Магнитные материалы. Виды, свойства, классификация

1. Общие свойства магнитных материалов

Для того, чтобы резко усилить магнитный поток, используемый для генерирования электрической энергии, при трансформировании токов низкого напряжения в токи высокого напряжения и, обратно, при превращении электрической энергии в механическую и т.д. необходимы магнитные материалы.

Вещества, которые имеют магнитные свойства, называют магнитными веществами, или магнетиками.

Способность материала приобретать магнитный момент, или намагничиваться, когда на него действует магнитное поле, называется магнитными свойствами.

По большому счету, все вещества могут быть магнетиками, так как приобретают определенный магнитный момент в случае воздействии магнитного поля.

Общий макроскопический магнитный момент – это сумма элементарных магнитных моментов атомов вещества.

Объясняются магнитные свойства вещества движением электронов в атомах и тем, что электроны и атомы, в свою очередь, имеют постоянные магнитные моменты.

Магнитными свойствами вещества являются магнитная восприимчивость χ и магнитная проницаемость μ.

Магнитные свойства материала зависят от значений χ и μ и от их изменения под воздействием напряженности внешнего поля и температуры.

Выделяют следующие основные типы магнитных явлений, когда магнитные материалы делятся на следующие группы:

• диамагнитные (диамагнетики);
• парамагнитные (парамагнетики);
• ферромагнитные (ферромагнетики);
• антиферромагнитные (антиферромагнетики);
• ферримагнитные (ферримагнетики);
• метамагнитные (метамагнетики).

У диамагнетиков под действием внешнего магнитного поля магнитный момент в веществе направлен противоположно направлению внешнего поля. В связи с этим магнитная восприимчивость отрицательна и очень мала. Как правило, она не зависит от напряженности поля и температуры.

К диамагнетикам относятся водород, цветные и благородные металлы, инертные газы, ионные соединения (Li⁺, Be²⁺ , Al³⁺ , O^2- и т.д.), некоторые металлы (Zn, Au, Hg и др.) и сверхпроводники.

У парамагнетиков при отсутствии внешнего поля разориентированы векторы магнитных моментов и суммарный момент равен нулю. Магнитная восприимчивость парамагнетиков очень мала и зависит температуры.

К парамагнетикам относятся щелочные, щелочно-земельные и кое-какие переходные металлы.

Ферромагнетики при температуре ниже точки Кюри даже в отсутствие внешнего поля в материале имеют ферромагнитный атомный порядок и параллельно расположенные спиновые моменты. Поэтому при нулевой напряженности поля ферромагнетик находится в состоянии самопроизвольного намагничивания.

У ферромагнетиков магнитная восприимчивость km>>0 и в большой степени зависит от напряженности внешнего поля и температуры.

К ферромагнетикам относятся Fe, Ni, Co, Cd и их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы Mn, Ag, AL.

Рисунок 1 – Ориентация доменов в различных магнитных веществах

Антиферромагнитный эффект заключается в следующем: существует антиферромагнитный атомный порядок, при котором магнитные моменты ориентированы антипараллельно и при нулевой напряженности внешнего поля результирующий магнитный момент тоже равен нулю.

Под действием Н магнитные моменты атомов выстраиваются по его направлению поля, соответственно, магнитная восприимчивость положительна, но минимальна и зависит от температуры.

Некомпенсированный антиферромагнетизм относится к ферромагнитному эффекту, магнитные моменты атомов антипараллельны и некомпенсированы.

Метамагнитные материалы ведут себя в слабых магнитных полях как антиферромагнитные, а в сильных – как ферромагнитные.

Наиболее интересны для изучения и электротехники в качестве магнитных материалов ферро-, антиферро- и ферримагнетики.

Эти вещества различны по строению, но имеют аналогичные процессы намагничивания.

Все магнитные материалы объединяет их доменная структура.

Рисунок 2 – Доменная структура магнетиков: а) ферромагнетики, б) антиферомагнетики, в) ферримагнетики

Весь объем ферромагнетика сам по себе делится локальные области, каждая из которых – магнит в состоянии технического насыщения. Эти маленькие области и есть домены. В доменах основные моменты атомов направляются спонтанно или в одном направлении. Направление магнитных моментов полей в немагнитном ферромагнитном объеме равно нулю, и результирующий момент будет равен нулю.

Домены разделены стенками, в которых направление вектора намагниченности постепенно изменяется от одного домена к другому.

Все магнитные материалы делятся на 3 группы. Принадлежность к группам зависит от кривой намагничивания и петли гистерезиса. Выделяют магнитомягкие материалы (ММ); магнитотвердые материалы (МТ); магнитные материалы специализированного назначения.

Способность намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях является основным свойством магнитомягких материалов (ММ) (высокая магнитная проницаемость), также ММ характерны малые потери при перемагничивании. Это позволяет применять ММ для магнитопроводов электрических машин, использовать в измерительных приборах, телефонах и т.п. приборах, где необходима концентрация магнитного поля.

Для постоянных магнитов используют магнитотвердые материалы (МТ). Они обладают большой удельной энергией, имеют большую широкую петлю гистерезиса большой площади и большие потери на перемагничивание.

2. Основные свойства магнитных материалов

Кривая намагничивания магнитного материала показывает зависимость магнитной индукции в материале от напряженности магнитного поля.

Магнитные материалы имеют свои различные кривые намагничивания. Они зависят от строения вещества, кристаллической решетки и химического состава.

Рисунок 3 – Кривые намагничивания (а) и магнитной проницаемости (б) для различных материалов: 1 – особо чистое железо; 2 – чистое железо (99.88 %); 3 – технически чистое железо (99,92 % Fe); 4 – пермаллой (78 % Ni); 5 – никель (100 % Ni); 6 – сплав железо–никель (26 % Ni).

Ориентация магнитных доменов в магнитном поле сопровождается увеличением размеров частиц магнитного вещества. Называется этот процесс магнитострикцией. Ее величина неодинакова для разных направлений в кристалле металла.

Магнитная анизотропия ферромагнетиков позволяет им намагничиваться с различной легкостью вдоль разных кристаллических осей. Рисунок 2 демонстрирует направления намагничивания различной сложности для Fe, Ni и Со.

При резкой анизотропии в поликристаллах магнетика можно считать, что ферромагнетик обладает магнитной текстурой. Она используется в технике для создания повышенных магнитных характеристик материала в определенном направлении

Динамическая магнитная проницаемость m – это основная характеристика ферромагнетиков в переменных магнитных полях. Она рассчитывается как отношение амплитудного значения магнитной индукции В_m к амплитудному значению напряженности магнитного поля Н_m:

m = В_m/H_m. (1)

Рисунок 4 – Направление легкого, среднего и трудного намагничивания монокристаллов: а – для железа; б – никеля; в – кобальта

Петля гистерезиса считается одной из важнейших характеристик магнитных свойств вещества. Если ферромагнетик намагничивать во внешнем магнитном поле, а затем, начиная с любой точки основной кривой намагничивания, начать его уменьшать, то величина В будет уменьшаться, но медленнее, чем основная кривая, из-за явления гистерезиса или отставания.

Если увеличивать напряженность магнитного поля противоположного направления, образец может быть размагничен, перемагничен и при новой перемене направления поля магнитная индукция снова вернется в исходную точку.

Рисунок 5 – Кривая намагничивания и петля гистерезиса для ферромагнитнетика

Индукция В при напряженности внешнего поля Н равном 0 в процессе размагничивания образца – остаточная индукция (Вr). Для уменьшения индукции от Вr до 0 прилагается обратно направленная напряженность поля Н_с. Она называется коэрцитивной силой.

3. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы

Как уже говорилось выше, по виду кривой намагничивания и фигуры петли гистерезиса, а также составу, свойствам и применению магнитные материалы разделяют на три группы:

• магнитомягкие материалы (МММ);
• магнитотвердые материалы (МТМ);
• материалы специального назначения (МСН).

Основной характеристикой, по которой происходит это разделение, является коэрцитивная сила Н_с.

Рисунок 6 – Конфигурация петли гистерезиса для различных магнитных материалов: а – магнитомягкие материалы; б – магнитотвердые материалы; в – материалы с прямоугольной петлей гистерезиса

Для МММ Н_с имеет диапазон от 0,4 до 800 А/м, а для МТМ – от 4 до 800 кА/м.

К отдельной группе относят материалы специального назначения. Они имеют особые свойства и области применения. Это ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), материалы для записи и хранения информации, ферриты СВЧ, магнитострикционные и термомагнитные материалы.

4. Области применения магнитомягких материалов

Величина удельного сопротивления r магнитомягких материалов определяет и их частотный диапазон. Чем больше сопротивление, тем на более высоких частотах f используют магнитомягкие материалы.,

Основные параметры МММ – это высокое значение магнитной проницаемости, небольшая коэрцитивная сила и малые потери на гистерезис Р_г. Их используют там, где наибольшая индукция В достигается путем наименьшей затраты энергии.

Стали. Наиболее часто используемый магнитомягкий материал – это листовая электротехническая сталь. Кремний, введенный в состав стали, увеличивает ее ρ и в свою очередь снижает потери на Р_в. Кремний выделяет в стали углерод С в виде графита и раскисляет сталь. Поэтому увеличивается m_а, снижаются потери на гистерезис Р_г и уменьшается коэрцитивная сила Н_с. Однако кремний в стали делает ее хрупкой, а это затрудняет ее прокатку. Текстурованная сталь применяется для сердечников трансформаторов, изготовляемых по способу намотки, так как она анизотропна. Использование такой стали в радиотрансформаторах уменьшает их вес и размеры на 40 %.

Пермаллои. Пермаллоями называют железо-никелевые сплавы, с большим значением начальной m_нач в слабых полях, так как анизотропия и магнитострикция у них отсутствует. Пермаллои бывают высоконикелевые с содержанием никеля Ni – 72–80% и низконикелевые когда Ni – 40–50%.

В сердечниках малогабаритных дросселей и транзисторах звукового диапазона, в импульсных трансформаторах, магнитных усилителях применяют высоконикелевые пермаллои.

Индукция насыщения низконикелевого пермаллоя в 2 раза выше, чем высоконикелевого, и это дает возможность использования низконикелевого пермаллоя в конструкциях силовых трансформаторов, дросселей и в различных приборах, где требуется высокая концентрация магнитного потока.

Альсиферы. Из названия видно, что альсиферы –это тройные сплавы Fe, Si и Al. В их составе обычно 9.5% Si; 5.6% Al; остальное – Fe. Из-за большого содержания кремния альсиферы – твердые и хрупкие сплавы, поэтому их применяют в виде фасонных отливок.

Так как сплав хрупок, из альсифера изготавливают методом литья магнитные экраны корпусов приборов и т.д. Альсифер используют в качестве порошка для прессования высокочастотных сердечников.

Свойства и назначение ферритов. Магнитные материалы в условиях высоких и сверхвысоких частот должны обладать малой проводимостью γ и высоким удельным сопротивлением r. В связи с этим потери на вихревые токи Р_в пропорциональны квадрату частоты f². Этому соответствуют ферриты и магнитодиэлектрики.

Есть вещества, у которых антипараллельные расположения спинов – с преобладанием одного направления над другим. Это ферримагнетики и к ним применимы все характеристики для ферромагнетика. Сложные оксидные материалы – ферримагнетики называют ферритами.

5. Магнитотвердые материалы (МТМ)

Рисунок 7 – Классификация магнитотвердых материалов

Магнитотвердыми материалами называются ферромагнетики с широкой петлей гистерезиса, с большой коэрцитивной силой Н_с. В процессе охлаждения намагниченных доменов среди слабомагнитной фазы образуются высокие значения (больше 40000 А/м) Н_с для некоторых сплавов; процессы смещения доменов в этом случае затруднены, перемагничивание их осуществляется с помощью процесса вращения. Такие сплавы охлаждаются в сильном магнитном поле, и магнитные моменты доменов сориентированы по направлению поля. Так производят постоянные магниты.

Коэрцитивная сила Н_с, остаточная индукция В_r и максимальная энергия, отдаваемая магнитом в пространство W_max – это основные характеристики магнитотвердых материалов. Магнитная проницаемость у МТМ ниже, чем у МММ, но чем выше Н_с, тем меньше В_r.

Магнит тороидальной формы, то есть замкнутый, не отдает энергию в пространство. Если между частями магнита есть воздушный зазор, то между полюсами энергия отдается в пространство. Величина этой энергии будет зависеть от длины зазора, и в связи с размагничивающим действием полюсов магнита индукция В_l промежутке будет меньше В_r . Энергия на единицу объема воздушного зазора называется удельной магнитной энергией, или плотностью энергии, и выражается следующей формулой:

(2)

где H_l – напряженность поля для индукции В_l.

С уменьшением длины магнита и с относительным увеличением зазора увеличивается размагничивающее поле полюсов и уменьшается В_l. Для замкнутого магнита В_l=В_r и W=0, т.к. H_l=0. Когда мы имеем очень большой зазор, то W→ 0, т.к. В_l= 0, H_l = Н_с. На определенных величинах В_l и H_l,W_l= max. Это значение W_max и есть самый важный показатель качества материалов для постоянных магнитов и говорит о наилучшем использовании магнита.

Сплавы, изготавливаемые на основе Fe-Ni-Al – это наиболее значимые материалы для постоянных магнитов. Механизм твердения сплава играет существенную роль для высококоэрцитивного состояния этих сплавов.

Магниты, которые получают методами порошковой металлургии, бывают металлокерамическими, металлопластическими, оксидными и из микропорошков. Из металлических порошков прессованием без связывающего материала и спеканием получают металлокерамические магниты.

Из металлических порошков с изолирующей связкой прессуют металлопластические магниты. Их нагревают до полимеризации связующего вещества. Такие магниты обладают пониженными магнитными свойствами, высоким r, малой плотностью и не дороги. Магниты на основе ферритов бария и кобальта нашли свое значение среди оксидных магнитов.

Магниты из микропорошков. Магнитные свойства Mn–Bi порошка обладают особенно большой коэрцитивной силой Н_с и являются лучшим материалам для постоянных магнитов. Но они сохраняют описанные свойства только до температуры +20^о, при понижении температуры эти свойства теряются и требуется повторное намагничивание для их восстановления.

Высокотехнологичными химическими способами достигается получение мелких частиц 0.01–0.1 микрона для Fe и Fe–Co магнитов из микропорошков. Их делают прессованием магниты необходимой формы.

Особая микроструктура стали, которая образуется при закалке, называется мартенситом. Такие стали называют: легированные стали, закаленные на мартенсит.

Мартенситовые стали просты и доступны для создания постоянных магнитов. Их легируют добавками таких элементов, как W, Cr, Mo, Co.

Применялись мартенситовые стали для постоянных магнитов раньше других материалов. Сегодня их используют меньше, так как их магнитные свойства невысоки. В связи с тем, что они недороги и их можно обрабатывать на станках, полностью от них не отказываются.

Магниты из порошков, изготовляемые методом порошковой металлургии, считают магнитотвердыми ферритами. Это уже рассмотренные ранее металлопластические, металлокерамические и оксидные магниты и

магниты из микропорошков с крупностью помола, равной объему домена. Магнитотвердыми ферритами считаются ферриты из кобальта, бариевые ферриты, магниты из микропорошков Mn–Bi, Fe, Fe–Co.

Магнитные ленты и деформируемые сплавы. Для воспроизводства звука и записи могут используют магнитотвердые материалы. Это лента или проволока из сталей и сплавов, биметаллические ленты из основы с нанесенным на нее звуконосителем и различные ленты с порошкообразным магнетитом на поверхности в их объеме.