пособие (774869), страница 5
Текст из файла (страница 5)
При воздействии внешнегомагнитного поля происходит слабая ориентация магнитных моментоватомов, поэтому магнитная проницаемость парамагнетика не намногобольше единицы (μ~1,03). От напряженности поля при обычныхтемпературах магнитная проницаемость парамегнетиков зависит слабо.
Кпарамагнетикамотносятсянекоторыеметаллы,кислород,солиредкоземельных металлов.Диа- и парамагнетики являются слабомагнитными веществами,магнитные свойства которых не имеют промышленного применения. Кприменяемым на практике магнитным материалам относятся ферро-иферримагнетики, высокая магнитная проницаемость которых (~102÷106)объясняется упорядоченной структурой спиновых моментов соседнихатомов.Ферромагнетики - кристаллические вещества, атомы которых так же,как и атомы парамагнетиков, обладают нескомпенсированными магнитнымимоментами.
Разница состоит в том, что в ферромагнетике спины соседнихатомов взаимодействуют между собой, ориентируясь параллельно друг другу(обменное взаимодействие). Однако это не означает, что образец в целомоднородно намагничен. Энергетически наиболее выгодным являетсясамопроизвольное разделение образца на большое число малых однороднонамагниченных областей, называемых доменами - Объем домена колеблетсяот 10-6 ÷ 10-1 см. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и ихсплавы.Ферримагнетки - кристаллические вещества, у которых спиновыемагнитные моменты атомов в определенной области температур приотсутствии внешнего поля располагаются антипараллельно с частичнойкомпенсацией.
Для ферримагнетиков, как и для ферромагнетиков,характерно наличие доменной структуры. Магнитная проницаемостьферримагнетика ниже, чем проницаемость ферромагнетика.27К ферримагнетикам относятся ферриты – соединения окиси железа соксидом металлов, например соединения Me2+O*Fe2O3, где Me2+ двухвалентный металл (марганец, цинк, кобальт и др.).Параметры, характеризующие ферромагнетики.Магнитные свойства ферро- и ферримагнетиков обычно характеризуютзависимостями магнитной индукции В от напряженности внешнего поля Н,которая носит название основной кривой намагничивания.
Эта зависимостьимеет сложный характер вследствие доменной структуры магнитногоматериала (рис. 3.1).Рис. 3.1.В зависимости от величины внешнего магнитного поля различают тристадии процесса намагничивания.1. Смещение границ доменов (участок «Оа» на рис. 3.1). Происходитувеличение объема доменов, вектор намагниченности которых образуетнаименьший угол с направлением внешнего поля, за счет соответствующегоуменьшения неблагоприятно ориентированных доменов. В слабых полях(участок «Оа») этот процесс носит обратимый характер.2.
В полях средней величины (участок «ab»), происходит необратимоесмещение границ доменов и структура становиться однодоменной, а образецнамагниченным в направлении, наиболее благоприятном по отношению квнешнему полю.3. На участке «bс» происходит вращение вектора намагниченности досовпадения с внешним полем.4. В точке «с» происходит техническое насыщение образца.Величина μ для ферромагнитных материалов зависит от величинывнешнего поля.
Эта зависимость приведена на рис.3.2. Магнитнаяпроницаемость определяется как отношение индукции В к напряженностимагнитного поля Н в данной точке кривой намагничивания по основной28кривой намагничивания с учетом магнитной постоянной μо. Магнитнуюпроницаемость μнач (при Н = 0,1 А/м) называют начальной магнитнойпроницаемостью. Наибольшее значение магнитной проницаемости носитнаименование максимальной магнитной проницаемости и обозначается μмак.При сильных полях в области насыщения магнитная проницаемость μстремится к единице.Рис. 3.2.Петля гистерезиса.Процесс вращения вектора намагниченности обратим. При снятиинамагничивающего поля вектор намагниченности возвращается кближайшему направлению легкого намагничивания. Однако ход кривой неповторяется в обратном направлении: При том же значении напряженностивнешнего поля значение индукции выше соответствующих значенийосновной кривой намагничивания, т.е.
наблюдается отставание индукции отнапряженности поля. Причина этого в том, что энергия, необходимая дляразмагничивания материала, превышает энергию, необходимую для егонамагничивания. При снятии поля в кристалле должны заново создаватьсяграницы доменов. Однако дефекты кристаллов, различные включения,внутренние механические напряжения препятствуют этому процессу. Для ихпреодоления требуется дополнительная энергия поля, которая и составляетпотери на гистерезис.Поэтому при Н = 0 индукция не обращается в нуль, а имеет значение,равное Br и называемое остаточной индукцией. Для того чтобы полностьюразмагнитить образец, к нему нужно приложить поле обратного направленияHs, называемое коэрцитивной силой.Явление отставания индукции от напряженности магнитного поляназывается гистерезисом, а замкнутую кривую, отражающую изменениеиндукции за полный цикл изменения напряженности поля (от +Hmax до -Hmaxи обратно) - петлей гистерезиса (рис.
3.3). Петли гистерезиса, в которыхB29максимальная индукция меньше индукции насыщения, называются частнымипетлями гистерезиса.Рис. 3.3Потеринагистерезисявляютсяследствиемструктурнойнеоднородности образца и пропорциональны частоте перемагничивания:Pг=ηƒ Bmaxn,(3.2)Где: η - коэффициент, зависящий от свойств материала;Bmax ,- максимальная индукция, достигаемая в течение цикла;n - показатель степени в пределах от 1,6 до 2;ƒ – частота изменения внешнего поля.С увеличением частоты внешнего поля при перемагничиванииферромагнитного материала в нем возникают еще и потери на вихревыетоки, которые зависят не только от магнитных, но и от электрическихсвойств материала и его размеров.Потери на вихревые токи обратно пропорциональны удельномусопротивлению материала и зависят от квадрата частоты поля:BPf = ξƒ2Bmax2,(3.3)где: ξ - коэффициент, зависящий от свойств материала и его формы (вчастности, он пропорционален квадрату толщины материала и обратнопропорционален плотности и удельному сопротивлению материала).ƒ – частота изменения внешнего поля.Bmax ,- максимальная индукция, достигаемая в течение цикла;BB30Потери энергии при перемагничивании материала в переменноммагнитном поле можно представить состоящими из потерь на гистерезис Pг ипотерь на вихревые токи Pf.Р Σ = Pг + P f(3.4)Мощность потерь за один цикл перемагничивания определяетсяплощадью петли гистерезиса по предельному циклу, который получается придостижении насыщения.Зависимость магнитной проницаемости от температуры и частотыМагнитная проницаемость μ ферромагнеников зависит от температурыи от частоты внешнего магнитного поля.Зависимостьмагнитнойпроницаемостиферромагнетикаоттемпературы характеризуется точкой Кюри (рис.
3.4).Рис. 3.4При температурах ниже точки Кюри µ растет за счет увеличенияподвижности границ доменов магнитного материала. Выше точки Кюриферромагнетик переходит в парамагнитное состояние в результатезначительного теплового движения, разрушающего упорядоченнуюориентацию спиновых моментов. Температура Кюри для железа равна 768°С,никеля - 358°С, кобальта 1130°С, ферритов - 7÷4000С.Изменение магнитной проницаемости с изменением температуры(температурнаянестабильность)характеризуетсятемпературнымкоэффициентом магнитной проницаемости TKµ, который для заданногодиапазона температур (Т2 – Т1) определяется по формулеTKµ=(µТ1-µТ2)/µТ1 (Т2 – Т1) [1/оК]Область применения материала ограничена частотой ƒкр , послекоторой µ падает (рис, 3.5), что объясняется двумя причинами:инерционностью процесса перемагничивания и вытеснением магнитногопотока на поверхность образца.31Рис.
3.5Магнитомягкие и магнитотвердые материалыПо величине коэрцитивной силы все магнитные материалы делятся намагнитомягкие (Нs<4000 А/м) и магнитотвердые (Нs>4000 А/м).Магнитомягкиематериалыобладаютвысокоймагнитнойпроницаемостью в сочетании с низкими потерями и применяются в качествемагнитопроводов трансформаторов, сердечников катушек индуктивности ит.д.Основной проблемой, возникающей при использовании магнитомягкихматериалов на высоких частотах, является резкое возрастание потерь навихревые токи. По этому параметру магнитные материалы, в свою очередь,делятся на материалы для низких и высоких частот.К магнитомягким материалам для низких частот относятся сплавы снизким удельным сопротивлением, такие, как электротехническая сталь,пермаллой, альсифер, параметры которых приведены в табл.3.
I.Сплавы железа с никелем - пермаллои - обладают наиболее высокимизначениями магнитной проницаемости при минимальных значениях НsНедостатками пермаллоев являются высокая стоимость и чувствительность кмеханическим воздействиям.На высоких частотах используется особая группа неметаллическихмагнитных материалов с повышенным значением удельного сопротивления магнитодиэлектрики и магнитомягкие ферриты.Магнитодиэлектрики получают путем прессования порошка ферромагнетика (карбонильного железа, альсифера, пермаллоя) с органическимили неорганическим связующим (фенолформальдегидными смолами,полистиролом, стеклом и др.). Потери на вихревые токи зависят от величинызерна и качества изоляционного слоя.
Магнитная проницаемостьмагнитодиэлектрика ниже, чем магнитная проницаемость основы.Достоинством магнитодиэлектриков является их высокая температурнаястабильность.32Таблица 3.1.Магнитомягкие материалыНаименованиеНs [А/м]µначКарбонильное железо6,43300Электротехническая сталь30 - 854000Пермалой1 - 30104Альсифер2104Марганец-цинковые ферриты4 - 24103(MnO ZnO) Fe2O3Никель-цинковые(NiO ZnO) Fe2O3ферриты20 - 40103ρ [Ом м]10-73 10-75 10-78 10-710 -3105Ферриты - соединения типа MeO(Fe2O3)n , где n = 1,...,6.
По величинесопротивления ферриты относятся к полупроводникам (ρV =10-2÷10+8 Ом*м),что дает возможность применять их на высоких частотах и в СВЧ-технике.По своим магнитным свойствам ферриты относятся к классуферримагнетиков, потоэму магнитная приницаемость у них ниже, чем уферромагнитных сплавов (µнач≈10÷1000).Магнитные свойства ферритов можно регулировать за счеткомбинирования различных оксидов. Недостатком ферриттов является ихнизкая температурная стабильность, разброс свойств при производстве итрудность механической обработки.К магнитотвердым материалам относятся материалы с высокойкоэрцитивной силой (Hs > 4000 A/м). Основными показателями свойствмагнитотвердых материалов являются максимальная магнитная энергияWmax = 0,5(BН)max >103Дж/м3и остаточная индукция(Br >0.5т).От показателя Wmax зависит объем магнита, необходимого для созданиямагнитного поля в заданном воздушном зазоре.
Чем больше магнитнаяэнергия, тем меньше объем, а следовательно и масса магнита. По этойпричине понятие магнитной проницаемости применительно к ним не имеетреального смысла. Магнитотвердые материалы применяются как накопителиэнергии – постоянные магниты: в магнетронах, магнитоэлектрическихизмерительных приборах, фокусирующих магнитах, громкоговорителях ит.д.
К магнитотвердым материалам относятся: стали, легированныевольфрамом, хромом молибденом, магнитотвердые ферриты, соединения и33сплавы редкоземельных магнитотвердых материалов. Некоторые параметрымагнитотвердых материалов приведены в таблице 3.2.Поскольку коэрцитивная сила является структурно-чуствительнымсвойством, разница между магнитомягкими и магнитотвердыми материаламисостоит не в их химическом составе, а в структуре. В магнитомягкихматериалах движение доменных границ должно быть по возможностиоблегчено. В магнитотвердых материалах намеренно создаются дефекты,мешающие движению границ доменов, проводится специальнаятермомагнитная обработка (охлаждение в магнитном поле), способствующаясохранению большой остаточной индукции.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
