1 .5 Магнитные материалы

Магнитные материалы: свойства и характеристики. Особенности различных видов магнетизма. Процессы намагничивания. Особенности сильномагнитных материалов. Потери на перемагничивание.

Магнитомягкие материалы: классификация, свойства, назначение. Магнитотвердые материалы: классификация, свойства, назначение. Магнитные материалы специального назначения: классификация, свойства, назначение.

Литература [1,2,34 - 40,57 - 59].

Магнитные материалы (магнетики) - материалы, существенно изменяющие свою намагниченность при воздействии на них возбуждающего внешнего магнитного поля. Намагниченность j_m прямо пропорциональна напряженности возбуждающего поля Н. Коэффициент пропорциональности æ - магнитная восприимчивость материала, характеризующая его способность к намагничиванию. Относительная магнитная проницаемость μ определяется как æ+1.

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе подразделяют на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

К диамагнетикам относят вещества, у которых as отрицательна и не зависит от напряженности внешнего поля (Н₂, N₂, H₂O, нефть и её производные, Сu, Ag, Аu, Zn, Hg, Ga, Si, Те и др.): æ = - (10'⁶ - 10'⁷).

К парамагнетикам относят вещества с положительной аз, не зависящей от напряженности внешнего поля (О₂, NO₂, Na, К, Са и др.): - æ = (10^-3 – 10^-6)

К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной æ (до 10⁶), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры (Fe, Co, Ni).

Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решётки (С₂, Мn, Се, Nd, Sm, сульфиды, карбонаты и т.п.: æ = (10^-3 – 10^-5).

К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. У них высокая эе, которая зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

Диа-, пара- и антиферромагнетики относят к слабомагнитным веществам, а ферро- и ферромагнетики - к сильномагнитным веществам.

Особенности сильномагнитных веществ:

1) сильномагнитные вещества обладают доменным строением (домен 10^-8-10^-12 м^-3). Толщина пограничных слоев между ними - десятки и сотни ангстрем;

2) магнитная анизотропия: в монокристалле ферромагнетика наблюдается различная интенсивность намагничивания вдоль различных осей (у железа [100] -ось легкого намагничивания; [110] - среднего; [111]- трудного);

3) магнитострикция - изменение линейных размеров монокристаллов при намагничивании ферромагнетиков. Все сильно магнитные вещества имеют кривую намагничивания В = φ(Н). Процесс намагничивания сильно магнитных веществ сводится к:

- увеличению размера доменов, магнитные моменты которых составляют наименьший угол с вектором напряженности внешнего магнитного поля, и уменьшению остальных доменов (процесс смещения границ доменов);

- повороту векторов магнитных моментов в направлении внешнего поля (процесс ориентации);

- магнитному насыщению, которое заканчивается тогда, когда рост доменов прекращается и магнитные моменты всех спонтанно намагниченных областей оказываются ориентированными в направлении поля.

Крутизна кривой намагничивания характеризуется магнитной проницаемостью (статическая, начальная, дифференциальная, реверсивная, динамическая). Магнитная проницаемость зависит от температуры, переходя через максимум при температурах, близких к точки Кюри. Изменение μ при воздействии температуры характеризуется α_μ - температурным коэффициентом магнитной проницаемости. Все сильномагнитные вещества характеризуются петлёй гистерезиса, параметрами которой является остаточная индукция (В_г при Н = 0) и коэрцитивная сила (Н_c при В = 0). Материалы с малой H_c< 800 А/м называют магнитомягкими, а с Н_c > 4 кА/м - магнитотвердыми. Площадь петли гистерезиса пропорциональна работе, затрачиваемой на перемагничивание за один цикл. Эта работа идет на нагревании материала и называется потерями на гистерезис. Вторая составляющая потерь - динамическая, вызываемая вихревыми токами, индуктированными в массе магнитного материала, которые в первую очередь зависят от ρ ферромагнетика.

Магнитные свойства сильномагнитных веществ зависят от различных механических и термических воздействий, внутренних механических напряжений, искажения строения кристаллов от примесей.

Все сильномагнитные вещества подразделяются на магнитомягкие, магнитотвёрдые и специализированные.

Магнитомягкие обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, имеют узкую петлю гистерезиса и малые потери на перемагничивание. Основное использование - различные магнитопроводы. Их подразделяют на низкочастотные (НЧ) и высокочастотные (ВЧ) материалы. К НЧ материалам относят железо (электролитическое, карбонильное и техническое), электротехнические стали, пермаллои и альсиферы. К ВЧ материалам относят магнитодиэлектрики, ферриты.

К магнитным материалам специализированного назначения относят ферриты и сплавы с прямоугольной петлей гистерезиса, ферриты СВЧ, магнитострикционные материалы, термомагнитные, сплавы с постоянной μ, в слабых полях.

К магнитотвердым сильномагнитным материалам относят легированные мартенситные стали, литые магнитотвердые сплавы, магниты из порошков, ферриты, магнитные ленты (диски). Особый интерес представляют сплавы на основе редкоземельных металлов (VCo₅, CeCo₅, SmCo₅ и др.), обладающие высокими значениями Н_с и W_max.

Вопросы для самопроверки

1. Классификация веществ по магнитным свойствам.

2.Особенности сильномагнитных веществ (домены, анизотропия, кривая намагничивания, магнитострикция, магнитная проницаемость, гистерезис, и т.п.).

3. Факторы, влияющие на магнитные свойства.

4. Потери в магнитных материалах.

5. Классификация сильномагнитных материалов.

6. Низкочастотные магнитомягкие материалы.

7. Высокочастотные магнитомягкие материалы.

8. Магнитотвердые материалы.

9. Магнитные материалы спецназначения.

Литература [1, 35-40, 57-59]