Основные характеристики ферромагнитных материалов кратко

Обновлено: 02.07.2024

Свойства ферромагнитных материалов и их применение в технике

Вокруг проводника с электрическим током, даже в вакууме, существует магнитное поле. И если в это поле внести вещество, то магнитное поле изменится, поскольку любое вещество в магнитном поле намагничивается, то есть приобретает больший или меньший магнитный момент, определяемый как сумма элементарных магнитных моментов, связанных с частями, из которых состоит данное вещество.

Суть явления заключается в том, что молекулы многих веществ обладают собственными магнитными моментами, ведь внутри молекул движутся заряды, которые образуют элементарные круговые токи, и значит сопровождаются магнитными полями. Если внешнего магнитного поля к веществу не приложено, магнитные моменты его молекул ориентированы в пространстве хаотично, и суммарное магнитное поле (как и общий магнитный момент молекул) такого образца будет равно нулю.

Ежели образец внести во внешнее магнитное поле, то ориентация элементарных магнитных моментов его молекул приобретет под действием внешнего поля преимущественное направление. В результате суммарный магнитный момент вещества уже не будет нулевым, ведь магнитные поля отдельных молекул в новых условиях не компенсируют друг друга. Так у вещества возникает магнитное поле B.

Если же молекулы вещества изначально не имеют магнитных моментов (есть и такие вещества), то при внесении подобного образца в магнитное поле, в нем индуцируются круговые токи, то есть молекулы приобретают магнитные моменты, что опять же в результате приводит к возникновению у образца суммарного магнитного поля B.

Большинство известных веществ слабо намагничиваются в магнитном поле, но встречаются и такие вещества, которые отличаются сильными магнитными свойствами, их то и называют ферромагнетиками. Примеры ферромагнетиков: железо, кобальт, никель, а также их сплавы.

К ферромагнетикам относятся твердые вещества, которые при невысоких температурах обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, сильно изменяющейся под действием внешнего магнитного поля, механической деформации или изменяющейся температуры. Именно так ведут себя сталь и железо, никель и кобальт, а также из сплавы. Их магнитная проницаемость в тысячи раз выше чем у вакуума.

Именно по этой причине в электротехнике для проведения магнитного потока и для преобразования энергии традиционно используют магнитопроводы из ферромагнитных материалов.

У подобных веществ магнитные свойства зависят от магнитных свойств элементарных носителей магнетизма — электронов, движущихся внутри атомов. Конечно, электроны, двигаясь по орбитам в атомах вокруг своих ядер, образуют круговые токи (магнитные диполи). Но при этом электроны вращаются еще и вокруг своих осей, создавая спиновые магнитные моменты, которые как раз и играют главную роль в намагничивании ферромагнетиков.

Ферромагнитные свойства проявляются лишь тогда, когда вещество пребывает в кристаллическом состоянии. Кроме того данные свойства сильно зависят от температуры, ведь тепловое движение препятствует устойчивой ориентации элементарных магнитных моментов. Так, для каждого ферромагнетика определяется конкретная температура (точка Кюри), при которой структура намагничивания разрушается и вещество превращается в парамагнетик. Например для железа это 900 °C.

Даже в слабых магнитных полях ферромагнетики способны намагнититься до состояния насыщения. Кроме того их магнитная проницаемость зависит от величины приложенного внешнего магнитного поля.

Вначале процесса намагничивания магнитная индукция B в ферромагнетике растет сильнее, а значит магнитная проницаемость его велика. Но когда наступает насыщение, дальнейшее увеличение магнитной индукции внешнего поля не приводит больше к нарастанию магнитного поля ферромагнетика, и значит магнитная проницаемость образца уменьшилась, теперь она стремится к 1.

Важное свойство ферромагнетиков — остаточная намагниченность. Допустим, в катушку поместили ферромагнитный стержень, и, повышая ток в катушке, довели его до насыщения. После этого отключили ток в катушке, то есть убрали магнитное поле катушки.

Можно будет заметить, что стержень размагнитился не до того состояния, в котором он пребывал вначале, его магнитное поле окажется больше, то есть будет иметь место остаточная индукция. Стержень превратился таким образом в постоянный магнит.

Чтобы обратно размагнитить такой стержень, необходимо будет приложить к нему внешнее магнитное поле противоположного направления, и с индукцией равной остаточной индукции. Значение модуля магнитной индукции поля, которое необходимо приложить к намагниченному ферромагнетику (постоянному магниту) чтобы размагнитить его, называется коэрцитивной силой.

Явление, когда при намагничивании ферромагнетика индукция в нем отстает от индукции приложенного магнитного поля, называется магнитным гистерезисом (смотрите - Что такое гистерезис).

Кривые намагничивания (петли гистерезиса) у разных ферромагнитных материалов отличаются друг от друга.

У некоторых материалов петли гистерезиса широкие — это материалы с высокой остаточной намагниченностью, их относят к магнитно-твердым материалам. Магнитно-твердые материалы применяют в изготовлении постоянных магнитов.

Магнитно-мягкие материалы наоборот - имеют узкую петлю гистерезиса, малую остаточную намагниченность, они легко перемагничиваются в слабых полях. Именно магнитно-мягкие материалы применяют в качестве магнитопроводов трансформаторов, статоров двигателей и т. п.

Сегодня ферромагнетики играют очень важную роль в технике. Магнитно-мягкие материалы (ферриты, электротехнические стали) используются в электромоторах и генераторах, в трансформаторах и дросселях, а также в радиотехнике. Из ферритов изготавливают сердечники катушек индуктивности.

Магнитно-твердые материалы (ферриты бария, кобальта, стронция, неодим-железо-бор) применяют для изготовления постоянных магнитов. Постоянные магниты находят широкое применение в электроизмерительных и акустических приборах, в двигателях и генераторах, в магнитных компасах и т. д.

Ферромагнетиками называют вещества, для которых характерна самопроизвольная намагниченность, значительно изменяемая в процессе воздействия внешних факторов таких, как магнитное поле, деформация и температура.

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков обладает положительными значениями и равна 10 в 4 или 5 степени. Если напряжённость магнитного поля растет нелинейно, наблюдается увеличение намагниченности и магнитной индукции ферромагнетических веществ.

Отличительное свойство

Ферромагнетики отличаются от диамагнетиков и парамагнетиков наличием самопроизвольной или спонтанной намагниченности, когда внешнее магнитное поле отсутствует. Данный факт говорит об упорядоченной ориентации электронных спинов и магнитных моментов. Ещё одной особенностью ферромагнетиков в отличие от других типов магнетических веществ является значительное превышение внутреннего магнитного поля по сравнению с аналогичными характеристиками внешнего поля.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Примеры материалов

Можно найти немного примеров природных ферромагнетиков. Широко распространены ферриты, которые представляют собой химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ. Первым открытым ферромагнитным материалом является магнитный Железняк, который относятся к категории ферритов. Ферромагнетическими свойствами обладают следующие материалы:

техническое железо;
оксидные ферромагнетики;
низкоуглеродистая сталь;
электротехническая листовая сталь;
пермаллои, включая железно-никелевый сплав, характеризующийся высокой проницаемостью.

Основные характеристики

Ферромагнетические материалы обладают уникальными физико-химическими свойствами. Основными характеристиками ферромагнетиков являются:

Ферромагнетизм материалов возможен лишь тогда, когда вещество находится в кристаллическом состоянии.
Ориентация магнитных полей доменов затруднена из-за теплового движения, что подтверждает прямую зависимость свойств ферромагнетиков от температуры. Температура разрушения доменной структуры ферромагнетического вещества может отличаться. Данный показатель называется точкой Кюри. При его достижении ферромагнетик трансформируется в парамагнетик. К примеру, в чистом железе такой процесс происходит, когда температура Кюри достигает 900 градусов.
Намагничивание ферромагнетиков происходит до насыщения в слабых магнитных полях.
Параметры магнитного поля определяют магнитную проницаемость ферромагнетических веществ.
Ферромагнетики обладают остаточной намагниченностью. Можно наблюдать опытным путем на примере ферромагнитного стержня, помещенного под током соленоида, как при намагничивании до насыщения, а затем уменьшении тока, индукция поля в стержне во время его размагничивания сохраняется на более высоком уровне, чем при намагничивании.

Электронные оболочки у ферромагнетиков

Ферромагнетиками могут являться материалы, находящиеся в твердом состоянии. При этом магнитный момент их атомов, в частности с недостроенными внутренними электронными оболочками, является постоянно спиновым или орбитальным. Распространенным примером ферромагнетиков являются переходные металлы. В ферромагнетических материалах резко усиливаются внешние магнитные поля. К ним относятся:

железо;
кобальт;
никель;
гадолиний;
тербий;
диспрозий;
гольмий;
эрбий;
тулий;
соединения ферромагнетиков с веществами, не являющиеся ферромагнетиками.

Значительная доля веществ не обладает ферромагнетическими свойствами. Это объясняется особым расположением электронов, когда электронные оболочки атомов заполняются. Их магнитные поля ориентированы в противоположных направлениях и компенсируют друг друга, что снижает степень потенциальной энергии взаимодействия электронов.

Наблюдая атомы с нечетным числом электронов на оболочках, которые соединяются в молекулы или кристаллы, можно заметить взаимную компенсацию магнитных полей неспаренных электронов. Атомы железа, никеля, кобальта в кристаллических структурах обладают собственными магнитными полями неспаренных электронов, которые ориентированы параллельно друг другу. Это приводит к образованию микроскопических намагниченных областей или доменов. Суммарное магнитное поле таких образований нулевое. Если материал поместить во внешнее магнитное поле, то поля доменов будут ориентироваться соответственно, что сопровождается намагничиванием ферромагнетиков.

Типы ферромагнетиков, свойства

Ферромагнитные вещества отличаются по характеру магнитного взаимодействия. Выделяют две основные группы ферромагнетиков:

Магнитно-мягкие материалы.
Магнитно-жесткие материалы.

К первой категории относят ферромагнетики, способные практически полностью устранять собственное магнитное поле при исчезновении внешнего. В процессе материал размагничивается. Такие вещества активно используются в производстве сердечников трансформаторов и электромагнитов. Магнито-жесткие материалы применяют для создания таких изделий, как постоянные магниты, магнитные ленты и диски, на которые записывается информация.

Потеря свойств ферромагнетизма

Изменение температуры в первую очередь влияет на намагниченность ферромагнетиков. По мере ее возрастания свойство намагниченности снижается и становится равно нулю в точке Кюри. В данном температурном режиме происходит изменение всех других свойств, которые определяют разницу между ферромагнетиками и парамагнетиками, а также характеристик вещества, не связанных с отличительными особенностями этих типов магнетиков. К примеру, изменение электрических и акустических свойств ферромагнитного материала, в связи с тем, что твердое тело обладает упругой, электрической, магнитной и другими подсистемами, при изменении одной из которых меняются и другие.

Температура Кюри

Каждый ферромагнетик обладает рядом характеристик. Важным параметром вещества является температура, при которой оно утрачивает свои магнитные свойства. Этот показатель называется точкой Кюри. При температуре, превышающей точку Кюри, упорядоченное состояние в магнитной подсистеме кристалла разрушается.

На примере металла

Потерю свойств ферромагнетика в зависимости от температуры окружающей среды можно рассмотреть опытным путем. К примеру, никель обладает температурой Кюри в 360 градусов. Подвешенный образец металла подвергают воздействию внешнего магнитного поля. В систему помещают горелку. При обычной температуре никель примет горизонтальное положение, так как будет сильно притягиваться магнитом. Если образец нагреть до температуры Кюри, его свойство намагниченности ослабевает, он перестанет притягиваться и начнет падать. После остывания до температуры, которая ниже точки Кюри, никель вновь приобретает ферромагнитные свойства и притягивается к магниту.

Применение ферромагнетиков, примеры

Ферромагнитные вещества благодаря особым физико-химическим свойствам нашли широкое применение в разных сферах электротехники. С помощью магнито-мягких типов ферромагнетиков производят такое оборудование и агрегаты, как:

трансформаторы;
электродвигатели;
генераторы;
слаботочную технику связи;
радиотехнику.

Ферромагнетики в условиях отсутствия внешнего магнитного поля остаются намагниченными, создавая магнитное поле во внешней среде. Элементарные токи в веществе сохраняют упорядоченную ориентацию. Свойство активно используется в современной промышленности для создания постоянных магнитов, которые используют для изготовления следующих видов оборудования:

электроизмерительные приборы;
громкоговорители;
телефоны;
звукозаписывающая аппаратура;
магнитные компасы.

Материалы, относящиеся к ферритам, обладающие одновременно ферромагнитными и полупроводниковыми свойствами, широко распространены в производстве радиотехники. Вещества активно применяются при изготовлении сердечников катушек индуктивности, магнитных лент, пленок и дисков.

Все материалы по магнитным свойствам подразделяют на две группы: ферромагнитные (железо, кобальт, никель, гадолиний и некоторые другие материалы и сплавы) и неферромагнитные (все материалы, за исключением ферромагнитных, например дерево). Различные магнитные свойства материалов наглядно характеризуется зависимостью B=f(H), графическое изображение которой называют кривой намагничивания. Для неферромагнитных материалов зависимость B=f(H) является линейной, а для ферромагнитных – существенно нелинейной.

Производная дает зависимость абсолютной магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля: . Нелинейный характер кривых B=f(H) и для ферромагнитных материалов оказывает большое влияние на расчет магнитных цепей.

Ферромагнитные материалы подразделяют на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие материалы – технически чистое железо, электротехнические конструкционные стали, пермаллои, некоторые типы ферритов имеют небольшую коэрцитивную силу, до 100 А/м, т.е. узкую петлю гистерезиса.

Магнитотвердые материалы – мартенситные стали, сплавы железа, никеля, алюминия, кобальта и некоторые типы ферритов – имеют значительно большую коэрцитивную силу, до А/м и выше, а следовательно, широкую петлю гистерезиса. Поэтому потери энергии на перемагничивание для магнитомягких материалов ниже, чем магнитотвердых. Это происходить потому, что потери прямо пропорциональны площади петли гистерезиса.

Магнитомягкие материалы используют в устройствах с изменяющимися магнитными полями; магнитотвердые применяют, в частности, для изготовления постоянных магнитов.

Основной магнитный материал, используемый в электротехнических устройствах, - электротехническая сталь различных марок, представляющая собой сплав железа с кремнием (кремния 0,5…5%). Такие стали отличаются хорошими электромагнитными свойствами, высокой магнитной проницаемостью, малыми потерями на вихревые токи и перемагничивание.

Различные ферромагнитные материалы обладают неодинаковой способностью намагничиваться. Так, при одинаковой напряженности H магнитного поля величина магнитной индукцииВ для электротехнической стали во много раз больше, чем для чугуна.

По электромагнитным свойствам магнитные цепи можно разделить на следующие четыре группы.

1. Магнитные цепи с постоянной МДС (магнитные цепи постоянного тока). Магнитные потоки таких цепей создаются обмотками (катушками), расположенными на ферромагнитных магнитопроводах; питание обмоток осуществляется постоянным током.

2. Магнитные цепи с переменной МДС ( магнитные цепи переменного тока). Магнитные потоки таких цепей создаются обмотками, расположенными на магнитопроводах, ток в которых является переменной величиной, зависящей от времени.

3. Магнитные цепи с постоянной и переменной МДС (магнитные цепи постоянного и переменного тока). Магнитные потоки таких цепей создаются двумя МДС, одна из которых обусловлена постоянным током, другая – переменным.

4. Магнитные цепи с постоянными магнитами. К таким цепям относятся устройства, в которых для получения магнитного потока используют постоянные магниты.

По своей конфигурации магнитные цепи можно разделить на два вида: неразветвленные и разветвленные, которые в свою очередь, могут быть симметричными и несимметричными. Симметричной магнитной цепью является такая цепь, в которой условия для прохождения магнитных потоков от точки разветвления общего магнитного потока одинаковы для каждой ветви, т.е. одинаковы геометрические размеры и материал магнитопровода. Симметричные магнитные цепи часто встречаются в электрических машинах, трансформаторах, электроизмерительных приборах и др.

Кроме того, магнитные цепи могут быть однородными и неоднородными. Однородной магнитной цепью является такая цепь, в которой условия для прохождения магнитного потока вдоль неразветвленного участка цепи не изменяются, т.е. сечение и материал остаются неизменными.

Ферромагнитные материалы подразделяют на магнитомягкие и магнитотвердые.

По электромагнитным свойствам магнитные цепи можно разделить на следующие четыре группы.

К ферромагнитным материалам относятся железо, никель, кобальт и многочисленные сплавы на их основе, а также гадолиний, диспрозий и некоторые другие лантаноиды. Магнитные свойства ферромагнетиков обусловлены обменным взаимодействием электронов, находящихся на незаполненных 3d-подуровнях железа, никеля и кобальта и 4f-подуровнях лантаноидов.

В отсутствие внешнего магнитного поля ферромагнетики состоят из доменов (le domaine - франц. - область), каждый из которых спонтанно намагничен до насыщения M_s в одном из направлений лёгкого намагничивания (индекс "s" - от англ. "saturation" - насыщение). Ширина доменов в среднем равна нескольким мкм, в длину они могут простираться от одной границы кристалла (в поликристаллах - кристаллита) до другой. Домены разделены между собой стенками, в которых направления магнитных моментов (векторов намагниченности) меняются от направления вектора намагниченности одного домена к направлению вектора намагниченности другого, соседнего.

Магнитные моменты атомов, составляющих каждый из доменов, ориентируются параллельно в одном из так называемых направлений лёгкого намагничивания, в результате вектор намагниченности домена в целом направлен именно в этом направлении. Магнитные силовые линии, ориентируясь в каждом из доменов по направлениям лёгкого намагничивания, образуют замкнутый контур, и отдачи магнитной энергии во внешнее пространство нет. Направления лёгкого намагничивания железа - рёбра куба [100], никеля -пространственные диагонали куба [111], кобальта - продольные оси гексаэдра [0001]. Соответственно существуют и направления трудного намагничивания: [111] - у железа, [100] - у никеля, [1010] (ребро гексагона) - у кобальта. Таким образом, существует анизотропия намагниченности доменов. Процессы, происходящие в ферромагнетике при воздействии на него внешнего магнитного поля - намагничивание от 0 до M_s, размагничивание, перемагничивание -связаны с перестройкой его доменной структуры, включающей смещение доменных стенок и поворот векторов намагниченности.

Индукция магнитного поля В в ферромагнетике, помещённом во внешнее магнитное поле с возрастающей напряжённостью, меняется по первичной (основной) кривой намагничивания, представленной на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Основная кривая намагничивания и схема изменения доменной структуры ферромагнетика. Область I - обратимое смещение доменных стенок; область II - необратимое смещение; область III - поворот векторов намагниченности в направлении вектора внешнего поля Н.

На участке III достигается техническое насыщение ферромагнетика M_s, и дальнейшее увеличение напряжённости внешнего магнитного поля (выше значения H_s) не способно увеличить эту намагниченность, хотя индукция будет возрастать, т.к. см. выше, выражение (13).

Магнитная проницаемость μ_а = В/Н (7) характеризует крутизну кривой намагничивания, или лёгкость, с которой намагничивается материал. Кривая магнитной проницаемости, построенная в координатах μ = f(H) по данным, полученным из основной кривой намагничивания с использованием выражения (9), имеет максимум. Это - важная техническая характеристика материала - максимальная магнитная проницаемость μ_max (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Основная кривая намагничивания (а) и кривая магнитной проницаемости (б) ферромагнетика.

Другая практически важная характеристика ферромагнетика - начальная магнитная проницаемость μ_нач определяется экстраполяцией кривой проницаемости(рис. 2.2.,б) на ось ординат.

Если после достижения магнитного насыщения уменьшать напряжённость внешнего магнитного поля, то вектор намагниченности домена будет поворачиваться от направления вектора этого поля к направлению ближайшей оси лёгкого намагничивания до совпадения с ней. Когда поле становится равным нулю, намагниченность ферромагнетика полностью не исчезает - возникает остаточная намагниченность М_r и соответствующая ей остаточная индукция В_r, рис. 2.3(индекс "r" от англ. "remain" - остаток). Статистически В_r = 0,5B_s, но применяя соответствующую обработку материала, можно изменять В_r от 0 до В_s.

При приложении поля, направление которого по знаку противоположно намагничивающему (условно - "отрицательного" поля), в веществе с остаточной индукцией В_r возникают домены с векторами намагниченности, близкими по направлениям к вектору этого поля, это - так называемые зародыши перемагничивания.

Зародыши увеличиваются в объёме вследствие сдвига доменных стенок по мере увеличения напряжённости отрицательного поля, и при некоторой его величине, называемой коэрцитивной силой Н_с, остаточная индукция обращается в нуль (индекс "с" - от лат. "coercitio" - принуждение, удержание).

Рис. 2.3. Петля гистерезиса ферромагнетика.

При дальнейшем (после Н_с) возрастании отрицательного поля возникает и возрастает "отрицательная" индукция - вплоть до -B_s.

Затем, при снятии внешнего поля возникает остаточная индукция – В_r. При новом приложении положительного поля вновь достигается Н_с, а затем - B_s, и т.д. При этом последовательно повторяются процессы перестройки доменной структуры, описанные выше, а кривая имеет форму замкнутой фигуры, называемой петлёй гистерезиса.

Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затрачиваемой на один цикл перемагничивания 1 м 3 ферромагнетика. Эта энергия расходуется на нагревание перемагничиваемого материала и называется потерями на гистерезис Р_h, Р_r [Дж/м 3 ]:

. (14)

Потери могут быть выражены и в другой размерности - [Вт/кг]:

, (15)

где  - плотность материала [кг/м 3 ], f - частота его перемагничивания [Гц].

Внутренние напряжения в ферромагнетике, дефекты, включения затрудняют сдвиг доменных стенок и вращение векторов намагниченности, снижают магнитную проницаемость и увеличивают коэрцитивную силу и потери на гистерезис.

Материалы с узкой петлёй гистерезиса, т.е с малой коэрцитивной силой (Н_с  100 А/м) и высокой магнитной проницаемостью, называют магнитно-мягкими или низко-коэрцитивными. Материалы с большой коэрцитивной силой (Нс 3 ]: ρ - его удельное электросопротивление [Ом·м]. Из выражений (15) и (16) можно сделать выводы о возможных приёмах предотвращения магнитных потерь. В качестве магнитно-мягких используются почти исключительно однофазные материалы - технически чистое железо, электротехнические стали, железо-никелевые, железо-никель-кобальтовые и иные сплавы, аморфные магнитные сплавы ("металлические стекла"), а также - ферриты-шпинели, ферриты-гранаты и пр. Исключением являются магнитодиэлектрики, представляющие собой гетерогенные системы, состоящие из магнитной и диэлектрической составляющих.

Магнитно-твёрдые материалы используются для изготовления различного рода постоянных магнитов, а также в качестве носителей магнитной записи на пленках и дисках. Магнитно-твёрдые материалы имеют, как правило, гетерогенную структуру.

Магнитные свойства материалов зависят от температуры. Количественное описание этой зависимости может быть дано путём вычисления температурных коэффициентов соответствующих характеристик – TKB_s, TKB_r, TKH_c, ТКμ и пр. Все магнитные материалы имеют характеристическую температуру, при которой магнитное упорядочение исчезает, доменная структура разрушается и материалы переходят из магнитного в парамагнитное состояние. Эта температура называется температурой (точкой) Кюри Т_с [К, °С]. Ниже приведены значения Т_с для некоторых чистых элементов.

Читайте также: