[9] Магнитные Материалы (Материалы с сайта Арсеньева), страница 2

Внутренние напряжения в кристаллической решетке ферро­магнетика при намагничивании препятствуют росту доменов и ориентации их магнитных моментов в направлении поля. С уве­личением внутренних напряжений магнитная проницаемость уменьшается, а коэрцитивная сила возрастает. Такие напряжения возникают в условиях холодной деформации при прокатке, ковке, протяжке, изгибании и т. п. При этом отдельные кристаллы дро­бятся, вытягиваются, вследствие чего возникает сложная система внутренних напряжений.

Для восстановления первоначальных магнитных свойств магнитномягкие материалы подвергают отжигу, который снимает внутренние напряжения и вызывает рекристаллизацию зерен.

Магнитные свойства зависят от величины зерна. Поверхност­ные слои зерен вследствие искажения строения кристаллов харак­теризуются повышенной коэрцитивной силой. В случае мелкозернистого строения суммарная удельная поверхность (на единицу объема) зерен больше, чем при крупнозернистом строении; по­этому в материале, состоящем из мелких зерен, влияние поверх­ностных искажений слоев сказывается сильнее, и он обладает большей коэрцитивной силой.

Внутренние напряжения нередко связаны с наличием в мате­риале различных загрязнений, например: кислорода в чистом же­лезе, примесей или присадок кобальта, хрома, вольфрама. Используя примеси, усложняющие кристаллическую решетку, вводя технологическую операцию закалки, а иногда добиваясь ориентации структуры доменов в магнитном поле, получают магнитнотвердые материалы.

Потери энергии, приводящие к нагреву, возникают в ферро­магнетиках при перемагничивании их в переменных магнитных полях. Эти потери обусловлены потерями на гистерезис и динамическими потерями.

Потери энергии на гистерезис для каждого материала могут быть определены по площади статической петли гистерезиса (при очень медленном изменении напряженности магнитного поля) с учетом масштабов по осям координат. Для вычисления потерь на гистерезис за один цикл в единице массы вещества существует следующая эмпирическая формула

Э_г,1=Bⁿ_max (9.2)

где — коэффициент, зависящий от материала; В_mах — максимальная индукция, достигаемая в течение цикла; п—показатель степени в пределах от 1,6 до 2.

Мощность, расходуемая на гистерезис в единице массы:

P_г=fBⁿ_max (9.3)

где f — частота тока.

Динамические потери вызываются прежде всего вихревыми токами, индуктированными в массе магнитного материала, и час­тично так называемым магнитным последействием, или магнит­ной вязкостью. Потерн на вихревые токи в свою очередь зависят от электрического сопротивления ферромагнетика; чем больше удельное электрическое сопротивление ферромагнетика, тем мень­ше потери на вихревые токи.

Мощность, расходуемая на вихревые токи в единице массы.

P_т=ξf²B²_max (9.4)

где ξ—коэффициент, зависящий от свойств ферромагнетика и его формы (в частности, он пропорционален квадрату толщины материала и обратно пропорционален плотности и удельному электрическому сопротивлению магнетика).

Остальные величины те же, что и в формуле (9.3).

Поскольку величина Р_т зависит от второй степени частоты, а величина Р_г от первой степени, при высоких ча­стотах учитывают в первую очередь величину Р_т, т. е. потери на вихревые токи.

Потери, связанные с магнитным последействием, необходимо учиты­вать при использовании ферромагнети­ков для работы в импульсных режи­мах.

В радиоэлектронике магнетики ис­пользуют большей частью в высоко­частотных полях невысокой напряжен­ности. При этом рассеяние мощности в ряде случаев оценивают тангенсом угла магнитных потерь.

Индуктивную катушку с кольцевым сердечником из магнитно­го материала, собственной емкостью и сопротивлением обмотки которой можно пренебречь, представим в виде схемы, состоящей из последовательно соединенных индуктивности L и сопротивле­ния r₁, эквивалентного всем видам потерь мощности в магнетике (рис. 9.10). Для этого случая из векторной диаграммы получим

tgδ_м=r₁/(ωL) (9.5)

Рис. 9.10. Эквивалентная схема и вектор­ная диаграмма индуктивной ка­тушки с магнитным сердечни­ком

Можно за­писать

tgδ_м=μ΄΄/μ (9.6)

Величину μ΄΄ иногда используют для оценки магнитных потерь. В диапазоне СВЧ при одновременном воздействии на материал взаимно перпендикулярных постоянного и переменного магнитных полей у ряда материалов обнаруживается максимум tgδ_м, связан­ный с явлением резонанса при совпадении частоты переменного поля с частотой прецессионного вращения электронных орбит во­круг вектора напряженности постоянного магнитного поля.

Особенности ферримагнетиков

Ферримагнетиками называют кристаллические вещества у которых минимуму потенциальной энергии системы отвечает антипараллельное расположение спинов с некоторым преоблада­нием одного направления над другим. Эти вещества обладают до­менной структурой при температурах ниже точки Кюри; к ним применимы все характеристики, введенные для ферромагнитных веществ.

Ферримагнетиками являются слож­ные оксидные материалы, получившие в практике название ферритов.

Ферримагнетики отличаются от фер­ромагнетиков меньшей величиной индук­ции насыщения, имеют более сложную температурную зависимость индукции и повышенное, а для некоторых материа­лов и очень высокое значение удельного сопротивления. Первые два отличия упро­щенно могут быть объяснены наличием в структуре сложного материала двух подрешеток, создающих встречные нескомпенсированные магнитные потоки, третье—тем, что эти материалы отно­сятся к неметаллам.

Н
а рис. 9.11 схематически изображе­ны направления спиновых магнитных моментов в ферромагнетике (а) н в ферромагнетике (б). Рис. 9.12 поясняет пониженную абсолютную величину индукции насыщения ферримагнетиков и возможные виды ее температурной зависимо­сти, получаемые путем сложения температурных зависимостей первой B_s1=F(t)] и второй [В_s2=-φ(t)] подрешеток.

Рис. 9.11. Схематическое изображение направления спиновых мо­ментов в ферромагнетике (а) и ферримагнетике (б)

Допустим, что соотношения между ординатами кривых B_s1 и В_s2 при различных температурах для какого-то феррита такие, как показано на рис. 9.12, а. Тогда при некоторой температуре ниже точки Кюри получится компенсация и результирующая индукция насыщения B_s образца станет равной нулю. Эту точку называют точкой компенсации. После достижения точки компенсации у индукции образца меняется знак, затем она становится равной напряженности внешнего поля (которое мало и в масштабе черте­жа близко к нулю) в точке Кюри. У различных ферритов точка компенсации может быть, а может и отсутствовать, что видно, на­пример, из рис. 9.12, б.

Полностью скомпенсированный ферримагнетик называют анти­ферромагнетиком.

Р
ис. 9.12. Примеры построения ре­зультирующих темпера­турных зависимостей маг­нитной индукции для ферримагнетика, имею­щего точку компенсации (а) и не имеющего точки компенсации (б)

Особенности магнетиков в виде тонких слоев

П
ленки магнитных материалов. Особенностью тонких пленок является то, что при малой толщине их (h<<a,b) направление легкого намагничивания оказывается расположенным в плоскости пленки. Образуются плоские домены, показанные на рис. 9.13, а. Для очень тонких пленок характерна однодоменная структура, для пленок толщиной свыше 10^-3—10^-2 мм (у различных веществ)— многодоменная, состоящая из длинных узких доменов (шириной от долей микрометров до нескольких микрометров), намагничен­ных в противоположных направлениях. Под воздействием внешне­го поля вся система полос может перемещаться и поворачиваться и ее используют как управляемую дифракционную решетку для света и ближайшего диапазона волн электромагнитного спектра.

Рис. 9.13. Доменные структуры в тонких образцах магнетиков

Цилиндрические домены. В пластинках некоторых ферритов толщиной порядка 50 мкм, вырезанных в направлении, пер­пендикулярном к оси легкого намагничивания, наблюдается так называемая лабиринтная структура доменов (при H≈0) с противоположными направлениями намагниченности, нормальными к плоскости рис. 9.13,б (светлые и темные места). Если пластину поместить во внешнее неизменное по направлению магнитное поле, перпендикулярное к ее поверхности, и увеличивать напря­женность поля, то лабиринтная структура разрывается и образу­ются цилиндрические домены (рис. 9.13,(в), диаметр которых при дальнейшем усилении поля уменьшается, пока не будет достигнуто однородное однодоменное намагничивание всей пластинки. Ци­линдрические домены, существующие при определенных значениях напряженности магнитного поля, управляемые полем (возможно смещение по двум координатам), представляют большой интерес при создании устройств вычислительной техники. Их можно ис­пользовать для создания как запоминающих, так и логических элементов. В двоичной системе знаку «1» может соответствовать наличие домена в определенной точке устройства, а значению «0»—его отсутствие. Твердотельные магнитные элементы с цилиндрическими доменами позволяют осуществлять многофункцио­нальные операции без нарушения однородности материала-носи­теля.

