Магнитные свойства металлов реферат

Обновлено: 06.07.2024

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Перечисленным видам магнетиков соответствуют пять различных видов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм.

Содержание работы

Магнитные свойства материалов. Ферро- и ферримагнетики.
Поведение сильномагнитных материалов в постоянных и
переменных полях. Петля гистерезиса ……………………………………. 3
Тип производства. Коэффициент закрепления операций.
Организационно-технические особенности различных типов
производства……………………………………………………………………11
Задача ………………………………………………………………………… 19
Список литературы ………………………………………………………………23

Файлы: 1 файл

контрольная №1.docx

Магнитные свойства материалов. Ферро- и ферримагнетики.

Поведение сильномагнитных материалов в постоянных и

переменных полях. Петля гистерезиса ……………………………………. 3

Тип производства. Коэффициент закрепления операций.

Организационно-технические особенности различных типов

1. Магнитные свойства материалов. Ферро- и ферримагнетики. Поведение сильномагнитных материалов в постоянных и переменных полях. Петля гистерезиса.

Материалы, помещенные во внешнее магнитное поле, намагничиваются. Намагничивание связано с наличием у атомов (ионов) собственного магнитного поля, которое и определяет степень намагниченности материала. Магнитный момент атома является суммой векторов орбитальных и собственных (спиновых) моментов электронов.

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Перечисленным видам магнетиков соответствуют пять различных видов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм.

Диамагнетики – кристаллы, в которых преобладает диамагни тный эффект, при котором составляющие магнитных полей атомов складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. То есть, диамагнитные материалы к магнитам не притягиваются, а, наоборот, отталкиваются. К ним относят медь, серебро, золото, свинец, цинк, смолу, воду, большую часть газов, воздух и пр. Относительная магнитная проницаемость у них несколько меньше единицы.
Парамагнетики – кристаллы, в которых преобладает парамагнитный эффект, возникающий в веществах с наличием нескомпенсированных магнитных моментов и отсутствием магнитного атомного порядка. Это проявляется в том, что в отсутствие внешнего поля векторы магнитных моментов под действием тепловой энергии располагаются равновероятно, в результате чего магнитный момент парамагнетика равен нулю. Такие материалы обладают слабыми магнитными свойствами, т. е., они практически не притягиваются магнитами. Хотя нельзя сказать, что притяжения нет совсем, просто она во много раз слабее, чем у ферромагнетиков, поэтому, притягивание не заметно. К парамагнитным материалам относят алюминий, олово, хром, марганец, платину, вольфрам, растворы солей железа и др. Относительная магнитная проницаемость у них несколько больше единицы.
Ферромагнетики – материалы, обладающие большим собственным магнитным полем и способные создавать при намагничивании большие магнитные поля. К ферромагнитным материалам относят железо, кобальт, никель и их сплавы. Они обладают высокой магнитной проницаемостью, в тысячи и даже десятки тысяч раз большей магнитной проницаемости неферромагнитных веществ, и хорошо притягиваются к магнитам и электромагнитам.
Антиферромагнетики – вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов.
Ферримагнетики – вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

На рисунке 1 изображена ориентация магнитных моментов в слабо- и сильномагнитных материалах.

Рисунок 1 – Ориентация магнитных моментов в слабо- и

Характеристикой намагничивания материалов является намагниченность, равная сумме магнитных моментов атомов единице объёма:

Магнитная восприимчивость дает связь намагниченности с напряженностью внешнего магнитного поля: χ = J/H. Магнитная восприимчивость характеризует способность данного вещества, намагничиваться в магнитном поле. Магнитная восприимчивость численно равна намагниченности при единичной напряженности поля.

Намагниченное тело, находящееся во внешнем поле, создает собственное магнитное поле, которое в изотропных материалах направлено параллельно или антипараллельно внешнему полю. Поэтому суммарная магнитная индукция в веществе определяется алгебраической суммой индукции внешнего (В₀)и собственного (В_i) полей:

где Гн/м- магнитная постоянная;

χ – магнитная проницаемость, характеризующая интенсивность роста магнитной индукции при увеличении напряженности намагничивающего поля.

Вещества, способные сильно намагничиваться в магнитном поле, называются ферромагнетиками. Магнитная проницаемость ферромагнетиков по порядку величины лежит в пределах 102–105. Например, у стали μ ≈ 8000, у сплава железа с никелем магнитная проницаемость достигает значений 250000.

Для каждого ферромагнетика существует определенная температура (так называемая температура или точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком. У железа, например, температура Кюри равна 770 °C, у кобальта 1130 °C, у никеля 360 °C.

Ферромагнетиками могут быть различные сплавы, содержащие ферромагнитные элементы. Широкое применение в технике получили керамические ферромагнитные материалы – ферриты. У ферритов доменная структура, как и у ферромагнетиков, образуется при температурах ниже точки Кюри. К ферритам применимы все магнитные характеристики, введенные для ферромагнетиков. В отличие от ферромагнетиков, они имеют высокое значение удельного сопротивления, меньшую величину индукции насыщения, более сложную температурную зависимость индукции. Ферромагнетизм в металлах объясняется наличием обменного взаимодействия, которое образуется между соприкасающимися атомами, а также взаимной ориентацией спиновых магнитных моментов. В ферримагнетиках магнитные моменты ионов ориентированы антипараллельно, и обменное взаимодействие происходит не непосредственно, а через ион кислорода О₂. Такое обменное взаимодействие называют косвенным обменом или сверхобменом. Оно усиливается по мере приближения промежуточного угла от 0° к 180°.

