Металлы по отношению к магнитным полям подразделяются на группы
Обновлено: 25.04.2024
Намагничивание и магнитные материалы
Наличие у вещества магнитных свойств проявляется в изменении параметров магнитного поля по сравнению с полем в немагнитном пространстве. Происходящие физические процессы в микроскопическом представлении связывают с возникновением в материале под воздействием магнитного поля магнитных моментов микротоков , объёмная плотность которых называется вектором намагниченности .
Возникновение намагниченности в веществе при помещении его в магнитное поле объясняется процессом постепенной преимущественной ориентации магнитных моментов циркулирующих в нём микротоков в направлении поля. Подавляющий вклад в создание микротоков в веществе вносит движение электронов : спиновое и орбитальное движение связанных с атомами электронов, спиновое и свободное движение электронов проводимости.
Диамагнетики и парамагнетики относятся к материалам со слабыми магнитными свойствами. Значительно более сильный эффект намагничивания наблюдается у ферромагнетиков.
Магнитная восприимчивость (отношение абсолютных значений векторов намагниченности и напряженности поля) у таких материалов положительная и может достигать нескольких десятков тысяч. У ферромагнетиков образуются области самопроизвольной спонтанной однонаправленной намагниченности - домены.
Ферромагнетизм наблюдается у кристаллов переходных металлов: железа, кобальта, никеля и у ряда сплавов.
При наложении внешнего магнитного поля с возрастающей напряженностью векторы спонтанной намагниченности, изначально ориентированные в разных доменах по-разному, постепенно выстраиваются в одном направлении. Этот процесс называется техническим намагничиванием . Он характеризуется кривой начального намагничивания - зависимостью индукции или намагниченности от напряженности результирующего магнитного поля в материале.
При относительно небольшой напряженности поля (участок I) происходит быстрое возрастание намагниченности преимущественно из-за увеличения размеров доменов, имеющих ориентацию намагниченности в положительной полусфере направлений векторов напряженности поля. Одновременно пропорционально сокращаются размеры доменов в отрицательной полусфере. В меньшей степени изменяются размеры тех доменов, намагниченность которых ориентирована ближе к плоскости, ортогональной вектору напряженности.
При дальнейшем увеличении напряженности преобладают процессы поворота векторов намагниченности доменов по полю (участок II) до достижения технического насыщения (точка S). Последующему возрастанию результирующей намагниченности и достижению одинаковой ориентации всех доменов по полю препятствует тепловое движение электронов. Область III близка по характеру процессов к парамагнетикам, где увеличение намагниченности происходит из-за ориентации немногих спиновых магнитных моментов, дезориентированных тепловым движением. С увеличением температуры дезориентирующее тепловое движение усиливается и намагниченность вещества уменьшается.
Для конкретного ферромагнитного материала существует определенная температура, при которой ферромагнитное упорядочение доменной структуры и намагниченности исчезают. Материал становится парамагнитным. Эта температура носит название точки Кюри. Для железа точка Кюри соответствует 790 °С для никеля - 340 °С, для кобальта - 1150 °С.
Снижение температуры ниже точки Кюри вновь возвращает материалу магнитные свойства: доменную структуру с нулевой результирующей намагниченностью, если при этом отсутствовало внешнее магнитное поле. Поэтому разогрев изделий из ферромагнитных материалов выше точки Кюри используют для их полного размагничивания.
Кривая начального намагничивания
Процессы намагничивания ферромагнитных материалов подразделяются на обратимые и необратимые по отношению к изменению магнитного поля. Если после снятия возмущения внешнего поля намагниченность материала возвращается в исходное состояние, то такой процесс обратимый, в противном случае - необратимый.
Обратимые изменения наблюдаются на малом начальном отрезке участка I кривой намагничивания (зона Релея) при малых смещениях доменных стенок и на участках II, III при повороте векторов намагниченности в доменах. Основная часть участка I относится к необратимому процессу перемагничивания, который в основном определяет гистерезисные свойства ферромагнитных материалов (отставание изменений намагниченности от изменений магнитного поля).
Петлей гистерезиса называют кривые, отражающие изменение намагниченности ферромагнетика под воздействием циклически изменяющегося внешнего магнитного поля.
При испытаниях магнитных материалов петли гистерезиса строятся для функций параметров магнитного поля В (Н) или М (Н), которые имеют смысл результирующих параметров внутри материала в проекции на зафиксированное направление. Если материал предварительно был полностью размагничен, то постепенное увеличение напряженности магнитного поля от нуля до Hs дает множество точек начальной кривой намагничивания (участок 0-1).
Точка 1 - точка технического насыщения (Вs, Hs). Последующее снижение напряженности Н внутри материала до нуля (участок 1-2) позволяет определить предельное (максимальное) значение остаточной намагниченности Br и дальнейшим уменьшением отрицательной напряженности поля добиться полного размагничивания B = 0 (участок 2-3) в точке Н = -НсВ - максимальной коэрцитивной силы по намагниченности.
Далее материал перемагничивается в отрицательном направлении до насыщения (участок 3-4 ) при Н = - Hs. Изменение напряженности поля в положительную сторону замыкает предельный гистерезисный цикл по кривой 4-5-6-1.