Цилиндрические магнитные домены наблюдаются и в редкозе­мельных ферритах со структурой граната, гексаферритах и метал­лических пленках.

Классификация магнитных материалов

П
рименяемые в электронной технике магнитные материалы под­разделяют, как уже говорилось, на магнитномягкие и магнитнотвердые. Кроме того, техническое применение имеют материалы специализированного назначения: с прямоугольной петлей гисте­резиса (ППГ), магнитострикционные и др. Среди магнитномягких материалов могут быть выделены низкочастотные и высокочастот­ные материалы с повышенным или высоким значением удельного сопротивления. Магнитнотвердые материалы по применению делят на материалы для постоянных магнитов и материалы для записи звука и «его хранения». Более мелкую классификацию осуществля­ют по родам и видам материалов. На рис. 9.14 дана классифика­ция магнитных материалов, положенная в основу их изучения.

Рис. 9.14. Классификация магнитных материалов

9.2. МАГНИТНОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Магнитномягкие материалы, обладающие высокой магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми поте­рями на гистерезис, используют при создании сердечников транс­форматоров» электромагнитов, измерительных приборов и в дру­гих случаях, когда необходимо при наименьшей затрате энергии получить наибольшую индукцию.

Для уменьшения потерь на вихревые токи у трансформаторах выбирают магнитномягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением, обычно собирая магнитопроводы из отдельных изолированных друг от друга тонких листов.

Железо и низкоуглеродистые стали

Железо. Особо чистое железо (электролитическое, карбониль­ное), содержащее весьма малое количество примесей (менее 0.05%), получают двумя сложными способами.

Электролитическое железо изготовляют путем элек­тролиза раствора сернокислого или хлористого железа, причем анодом служит чистое железо, а катодом—пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина слоя 4—6 мм) после тщательной промывки снимают и измельчают в порошок в шаро­вых мельницах; затем его подвергают вакуумному отжигу или переплавляют в вакууме.

Карбонильное железо получают посредством термиче­ского разложения пентакарбоннла железа согласно уравнению

Fe(CO)₅=Fe + 5СО

Пентакарбонил железа представляет собой продукт воздейст­вия окиси углерода на железо при температуре около 200°С и дав­лении примерно 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид тонкого порошка, что делает его весьма удобным для изготовления прес­сованных магнитных сердечников. В карбонильном железе совершенно отсутствуют кремний, фосфор и сера, но со­держится углерод.

В табл. 9.1 приведены магнитные свойства различных видов чистого железа с указанием содержания в них примесей. На рис. 9.5 показаны кривые намагничивания для трех сортов чистого железа.

Свойства железа зависят не только от содержания примесей, но и от структуры материала, величины зерен, наличия механиче­ских напряжений. Из табл. 9.1 видно, что магнитные свойства даже лучших промышленных разновидностей железа далеки от того, чего можно добиться, используя современные технологиче­ские методы получения чистых и однородных по структуре ме­таллов.

Таблица 9.1. СОСТАВ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЖЕЛЕЗА

Материал	Содержание примесей %		Магнитная проницаем ость		Коэрцитивная сила. А/м
	углерод	кислород	начальная	максимальная
Технически чистое железо	0,02	0,06	250	7000	64
Электролитическое железо	0,02	0,01	600	15000	28
Карбонильное железо	0,005	0,005	3300	21000	6,4
Монокристалл чистейшего железа, отожженный в водороде особи тща­тельно				1430000	0,8

0,06 0,01 0.005

250 600 33 GO

7000 15000 21 000

1 430 000

64 28

0,8

Технически чистое железо обычно содержит неболь­шое количество примесей углерода, серы, марганца, кремния и дру­гих элементов, ухудшающих его магнитные свойства. Вследствие сравнительно низкого удельного сопротивления технически чистое железо используют довольно редко, в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока.

Обычное технически чистое железо изготовляют рафинирова­нием чугуна в мартеновских печах, бессемеровских или томасовских конверторах; оно имеет суммарное содержание примесей до 0,08—0,1%. За рубежом этот материал называют армко-железо.

Низкоуглеродистая электротехническая листовая сталь — раз­новидность технически чистого железа, выпускается в виде листов толщиной от 0,2 до 4 мм, содержит не свыше 0,04% углерода и не свыше 0,6% других примесей. Максимальное значение магнитной-проницаемости для различных марок не менее 3500—4500, коэр­цитивная сила соответственно не более 96-64 А/м.