Ферромагнитные материалы делятся на две большие группы – на магнито-мягкие и магнито-жесткие материалы. Магнито-мягкие ферромагнитные материалы почти полностью размагничиваются, когда внешнее магнитное поле становится равным нулю. К магнито-мягким материалам относится, например, чистое железо, электротехническая сталь и некоторые сплавы. Эти материалы применяются в приборах переменного тока, в которых происходит непрерывное перемагничивание, то есть изменение направления магнитного поля (трансформаторы, электродвигатели и т. п.).

Магнито-жесткие материалы в значительной мере сохраняют свою намагниченность и после удаления их из магнитного поля. Примерами магнито-жестких материалов могут служить углеродистая сталь и ряд специальных сплавов. Магнито-жесткие метериалы используются в основном для изготовления постоянных магнитов.

Любое ферромагнитное тело разбито на домены – малые области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. В отсутствие внешнего магнитного поля, направления векторов намагниченности различных доменов не совпадают, и результирующая намагниченность всего тела может быть равна нулю.

Основными характеристиками ферромагнитных материалов являются: кривая намагничивания, ширина петли гистерезиса и потери мощности при перемагничивании.

Кривая намагничивания - процесс намагничивания ферромагнитного материала. Она представляет собой зависимость индукции В от напряженности Н магнитного поля. Так как напряженность магнитного поля определяется силой тока, посредством которого намагничивается ферромагнитный материал, эту кривую можно рассматривать как зависимость индукции от намагничивающего тока I. Кривая намагничивания изображена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Кривая намагничивания

Кривую намагничивания можно разбить на три участка: О-а, на котором магнитная индукция возрастает почти пропорционально намагничивающему току (напряженности поля); а-б, на котором рост магнитной индукции замедляется («колено» кривой намагничивания), и участок магнитного насыщения за точкой б, где зависимость В от H становится опять прямолинейной, но характеризуется медленным нарастанием магнитной индукции при увеличении напряженности поля по сравнению с первым и вторым участками кривой.

Следовательно, при большом насыщении ферромагнитные вещества по способности пропускать магнитный поток приближаются к неферромагнитным материалам (магнитная проницаемость их резко уменьшается). Магнитная индукция, при которой происходит насыщение, зависит от рода ферромагнитного материала. Чем больше индукция насыщения ферромагнитного материала, тем меньший намагничивающий ток требуется для создания в нем заданной индукции и, следовательно, тем лучше он пропускает магнитный поток.

Большое практическое значение, особенно в электрических машинах и установках переменного тока, имеет процесс перемагничивания ферромагнитных материалов. Характерной особенностью процесса намагничивания ферромагнетиков является так называемый гистерезис, отставание изменения индукции от напряженности магнитного поля. Кривая намагничивания ферромагнитного образца представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлей гистерезиса (рис. 3).

Рисунок 3 – Петля гистерезиса ферромагнетика.

Изменение индукции с ростом напряженности внешнего магнитного поля (1-ое намагничивание) описывается кривой 0-а. Сначала индукция быстро возрастает за счет того, что магнитные диполи ориентируются по силовым линиям поля, добавляя свой магнитный поток к внешнему. Затем ее рост замедляется по мере того, как количество неориентированных диполей уменьшается и, наконец, когда практически все они ориентируются по внешнему полю рост индукции прекращается и наступает режим насыщения (точка а). Если теперь уменьшать напряженность, индукция будет уменьшатся с запозданием по кривой а-в за счет возникновения и роста магнитных диполей, ориентируемым против силовых линий внешнего поля. При Н = 0 в образце сохранится остаточная намагниченность, поле внутри образца будет равно B_r. Остаточная намагниченность образцов позволяет создавать постоянные магниты. Для того чтобы полностью размагнитить образец, необходимо, изменив знак внешнего поля, довести напряженность до значения в точке в, которое принято называть коэрцитивной силой H_c. Коэрцитивная (удерживающая) сила показывает, какую напряженность внешнего поля следует приложить к веществу, чтобы уменьшить остаточную индукцию до нуля.

При дальнейшем увеличении напряженности размагничивающего поля образец перемагничивается, т.е. намагничивается до отрицательной индукции насыщения (точка г). Перемагничиванию образца соответствует кривая г-д-а.

У магнито-мягких материалов значения коэрцитивной силы H_c невелико – петля гистерезиса таких материалов достаточно узкая. Материалы с большим значением коэрцитивной силы, то есть имеющие широкую петлю гистерезиса, относятся к магнито-жестким.

Поведение сильномагнитных материалов в магнитных полях.

Перемагничивание ферромагнетиков в переменных полях сопровождается потерями энергии, вызывающими нагрев материала. В общем случае потери на перемагничивание складываются из потерь на гистерезис, на вихревые токи и магнитное последействие. Вкладом последнего механизма в разогрев ферромагнетика обычно пренебрегают.

Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания (т. е. за один период изменения поля), отнесенные к единице объема вещества, определяют площадью статической петли гистерезиса, т.е. петли, полученной при медленном изменении магнитного поля. Потери на гистерезис обусловлены необратимыми процессами перемагничивания.