Множество состояний материала внутри предельного гистерезисного цикла может быть достигнуто при изменении напряженности магнитного поля , соответствующем частным симметричным и несимметричным гистерезисным циклам .
Магнитный гистерезис: 1 – кривая начального намагничивания; 2 – предельный гистерезисный цикл; 3 – кривая основного намагничивания; 4 – симметричные частные циклы; 5 – несимметричные частные циклы
Частные симметричные гистерезисные циклы опираются вершинами на кривую основного намагничивания , которая и определяется как множество точек вершин этих циклов до совпадения с предельным циклом.
Частные несимметричные гистерезисные циклы образуются, если начальная точка не находится на кривой основного намагничивания при симметричном изменении напряженности поля, а также при несимметричном изменении напряженности поля в положительном или отрицательном направлении.
В зависимости от значений коэрцитивной силы ферромагнитные материалы разделяют на магнитомягкие и магнитотвёрдые .
Магнитомягкие материалы используются в магнитных системах как магнитопроводы . Эти материалы имеют малую коэрцитивную силу, высокую магнитную проницаемость и индукцию насыщения.
Магнитотвёрдые материалы имеют большую коэрцитивную силу и в предварительно намагниченном состоянии используются как постоянные магниты – первичные источники магнитного поля .
Существуют материалы, которые по магнитным свойствам относятся к антиферромагнетикам . У них оказывается энергетически более выгодным антипараллельное расположение спинов соседних атомов. Созданы антиферромагнетики, обладающие значительным собственным магнитным моментом из-за асимметрии кристаллической решётки . Такие материалы называются ферримагнетиками (ферритами) . В отличие от металлических ферромагнитных материалов, ферриты – полупроводники и в них значительно меньшие потери энергии на вихревые токи в переменных магнитных полях.
Кривые намагничивания различных ферромагнитных материалов
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Как подразделяются материалы по их отношению к магнитному полю?
3. способность молекул одного вещества проникать в другое вещество при непосредственном соприкосновении.
51. Влагопроницаемость материала – это:
1. способность материала поглощать пары воды из атмосферного воздуха;
2. способность материала пропускать через себя водяные пары;
3. способность материала поглощать (впитывать) воду.
Нихром представляет собой сплав
1. железа, никеля, хрома
2. меди, хрома, никеля
3. алюминия, железа, хрома
Диэлектрический материал, производимый на основе бумаги
Синтетический материал, из которого изготавливают изоляцию проводов и кабелей
3. формальдегидная смола
Диэлектрический материал, производимый на основе каучука
56. Для размыкающих контактов используются материалы…
2. сплавы серебра
3. сплавы железа
57. Медь, латунь, бронза. Какой группе проводников соответствуют данные металлы?
1. с высокой проводимостью
2. с большим удельным сопротивлением
3. для подвижных контактов
4. для термопар
58. Электрическая корона – это характеристика диэлектриков …
59. Определите вид проводникового материала по следующему описанию: «Металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 658 ºС, отличающийся малой твердостью и сравнительно небольшой механической прочностью при растяжении»
60. Определите вид проводникового материала по следующему описанию: «Светло-серый тугоплавкий металл, обладает наиболее высокой температурой плавления (3380 ºС), имеет очень большую плотность, применяется в вакуумной технике»
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 4 | 3 | 2 | 3 | 3 | 4 | 2 | 2 | 3 | 4 |
| 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
| 1 | 2 | 1 | 4 | 3 | 1 | 2 | 3 | 4 | 2 |
| 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 |
| 3 | 1 | 4 | 1 | 1 | 2 | 3 | 2 | 3 | 1 |
| 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 |
| 3 | 2 | 3 | 3 | 2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 3 |
| 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 |
| 1 | 4 | 1 | 4 | 2 | 1 | 3 | 1 | 3 | 1 |
| 51 | 52 | 53 | 54 | 55 | 56 | 57 | 58 | 59 | 60 |
| 3 | 3 | 3 | 2 | 1 | 1 | 1 | 3 | 1 | 3 |
СОГЛАСОВАНО
Руководитель ПМО
«Энергетика и автоматика»
«___»______________ 2014 г.
ИНФОРМАЦИОННАЯ КАРТА КОМПЬЮТЕРНЫХ
ТЕСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
| 1. | Специальность | Автоматизация технологических процессов и производств |
| 2. | Курс | 2 |
| 3. | Группа (ы) | 242-1, 242-2 |
| 4. | Дисциплина | |
| 4.1 | Наименование | Электроматериаловедение |
| 4.2 | Объем часов | 52 ч. |
| 5. | Составитель | Мирошниченко И.В. |
| 6. | Цель проведения теста: | Проверка уровня и качества знаний по дисциплине в рамках проведения дифференцированного зачета |
| 7. | Структура ТМ |
Структура дисциплины, наименование дидактических единиц (разделов)
Количество типов вопросов (ТЗ)
Количество ТЗ для студента
Одиночный выбор
Множественный выбор
Магнитные материалы
Магнитные свойства материалов характеризуют следующие величины:
В – магнитная индукция (плотность магнитного потока), измеряется в тесла (Тл), тесла равна магнитной индукции, при которой через поперечное сечение площадью 1 м 2 проходит магнитный поток в 1 Вб;
Н – напряженность магнитного поля, А/м;
М – намагниченность материала под действием магнитного поля;
m – магнитная проницаемость (способность сгущать магнитные силовые линии), характеризует способность материала намагничиваться – В/Н.
