Лекция 2

Тема: Магнитные материалы

В лекции рассматриваются следующие вопросы:

1. Классификация магнитных материалов

2. Магнитомягкие материалы

Литература

1. Классификация магнитных материалов

Магнитным называют материал, применяемый в технике с учетом его магнитных свойств.

Существуют несколько видов классификации магнитных материалов:

• по магнитной восприимчивости (проницаемости) различают диамагнетики (χ = -10^-5, µ < 1); парамагнетики (χ = 10^-2…10^-5, µ > 1); ферромагнетики (χ = 10³…10⁶, µ >> 1);

• по величине коэрцитивной силы ферромагнитные материалы делятся на магнитомягкие (Н_с < 4 кА/м); магнитотвердые (Н_с > 4 кА/м); промежуточное положение занимают материалы со специальными свойствами (рисунок 1). Границы значений коэрцитивной силы, по которым материал можно отнести к магнитомягким или магнитотвердым, условны и по мере развития техники расширяются и претерпевают существенные изменения;

Рисунок 1

• по величине электропроводности магнитомягкие материалы делятся на проводящие, полупроводящие и диэлектрики. К проводящим материалам относятся электротехнические стали и сплавы (типа пермаллоев); к полупроводящим – ферриты; к диэлектрикам - магнитодиэлектрики;

• по химическому составу - на металлические ферромагнетики (железо, сплавы); неметаллические ферромагнетики (магнитные окислы, простые ферриты и смешанные ферриты); магнитодиэлектрики (альсифер, карбонильное железо, простые ферриты, пресс – пермы и др.);

• по области применения – на материалы для сильноточной аппаратуры(машино- и аппаратостроение); слаботочной аппаратуры (проводная связь, приборостроение, автоматика и др.).

Но более целесообразно классифицировать по технологическому признаку с учетом магнитных свойств материалов:

• технически чистое железо;

• электротехнические стали;

• пермаллои;

• аморфные сплавы;

• магнитомягкие ферриты;

• магнитодиэлектрики;

• прочие специальные материалы.

Магнитомягкие материалы обладают способностью намагничиваться до насыщения уже в слабых магнитных полях (высокая магнитная проницаемость), имеют малые потери на перемагничивание, обладают высокой начальной и максимальной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Для промышленных магнитомягких материалов наименьшая Н_с ≈ 0,4 А/м. Магнитомягкие материалы находят широкое применение в различных областях техники, особенно в электротехнике, электронике и связи.

В зависимости от конкретных условий применения данного класса материалов в электромагнитных устройствах к ним предъявляются следующие требования:

1. Магнитный материал должен легко намагничиваться и размагничиваться, обладая узкой петлей гистерезиса, малой коэрцитивной силой, большим значением µ_нач и µ_макс.

2. Магнитный материал должен обладать большой индукцией насыщения, т.е. обеспечивать прохождение максимального магнитного потока через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода (при этом уменьшаются габариты и масса устройства).

3. Магнитный материал должен иметь возможно меньшую мощность потерь.

Но в некоторых случаях, например, в реакторах фильтров при малых протекающих токах и малых потерях (при незначительных перегревах), рационально использовать материалы с большими потерями: тогда затухание высоких частот будет вызываться не только фильтрующим действием самого фильтра, но и демпфированием, возникающим из-за потерь в магнитопроводе.

4. Магнитный материал должен быть пластичным и обеспечивать высокое качество штамповок, должен иметь гладкую поверхность и слабую зависимость магнитных свойств от механических напряжений. Чем меньше эта зависимость, тем больше материал можно обжать при сборке сердечника. От механических напряжений зависят начальная и максимальная проницаемости и коэрцитивная сила.

5. Желательно иметь стабильные магнитные характеристики при действии дестабилизирующих факторов (температуры, вибраций и т.п.). Важны также стоимость и дефицитность материалов.

Магнитотвердые материалы характеризуются большой удельной энергией в воздушном зазоре, которая будет тем больше, чем больше остаточная индукция и коэрцитивная сила материала. Потери для магнитотвердых материалов большой роли не играют, так как намагничивание происходит один раз. Магнитотвердые материалы имеют широкую петлю гистерезиса с большой коэрцитивной силой. Для магнитотвердых материалов - наибольшая Н_С ≈ 800 кА/м. Для них характерен пологий подъем кривой намагничивания, т.е. они обладают низкой проницаемостью в слабых полях.

К числу магнитотвердых материалов относятся: железо и железокобальтовые сплавы, сплав типа альни (Al · Ni), альниси (Al · Ni · Si), альнисити (Al · Ni · Si · Ti) и альнико (Al · Ni · Co); бариевые (BaO · 6Fe₂O) и кобальтовые (CoO · Fe₂ · O₃) ферриты, сплавы типа комоль (Fe · Co · Mo), вако (Fe · Y · Co), кунифе (Cu · Ni · Fe), кунико (Cu · Ni · Co), нихром (Fe · Ni · Cr).

Важными параметрами магнитотвердых материалов являются механическая прочность, обрабатываемость, плотность, электросопротивление, стабильность свойств и стоимость.

Используются для изготовления постоянных магнитов, для магнитной записи.

Специальные магнитные материалы. К материалам специального назначения, как видно из рисунка 1, относятся, например, магнитострикционные материалы. Магнитострикцией называют изменение линейных размеров магнитного материала при намагничивании в направлении магнитного поля и в перпендикулярном к нему направлении. Магнитострикционные материалы делятся на:

• материалы с отрицательной магнитострикцией,

• материалы с положительной магнитострикцией.

Изменения линейных размеров зависят от индукции в материале и характеризуются коэффициентом магнитострикции, т.е. относительным изменением линейного размера изделия из магнитного материала в направлении, параллельном полю, при увеличении последнего от нуля до значения, соответствующего техническому насыщению. Если, например, магнитопровод из магнитострикционного материала механически зажат, то при изменении поля в нем возникнут механические напряжения, вызывающие магнитострикционные колебания.

В таблице 1 приведены индукции насыщения различных магнитных материалов.

Таблица 1

Материал	ВS, Тл
1	2
Технически чистое железо	2
Карбонильное железо	2,1
Электротехническая сталь	1,4 - 2
Пермаллой	0,7 – 1,5
Пермендюр	2,4
Аморфные сплавы	0,5 – 1,5
Феррит	0,5
Альсифер	1,2