Вихревые токи возникают в проводящей среде за счет ЭДС самоиндукции, пропорциональной скорости изменения магнитного потока. Отсюда отличие статических петель гистерезиса от динамических: если статические характеризуют лишь потери на гистерезис, то динамические включают суммарные потери на гистерезис и вихревые токи, т.е. при намагничивании ферромагнетика переменным полем петля гистерезиса расширяется.

Вихревые токи всегда возникают в плоскости, расположенной перпендикулярно магнитному полю. Под действием переменного магнитного потока в любом цилиндрическом контуре, ориентированном вдоль оси сердечника, возникает ЭДС самоиндукции, пропорциональная частоте изменения поля. Для уменьшения потерь на вихревые токи используют магнитный материал с повышенным удельным сопротивлением, либо собирают сердечник из тонких листов, изолированных друг от друга.

Потери на магнитное последействие обусловлены отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Исследования показывают, что спад намагниченности ферромагнетиков после отключения внешнего поля происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени – от долей миллисекунды, до нескольких минут. Время установления стабильного магнитного состояния существенно возрастает с понижением температуры. Одной из основных причин магнитного последействия является тепловая энергия, которая помогает слабо закрепленным доменным границам преодолевать энергетические препятствия (барьеры), мешающие их свободному смещению при изменении поля. Рассмотренное явление называют магнитной вязкостью. Физическая природа потерь на магнитное последействие аналогична релаксационной поляризации диэлектриков.

В соответствии с законом Ленца вихревые токи, индуцируемые в ферромагнетике, стремятся воспрепятствовать тем изменениям, которые их вызывают. Поэтому собственное магнитное поле вихревых токов всегда стремится ослабить изменение основного магнитного потока, т. е. вихревые токи оказывают размагничивающее действие на сердечник, что проявляется в уменьшении индукции и эффективной магнитной проницаемости.

Размагничивающее действие вихревых токов неодинаково в разных частях сечения и наиболее резко выражено в центральных его частях, так как они охватываются наибольшим числом контуров вихревых токов.

Классификация веществ по магнитным свойствам

Магнитная проницаемость показывает во сколько раз меньше или больше индукция магнитного поля в данной среде индукции магнитного поля в вакууме. Намагниченным называется то вещество, которое создает собственное магнитное поле. Намагниченность возникает, если вещество поместить во внешнее магнитное поле. Французский ученый Ампер установил причину, следствием которой является обладание телами магнитных свойств. В гипотезе Ампера говорится о том, что внутри вещества имеются микроскопические электрические токи (электрон имеет собственный магнитный момент, имеющий квантовую природу, орбитальное движение в атомах электронов). Именно ими и определяются магнитные свойства вещества. Если токи имеют неупорядоченные направления, то магнитные поля, которые они порождают, компенсируют друг друга. Тело оказывается не намагничено. Внешнее магнитное поле упорядочивает эти токи. Вследствие этого в веществе возникает собственное магнитное поле. Это и есть намагниченность вещества. Именно по реакции веществ на внешнее магнитное поле и по упорядоченности их внутренней структуры, определяют магнитные свойства вещества.

Классификация веществ по магнитным свойствам

К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий, соединения АЗ В5 , А2 В6 ) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.

К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. К числу парамагнетиков относят кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.

К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 106 ), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Се, Nd, Sm, Тm и др.). Типичными антиферромагнетиками являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т.п.

К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Наряду с этим ферримагнетики характеризуются и рядом существенных отличий от ферромагнитных материалов.

Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом,- различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты.

Основные характеристики и свойства магнитных материалов

Классификация и области использования магнитных материалов

Электрическая прочность диэлектриков

Электрической прочностью называется свойство диэлектрика сохранять свое электрическое сопротивление при приложении напряжения. Потери диэлектриком своих изоляционных свойств при превышении напряженности поля некоторого критического значения называется пробоем, напряжение – пробивным напряжением.

Электрическую прочность определяю величиной пробивного напряжения, отнесенного к толщине диэлектрика в месте пробоя:

Пробой диэлектриков может наступать в результате электрических, тепловых, а также электрохимических процессов, происходящих под действием электрического поля. Механизм пробоя лучше всего рассматривать в зависимости о агрегатного состояния вещества.

Электрическая прочность измеряется в вольтах на единицу расстояния (обычно В/см) и сильно варьирует с диэлектриком:

- cлюда, кварц и другиe твёрдые диэлектрики с хорошими изолирующими свойствами обладают прочностью до 106-107 В/см;

- электрическая прочность жидкого диэлектрика очень сильно зависит от его чистоты и также может достигать 106 В/см;

- электрическая прочность газов линейно зависит от давления (закон Пашена) и существенно — от толщины слоя («отклонения» от закона Пашена); в случае воздуха в нормальных условиях с толщиной слоя 1 см электрическая прочность составляет приблизительно 3×104 В/см, у элегаза — в 2-4 раза выше.

Определение магнитных материалов

Магнитными материалами называют материалы, основным свойством которых является способность намагничиваться под влиянием внешнего магнитного поля. Некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнитного поля.

К магнитным материалам относятся материалы на основе чистого железа, никеля, кобальта и их сплавов.

Основные типы магнитного состояния вещества (диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, ферримагнетики, антиферромагнетики)

В соответствии с магнитными свойствами все материалы делятся на следующие группы: диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные, антиферромагнитные и ферримагнитные.

Диамагнетизм наблюдается во всех веществах и связан тем, что внешнее магнитное поле оказывает влияние на орбитальное движение электронов, вследствие чего индуцируется магнитный момент, направленный навстречу внешнему полю. После снятия внешнего магнитного поля индуцированный магнитный момент диамагнетика исчезает. Магнитная восприимчивость диамагнетиков к_d (отрицательная) по абсолютному значению очень мала; она не зависит ни от температуры, ни от напряженности магнитного поля. Диамагнетик выталкивается из магнитного поля.

К диамагнитным веществам относятся инертные газы, водород, медь, цинк, свинец (вещества, состоящие из атомов с полностью заполненными электронными оболочками). Магнитный момент их атомов равен нулю.

Парамагнитные вещества отличаются тем, что состоят из атомов с не полностью заполненными оболочками, т.е. обладающих магнитными моментами. Но такие атомы находятся друг от друга достаточно далеко, так, что взаимодействие между ними отсутствует. Поэтому у парамагнетиков магнитные моменты атомов ориентируются в направление внешнего магнитного поля и усиливают его.

Магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна, имеет небольшое значение от 10 -5 до10 -2 и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, но зависит от температуры. К парамагнетикам относятся Na и редкоземельные элементы, поскольку их атомы всегда обладают магнитными моментами. Парамагнетик втягивается в магнитное поле.

Ферромагнитные вещества содержат атомы, обладающие магнитным моментом (незаполненные электронные оболочки), однако расстояние между ними не так велико, как в парамагнетиках, в результате чего между атомами возникает взаимодействие, которое называется обменным (предполагается, что соседние атомы обмениваются электронами). В результате такого взаимодействия энергетически выгодной в зависимости от расстояния становится параллельная ориентация магнитных моментов соседних атомов (ферромагнетизм) либо антипараллельная (антиферромагнетизм).

Под воздействие обменных сил параллельная ориентация магнитных моментов атомов ферромагнитного вещества происходит в определенных областях, называемых доменами. В пределах домена материал в отсутствие внешнего поля намагничен до насыщения благодаря обменному взаимодействию отдельных атомов. Это взаимодействие действует только до определенной критической температуры, которая называется температурой Кюри. Выше температуры Кюри домены разрушаются и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Ферромагнитные вещества легко намагничиваются в слабых магнитных полях. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость ферромагнетиков велики (до 10 6 ) и сильно зависят от температуры, а также от напряженности магнитного поля.

Антиферромагнетиками называют материалы, в которых во время обменного взаимодействия соседних атомов происходит антипараллельная ориентация их магнитных моментов. Так как магнитные моменты соседних атомов взаимно компенсируются, антиферрромагнетики не обладают магнитным моментом, а характеризуются магнитной восприимчивостью, которая близка к восприимчивости парамагнетиков. Выше некоторой критической температуры, которая получила название температуры Нееля (аналогична температуре Кюри), магнитоупорядоченное состояние антиферромагнетика разрушается и он переходит в парамагнитное состояние.

К феррримагнетикам относятся вещества, в которых обменное взаимодействие осуществляется не непосредственно между магнитноактивными атомами, как в случае ферромагнетизма, а через немагнитный ион кислорода. Такое взаимодействие называют косвенно обменным или сверхобменным. Это взаимодействие в большинстве случаев в ферримагнитных веществах приводит к антипараллельной ориентации магнитных моментов соседних ионов (т.е. к антиферромагниному упорядочению). Однако количество ионов с магнитными моментами, ориентированными условно вверх и вниз, а также величины их моментов неодинаковы. Поэтому магнитные моменты ионов не полностью компенсируются и ферримагнитные вещества обладают магнитным моментом и имеют доменную структуру, которая исчезает выше температуры Кюри.

Диа- пар- и антиферромагнитные вещества относятся к слабомагнитным, а ферро- и ферримагнитные вещества являются сильномагнитными и поэтому именно они нашли техническое применение в качестве магнитных материалов в электротехнике.

Общие сведения о группах магнитных материалов (магнитомягкие, магнитотвердые, материалы специализированного назначения)

Магнитные материалы в зависимости от их свойств классифицируются следующим образом:

1. Магнитомягкие материалы – материалы с высокой проницаемостью в слабых и средних полях и низкой коэрцитивной силой. К ним относятся электротехнические стали, пермаллой, викаллой, термаллой.

Магнитомягкие материалы применяются для изготовления магнитопроводов электрических машин, магнитопроводов трансформаторов и реакторов, полюсных наконечников, сердечников, катушек, дросселей электромагнитов и т.д.

2. Магнитотвердые материалы с высокой коэрцитивной силой. Применяются для изготовления постоянных магнитов электрических машин, электроизмерительных приборов, магнитных муфт и т.д.

3. Прецизионные материалы со специальными свойствами (высокой магнитострикцией, термомагнитными, коррозионностойкими и другими свойствами).

Магнитные прецизионные материалы со специальными свойствами применяются для изготовления магнитострикционных преобразователей, магнитопроводов систем, работающих в агрессивных средах, магнитных шунтов измерительных приборов.

Магнитные материалы классифицируются также в соответствии с их основой. Различают: металлические материалы, неметаллические материалы, магнитодиэлектрики.

Металлические магнитомягкие материалы – это чистое железо, листовая электротехническая сталь, железо-армко, пермаллои ( железно-никелевые спавы) и др.

Металлические магнитотвердые материалы – это легированные стали, специальные сплавы на основе железа, алюминия, никеля и легирующих компонентов (кобальт, кремний).

Неметаллические магнитные материалы – это материалы, получаемые из порошкообразной смеси окислов некоторых металлов, и окиси железа – ферриты. Ферриты делятся на магнитомягкие и магнитотвердые. Прессованные ферритовые изделия подвергают высокотемпературной обработке – обжигу при температуре 1300 – 1500?С.

Магнитодиэлектрики – это композиционные материалы которые включают 70-80% порошкообразного магнитного материала и 30-20% органического высокополимерного диэлектрика.

Магнитодиэлектрики и ферриты отличаются от металлических магнитных материалов большими значениями удельного электрического сопротивления. Это значительно снижает потери на вихревые токи, что позволяет использовать эти материалы в технике высоких частот.

Магнитные свойства материалов характеризуются рядом физических величин или магнитными характеристиками: петлей гистерезиса, кривой намагничивания, магнитной проницаемостью, потерями энергии при перемагничивании.

Основные физические свойства магнита определяются характером размагничивающей ветви петли магнитного гистерезиса материала, из которого изготовлен магнит. Чем больше коэрцитивная сила H_c и остаточная магнитная индукция B_r материала, то есть чем более магнитно-твёрдым является материал, тем лучше он подходит для магнита. Индукция в магните может равняться наибольшей остаточной индукции B_r лишь в том случае, если он представляет собой замкнутый магнитопровод.

Обычно же магнит служит для создания магнитного потока в воздушном зазоре, например, между полюсами подковообразного магнита. Воздушный зазор уменьшает индукцию (и намагниченность) магнита; влияние зазора подобно действию некоторого внешнего размагничивающего поля H_d. Значение поля H_d, уменьшающего остаточную индукцию B_r до значения B_d, определяется конфигурацией магнита. Таким образом, при помощи магнита могут быть созданы магнитные поля, индукция которых В ≤ B_r.

Действие магнита наиболее эффективно в том случае, если состояние магнита соответствует точке кривой размагничивания, где максимально значение (BH)_max, то есть максимальна магнитная энергия единицы объёма магнитного материала.
Важным условием для достижения наивысших магнитных характеристик магнита является его предварительное намагничивание до состояния магнитного насыщения. Другое важное требование – неизменность магнитных свойств со временем и при воздействии неблагоприятных условий внешней среды.

Магнитная индукция и напряженность магнитного поля

Магнитная индукция B – векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства.

Определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд, движущийся в магнитном поел с определенной скоростью.

Единица измерения в системе СИ: Тесла.

Напряжённость магнитного поля Н — векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M.

Единица измерения в системе СИ: амперы на метр (А/м).

Намагниченность

Намагниченность – векторная физическая величина, характеризующая магнитное состояние макроскопического физического тела. Обозначается обычно М или J.

Определяется как магнитный момент единицы объёма вещества.

Единица измерения в системе СИ: А/м -1 .

Магнитная проницаемость

Для характеристики поведения магнитных материалов в поле с напряженностью Н пользуются понятиями абсолютной магнитной проницаемости μ_а и относительной магнитной проницаемости μ_r:

где μ₀ = 4·π · 10 7 - магнитная постоянная, Гн/м.

Относительную магнитную проницаемость материала μ_r получают по основной кривой намагничивания. Для простоты индекс и слово «относительная» не упоминается.

Наиболее часто используют понятия нормальной μ, начальной μ_н, максимальной μ_мах, дифференциальной μ_диф и импульсной μ_имп магнитной проницаемости.

Магнитная восприимчивость

Магнитная восприимчивость – физическая величина, характеризующая связь между магнитным моментом (намагниченностью) вещества и магнитным полем в этом веществе.

Магнитная восприимчивость определяется отношением намагниченности единицы объёма вещества к напряжённости намагничивающего магнитного поля. Является величиной безразмерной.

Магнитная восприимчивость большинства веществ (за исключением большей части диамагнетиков и некоторых парамагнетиков — щелочных и, в меньшей степени, щёлочноземельных металлов) обычно зависит от температуры вещества.

У парамагнетиков магнитная восприимчивость уменьшается с температурой, подчиняясь закону Кюри — Вейса. У ферромагнетиков магнитная восприимчивость с ростом температуры увеличивается, достигая резкого максимума вблизи точки Кюри.

Магнитная восприимчивость антиферромагнетиков увеличивается с ростом температуры до точки Нееля, а затем падает по закону Кюри — Вейса.

Кривая Столетова – зависимость магнитной восприимчивости от температуры вещества

Кривая намагничивания

Деление ферромагнетика на домены ограничивается энергией, затрачиваемой на образование границ между доменами. Линейный размер доменов имеет порядок от 10 -2 до 10 -5 см. Толщина доменной границы достигает нескольких сотен нанометров.

При наложении внешнего магнитного поля происходит рост объема доменов, которые имеют направление намагниченности, совпадающее или близкое к направлению напряженности поля. Зависимость магнитной индукции ферромагнитного вещества от напряженности внешнего поля называют кривой намагничивания (рис.1.)

Рисунок 1 – Основная кривая намагниченности ферромагнетика

Кривую можно разделить на несколько участков, которые характеризуются определенными процессами намагничивания. В области слабых полей (участок 1) магнитные восприимчивость и проницаемость не изменяются. Изменение магнитной индукции в этой области происходит в основном за счет обратимых процессов, которые обусловлены смещением границ доменов.

Участок 2 кривой намагничивания характеризуется тем, что здесь происходит неупругое смещение границ доменов, т.е. процесс не является обратимым. В области приближения к насыщению (участок 3) изменение индукции объясняется в основном процессом вращения, когда направление вектора намагниченности самопроизвольных областей приближается к направлению внешнего поля. Полная ориентация намагниченности по полю соответствует техническому насыщению (участок 4).

При циклическом изменении напряженности магнитного поля кривая изменения индукции (кривая перемагничивания) имеет форму замкнутой кривой – называемой петлей гистерезиса. Магнитным гистерезисом называется явление отставания изменения магнитной индукции от вызывающей эти изменения напряженности магнитного поля.

Рисунок 2 – Петля магнитного гистерезиса

Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения намагничивания, называют предельной петлей гистерезиса. Она характеризуется максимально достигнутым значением индукции В_s, называемым индукцией насыщения.

Площадь гистерезисных петель в промежуточных и предельном состояниях характеризует рассеивание электрической энергии в процессе перемагничивания материала, т.е. потери на гистерезис. Площадь гистерезисной петли зависит от свойств материала, его геометрических размеров и частоты перемагничивания.

По предельной петле гистерезиса определяют такие характеристики магнитных материалов, как индукцию насыщения В_s , остаточную индукцию В_с, коэрцитивную силу Н_с.

Остаточная индукция и индукция насыщения

Остаточная магнитная индукция B_r

Единица измерения в системе СИ – Тесла.

Определяет, насколько сильное магнитное поле (плотность потока) может производить магнит.

Максимальный магнитный поток, который может создать магнит, измеряемый только в замкнутой магнитной системе.

Коэрцитивная сила

Коэрцитивная (задерживающая) магнитная сила H_c.

Единицы измерения в системе СИ – Ампер/метр.

Определяет величину внешнего магнитного поля, при котором магнит, первоначально намагниченный до состояния насыщения, становится ненамагниченным (размагничивается).

Чем больше коэрцитивная сила, тем "прочнее" магнитный материал удерживает остаточную намагниченность.

По смыслу данная величина характеризует сопротивляемость магнита размагничиванию, а по определению – это величина внешнего магнитного поля, требуемого для полного размагничивания магнита, намагниченного до состояния насыщения.

Магнитные потери

Потери энергии при перемагничивании

Это необратимые потери электрической энергии, которая выделяется в материале в виде тепла.

Потери на перемагничивание магнитного материала складываются из потерь на гистерезис и динамических потерь.

Потери на гистерезис создаются в процессе смещения стенок доменов на начальной стадии намагничивания. Вследствие неоднородности структуры магнитного материала на перемещение стенок доменов затрачивается магнитная энергия.

Потери энергии на гистерезис:

где а – коэффициент, зависящий от свойств и объема материала;

f – частота тока, Гц.

Динамические потери Р_вт вызываются частично вихревыми токами, которые возникают при изменении направления и напряженности магнитного поля; они также рассеивают энергию:

где b – коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления, объема и геометрических размеров образца.

Потери на вихревые токи из-за квадратичной зависимости о частоты превосходят потери на гистерезис на высоких частотах.

К динамическим потерям относятся также потери на последействие Р_п (магнитную вязкость), которые связаны с остаточным изменением магнитного состояния после изменения напряженности магнитного поля. Они зависят от состава и термической обработки магнитного материала и проявляются на высоких частотах. Потери на последействие необходимо учитывать при использовании ферромагнетиков в импульсном режиме.

Общие потери в магнитном материале:

При намагничивании магнитных материалов наблюдается изменение их размеров и формы, такое явление называется магнитострикция. Она может быть объемной (изменение объема тела) и линейной (изменение размеров тела).

По своей природе линейная магнитострикция анизотропна. Так, например, для монокристаллического железа, намагниченного в направлении ребра куба, линейные размеры в этом направлении уменьшаются, при намагничивании вдоль диагонали куба увеличиваются, т.е. магнитострикция может быть как положительной, так и отрицательной.

Механические, физические, химические и технологические свойства металлов

Механические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться действию внешних сил. К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.

Прочность — это способность материала сопротивляться разрушающему воздействию внешних сил.

Твердость — это способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.

Вязкостью называется свойство материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок.

Упругость — это свойство материалов восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки.

Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.

Хрупкость — это свойство материалов разрушаться под действием внешних сил без остаточных деформаций.

При статических испытаниях на растяжение определяют величины, характеризующие прочность, пластичность и упругость материала. Испытания производятся на цилиндрических (или плоских) образцах с определенным соотношением между длиной l₀ и диаметром d₀. Образец растягивается под действием приложенной силы Р (рис. 1, а) до разрушения. Внешняя нагрузка вызывает в образце напряжение и деформацию. Напряжение σ — это отношение силы Р к площади поперечного сечения F₀, МПа:

Деформация характеризует изменение размеров образца под действием нагрузки, %:

где l₁ — длина растянутого образца.

Деформация может быть упругой (исчезающей после снятия нагрузки) и пластической (остающейся после снятия нагрузки).