По магнитным свойствам все материалы делятся на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики. На практике под магнитными материалами понимают материалы, обладающие свойствами ферромагнетика: железо, кобальт и никель.
У ферромагнетиков магнитные моменты атомов ориентированы параллельно друг другу с образованием магнитных доменов. Магнитные домены – это элементарные объемы ферромагнетика, находящиеся в состоянии магнитного насыщения. Весь объем ферромагнетика разделен на множество доменов. В домене нескомпенсированные спиновые магнитные моменты электронов всех атомов выстроены параллельно друг другу (в отсутствие внешнего магнитного поля) в результате самопроизвольной намагниченности при температурах ниже точки Кюри (для железа – 768°С). Домены имеют размеры порядка 0,001 – 10 мм 3 при толщине пограничных слоев (границ) между ними в несколько десятков ангстрем. В доменных границах происходит постепенное изменение направления вектора намагниченности от одного домена к направлению вектора намагниченности в соседнем домене. Доменное строение – характерная особенность ферромагнетиков, которое обеспечивает их особенности: магнитное насыщение, гистерезис, магнитострикцию и т. п.
Магнитная восприимчивость kМ и магнитная проницаемость m ферромагнетиков имеют большие положительные значения (до 10 6 ) и зависят от напряженности внешнего магнитного поля и температуры, они легко намагничиваются даже в слабых магнитных полях. При приложении магнитного поля магнитные моменты доменов начинают ориентироваться по полю, а границы между доменами смещаются, в результате образец намагничивается. Это намагничивание называют техническим.
Магнитная анизотропия. В монокристаллах существуют кристаллические направления легкого и трудного намагничивания. Кристаллографическая ячейка a-железа имеет решетку объемоцентрированного куба и осями легкого намагничивания будут ребра куба. Направлением трудного намагничивания является пространственная диагональ куба. Для никеля, имеющего решетку ГЦК, наоборот, ось легкого намагничивания – диагональ куба, а ось трудного намагничивания – ребро куба. Затраты энергии намагничивания вдоль направления легкого намагничивания намного меньше (у железа – в 5 – 10 раз), чем при намагничивании вдоль трудного намагничивания. У электротехнических сталей методом прокатки создают преимущественную ориентацию отдельных кристаллов (зерен) в нужном направлении (магнитная текстура). Магнитное текстуирование трансформаторных сталей широко используется при производстве шихтованного железа.
Магнитострикция – изменение линейных размеров ферромагнитных материалов при намагничивании. l – константа магнитострикции, фактически она является относительным удлинением.
Для a-Fe в слабых магнитных полях (Н < 32 кА/м) l >0, в сильных полях (Н > 32 кА/м) l < 0, а при Н = 32 кА/м l = 0.
Петля гистерезиса. Для достижения полной размагниченности образца к нему необходимо приложить поле определенной напряженности и противоположное по знаку. Напряженность такого поля называют коэрцитивной силой НC. При дальнейшем увеличении отрицательного поля индукция тоже становится отрицательной и в точке А' при Н = НS достигает значений индукции технического насыщения: В = – ВS. После уменьшения отрицательного поля, а затем увеличения положительного поля кривая перемагничивания опишет петлю, называемую петлей магнитного гистерезиса (см. рисунок).
 |
Вид петли гистерезиса
Коэрцитивная сила НC, магнитная проницаемость m зависят от суммарной удельной поверхности зерен, магнитной анизотропии, магнитострикции, механических напряжений, наличия примесей и др. Чем больше значения перечисленных величин и меньше однородность структуры, тем больше НC и меньше m.
Внутренние напряжения и дефекты при намагничивании препятствуют росту доменов и ориентации их магнитных моментов в направлении поля. В результате НC возрастает, а m снижается. Величину суммарной удельной поверхности зерен можно изменять термической обработкой.
Материал, подвергнутый закалке или холодной пластической деформации (прокатке, волочению), приобретает мелкозернистую структуру, которая имеет большую суммарную удельную поверхность зерен и, соответственно, большую НС и малую m. Материал, подвергнутый отжигу, наоборот, имеет крупнозернистую структуру с меньшей суммарной удельной поверхностью зерен, с малой НC и высокой m.
Чем меньше НC и больше m, тем легче намагничивается и перемагничивается материал.
Если рассматривать магнитные материалы с точки зрения легкости намагничивания и перемагничивания, то их можно подразделить на магнитотвердые и магнитомягкие материалы.
3.9.1. Магнитотвердые материалы
Магнитотвердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов – источников постоянных магнитных полей, используемых в различной аппаратуре.
По составу и способу получения магнитотвердые материалы подразделяются на группы: легированные стали, закаленные на мартенсит, литые высококоэрцитивные сплавы, металлокерамические и металлопластические магниты, магнитотвердые ферриты, сплавы для магнитных носителей информации и т. п.
3.9.1.1. Легированные стали, закаленные на мартенсит. Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали, легированные хромом, хромом и кобальтом с добавкой молибдена (Х3, Х5К5, Х9К15М2) и прошедшие термическую обработку. Высокая коэрцитивная сила у этих материалов достигается в результате максимального деформирования кристаллической решетки, создания тем самым больших внутренних напряжений, дислокаций и т. п. Эти стали обрабатываются давлением, резанием, но имеют сравнительно малую магнитную энергию. Лучшие магнитные свойства имеют стали Х5К5, Х9К15М2 после нормализации, высокого отпуска, закалки и низкого отпуска. В последнее время их использование ограничено.
3.9.1.2. Литые высококоэрцитивные сплавы – это сплавы системы «железо – алюминий – никель» (старое название «альни»). Высокая коэрцитивная сила данных сплавов достигается при концентрации алюминия 11 – 17 % и никеля – 20 – 33 %. Для улучшения магнитных и механических свойств высококоэрцитивные сплавы легируют кобальтом, медью, кремнием.
Сплавы этой системы приобретают максимальную коэрцитивную силу после специальной термообработки, при которой образуется структура смеси очень мелких частиц магнитной и немагнитной фаз. При этом размер частиц магнитной фазы настолько мал, что не может делиться на домены. У сплавов с кобальтом магнитные свойства лучше, чем у бескобальтовых.
Магнитные свойства сплавов приведены в табл. 9 (буква «А» в конце обозначения марки сплава указывает на его столбчатую структуру).
Магнитные свойства высококоэрцитивных сплавов
| Марка сплава | Магнитные свойства |
| ВR, Тл | НС, кА/м |
| ЮНД4 | 0,50 |
| ЮНКД15 | 0,75 |
| ЮН13ДК25БА | 1,40 |
| ЮНДК35Т5БА | 1,02 |
3.9.2. Магнитомягкие материалы
Магнитомягкие материалы обладают малой коэрцитивной силой, высокими магнитной проницаемостью и индукцией насыщения даже в слабых магнитных полях. Магнитомягкие материалы для уменьшения потерь на вихревые токи должны иметь высокое электрическое сопротивление.
В электротехнике магнитомягкие материалы широко применяются в качестве магнитных изделий (разнообразных сердечников, магнитопроводов, полюсных наконечников), в различных приборах и аппаратах (реле, трансформаторах, электрических машинах).
Металлические магнитомягкие материалы должны иметь минимальную концентрацию вредных примесей (кислорода, углерода, серы, фосфора), крупнозернистую структуру и минимальное внутреннее напряжение.
В постоянных и низкочастотных магнитных полях применяют металлические магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением около 10 -7 Ом∙м; их называют низкочастотными: железо, сталь низкоуглеродистая электротехническая нелегированная, кремнистая электротехническая сталь, пермаллои, альсиферы.
Чистое железо содержит примесей не более 0,6 %, в том числе углерода не более 0,04 %. Наиболее вредными примесями всех марок магнитного железа являются углерод, кислород, сера, фосфор. Существенно ухудшает магнитные свойства железа углерод в виде цементита. Преимущества чистого железа – высокие показатели индукции насыщения (2,18 Тл), пластичности, коррозионной стойкости, высокая технологичность, низкая стоимость и доступность; недостатки: низкое удельное сопротивление (10 -7 Ом∙м) и значительные потери на вихревые токи.
Особо чистое железо содержит углерода менее 0,025 % и других примесей – не более 0,08 – 0,1 %, его называют «армко железом».
Для улучшения магнитных свойств все виды чистого железа подвергают термической обработке – специальному отжигу. При этом у железа снижается внутреннее напряжение, уменьшается количество дислокаций и других дефектов кристаллической решетки и укрупняется зерно, следовательно, уменьшается суммарная удельная поверхность зерен.
Сталь низкоуглеродистая электротехническая нелегированная –разновидность технически чистого железа, ее выпускают тонколистовой и сортовой. Тонколистовая сталь содержит примесей не более 0,64 %, в том числе углерода – менее 0,04 %. В зависимости от содержания примесей тонколистовую сталь выпускают в виде листов толщиной 0,2 – 4,0 мм трех марок: Э – низкий сорт, ЭА – средний, ЭАА – высший сорт. Сортовая сталь бывает трех марок – Э12, Э10, Э8. Уменьшение цифры в обозначении марки стали указывает на улучшение магнитных свойств стали. Сталь отжигают при температуре 900°С. Магнитные свойства электротехнической стали приведены в табл. 10.
Магнитные свойства некоторых магнитомягких материалов
| Материал | Свойства | |||
| mМ, ´10 3 | ВS, Тл | НС, А/м | r, мкОм∙м | |
| Армко железо | 3,5 – 4,5 | 2,18 | 40 – 100 | 0,1 |
| Сталь низкоуглеродистая электротехническая нелегированная | 3,5 – 4,5 | 2,18 2,18 | 64 – 96 | 0,1 0,1 |
| Электролитическое железо | 20 – 21,5 | 2,18 | 6,4 | 0,1 |
| Карбонильное железо | 2,18 | 2,4 | 0,1 | |
| Пермаллои: низконикелевые (Ni»45%) высоконикелевые (Ni»80%) суперпермаллой (Ni»79%, Fe»15%, Mo»5%, Mn»0,5%) | 15 – 60 30 – 70 600 – 1500 | 1,3 0,7 0,79 | 5 – 32 0,65 – 4 0,3 | 0,45 – 0,9 0,16 – 0,8 0,6 |
| Альсифер | 11,7 | 1,0 | 1,76 | 0,8 |
Электролитическое железо (см. табл. 10) содержит углерода менее 0,02 %, это железо получают путем электролиза водных растворов сернокислого или хлористого железа, применяется оно для изготовления магнитопроводов, работающих в постоянных магнитных полях.
Карбонильное железо содержит углерода менее 0,005 % (см. табл. 10), данный вид железа получают путем термического разложения пентакарбонила железа Fe(CO)5. В отсутствие воздуха пары Fe(CO)5 при температуре 350°С разлагаются на окись углерода и металлическое железо.
Карбонильное железо применяют в качестве магнитной фазы в магнитодиэлектриках, из него изготавливают листы различной толщины.
Из данных табл. 10 видно, что с уменьшением содержания примесей и в результате специальной термической обработки магнитные свойства железа существенно улучшаются. В технике для улучшения магнитных свойств железа широко используют легирование технически чистого железа кремнием.
Кремнистая электротехническая сталь содержит углерода до 0,05 % и представляет собой сплав, образующий твердый раствор кремния (0,4 – 4,8 %) в технически чистом железе; это магнитомягкий материал массового потребления, его преимуществами являются высокая индукция насыщения и относительно низкая стоимость.
Кремний способствует образованию крупнозернистой структуры стали и уменьшает ее магнитную анизотропию, улучшает магнитные свойства, снижает потери на вихревые токи и гистерезис.
Свойства стали можно улучшить путем холодной прокатки и последующего отжига. При этом происходит рекристаллизация, сопровождающаяся ростом зерен и одновременной их ориентацией вдоль направления легкого намагничивания. Такая сталь имеет ребровую текстуру; ее магнитные свойства вдоль направления прокатки существенно выше, чем у стали, не имеющей текстуры.
Холоднокатаная сталь делится на два вида – анизотропную и изотропную. Горячекатаная сталь изотропна, т. е. ее магнитные свойства одинаковы в различных направлениях относительно прокатки, эта сталь дешевле холоднокатаной. Изотропные стали применяют в электромашиностроении. В трансформаторостроении выгодно применять текстурированную сталь.
Маркировка кремнистой электротехнической стали в виде листов (0,1 – 1,0 мм), рулонов и лент (0,05 – 0,2 мм) производится четырьмя цифрами. В обозначении марки цифры означают следующее:
первая – структурное состояние и вид прокатки (например: 2 – холоднокатаная изотропная);
вторая – содержание кремния (например: 3 – 1,8 – 2,8 % Si);
третья – группу по основной нормируемой характеристики (например: 1 – удельные потери при В = 1,5 Тл и f = 50 Гц);
четвертая – порядковый номер типа стали.
Вместе первые три цифры означают тип стали.
Кремнистую электротехническую сталь выпускают в виде рулонов, листов и лент, без покрытия, с термостойким, электроизоляционным термостойким или электроизоляционным покрытием.
Пермаллои – это сплавы железа с никелем (Fe – Ni), железа с никелем и кобальтом (Fe – Ni – Сo) и железа с кобальтом (Fe – Со). Пермаллои имеют высокую магнитную проницаемость и малую коэрцитивную силу, низкую магнитную анизотропию, что является одной из причин их легкого намагничивания и высокой магнитной проницаемости.
Магнитные свойства пермаллоев можно улучшить путем дополнительного легирования молибденом, хромом, медью, кремнием, ванадием и др. Недостатки пермаллоев – высокая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, пониженные значения индукции насыщения по сравнению с электротехническими сталями, необходимость проведения сложного отжига после механической обработки и относительно высокая стоимость.
Сплавы изготавливают в виде холоднокатаных лент, листов, проволоки диаметром 0,05 – 5,0 мм, а также горячекатаных листов, горячекатаных и кованых прутков диаметром 8 – 100 мм, которые поставляются не обработанными термически. Термической обработке подвергаются готовые магнитные изделия.
Сплавы с содержанием никеля 70 – 80 %, имеющие наибольшее значение начальной и максимальной магнитной проницаемости, называют высоконикелевыми пермаллоями, а сплав с содержанием никеля 78,5 % – классическим пермаллоем. Второй, меньший по величине, максимум mН и mМ наблюдается у сплавов при содержании никеля 40 – 50 %, их называют низконикелевыми пермаллоями (см. табл. 10).
Высоконикелевые пермаллои целесообразно применять в качестве сердечников в мощных силовых трансформаторах и других устройствах для создания мощного магнитного потока, а также для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов.
У низконикелевых пермаллоев удельное электрическое сопротивление в три раза больше, чем у высоконикелевых. Низконикелевые пермаллои имеют более высокую индукцию насыщения, применяют их для изготовления магнитопроводов малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей и деталей магнитных цепей, работающих в области высокой индукции.
Маркировка пермаллоев основана на их химическом составе. Первая цифра в обозначении марки пермаллоя указывает на содержание никеля в процентах, буквы К, М, Х, С, Ф – соответственно кобальт, молибден, хром, кремний, ванадий. Буквы П, У и А в конце маркировки означают соответственно прямоугольную петлю гистерезиса, сплав с улучшенными свойствами и сплав с более точным составом.
Все марки пермаллоев делятся на четыре группы:
нелегированные низконикелевые сплавы 45Н и 50Н с содержанием никеля 45 и 50 % соответственно, остальное – железо;
сплавы, обладающие магнитной текстурой и прямоугольной петлей гистерезиса, 50НП, 65НП, 34НКМП с содержанием никеля 50, 65 и 34 % соответственно, П означает прямоугольную петлю гистерезиса, К и М – легирующие добавки кобальта и молибдена;
никелевый пермаллой 50НХС с содержанием никеля 50 % и легированный хромом и кремнием;
высоконикелевые сплавы 79НМ, 80НХС и 76НХД, легированные соответственно молибденом, хромом и кремнием, хромом и медью.
Альсиферы – это тройные сплавы, состоящие из алюминия, кремния и железа (Al – Si – Fe), образующие твердые растворы. Высокую магнитную проницаемость имеют в очень узком интервале содержания в сплаве алюминия и кремния. Сплав оптимального состава содержит 9,6 % кремния, 54 % алюминия, остальное – железо.
Магнитные свойства альсифера приведены в табл. 9. Максимум магнитных свойств альсифера соответствует точному соблюдению состава, что можно обеспечить только для лабораторных образцов. Промышленные изделия имеют более низкие значения магнитных свойств. Альсиферы отличаются высокой твердостью и большой хрупкостью, легко разламываются в порошок, который, как и карбонильное железо, используется в магнитодиэлектриках в качестве ферромагнитной фазы.
Металлы по отношению к магнитным полям подразделяются на группы
- Введение
- 1 Общие сведения об электроматериалах
- 1.2 Особенности строения твердых тел
- 1.3 Элементы зонной теории твердого тела
- 2.1 Виды электропроводности проводниковых материалов
- 2.2 Основные свойства металлических проводников
- 2.3 Металлы высокой проводимости
- 2.4 Тугоплавкие металлы
- 2.5 Благородные металлы
- 2.6 Коррозионно-стойкие металлы
- 2.7 Некоторые другие металлы
- 2.8 Сплавы высокого сопротивления
- 2.9 Сплавы для термопар
- 2.10 Тензометрические сплавы
- 2.11 Контактные материалы
- 2.12 Припои и флюсы
- 2.13 Неметаллические проводящие материалы
- 3.1 Электропроводность полупроводников
- 3.2 Влияние внешних факторов на электропроводность полупроводников
- 3.3 Термоэлектрические и электротермические эффекты в полупроводниках
- 3.4 Гальваномагнитные эффекты в полупроводниках
- 3.5 Оптические и фотоэлектрические эффекты в полупроводниках
- 3.6 Электрические переходы
- 3.7 Основные полупроводниковые материалы
- 4.1 Поляризация диэлектриков
- 4.1.1 Полярные и неполярные диэлектрики
- 4.1.2 Механизмы поляризации
- 4.1.3 Влияние различных факторов на относительную диэлектрическую проницаемость
- 4.2.1 Электропроводность твердых диэлектриков
- 4.2.2 Электропроводность жидких диэлектриков
- 4.2.3 Электропроводность газов
- 4.3.1 Потери на электропроводность
- 4.3.2 Релаксационные потери
- 4.3.3 Резонансные потери
- 4.3.4 Миграционные и ионизационные потери (потери от неоднородности структуры)
- 4.4.1 Пробой газов
- 4.4.2 Пробой жидкостей
- 4.4.3 Пробой твердых диэлектриков
- 4.5.1 Газообразные диэлектрики
- 4.5.2 Жидкие диэлектрики
- 4.5.3 Твердые диэлектрики
- 4.6.1 Сегнетоэлектрики
- 4.6.2 Пьезоэлектрики
- 4.6.3 Пироэлектрики
- 4.6.4 Электреты
- 4.6.5 Жидкие кристаллы
- 5.1 Общие сведения о магнитных свойствах вещества
- 5.2 Классификация веществ по магнитным свойствам
- 5.3 Физическая сущность ферромагнетизма
- 5.3.1 Доменное строение как основа ферромагнетизма
- 5.3.2 Намагничивание ферромагнетиков
- 5.5.1 Магнитострикция и магнитоупругость
- 5.5.2 Влияние температуры на магнитные свойства
- 5.5.3 Магнитные потери
- 5.6.1 Постоянные магниты
- 5.6.2 Пермаллои
- 6.1 Общие сведения о компонентах радиоэлектроаппаратуры
- 6.2 Резисторы: классификация, основные параметры
- 6.2.1 Классификация резисторов
- 6.2.2 Основные параметры и свойства резисторов
- 6.2.3 Основные виды проводящих элементов резисторов
- 6.2.4 Магниторезисторы
- 6.2.5 Фоторезисторы
- 6.3.1 Классификация конденсаторов
- 6.3.2 Основные характеристики конденсаторов
- 6.3.3 Нелинейные конденсаторы
- 6.4.1 Общие сведения и основные параметры
- 6.4.2 Классификация диодов
- 6.4.3 Условное графическое обозначение диодов в схемах
- 6.4.4 Надежность и причины отказов полупроводниковых диодов
- 7.1 Краткие сведения о датчиках
- 7.2 Термоэлектрический эффект Зеебека
- 7.3 Электротермический эффект Пельтье
- 7.4 Эффект Холла
- 7.5 Магниторезистивный эффект (эффект Гаусса)
- 7.6 Магнитоупругий эффект
- 7.7 Фотоэффект
- 7.8 Терморезистивный эффект
- 7.9 Тензорезистивный эффект
- 7.10 Пьезоэлектрический эффект
- 7.11 Пироэлектрический эффект
5.2 Классификация веществ по магнитным свойствам
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 типов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм (таблица 5.1). Кроме того, существуют аморфные магнитные материалы и спиновые магнитные стекла.
Диа-, пара- и антиферромагнетики относятся к слабомагнитным веществам, тогда как ферро- и ферримагнетики представляют собой сильномагнитные материалы.
Таблица 5.1 – Магнитная восприимчивость и магнитное состояние твердых тел
Магнитная восприимчивость χ
Особенности магнитного состояния
Магнитные моменты электронов скомпенсированы, существуют только магнитные моменты, наведенные внешним магнитным полем
χ> 0; | χ | ≈ 10 -4 … 10 -6
Атомы обладают собственными магнитными моментами, расположенными беспорядочно
Магнитные моменты атомов упорядочены; спонтанный магнитный момент отличен от нуля
Ферро- и ферримагнетик
χ> 0; | χ | ≈ 10 -2 … 10 -5
Магнитные моменты атомов упорядочены, спонтанный магнитный момент равен нулю
► Диамагнетики
К диамагнетикам относятся вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Для них μ < 1, т.е. их намагниченность ослабляет внешнее магнитное поле.
Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электронов при внесении атома в магнитное поле. Диамагнитный эффект является проявлением закона электромагнитной индукции на атомном уровне. Электронную орбиту можно рассматривать как замкнутый контур, не обладающий активным сопротивлением. Под действием внешнего поля в контуре изменяется сила тока и возникает дополнительный магнитный момент. Согласно закону Ленца, этот момент направлен навстречу внешнему полю.
Диамагнитный эффект является универсальным, присущим всем веществам. Однако в большинстве случаев он маскируется более сильными магнитными эффектами. Диамагнетизм электронных оболочек выступает на первый план, когда собственный магнитный момент атомов равен нулю (т. е. спиновые магнитные моменты попарно скомпенсированы).
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, соединенияЧисленное значение магнитной восприимчивости диамагнетиков составляет минус (10 -6 – 10 -7 ). Относительная магнитная проницаемость очень незначительно отличается от единицы (за исключением сверхпроводников). Магнитная восприимчивость диамагнетиков очень слабо изменяется с температурой. Это объясняется тем, что диамагнитный эффект обусловлен внутриатомными процессами, на которые тепловое движение частиц не оказывает влияния.
Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля.
► Парамагнетики
К парамагнетикам относятся вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. В парамагнетиках атомы обладают элементарным магнитным моментом даже в отсутствие внешнего поля, однако из-за теплового движения эти магнитные моменты распределены хаотично, так что намагниченность вещества в целом равна нулю. Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении. Тепловая энергия противодействует созданию магнитной упорядоченности. Поэтому парамагнитная восприимчивость сильно зависит от температуры. Для большинства твердых парамагнетиков температурное изменение магнитной восприимчивости подчиняется закону Кюри-Вейсса:
(5.7) где C и Θ – постоянные величины для данного вещества.
При комнатной температуре магнитная восприимчивость парамагнетиков составляет 10 -3 – 10 -6 . Поэтому их магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы. Благодаря положительной намагниченности парамагнетики, помещенные в неоднородное магнитное поле, втягиваются в него. В очень сильных полях и при низких температурах в парамагнетиках может наступать состояние магнитного насыщения, при котором все элементарные магнитные моменты ориентируются параллельно Н.
К числу парамагнетиков относятся кислород, окись азота, щелочные и щелочно-земельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.
Парамагнитный эффект по физической природе во многом аналогичен дипольно-релаксационной поляризации диэлектриков.
► Ферромагнетики
К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 10 6 ), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях.
Главным представителем ферромагнетиков является железо (отсюда и название) и его сплавы.
► Антиферромагнетики
Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков характерна небольшая положительная магнитная восприимчивость (10 -3 – 10 -5 ), которая сильно зависит от температуры. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Температура такого перехода, при которой исчезает магнитная упорядоченность, получила название точки Нееля (или антиферромагнитной точки Кюри).
Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Се, Nd, Sm, Tm и др.). Типичными антиферромагнетиками являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т. п. Всего известно около тысячи соединений со свойствами антиферромагнетиков.
► Ферримагнетики
К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены некомпенсированным 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. Так, они имеют меньшую индукцию насыщения и более высокое значение удельного электрического сопротивления за счет того, что не являются металлами.
Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом, различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты (химические соединения оксида железа Fe2O3 с оксидами других металлов).
► Аморфные магнитные материалы
Магнитный порядок наблюдается и в некоторых химических соединениях в аморфном состоянии, в которых имеет место обменное взаимодействие (обмен энергией) между ближайшими соседними атомами. Металлические магнитомягкие аморфные сплавы состоят из одного или нескольких переходных металлов (Fe, Co, Ni), сплавленных со стеклообразователем - бором, углеродом, кремнием или фосфором.
► Спиновые магнитные стекла
Это сильномагнитные вещества с ферромагнитным порядком, если магнитные свойства в них возникают в результате косвенных обменных взаимодействий через электроны проводимости, и с антиферромагнитным порядком, если возбуждение происходит через промежуточные немагнитные атомы. Такими структурами могут быть также проводящие сплавы с малым содержанием переходных элементов.
© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014Классификация и основные характеристики магнитных материалов
Все вещества в природе являются магнетиками в том понимании, что они обладают определенными магнитными свойствами и определенным образом взаимодействуют с внешним магнитным полем.
Магнитными называют материалы, применяемые в технике с учетом их магнитных свойств. Магнитные свойства вещества зависят от магнитных свойств микрочастиц, структуры атомов и молекул.
![Классификация и основные характеристики магнитных материалов]()
Классификация магнитных материалов
Магнитные материалы делят на слабомагнитные и сильномагнитные.
К слабомагнитным относят диамагнетики и парамагнетики.
К сильномагнитным – ферромагнетики, которые, в свою очередь, могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми. Формально отличие магнитных свойств материалов можно охарактеризовать относительной магнитной проницаемостью.
Парамагнетиками называют материалы, атомы (ионы) которых обладают результирующим магнитным моментом, не зависящим от внешнего магнитного поля. Внешне парамагнетики проявляют себя тем, что втягиваются в неоднородное магнитное поле. К ним относят алюминий, платину, никель и другие материалы.
Ферромагнетиками называют материалы, в которых собственное (внутреннее) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превышать вызвавшее его внешнее магнитное поле.
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.
Существует три типа процессов намагничивания ферромагнетиков:
2. Процесс необратимого смещения магнитных доменов. В данном случае смещение границ между магнитными доменами не снимается при снижении магнитного поля. Исходные положения доменов могут быть достигнуты в процессе перемагничивания.
Необратимое смещение границ доменов приводит к появлению магнитного гистерезиса – отставанию магнитной индукции от напряженности поля.
3. Процессы вращения доменов. В данном случае завершение процессов смещения границ доменов приводит к техническому насыщению материала. В области насыщения все домены поворачиваются по направлению поля. Петля гистерезиса, достигающая области насыщения называется предельной.
![петля гистерезиса]()
Предельная петля гистерезиса имеет следующие характеристики: Bmax – индукция насыщения; Br – остаточная индукция; Hc - задерживающая (коэрцитивная) сила.
Материалы с малыми значениями Hc (узкой петлей гистерезиса) и большой магнитной проницаемостью называются магнитомягкими.
Материалы с большими значениями Hc (широкой петлей гистерезиса) и низкой магнитной проницаемостью называются магнитотвердыми.
При перемагничивании ферромагнетика в переменных магнитных полях всегда наблюдаются тепловые потери энергии, то есть материал нагревается. Эти потери обусловлены потерями на гистерезис и потерями на вихревые токи. Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса. Потери на вихревые токи зависят от электрического сопротивления ферромагнетика. Чем выше сопротивление – тем меньше потери на вихревые токи.
![Магнитомягкие и магнитотвердые материалы]()
Магнитомягкие и магнитотвердые материалы
К магнитомягким материалам относят:
1. Технически чистое железо (электротехническая низкоуглеродистая сталь).
3. Железоникелевые и железокобальтовые сплавы.
4. Магнитомягкие ферриты.
Магнитные свойства низкоуглеродистой стали (технически чистого железа) зависят от содержания примесей, искажения кристаллической решетки из-за деформации, величины зерна и термической обработки. По причине низкого удельного сопротивления технически чистое железо в электротехнике используется довольно редко, в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока.
Листовая электротехническая сталь, поставляемая в отдельных листах или рулонах, и ленточная сталь, поставляемая только в рулонах - являются полуфабрикатами, предназначенными для изготовления магнитопроводов (сердечников).
Магнитопроводы формируют либо из отдельных пластин, получаемых штамповкой или резкой, либо навивкой из лент.
Железоникелевые сплавы называют пермаллоями . Они обладают большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых магнитных полей. Пермаллои применяют для сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей и реле.
Ферриты представляют собой магнитную керамику с большим удельным сопротивлением, в 1010 раз превышающим сопротивление железа. Ферриты применяют в высокочастотных цепях, так как их магнитная проницаемость практически не снижается с увеличением частоты.
Недостатком ферритов является их низкая индукция насыщения и низкая механическая прочность. Поэтому ферриты применяют, как правило, в низковольтной электронике.
К магнитотвердым материалам относят:
1. Литые магнитотвердые материалы на основе сплавов Fe-Ni-Al.
2. Порошковые магнитотвердые материалы, получаемые путем прессования порошков с последующей термообработкой.
3. Магнитотвердые ферриты. Магнитотвердые материалы – это материалы для постоянных магнитов, использующихся в электродвигателях и других электротехнических устройствах, в которых требуется постоянное магнитное поле.
Читайте также:
