострикция значительна у ферромагнитных материалов и может быть продольной, когда удлинение образца происходит в направлении магнитного поля, и поперечной, когда это явление происходит перпендикулярно направлению магнитного поля. Кроме того, этот эффект может быть обратимым, т. е. магнитоупругим (эффект Вилари), когда происходит изменение намагниченности образца при его деформации.

К магнитомягким материалам, кроме названных, относятся также никель, алфер, ряд ферритов и некоторые редкоземельные металлы, их сплавы и соединения. Из указанных материалов изготовляют магнитострикционные преобразователи, в которых энергия переменного электрического и магнитного полей преобразуется в энергию механических УЗ-колебаний или, наоборот, благодаря обратимому эффекту магнитострикции – в магнитное поле при механическом воздействии на преобразователь. Устройства с магнитострикционными преобразователями используются в УЗ-установках для очистки электронных блоков, разделения твердых и хрупких материалов, для измерения вибрации разных сооружений, в фильтрах и стабилизаторах электрических и радиотехнических устройств.

Электротехническая сталь относится к магнитомягким материалам. Ее разделяют на два вида: динамную (изотропную) и трансформаторную (анизотропную). Эта сталь кроме железа и 0,1% углерода содержит 0,3…6,0% кремния и 0,1…0,3% марганца.