ЕТМ_т_студ / ЕТМ_лк_pdf / ЕТМ_лк7-Магнітні матеріали

Л е к ц і я 7

МАГНІТНІ МАТЕРІАЛИ

План лекції.

1Загальні відомості.

2Основні характеристики магнітних матеріалів.

3Класифікація магнітних матеріалів.

4Магнітом’які матеріали.

5Магнітотверді матеріали.

6Ферити.

Література: 1. 199-228; 2. ст.107-114; 3 cт.310-346; 4. ст.65-69; 5. ст. 85-111; 6. ст. 245-273.

1 Загальні відомості

Всі матеріали в природі, при внесенні їх в магнітне поле, в тій чи ін-

шій мірі володіють магнітними властивостями, які зумовлені внутрішніми формами руху електричних зарядів (див. лекцію 1).

Магнітне поле в матеріалі створюють рухомі електричні заряди – електрони. Рух електрона по орбіті навколо атомного ядра приводить до ви-

никнення орбітального магнітного моменту. Рух електрона навколо своєї осі, який називається «спином електрона» приводить до виникнення спино-

вого магнітного моменту. Орбітальний та спиновий магнітні моменти в сумі утворюють магнітний момент атома.

Орбітальні магнітні моменти практично не приймають участі в явищі намагнічування. Елементарними носіями магнетизму матеріалу є спинові ма-

гнітні моменти.

Так як електрони із правим і лівим обертанням мають різний напрям магнітних моментів, то сумарний магнітний момент атома може бути рівний нулю або відрізнятися від нього. Матеріали із різною електронною структу-

рою атомів мають різні магнітні властивості.

103

Сила взаємодії речовини (матеріалу) із зовнішнім магнітним полем оцінюється безрозмірною величиною – магнітною сприйнятливістю:

k

M

,

(7.1)

m H

де М – намагніченість речовини під впливом магнітного поля, А/м; Н – напруженість зовнішнього магнітного поля, А/м.

В залежності від знаку та величини магнітної сприйнятливості km усі матеріали діляться на діамагнетики (km 0), парамагнетики (km 0), ферома-

гнетики та феримагнетики (km 1), антиферомагнетики (km 0 ). Діамагнетики, парамагнетики та антиферомагнетики відносяться до

слабомагнітних матеріалів, а феромагнетики та феримагнетики до сильномагнітних матеріалів.

Практичне застосування в електротехніці найшли матеріали із сильномагнітними властивостями – матеріали, які під дією зовнішнього магнітного поля здатні намагнічуватися, тобто набувати особливих магнітних властивостей. Саме ці матеріали ми і будемо далі називати магнітними.

Основні магнітні матеріали:

феромагнетики – залізо, нікель, кобальт, сплави на основі хрому і марганцю та сплави на основі заліза;

ферримагнетики – сполуки оксиду заліза із оксидами інших металів. Явище феромагнетизму пов’язано із утворенням всередині матеріа-

лу, нижче певної температури (нижче точки Кюрі), таких кристалічних структур, при яких в межах макроскопічних областей (доменів), електронні спини орієнтовані паралельно один до одного і мають однаковий напрямок.

Із сказаного слідує, що у феромагнітних речовин існують спонтанно намагнічені області ще до прикладання зовнішнього магнітного поля (рисунок 7.1). Ці намагнічені області (домени) мають різні напрямки магнітних моментів. Магнітний потік такого тіла у просторі буде дорівнювати нулю.

Також особливістю феромагнітних матеріалів є те, що їх кристали характеризуються магнітною анізотропією, яка проявляється у тому, що вони по різному намагнічуються уподовж різних осей.

104

Рисунок 7.1 – Фрагмент феромагнетику із спонтанно намагніченими областями (доменами)

У випадках, коли анізотропія в полікристалічних магнетиках вира-

жена досить сильно, говорять, що феромагнетик має магнітну текстуру.

Одержання заданої магнітної текстури магнітного матеріалу має ве-

лике значення і широко використовується в електротехніці для створення магнітних виробів із підвищеними магнітними характеристиками у задано-

му напрямі.

Властивості магнітних матеріалів оцінюються за допомогою вели-

чин, які називаються магнітними характеристиками.

2. Основні характеристики магнітних матеріалів

Намагнічування речовини характеризують:

–магнітна індукція В, Тл;

–напруженість магнітного поля Н, А/м;

–намагніченість М, А/м;

–магнітна сприйнятливість km;

–магнітна проникність ;

–магнітний потік Ф, Вб

–втрати потужності на гістерезис РГ, Вт;

–втрати потужності на вихрові струми Рf, Вт.

Магнітні властивості матеріалів характеризуються кривою намагні-

чування та петлею гістерезису.

105

Крива намагнічування. Процес намагнічування феромагнітного матеріалу під впливом зовнішнього магнітного поля, при Н1 < Н2 < Н3 (рисунок 7.2), полягає в наступному:

–збільшення розмірів тих доменів, магнітні моменти яких складають найменший кут по відношенню до напрямку магнітного поля і, відповідно, зменшення інших доменів (процес зміщення меж доменів) (рисунок 7.2,б);

–поворот магнітних моментів доменів у напрямку зовнішнього магнітного поля (процес орієнтації) (рисунок 7.2,в). Магнітне насичення досягається тоді, коли закінчується ріст розмірів доменів і магнітні моменти усіх доменів будуть орієнтовані у напрямку поля (рисунок 7.2,в).

	Н1	Н2	Н3
а	б	в	г

Рисунок 7.2 – Орієнтація спинів у доменах при намагнічуванні феромагнетика: а – зовнішнє магнітне поле відсутнє; б – слабке поле; в – сильне поле; г – насичення.

Протікання процесів намагнічування феромагнітного матеріалу на практиці характеризується кривими намагнічування. Крива намагнічування показує залежність магнітної індукції В матеріалу від напруженості зовнішнього магнітного поля Н.

Основна крива намагнічування (рисунок 7.3) має ряд характерних ділянок, які можна умовно виділити при намагнічуванні феромагнетика. На ділянці І зміна магнітної індукції відбувається за рахунок зміщення меж доменів. На ділянці ІІ відбувається поворот векторів намагніченості доменів у напрямку зовнішнього магнітного поля. Ділянка ІІІ відповідає завершенню процесу намагнічування – тобто повна орієнтація векторів намагніченості доменів у напрямку поля. Ділянка ІV відповідає технічному насиченню речовини.

106

В

І	ІІ ІІІ	ІV	ВS

Н

Рисунок 7.3 – Основна крива намагнічування феромагнетика

Основна крива намагнічування є геометричним місцем вершин петель гістерезису, які одержані при циклічному перемагнічуванні феромагнетика.

Магнітна проникність (відносна магнітна проникність) це ве-

личина яка визначає здатність матеріалу до намагнічування. Ця величина безрозмірна. Чим більша величина , тим легше намагнічується матеріал, і

навпаки, чим менша величина , тим менше він може бути намагнічений.

Магнітна проникність значно залежить від напруженості Н, яка діє в матеріалі (рисунок 7.4). Тому для оцінки здатності матеріалу до намагнічу-

вання треба враховувати початкову магнітну проникність п і максимальну проникність max .

100000

max

50000

max

0 16 32 48 64 80 96 112 Н, А/м

Рисунок 7.4 – Залежність магнітної проникності від напруженості магнітного поля: 1 – пермалой; 2 – чисте залізо

107

Користуючись основною кривою намагнічування можна визначити різні види магнітної проникності, які використовуються в техніці для харак-

теристики магнітних матеріалів. Розрізняють абсолютну магнітну проникність

B

,

(7.2)

a H

та відносну магнітну проникність

		B	(7.3)
		0 H

де В – магнітна індукція матеріалу, Тл; Н – напруженість зовнішнього магнітного поля, А/м;

0 – магнітна постійна, 0 = 1,257 ∙10-6 Гн/м.

Абсолютна та відносна проникність пов’язані між собою виразом:

a 0 .

(7.4)

Початкова і максимальна магнітна проникність визначаються як тан-

генс кута нахилу відповідних ділянок кривої намагнічування (рисунок 7.3, 7.5).

В	Вs

макс

В

Н

поч

0

Н

Рисунок 7.5 – Основна крива намагнічування і кути , що характери-

зують різні типи магнітної проникності

108

n tg n .	(7.5)
max tg max.	(7.6)

Чим вищі значення цих характеристик у даного матеріалу, тим легше він намагнічується. Будь-який магнітний матеріал має магнітні властивості тільки до певної температури (точка Кюрі К), при досягненні якої магнітні властивості зникають, тобто він не може бути намагніченим. Це обумовлено дезорієнтацією внутрішніх намагнічених областей (доменів) із-за інтенсивно-

го теплового руху його атомів і молекул. У деяких феритів магнітні властиво-

сті зникають при К = 45°С, але є матеріали, у яких К = 1131 °С (кобальт).

Петля гістерезису. Поведінка магнітного матеріалу в магнітному полі характеризується початковою кривою намагнічування (рисунок 7.6).

В

1

2 Вr

ВS

–Н –НC

0

+Н

Н

–ВS

–Вr

–В

Рисунок 7.6 – Крива намагнічування (1) та петля гістерезису (2)

Ця крива показує зміну магнітної індукції В в магнітному матеріалі залежно від напруженості Н. Із розглянутої кривої видно, що магнітна інду-

109

кція спочатку зростає, потім її ріст сповільнюється, а при досягненні індук-

ції ВS, вона залишається постійною. Кажуть, що магнітний матеріал досяг насичення, а індукцію ВS називають індукцією насичення. Чим більша ве-

личина ВS, тим вищі властивості магнітного матеріалу. Магнітна індукція вимірюється в теслах (Тл).

Якщо зразок магнітного матеріалу намагнічувати, безперервно під-

вищуючи напруженість магнітного поля Н, то магнітна індукція В також бу-

де безперервно підвищуватися по кривій намагнічування. Ця крива почина-

ється в точці 0 (рисунок 7.6) і закінчується в точці ВS, що відповідає індукції насичення. При зменшенні напруженості Н магнітна індукція буде також зменшуватися. Починаючи з деякої величини В значення індукції не буде збігатися із значеннями цієї характеристики на початковій кривій намагні-

чування. Коли напруженість магнітного поля стане рівною нулю, у зразку магнітного матеріалу буде виявлятися залишкова магнітна індукція Вr. Для розмагнічування зразка матеріалу потрібно, щоб напруженість магнітного поля змінила свій напрям на зворотній (-Н). Напруженість магнітного поля

НС, необхідна для зменшення залишкової індукції до нуля, називається

коерцитивною силою.

Якщо після цього зразок магнітного матеріалу намагнічувати далі в протилежному напрямку, то в матеріалі знову буде спостерігатися індукція насичення (-ВS). При подальшому зменшенні напруженості магнітного поля до величини Н=0 і новому намагнічуванні в початковому напрямку індукція буде безперервно збільшуватися до величини індукції насичення ВS. Внаслі-

док утворюється замкнена петля, яку називають граничною або статич-

ною петлею гістерезису. Гранична петля гістерезису змінюється при пові-

льній зміні постійного магнітного поля від +Н до –H і в зворотному напря-

мі, коли величина магнітної індукції дорівнює індукції насичення ВS (-ВS).

Магнітний гістерезис – це явище відставання зміни магнітної інду-

кції від напруженості магнітного поля, яка визиває ці зміни.

110

Дотепер ми розглядали намагнічування матеріалів у постійному ма-

гнітному полі. При дії на матеріал змінного магнітного поля отримують

динамічну криву намагнічування і динамічну петлю гістерезису.

Відношення амплітудного значення індукції до величини амплітуд-

ного значення напруженості магнітного поля називається динамічною магнітною проникністю :

	Bам пл	.	(7.7)
	Нам пл

При низьких частотах і малій товщині магнітного матеріалу динамі-

чна крива намагнічування збігається із статичною кривою. При цьому зна-

чення динамічної магнітної проникності практично збігаються зі значення-

ми проникності, які вирахувані по статичній кривій намагнічування. Дина-

мічна петля гістерезису має трохи більшу площу, ніж статична петля, бо при дії змінного магнітного поля в матеріалі виникають, крім втрат на гістере-

зис, втрати на вихрові струми та на магнітну післядію.

Із сказаного слідує, що процес перемагнічування матеріалу в змін-

ному магнітному полі пов’язаний із втратами частини енергії магнітного поля, що проявляється у нагріванні матеріалу.

Втрати на гістерезис пов’язані із явищем магнітного гістерезису і з необоротним переміщенням меж доменів. Вони пропорційні площі петлі гістерезису та частоті змінного струму:

P Bn		f V ,	(7.8)
Г	max

де – коефіцієнт, який залежить від властивостей матеріалу;

Вmax – максимальна індукція на протязі циклу намагнічування, Тл; n – показник в межах 1,6…2,0;

f – частота, Гц;

V – об’єм зразка, м3.

Втрати на вихрові струми Рf викликані електричними струмами,

що індукуються в матеріалі зовнішнім магнітним полем і в значній мірі за-

111

лежать від питомого електричного опору магнітного матеріалу. Чим він більший, тим менше втрат на вихрові струми. Втрати на вихрові струми,

пропорційні квадрату частоти f змінного магнітного поля і квадрату магніт-

ної індукції Вmах :

p f Bmax2 f 2V ,

де – коефіцієнт, який залежить від типу магнітного матеріалу і форми виробу із нього.

3 Класифікація магнітних матеріалів

За поведінкою в магнітному полі всі магнітні матеріали ділять на дві основні групи: магнітом’які та магнітотверді.

Магнітом'які матеріали мають великі значення початкової і мак-

симальної магнітної проникності і малу коерцитивну силу (Hс 4000 А/м).

Ці матеріали легко намагнічуються і розмагнічуються. Вони відрізняються малими втратами на гістерезис, тобто їм відповідає вузька петля гістерезису при високій магнітній індукції.

Рівень магнітних характеристик магнітом’яких матеріалів залежить від їх хімічної чистоти і ступеня зміни їх кристалічної структури. Чим мен-

ше різних домішок в магнітом’якому матеріалі, тим вищий рівень його ха-

рактеристик, тобто тим більше п і max і тим менше Нс і втрати на гістере-

зис. Тому при виробництві магнітом’яких матеріалів ретельно виділяють із них найбільш шкідливі домішки – вуглець, фосфор, сірку, кисень, азот і різ-

ні окисли. Одночасно намагаються не викривляти кристалічну структуру матеріалу і не викликати в ньому внутрішніх напружень. Із магнітом’яких матеріалів із округлою петлею гістерезису виготовляють осердя електрич-

них машин, трансформаторів, реле та інших електричних апаратів. Із магні-

том’яких матеріалів із прямокутною петлею гістерезису виготовляють при-

строї магнітної пам’яті.

112