объекты могут найти практическое применение. Однако, сейчас в Японии производят такой материал и достаточно широко используют для получения магнитопластов, и, в частности, магнитной бумаги. По своим магнитным свойствам нитрид Sm2Fe17 уступает быстрозакаленному сплаву Nd2Fe14B, но последний запатентован фирмой Magnequench Int. {рассказ о фирме японской}

Механизм влияния атомов внедрения на магнитные свойства материалов

На рисунке 78 представлена наглядная схема взаимодействий квадрупольного и магнитного моментов 4f-электронов с атомами внедрения.

Рисунок 78 - Схема взаимодействия квадрупольного и магнитного моментов 4f-электронного слоя иона редкой земли

с атомами внедрения: водородом и азотом

Напомним, что параметр Элиотта-Стивенса — это некое число, характеризущее степень отклонения от сферичности 4f электронного облака. На верхних картинках представлена ситуация, когда в решетку внедрен водород. Атом водорода, попадая в кристалл ионизуется и имеет заряд +1. Если редкоземельный ион с αj<0 (магнитный момент системы 4fэлектронов, представляющей собой сжатый эллипсоид вращения, направлен вдоль короткой его оси) попадает в окружение протонов, то под действием электростатических сил 4fоболочка будет расположена в плоскости ионов водорода, а магнитный момент будет ей перпендикулярен. Если том же окружении находится редкоземельный ион с положительным коэффициентом αj>0 (магнитный момент системы 4f-электронов, представляющей собой вытянутый эллипсоид вращения, направлен вдоль длинной его оси), то его 4f-оболочка и, следовательно, магнитный момент расположатся в плоскости. Механизм влияния азота на магнитные свойства интерметаллидов такой же, за тем лишь исключением, что ионизуясь в кристалле, атом приобретает отрицательный заряд (на рисунке схематически показаны p- орбитали ионов азота) и 4f-оболочка «стремится» отклониться от плоскости, в которой расположены ионы азота.

Постоянные магниты

На рисунке представлены постоянные магниты, созданные в разное время на основе различных материалов. Все их объединяет одинаковая величина запасенной в них энергии.

108

Рисунок 79 - Постоянные магниты

Самое большое тело — постоянный магнит образца 1910, сделанный из кобальтовой стали, другое тело поменьше — это магнит на основе феррита бария 1950 года, наконец, самое маленькое — это магнит Nd-Fe-B.

Основные характеристики магнитотвердого материала

На рисунке 80 схематично представлены кривая намагничивания, петля гистерезиса по индукции и намагниченности в первом и втором квадрантах, метод определения рабочей точки магнита. Br=Mr (в системе СГС) — остаточные индукция и намагниченность. BHC и IHC — коэрцитивные силы по индукции и намагниченности соответственно. Видно, что для магнитотвердых материалов они существенно различаются. Зеленой кривой представлено энергетическое произведение, то есть произведение индукции магнита на поле, в котором он находится.

109

Рисунок 80 - Кривая намагничивания, петля гистерезиса в первом и втором квадрантах, рабочая точка магнита

Максимальное энергетическое произведение пропорционально запасенной в магните энергии. Для более детального понимания смысле последнего обратимся к рисунку 81, где представлена модель магнита особой формы.

Рисунок 81 -

Также на рисунке приведены параметры модели: длина зазора lЗ, площадь сечения зазора SЗ, средняя длина магнитной силовой линии lm и площадь ярма Sm.

Из уравнений Максвелла легко могут быть получены следующие соотношения:

Bз S з =Bm S m	(81)
H з l з=H m lm	(82)

Выразив площадь сечения магнита через остальные величины, получаем:

	Sm=		Bз S з		(83)
			Bm
	lm=	H з l з			(84)
			H m

Объем магнита определяется соотношением:

V m= H з V з Bз (85)

Bm H m

110

С учетом того, что μз=1, то есть Bз=Hз, получаем

H 2з= VV m Bm H m (86)

з

В курсе электричества и магнетизма показано, что энергия магнитного поля определяется следующим выражением:

	W H =	H 2		=	V m Bm H m				(87)
		8			V з 8

Как видно из соотношения 87, энергия магнитного поля магнита обратно пропорциональна объему зазора, прямо пропорциональна объему магнита и произведению индукции на поле в магните. Чтобы каждый раз не указывать параметры системы и коэффициент, принято оперировать максимальным энергетическим произведением, являющимся одной из важнейших характеристик постоянного магнита.

Материалы для постоянных магнитов

«Старые» (до 70-х гг XX века)

1.На заре магнетизма в качесвте материала для изготовления постоянных магнитов применялись мартенситные стали. Коэрцитивная сила по намагниченности таких

магнитов не превосходила 200 Э, максимальное энергетическое произведение (BH)max не более 0,6 МГсЭ.

2.В 30-е годы прошлого века начали использовать сплавы системы Fe-Al-Ni-Co

(альнико, или ЮНДК). (BH)max<12 МГсЭ, iHc<1,5 кЭ. Механические свойства ЮНДК магнитов сильно отличаются от таковых у сталей. Новые материалы оказались очень хрупкими.

На основе сплавов ЮНДК был создан магнетрон, нашедший широкое применение в радарах, благодаря которым количество жертв в Англии во время Второй мировой войны от авиационных налетов оказалось заметно меньшим, чем могло бы быть.

3.Сплавы викалой, кунико, кунифе, хороши тем, что деформируемы, пластичны и прочны. Могут выпускаться в виде лент и проволок. На основе этих материалов в конце прошлого столетия делались запоминающие устройства для так называемых черных ящиков воздушных судов. iHc = 100÷300 Э; (ВН)max= 2÷3,6 МГс Э;

4.Ферриты (50-е годы). iHc = 1400÷3400 Э; (ВН)тах< 3,5 МГсЭ. Обладали рекордной на момент открытия коэрцитивной силой. В составе ферритов нет дефицитных и дорогих компонентов, технологии их создания достаточно просты, поэтому на настоящий момент магнитов этого типа в мире выпускается порядка 200 тысяч тон.

5.Существуют также магниты на основе благородных металлов Pt-(Fe, Co).

(BH)max<10 МГсЭ. Магниты очень прочные, хорошо поддаются механической обработке, но дорогие.

6.На основе магнитомягких материалов созданы постоянные магниты. Коэрцитивность в таких магнитах обусловлена эффектом анизотропии формы частиц. Если правильно подобрать размеры и форму частиц и скомпактировать их, то можно получать магниты ESD (elongated single domain) с (BH)max порядка 7 МГсЭ.

7.Другие сплавы, не получившие широкого применения, на основе Mn-Bi, Mn-Al-C, Fe-

Co-Cr. iHc<4000 Э, (ВН)max≤6 МГсЭ.

«Новые» материалы на основе редкоземельных сплавов и соединений.

1.Сплавы на основе фаз RT5, где R главным образом самарий, T главным образом кобальт. Производство магнитов происходит по металлокерамической технологии. iHс≤20 кЭ, (BH)max≤20 МГсЭ.

2.Сплавы на основе фазы R2T17, где R главным образом самарий, T главным образом

111