При испытаниях стоится диаграмма растяжения, представляющая собой зависимость напряжения от деформации. На рис. 1 приведена такая диаграмма для низкоуглеродистой стали. После проведения испытаний определяются следующие характеристики механических свойств.

Предел упругости σ_у — это максимальное напряжение при котором в образце не возникают пластические деформации.

Предел текучести σ_т — это напряжение, соответствующее площадке текучести на диаграмме растяжения (рис. 1). Если на диаграмме нет площадки текучести (что наблюдается для хрупких материалов), то определяют условный предел текучести σ_0,2 — напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %. Предел прочности (или временное сопротивление) σ_в — это напряжение, отвечающее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец при испытании.

Относительное удлинение после разрыва δ — отношение приращения длины образца при растяжении к начальной длине l₀, %:

где l_к — длина образца после разрыва.

Рис. 1. Статические испытания на растяжение: а – схема испытания;

б – диаграмма растяжения

Относительным сужением после разрыва ψ называется уменьшение площади поперечного сечения образца, отнесенное к начальному сечению образца, %:

где F_к — площадь поперечного сечения образца в месте разрыва. Относительное удлинение и относительное сужение характеризуют пластичность материала.

Твердость металлов измеряется путем вдавливания в испытуемый образец твердого наконечника различной формы.

Метод Бринелля основан на вдавливании в поверхность металла стального закаленного шарика под действием определенной нагрузки. После снятия нагрузки в образце остается отпечаток. Число твердости по Бринеллю НВ определяется отношением нагрузки, действующей на шарик, к площади поверхности полученного отпечатка.

Метод Роквелла основан на вдавливании в испытуемый образец закаленного стального шарика диаметром 1,588 мм (шкала В) или алмазного конуса с углом при вершине 120° (шкалы А и С). Вдавливание производится под действием двух нагрузок — предварительной равной 100 Н и окончательной равной 600, 1000. 1500 Н для шкал А, В и С соответственно. Число твердости по Роквеллу HRA, HRB и HRC определяется по разности глубин вдавливания.

В методе Виккерса применяют вдавливание алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136°. Число твердости по Виккерсу HV определяется отношением приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка.

Ударная вязкость определяется работой A, затраченной на разрушение образца, отнесенной к площади его поперечною сечения F; Дж/м 2 :

Испытания проводятся ударом специального маятникового копра. Для испытания применяется стандартный надрезанный образец, устанавливаемый на опорах копра. Маятник определенной массы наносит удар по стороне противоположной надрезу.

К физическим свойствам материалов относится плотность, температура плавления, электропроводность, теплопроводность, магнитные свойства, коэффициент температурного расширения и др.

Плотностью называется отношение массы однородного материала к единице его объема.

Это свойство важно при использовании материалов в авиационной и ракетной технике, где создаваемые конструкции должны быть легкими и прочными.

Температура плавления — это такая температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Чем ниже температура плавления металла, тем легче протекают процессы его плавления, сварки и тем они дешевле.

Электропроводностью называется способность материала хорошо и без потерь на выделение тепла проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают металлы и их сплавы, особенно медь и алюминий. Большинство неметаллических материалов не способны проводить электрический ток, что также является важным свойством, используемом в электроизоляционных материалах.

Теплопроводность — это способность материала переносить теплоту от более нагретых частей тел к менее нагретым. Хорошей теплопроводностью характеризуются металлические материалы.

Магнитными свойствами т.е. способностью хорошо намагничиваться обладают только железо, никель, кобальт и их сплавы.

Коэффициенты линейного и объемного расширения характеризуют способность материала расширяться при нагревании. Это свойство важно учитывать при строительстве мостов, прокладке железнодорожных и трамвайных путей и т.д.

Химические свойства характеризуют склонность материалов к взаимодействию с различными веществами и связаны со способностью материалов противостоять вредному действию этих веществ. Способность металлов и сплавов сопротивляться действию различных агрессивных сред называется коррозионной стойкостью, а аналогичная способность неметаллических материалов — химической стойкостью.

К эксплуатационным (служебным) свойствам относятся жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, радиационная стойкость, коррозионная и химическая стойкость и др.

Жаростойкость характеризует способность металлического материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре.

Износостойкость — это способность материала сопротивляться разрушению его поверхностных слоев при трении.

Радиационная стойкость характеризует способность материала сопротивляться действию ядерного облучения.

Технологические свойства определяют способность материалов подвергаться различным видом обработки. Литейные свойства характеризуются способностью металлов и сплавов в расплавленном состоянии хорошо заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить ее очертания (жидкотекучестъю), величиной уменьшения объема при затвердевании (усадкой), склонностью к образованию трещин и пор, склонностью к поглощению газов в расплавленном состоянии. Ковкость — это способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением без разрушения. Свариваемость определяется способностью материалов образовывать прочные сварные соединения. Обрабатываемость резанием определяется способностью материалов поддаваться обработке режущим инструментом.

Теория сплавов

Металлическим сплавом называется материал, полученный сплавлением двух или более металлов или металлов с неметаллами, обладающий металлическими свойствами. Вещества, которые образуют сплав называются компонентами.

Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюся определенными составом и строением и отделенную от других частей сплава поверхностью раздела. Под структурой понимают форму размер и характер взаимного расположения фаз в металлах и сплавах. Структурными составляющими называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.

