Матведответ

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает некоторый магнитный момент М. Магнитный момент единицы объема вещества называют намагниченностью JM = М/V, При неравномерном намагничивании JM = dМ/dV. Намагниченность является векторной величиной; в изотропных телах она направлена либо параллельно, либо антипараллельно напряженности магнитного поля Н. Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля соотношением:JM = kMH,

Магнитная восприимчивость численно равна намагниченности при единичной напряженности поля. Кроме объемной магнитной восприимчивости Км иногда используют понятие удельной и молярной магнитных восприимчивостей, которые относят соответственно к единице массы или к молю вещества. Намагниченное тело, находящееся во внешнем поле, создает собственное магнитное поле, которое в

изотропных материалах направлено параллельно или антипараллельно внешнему полю. Поэтому суммарная магнитная индукция в веществе определяется алгебраической суммой индукции внешнего и собственного полей: В=В0+Вi= 0·Н + 0·Н·JM В= 0·Н·(1+ kM) = 0 H,Первопричиной магнитных свойств вещества являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов, представляющую собой элементарные круговые точки, обладающие магнитными моментами, Такими токами являются электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах. Магнитные моменты протонов и нейтронов приблизительно в тысячу раз меньше магнитного момента электрона. Поэтому магнитные свойства атома определяются целиком электронами, а магнитным моментом ядра можно пренебречь.

1.1.1.1.1.1.1.1.3640.Классификация веществ по магнитным свойствам

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на 5 групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики. Перечисленным видам магнетиков соответствуют 5 различных типов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм. К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электронов при внесении атома в магнитное поле. Диамагнитный эффект является проявлением закона электромагнитной индукции на атомном уровне. Электронную орбиту можно рассматривать как замкнутый контур, не обладающий активным сопротивлением. Под действием внешнего поля в контуре изменяется сила тока и возникает дополнительный магнитный момент. Согласно закону Ленца, этот момент направлен навстречу внешнему полю. Диамагнитный эффект является универсальным, присушим всем веществам. Однако в большинстве случаев он маскируется более сильными магнитными эффектами. Диамагнетизм электронных оболочек выступает на первый план, когда собственный магнитный момент атомов равен. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные, ряд металлов (Сu, Аg, Аu, Zn, Нg, Са и др.), большинство полупроводников (Li, Ge, соединения А3В5), органических соединений ЩГК, неорганические стекла и др. Диамагнетаками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии. Численное значение магнитной восприимчивости диамагнетиков составляет –(10-6 – 10-7). Поскольку диамагнетики намагничиваются против направления поля, для них выполняется неравенство <1. Однако относительная магнитная проницаемость очень незначительно отличается от единицы (за исключением сверхпроводников). Магнитная восприимчивость диамагнетиков очень слабо изменяется с температурой. Это объясняется тем, что диамагнитный эффект обусловлен внутриатомными процессами, на которые тепловое движение частиц не оказывает влияния. Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля. К парамагнетикам относятся вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного ноля. В парамагнетиках атомы обладают элементарным магнитным моментом даже в отсутствие внешнего поля, однако, из-за теплового движения эти магнитные моменты распределены хаотично так, что намагниченность вещества в целом равна нулю. Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов в одном направлении. Тепловая энергия противодействует созданию магнитной упорядоченности. Поэтому парамагнитная восприимчивость сильно зависит от температуры. При комнатной температуре магнитная восприимчивость парамагнетиков равна 10-3 — 10-5. Поэтому их магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы. Благодаря положительной намагниченности парамагнетики, помещенные в неоднородное магнитное поле, втягиваются в него. В очень сильных полях и при низких температурах в

парамагнетиках может наступать состояние магнитного насыщения, при котором все элементарные магнитные моменты ориентируются в направлении внешнего магнитного поля. К числу парамагнетиков относятся кислород, окись азота, щелочные и редкоземельные металлы, соли железа, никеля, кобальта и редкоземельных элементов. Парамагнитный эффект по физической природе во многом аналогичен дипольнорелаксационной поляризации диэлектриков.К ферромагнетикам относятся вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 106), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Явление ферромагнетизма связано с образованием внутри некоторых материалов ниже определенной температуры (точки Кюри) таких кристаллических структур, при которых в пределах макроскопических областей, называемых магнитными доменами, электронные спины оказываются ориентированными параллельно друг другу и одинаково направленными. Таким образом, характерными для ферромагнитного состояния вещества является наличие в нем самопроизвольной (спонтанной) намагниченности без приложения внешнего магнитного поля. Однако, хотя в ферромагнетике и образуются самопроизвольно намагниченные области, но направления магнитных моментов отдельных доменов получаются самыми различными, как это вытекает из закона о минимуме свободной энергии системы, Магнитный поток такого тела во внешнем пространстве будет равен нулю. Теоретический подсчет возможных размеров доменов для некоторых материалов приводит к величинам порядка 0,001 - 10 мм3 при толщине пограничных слоев между ними в несколько десятков-сотен атомных расстояний. У особо чистых материалов размеры доменов могут быть и больше. Существование доменов удалось показать экспериментально. На полированной поверхности намагниченного образца ферромагнетика можно обнаружить появление типичных узоров, образующихся с помощью осаждения тончайшего ферромагнитного порошка на границах отдельных доменов; эти узоры получили название фигур Акулова. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях. Они характеризуются точкой Кюри - т.е.; температурой, выше которой материал теряет свои ферромагнитные свойства. Ферромагнитными являются Fе, Со, Ni, Gd и многие их сплавы, некоторые соединения ферромагнитных материалов с редкоземельными элементами, особенно соединения типа RCo5, где R – один из редкоземельных элементов, например, Sr, Се, Рr. Кроме того, являются ферромагнитными некоторые сплавы Мn с Сu и Аl, Аg и А1, а также некоторые сплавы неферромагнитных элементов. Антиферромагнетиками являются вещества, у которых ниже некоторой температуры ^спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков характерна небольшая положительная магнитная восприимчивость kM = (10-3 – 10-5) которая сильно зависит от температуры, при нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Температура такого перехода, при которой исчезает магнитная упорядоченность, получила название точки Нееля (или антиферромагнитной точки Кюри).Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (церия, неодима, самария, тулия). Типичными антиферромагнетиками являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т.п. Всего известно около 1000 соединений со свойствами антиферромагнетиков. На рис. 14 в качестве примера показана магнитная структура оксида марганца, кристаллизующегося в решетке типа NаС1.Магнитоактивные ионы марганца с противоположными направлениями магнитных моментов образуют две, вставленные друг в друга кубические подрсшетки. Несмотря на магнитную упорядоченность суммарная намагниченность кристалла при отсутствии внешнего поля равна нулю.К ферримагнетикам относятся вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Ферримагнетики обладают атомным антиферромагнитным порядком, при котором энергетически выгодно в отсутствии внешнего поля антипараллельное расположение спинов соседних атомом, но суммарный магнитный момент не равен нулю. Элементарные частицы (атомы, ионы) ферримагнетика образуют самостоятельные подрешетки, которые спонтанно намагничиваются. Магнитные моменты отдельных подрешеток ориентированы антипараллельно, но так как они не одинаковы, они не полностью скомпенсированы и ферримагнетики имеют магнитный момент. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Наряду с этим ферримагнетики характеризуются и рядом существенных отличий от ферромагнитных материалов. Для них характерна значительно меньшая по сравнению с ферромагнетиками величина намагниченности насыщения; в ряде случаев имеет место аномальная температурная зависимость намагниченности насыщения с наличием так называемой точки компенсации.Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но главным образом – различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес

представляют ферриты (ферриты - химические соединения окиси железа Fe2O3 с окислами других металлов).Диа-, пара-, антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, тогда как ферро- и ферримагнетики представляют собой сильномагнитные материалы. Физические процессы, происходящие в этих материалах, особенности их свойств и основные технические применения рассмотрены далее.

1.1.1.1.1.1.1.1.3741.Техническая кривая намагничивания

Ферро- и ферримагнетики являются кристаллическими веществами. Ход технической кривой намагничивания и петли гистерезиса зависят от различных видов взаимодействий в кристаллах. Исследования показали, что в магнитном отношении кристаллы анизотропны и имеют направления (оси) легкого и трудного намагничивания. Так, Fе, сплавы Fе-Si, Fе-Ni и ряд других кристаллизуются в кубической структуре и осями легкого намагничивания у них являются ребра куба. Для Ni, также кристаллизующегося в кубической структуре, имеет место обратное распределение осей. В размагниченном образце направления магнитных моментов доменов совпадает, с реями легкого намагничивания кристалла и расположены равновероятно. При наличии внешнего поля самым энергетически выгодным направлением является ось легкого намагничивания, составляющая наименьший угол с направлением поля. Процесс намагничивания можно представить следующим образом, В слабых полях происходит поворот векторов магнитных моментов доменов, составляющих наибольший угол с направлением магнитного поля, в более энергетически выгодные направления. Другими словами, имеет место рост объемов доменов, у которых магнитный момент, направленный по оси легкого намагничивания, составляет наименьший угол с направлением поля за счет уменьшения объемов доменов, у которых этот угол наибольший. Так как этот процесс обратим, его называют обратимым процессом смещения границ доменов. При усилении поля векторы магнитных моментов всех доменов поворачиваются в самое энергетически выгодное направление. Поскольку в этом процессе участвует значительно большее количество доменов, чем на начальном участке, процесс намагничивания идет более интенсивно, и кривая намагничивания становится круче. Этот процесс является необратимым, т.е. при удалении внешнего поля магнитное состояние уже не возвращается в исходное, поэтому его называют процессом необратимого смещения доменных границ. Процесс этот необратимый и скачкообразный. Коли намагничиваемый образец поместить внутри катушки, подключенной через усилитель к телефону, то можно прослушать отдельные щелчки, обусловленные индуцируемой в катушке э.д.с. при резком изменении магнитного потока. Ступенчатый характер процесса намагничивания получил название эффекта Баркгаузена. Возрастание индукции под действием внешнего поля в областях I и II обусловлено процессом смещения доменных границ – так называется этот механизм намагничивания. По мере дальнейшего увеличения напряжения магнитного поля возрастает роль второго механизма намагничивания — механизма вращения, при котором магнитные моменты доменов из направления легкого намагничивания, образующего небольшой угол с полем, постепенно поворачиваются в направление поля, т.е. в направление более трудного намагничивания. Когда все магнитные моментов ориентируются вдоль поля, – наступает состояние технического насыщения намагниченности. Если продолжать усиливать поле, то наблюдается парапроцесс, заключающийся в слабом росте намагниченности, в пределе достигающем значения истинного намагничивания. Дело в том, что строго параллельное расположение спиновых моментов в домене, вызываемое обменными силами, имеет место лишь при очень низких температурах, близких к; абсолютному нулю. При повышении температуры за счет тепловой энергии упорядоченность в расположении спинов не сколько нарушается. Однако внешнее поле подавляет дезориентирующее влияние теплового движения и возвращает «неправильно» ориентированные спины к параллельной ориентации. Этим самым достигается эффект приращения намагниченности. Роль парапроцесса возрастает с повышением температуры. Приведенный анализ хода кривой намагничивания является упрощенным. В действительности различные виды процессов намагничивания перекрывают друг друга, на характер кривых оказывают влияние многие явления и причины – магнитострикция, механические напряжения, дефекты кристаллической, немагнитные включения, воздушные зазоры и др. Во многих случаях для получения кривых намагничивания в качестве исходного состояния принимают размагниченное состояние образца, при котором в отсутствии внешнего поля индукция равна нулю и нет преимущественного направления намагничивания доменов, т.е. они расположены статистически равномерно. Наилучшего размагничивания можно достигнуть в результате нагрева материала выше точки Кюри. Однако в технике этот способ применяют редко в связи с неудобствами его практического осуществления. Чаще всего образец размагничивают,

Различают магнитную проницаемость абсолютную = В/Н и относительную = В/( 0Н) = / 0. В дальнейшем слово «относительная» будем опускать. Подставлял в эти отношения конкретные значения В и Н, получают различные виды магнитной проницаемости, которые применяются в технике (свыше нескольких десятков). Наиболее часто используют понятия нормальной магнитной проницаемости (слово «нормальная» принято опускать), начальной НАЧ, максимальной МАХ, дифференциальной ДИФ, импульсной ИМП. Для точки А магнитная проницаемость определяется как тангенс угла наклона секущей ОА к оси абсцисс, т.е.

напряженности магнитного поля для любой точки кривой намагничивания, т.е. она представляет собой тангенс угла между осью абсцисс и касательной к кривой намагничивания в этой точке:

1.1.1.1.1.1.1.1.4044. Магнитострикция.

Изменение магнитного состояния ферромагнитного образца сопровождается изменением его линейных размеров и формы, это явление называют магнитострикцией. Различают линейную и спонтанную магнитострикцию.

Спонтанная магнитострикция возникает при переходе вещества из парамагнитного в ферромагнитное состояние в процессе охлаждения до температуры ниже точки Кюри. Линейная (индуцированная) магнитострикция связана с искажениями кристаллической решетки под действием внешнего поля. Линейную магнитострикцию оценивают значением относительной деформации образца в направлении магнитного поля. Численное значение коэффициента магнитострикции λ зависит от типа структуры, кристаллографического направления, напряженности магнитного поля и температуры. При этом линейная

магнитострикция может быть как положительной, так и отрицательному, т.е., размеры образца в направлении поля при намагничивании могут, как увеличиваться, так и уменьшаться.

Относительную магнитострикционную деформацию, возникающую при магнитном насыщении образца, называют константой магнитострикции λS. Изменение размеров ферромагнетика при намагничивании сопровождается появлением в нем внутренних напряжений и деформаций, которые препятствуют смещению доменных границ. Таким образом, магнитострикция, как и кристаллографическая анизотропия, затрудняют процесс намагничивания ферромагнетика в слабых полях. Поэтому высокой магнитной проницаемостью обладают те магнитные кристаллы, у которых малы константы анизотропии и магнитострикции. Константа магнитострикции уменьшается при нагревании ферромагнетика и обращается в нуль при температуре перехода вещества в парамагнитное состояние (точка Кюри).

1.1.1.1.1.1.1.1.4145. Намагничивание переменным полем.

При намагничивании магнитного материала переменным полем петля гистерезиса, характеризующая затраты энергии за один цикл перемагничивания, расширяется (т.е. увеличивает свою площадь) за счет потерь не только на гистерезис Рг, но также потерь на вихревые токи Рв, потери на магнитное последействие и дополнительные потери Рд. Такую петлю называют динамической, а сумму составляющих потерь — полными или суммарными потерями.

Потери на гистерезис при частоте перемагничивания f определяются по формуле:

HdB PГ f Д .

Потери на вихревые токи – вихревые токи возникают в проводящей среде за счет э.д.с. самоиндукции, пропорциональной скорости изменения магнитного потока

eL ddt ,

где еL – э.д.с. самоиндукции, L – индуктивность, Ф – магнитный поток – зависят не только от магнитных, но и от электрических свойств (удельного электрического сопротивления) материала и от формы сердечника. Для плоского образца эти потери

ВМАХ – амплитуда магнитной индукции. Т;f – частота переменного тока, Гц;d - толщина листа, м;

D - плотность, кг/м3; - удельное электрическое сопротивление, Ом·мВ общем виде:РВ = f2B2MAXV,

где V – объем образца – коэффициент, пропорциональный удельной проводимости вещества и зависящий от геометрической формы и размеров поперечного сечения намагничиваемого образца.

Потери на магнитное последействие обусловлены отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Исследования показывают, что спад намагниченности ферромагнетиков после отключения внешнего поля происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени - от долей миллисекунды, до нескольких минут. Время установления стабильного магнитного состояния существенно возрастет с понижением температуры. Одной из основных причин магнитного последействия является тепловая энергия, которая помогает слабо закрепленным доменным границам преодолевать энергетические препятствия (барьеры), мешающие их свободному смещению при изменении поля. Рассмотренное явление называют магнитной вязкостью. Физическая природа потерь на магнитное последействие во многом аналогична релаксационной поляризации диэлектриков.

Перемагничивание ферромагнетиков в переменных полях сопровождается потерями энергии, вызывающими нагрев материала. В общем случае потери на перемагничивание складываются из потерь на гистерезис, вихревые токи и магнитное последействие. Вкладом последнего механизма в разогрев ферромагнетика обычно можно пренебречь.

1.1.1.1.1.1.1.1.4246. Классификация магнитных материалов.

Магнитным материалом называют материал, применяемый в технике с учетом его магнитных свойств. Принято выделять две основные группы магнитных материалов: магнитомягкие и магнитотвердые; в третью группу включают магнитные материалы специального назначения, имеющие сравнительно узкие области применения.

Кмагнитомягким относят магнитные материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электроизмерительных приборов и т.п.

Кмагнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой. Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат в основном для изготовления постоянных магнитов.

Условно магнитомягкими считают материалы, у которых Нс < 800 А/м, а магнитотвердыми с Нс > 4 кА/м. Необходимо, однако, отметить, что у лучших магнитотвердых материалов коэрцитивная сила может составлять менее 1А/м, а в лучших магнитотвердых материалах ее значение превышает 500 кА/м.

Процессы намагничивания материалов обеих групп протекают аналогично, но количественное соотношение процессов смещения границ и вращения различно. Процессы смещения границ требуют меньших затрат энергии, чем процесс вращения. В магнитомягких материалах намагничивание происходит в основном за счет смещения границ, а в магнитотвердых — за счет вращения.

Термины «магнитомягкий» и «магнитотвердый» не являются характеристикой механических свойств материала. Существуют механически мягкие, но магнитотвердые материалы и наоборот.

К группе магнитных материалов специального назначения можно отнести материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для СВЧ, магнитострикционные, термомагнитные и некоторые другие (например, с постоянной и в слабых полях).

В зависимости от назначения материала возникают и различные требования к нему. Например, для магнитных экранов материал должен иметь высокие начальную и максимальную проницаемости, для импульсных трансформаторов существенной является скорость нарастания магнитной индукции и форма импульса и т.п. Общие требования к магнитомягким материалам можно сформулировать следующим образом-

1.Материал должен легко намагничиваться и размагничиваться, т.е. гистерезисная петля должна быть узкой, чему соответствует малое значение коэрцитивной силы и большое значение магнитной проницаемости (особенно начальной и максимальной). Выполнение этого условия определяет, например, величину тока холостого хода в трансформаторах. По этим параметрам лучшими материалами являются пермаллои.

2.Материал должен обладать большой индукцией насыщения, т.е. обеспечивать прохождение максимальной величины магнитного потока через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. При выполнении этого требования можно получить наименьшие габариты и вес устройства. Наибольшей индукцией насыщения обладают сплавы железа с кобальтом, технически чистое железо и электротехнические стали, З.При работе в переменных полях Изделия из магнитомягкого материала должны иметь возможно меньшие

полные потери, которые складываются из потерь на гистерезис, вихревые токи и дополнительные потериПотери определяют рабочую температуру изделия, которая не должна превышать допустимой величины. Снижение потерь повышает энергетический к.п.д.„ а также позволяет при заданной температуре перегрева повысить рабочую индукцию, что дает возможность уменьшить вес и габариты устройства.

Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте перемагничивания. Так как для различных материалов Нс меняется в десятки и сотни раз, а Вr только в несколько раз, то в первом приближении потери на гистерезис, отнесенные к одному циклу перемагничивания, пропорциональны коэрцитивной силе, которая должна быть минимальной.

Потери на вихревые токи зависят от электрического сопротивления магнитопровода, максимальной индукции и частоты перемагничивания. Для уменьшения этих потерь, увеличивают сопротивление магнито-провода, применяя материалы с большим удельным сопротивлением, а также шихтованные сердечники в виде пакета из тонких электрически изолированных друг от друга пластин. Широкое применение получили ленточные сердечники, навиваемые из тонкой ленты с межвитковой электрической изоляцией.

Определение составляющих потерь позволяет найти пути уменьшения полных потерь. Например, с повышением частоты повышается доля потерь на вихревые токи и, казалось бы, для уменьшения полных потерь нужно применять более тонкие пластины. Однако известно, что с уменьшением толщины проката сверх некоторого критического значения вызывает резкое увеличение потерь на гистерезис. Следовательно, применение очень тонких листов может вызвать не уменьшение, а даже увеличение полных потерь. Количественная оценка составляющих потерь в каждом конкретном случае дает возможность принять оптимальное решение.

Кроме перечисленных основных требований, к магнитомягким материалам предъявляют и другие требования. От листовых и ленточных металлических материалов требуются высокая пластичность, обеспечивающая хорошее качество штамповок, хорошее качество поверхности (отсутствие ржавчины, отслаивающейся окалины, бугорков, вмятин и т.п.), отсутствие разнотолщинности; от листовых материалов, кроме того, - минимальная волнистость и коробоватость.

Выполнение этих требований позволяет повысить коэффициент заполнения, что обуславливает меньшие габариты изделия.

Магнитные свойства большинства магнитомягких материалов зависят от механических напряжений. Чем меньше эта зависимость, тем больше материал можно обжать при сборке сердечника, т.е. тем выше коэффициент заполнения.

Под влиянием механических напряжений сильно меняется начальная и максимальная проницаемости и коэрцитивная сила, но проницаемость в сильных полях и индукция насыщений зависят незначительно.

Наиболее существенно механические напряжения влияют на свойства пермаллоев. Магнитные свойства материалов после механической обработки восстанавливаются путем термообработки (отжига).

В отдельных случаях существенными являются стабильность свойств от времени и температуры, линейность кривой намагничивания (на определенном участке), прямоугольность петли и др. При выборе материала необходимо учитывать его стоимость и дефицитность.

1.1.1.1.1.1.1.1.4448. Магнитомягкие материалы.

Технически чистое железо. Термин «железо» соответствует названию химического элемента. В промышленном же применении железо представляет собой сплав, в котором обязательно присутствует углерод. Технически чистое железо содержит менее 0,05% углерода, а также серу, фосфор, марганец и другие примеси.

Железо является основным компонентом почти всех современных магнитных материалов. Магнитные свойства железа и в первую очередь магнитная проницаемость в слабых и средних полях и коэрцитивная сила могут меняться в очень широких пределах в зависимости от количества и состав примесей. Кроме химического состава, значительное влияние на магнитные свойства железа оказывает его структура, особенно величина зерна (зерно – деформируемый кристалл округлой формы). Искажения кристаллической решетки, а также концентрация примесей на границах зерен затрудняют процессы смещения границ доменов и приводит к увеличению коэрцитивной силы. Поэтому чем крупнее зерна (меньше протяженность границ зерен на единицу объема), тем выше магнитные свойства. Выращивание крупного зерна достигается главным образом соответствующей термообработкой (отжигом). Получают железо переплавкой чугуна в мартеновских печах. Улучшить свойства железа в процессе производства можно в результате многократных переплавок в вакууме, а также различных видов отжига: в водороде, вакууме и др. Суммарное содержание примесей в техническом железе 0,08 – 0,1%. Вследствие сравнительно низкого удельного сопротивления технически чистое железо используется довольно редко, в основном для изготовления магнитопроводов постоянного магнитного потока. Электролитическое железо изготавливают путем электролиза раствора сернокислого или хлористого железа, причем анодом служит чистое железо, а катодом — пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина слоя 4-6 мм) после тщательной промывки снимают и измельчают в порошок» подвергают вакуумному отжигу или переплавляют в вакууме. Содержание примесей в электролитическом железе менее 0,05%. Величина коэрцитивной силы электролитического железа меньше, чем Нс технически чистого железа. Ввиду высокой стоимости электролитическое железо применяют редко.

Карбонильное железо получают посредством термического разложения пентакарбонила железа согласно уравнению: Fе(СО)5= Fе + 5СО.

Карбонильное железо имеет вид порошка, что делает его удобным для изготовления прессованных магнитных сердечников. В карбонильном железе отсутствует кремний, фосфор, сера, но содержится углерод. Содержание примесей менее 0,05%.

Карбонильное железо широко применяют в качестве ферромагнитной фазой магнитодиэлектриков. Электролитические стали. Сталь - сплав железа с 0,5 – 5% кремния. Кремний, образуя с железом твердый раствор, приводит к увеличению удельного сопротивления. При легировании кремнием улучшаются магнитные свойства технически чистого железа: возрастают начальная и максимальная проницаемости, уменьшается коэрцитивная сила и потери на гистерезис, существенно улучшается стабильность свойств. Но в технике не применяют сплавы с содержанием кремния свыше 5%. Это связано с тем, что кремний ухудшает механические свойства, повышая твердость и хрупкость. Уже при 4-5% кремния материал выдерживает не более 1-2 перегибов на 90°. Кроме того, кремний несколько снижает индукцию насыщения, что является нежелательным. Электротехническая сталь, кроме кремния, содержит примеси: углерод, серу, марганец, фосфор и др. Электротехническая сталь обладает магнитной анизотропией, подобной анизотропии чистого железа, т.е. направление легкого намагничивания совпадает с пространственной диагональю кубической элементарной ячейки. Свойства стали значительно улучшаются за счет образования магнитной текстуры при холодной прокатке и последующего отжига в водороде. При холодной прокатке происходит сильное обжатие материала, возникающие деформации вызывают преимущественную ориентацию кристаллических зерен. Отжиг при температуре 900 - 1000°С не только снимает внутренние механические напряжения, но и сопровождается интенсивной рекристаллизацией (укрупнением зерен), в результате которой кристаллические зерна осями легкого намагничивания ориентируются вдоль направления проката, получается ребровая текстура.

Текстурированная сталь анизотропна по свойствам: вдоль направления прокатки наблюдается более высокая магнитная проницаемость и меньшие потери на гистерезис. Объясняется это тем, что намагничивание вдоль направления прокатки осуществляется в основном за счет смещения доменных границ. Вращение магнитных моментов, затрудняющее намагничивание, выражено очень слабо.

Эффективное использование текстурированных сталей возможно лишь при такой конструкции магнитопровода, при которой магнитный поток целиком проходит вдоль направления легкого намагничивания. Легче всего это условие выполняется при использовании ленточных сердечников.

Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резаной ленты Она может быть без электроизоляционного покрытия или иметь его. Толщина листов стали 0,01 - 1 мм. Листы тонкого проката предназначены в основном для использования в полях повышенной частоты (до 1 кГц). С уменьшением толщины листов уменьшаются потери на вихревые токи. Однако в очень тонких листах наблюдается резкое возрастание коэрцитивной силы; соответственно увеличиваются потери на гистерезис.

Пермаллои. Пермаллои представляют собой сплавы железа с никелем или железа с никелем и кобальтом, обычно легированные молибденом, хромом и другими элементами. Пермаллои подразделяют на высоко- и низконикелевые. Высоконикелевые пермаллои содержат 72-80% Ni, а низконикелевые – 40-50% Ni. Основное преимущество пермаллоев — высокие значения магнитно проницаемости в слабых полях и малое значение коэрцитивной силы. Недостатками пермаллоев являются большая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, пониженные значения индукции насыщен по сравнению с электролитическими сталями и сравнительно высокая стоимость (1 кг низконикелевого пермаллоя в 10 раз дороже 1 кг технически чистого железа; 1 кг высоконикелевого – в 15-17 раз дороже 1 кг технически чистого железа). Необходимо также учитывать, что высокие магнитные свойства у пермаллоев могут быть получены лишь в результате отжига готовых изделий в водороде или вакууме, что усложняет их применение. Пермаллои находят широкое применение в магнитных элементах измерительных, автоматических и радиотехнических устройств при их работе в слабых постоянных или переменных полях с частотой до нескольких десятков килогерц. Для придания сплавам необходимых свойств в состав пермаллоев вводят ряд добавок. Молибден и хром повышают удельное сопротивление и начальную магнитную проницаемость пермаллоев, уменьшают чувствительность к механическим деформациям. Однако одновременно с этим

магнитного поля, повышает температурную стабильность и удельное сопротивление, а также делает сплавы легко поддающимися механической обработке. Кремний и марганец в основном только увеличивают удельное сопротивление В марках пермаллоев 79НМ; 80НХС; 76НХД; 45Н буква Н означает никель, К – кобальт, М – марганец, Х – хром, С

– кремний (силициум). Д – медь, П — сплав с прямоугольной петлей гистерезиса. Цифра в марке указывает на процент содержания никеля.

Сильная зависимость магнитных свойств пермаллоев от механических напряжений вынуждает применять специальные меры защиты сердечников, поскольку механические нагрузки неизбежно возникают даже при наложении токовых обмоток. Обычно кольцеобразные ленточные сердечники из пермаллоя помещают в немагнитные защитные каркасы из пластмассы или алюминия. В целях амортизации динамических нагрузок свободное пространство между каркасом и сердечником заполняют каким-либо эластичным веществом (например, эластичной смазкой ЦИАТИМ - 201).

1.1.1.1.1.1.1.1.4549. Магнитомягкие высокочастотные материалы

Под высокочастотными магнитными материалами понимают вещества, которые должны выполнять функции магнетиков при частотах свыше нескольких сотен или тысяч герц. По физической природе и строению высокочастотные магнитомягкие материалы Подразделяются на ферриты и магнитодиэлектрики.

Ферриты. Ферриты представляют собой оксидные магнитные материалы, у которых спонтанная намагниченность доменов обусловлена нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Большое удельное сопротивление, превышающее удельное сопротивление железа в 103 – 1013 раз, а, следовательно, незначительные потери энергии в области повышенных частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре.

Ферриты получают в виде керамики и монокристаллов. Благодаря невысокой стоимости и относительной простоты технологического цикла керамические материалы занимают ведущее место среди высокочастотных