Виды сплавов по структуре. По характеру взаимодействия компонентов все сплавы подразделяются на три основных типа: механические смеси, химические соединения и твердые растворы.

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется, если они не способны к взаимодействию или взаимному растворению. Каждый компонент при этом кристаллизуется в свою кристаллическую решетку. Структура механических смесей неоднородная, состоящая из отдельных зерен компонента А и компонента В. Свойства механических смесей зависят от количественного соотношения компонентов: чем больше в сплаве данного компонента, тем ближе к его свойствам свойства смеси.

Химическое соединение образуется когда компоненты сплава А и В вступают в химическое взаимодействие. При этом при этом соотношение чисел атомов в соединении соответствует его химической формуле А_mВ_n . Химическое соединение имеет свою кристаллическую решетку, которая отличается от кристаллических решеток компонентов. Химические соединения имеют однородную структуру, состоящую из одинаковых по составу и свойствам зерен.

При образовании твердого раствора атомы одного компонента входят в кристаллическую решетку другого. Твердые растворы замещения образуются в результате частичного замещения атомов кристаллической решетки одного компонента атомами второго (рис. 6, б).

Твердые растворы внедрения образуются когда атомы растворенного компонента внедряются в кристаллическую решетку компонента -растворителя (рис. 6, в). Твердый раствор имеет однородную структуру, одну кристаллическую решетку. В отличие от химического соединения твердый раствор существует не при строго определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций. Обозначают твердые растворы строчными буквами греческого алфавита: α, β, γ, δ и т. д.

Диаграмма состояния

Диаграмма состояния показывает строение сплава в зависимости от соотношения компонентов и от температуры. Она строится экспериментально по кривым охлаждения сплавов (рис. 8). В отличие от чистых металлов сплавы кристаллизуются не при постоянной температуре, а в интервале температур. Поэтому на кривых охлаждения сплавов имеется две критические точки. В верхней критической точке, называемой точкой ликвидус (t_л), начинается кристаллизация. В нижней критической точке, которая называется точкой солидус (t_c), кристаллизация завершается. Кривая охлаждения механической смеси (рис. 8, а) отличается от кривой охлаждения твердого раствора (рис. 8, б) наличием горизонтального участка. На этом участке происходит кристаллизация эвтектики.

Эвтектикой называют механическую смесь двух фаз, одновременно кристаллизовавшихся из жидкого сплава. Эвтектика имеет определенный химический состав и образуется при постоянной температуре.

Диаграмму состояния строят в координатах температура-концентрация. Линии диаграммы разграничивают области одинаковых фазовых состояний. Вид диаграммы зависит от того, как взаимодействуют между собой компоненты. Для построения диаграммы состояния используют большое количество кривых охлаждения для сплавов различных концентраций. При построении диаграммы критические точки переносятся с кривых охлаждения на диаграмму и соединяются линией. В получившихся на диаграмме областях записывают фазы или структурные составляющие. Линия диаграммы состояния на которой при охлаждении начинается кристаллизация сплава называется линией ликвидус, а линия на которой кристаллизация завершается — линией солидус.

Виды диаграмм состояния

Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси (рис. 9), характеризуется отсутствием растворения компонентов в твердом состоянии. Поэтому в этом сплаве возможно образование трех фаз: жидкого сплава Ж, кристаллов А и кристаллов В. Линия АСВ диаграммы является линией ликвидус: на участке АС при охлаждении начинается кристаллизация компонента А, а на участке СD — компонента В. Линия DСВ является линией солидус, на ней завершается кристаллизация А или В и при постоянной температуре происходит кристаллизация эвтектики Э. Сплавы концентрация которых соответствует точке С диаграммы называются эвтектическими, их структура представляет собой чистую эвтектику.

Сплавы, расположенные на диаграмме левее эвтектического, называются доэвтектическими, их структура состоит из зерен А и эвтектики. Те сплавы которые на диаграмме расположены правее эвтектического, называются заэвтектическими, их структура представляет собой зерна В, окруженные эвтектикой.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии изображена на рис. 10. Для этого сплава возможно образование двух фаз: жидкого сплава и твердого раствора а. На диаграмме имеется всего две линии, верхняя является линией ликвидус, а нижняя — линией солидус.

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии показана на рис 11. В этом сплаве могут существовать три фазы — жидкий сплав, твердый раствор α компонента В в компоненте А и твердый раствор β компонента А в компоненте В. Данная диаграмма содержит в себе элементы двух предыдущих. Линия АСВ является линией ликвидус, линия АDСЕВ — линией солидус. Здесь также образуется эвтектика, имеются эвтектический, доэвтектический и заэвтектический сплавы. По линиям FD и EG происходит выделение вторичных кристаллов α_IIи β_II(вследствие уменьшения растворимости с понижением температуры). Процесс выделения вторичных кристаллов из твердой фазы называется вторичной кристаллизацией.

Диаграмма состояния сплавов, образующих химическое соединение (рис. 12) характеризуется наличием вертикальной линии, соответствующей соотношением компонентов в химическом соединении А_mВ_n. Эта линия делит диаграмму на две части, которые можно рассматривать как самостоятельные диаграммы сплавов, образуемых одним из компонентов с химическим соединением. На рис. 12 изображена диаграмма для случая, когда каждый из компонентов образует с химическим соединением механическую смесь.

Читайте также: