Основные характеристики магнитных материалов кратко

Обновлено: 04.07.2024

Материалы, которые под действием внешнего магнитного поля намагничиваются, т. е. приобретают особые магнитные свойства, называют магнитными.

Основными магнитными материалами являются железо, никель, кобальт и различные сплавы на основе технически чистого железа. Свойства магнитных материалов оцениваются магнитными характеристиками:

1) Магнитная проницаемость (относительная магнитная проницаемость) μr является безразмерной величиной и входит в выражение абсолютной магнитной проницаемости (Гн/м):

где μо — магнитная постоянная, равная 1,256637· 10-6 Гн/м.

Магнитная проницаемость определяет способность материала к намагничиванию: чем она больше, тем легче намагничивается материал и, наоборот, чем она меньше, тем в меньшей степени материал может быть
намагничен .

Всякий магнитный материал обладает магнитными свойствами только до определенной температуры — температуры Кюри θК, по достижении которой магнитные свойства у материала исчезают, т. е. он не может быть намагничен. Это обусловлено дезориентацией внутренних областей (доменов) намагничивания из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул материала.

2) Индукцией насыщения Bs определяются свойства магнитного материала, поведение которого в магнитном поле характеризуется начальной кривой намагничивания (рис. 42).

Рисунок 42 Начальная кривая намагничивания (1) и петля гистерезиса (2)

Эта кривая показывает изменение магнитной индукции В магнитного материала в зависимости от напряженности Н: вначале магнитная индукция растет, затем ее рост замедляется, а по достижении индукции В она остается постоянной. При этом говорят, что магнитный материал достиг насыщения, а
индукцию В называют индукцией насыщения. Чем больше Bs, тем выше свойства магнитного материала. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл).

3) Остаточная магнитная индукция Вr и коэрцитивная сила Нс также характеризуют свойства магнитных материалов. Если образец магнитного материала намагничивать, непрерывно повышая напряженность магнитного поля Н, то магнитная индукция В тоже будет непрерывно возрастать по кривой намагничивания. Эта кривая начинается в точке О и заканчивается в точке, соответствующей индукции насыщения Bs.

При уменьшении напряженности Н магнитная индукция также будет уменьшаться, но начиная с Вм ее значения не будут совпадать со значениями этой характеристики на начальной кривой намагничивания, и, когда напряженность магнитного поля станет равной нулю, в образце магнитного материала будет обнаруживаться остаточная магнитная индукция Вr.

Для размагничивания образца надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на обратное (— Н). Напряженность поля Hs, при которой индукция станет равной нулю, называют коэрцитивной силой.

Если после этого образец магнитного материала начать намагничивать в противоположном направлении, то снова будет наблюдаться индукция насыщения (—Bs). При дальнейшем уменьшении напряженности магнитного поля до Н = 0 и новом намагничивании в первоначальном направлении индукция будет непрерывно увеличиваться до индукции насыщения Bs.
В результате образуется замкнутая петля, которую называют предельной или статической петлей гистерезиса. Предельную петлю гистерезиса снимают при медленном изменении постоянного магнитного поля от + Н до —Н, когда магнитная индукция становится равной индукции насыщения Bs.

4) Коэффициент прямоугольности αп, характеризующий степень прямоугольности предельной петли гистерезиса, рассчитывают по формуле:

Чем больше αп, тем более прямоугольна петля гистерезиса.

При воздействии на материал переменного магнитного поля получают динамическую кривую намагничивания и динамическую петлю гистерезиса. Отношение значения индукции к значению магнитного поля на динамической кривой представляет собой 5) динамическую магнитную
проницаемость:

При низких частотах и малой толщине магнитного материала динамическая кривая намагничивания совпадает со статической. При этом значения динамической магнитной проницаемости практически совпадают со значениями проницаемости, вычисленными по статической кривой намагничивания. Динамическая петля гистерезиса имеет несколько большую площадь, чем статическая, так как при воздействии переменного магнитного поля в материале кроме потерь на гистерезис возникают потери на вихревые токи и магнитное последействие.

Потери энергии на вихревые токи Рв зависят от удельного электрического сопротивления ρ магнитного материала: чем оно больше, тем меньше потери на вихревые токи.

6) Удельная объемная энергия W — это энергия, создаваемая постоянным магнитом в воздушном зазоре (между его полюсами), отнесенная к единице
его объема (Дж/м3).

Магнитной характеристикой материала является максимальная объемная энергия (Дж/м3):

где Bd и Hd — индукция и соответствующая максимальной удельной объемной энергии напряженность магнитного поля.

Согласно поведению в магнитном поле магнитные материалы делят на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие материалы обладают большой начальной и максимальной магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Эти материалы легко намагничиваются и размагничиваются и отличаются малыми потерями на гистерезис, т. е. им соответствует узкая петля гистерезиса.

Чем меньше различных примесей в магнитомягком материале, тем выше его характеристики, т. е. тем больше μн и μм и тем меньше Нс и потери на гистерезис. Поэтому при производстве магнитомягких материалов стремятся
удалить из них наиболее вредные примеси — углерод С, фосфор Р, серу S, кислород О2, азот N2 и различные оксиды. Одновременно стараются не искажать кристаллическую структуру материала и не вызывать в нем

внутренних напряжений. Магнитомягкие материалы используют для изготовления сердечников электрических машин, трансформаторов, реле и других электрических аппаратов.

Магнитотвердые материалы обладают большими коэрцитивной силой и остаточной индукцией и соответственно имеют широкую петлю гистерезиса. Эти материалы намагничиваются с большим трудом, а будучи намагничены могут несколько лет сохранять магнитную энергию, т. е. служить источниками постоянного магнитного поля. Магнитотвердые материалы применяют главным образом для изготовления постоянных магнитов.

По составу все магнитные материалы делятся на металлические и неметаллические. К металлическим относят чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов, а к неметаллическим — ферриты.

Основными металлическими магнитомягкими материалами, применяемыми в электротехнике, являются пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремниевые стали.

Пермаллои — пластичные железоникелевые сплавы содержанием никеля от 36 до 80 %. Для улучшения тех или иных свойств в них вводят молибден, хром или медь, получая легированные пермаллои. Пермаллои, содержащие 36—50 % никеля, называются низконикелевыми, а 60—80 % — высоконикелевыми.

Все пермаллои отличаются высокими магнитными характеристиками, что обеспечивается не только их составом и химической чистотой, а также
специальной тепловой обработкой. При этом сплав нагревают со скоростью 400—500 °С в час, выдерживают при 1000—1150°С в течение 3—6 ч, затем охлаждают со скоростью 100—200 °С в час до комнатной температуры. Некоторым пермаллоям необходим повторный нагрев до 600 °С и быстрое охлаждение со скоростью 150 °С в минуту. Наилучшие магнитные характеристики имеют пермаллои, отжигаемые в вакууме.

Все пермаллои чувствительны к механическим деформациям, наклепу при резке, штамповке и другим механическим воздействиям. Поэтому детали из пермаллоя, полученные этими способами, подвергают дополнительной тепловой обработке — отжигу (по определенному режиму).

Пермаллои поставляют в виде лент толщиной 0,002—1,5 мм, листов толщиной 1—2,5 мм и прутков диаметром 8—60 мм и более. Низконикелевые пермаллои применяют для изготовления сердечников дросселей, малогабаритных трансформаторов и магнитных усилителей, а высоконикелевые — деталей аппаратуры, работающих на частотах несколько выше звуковых.

Альсиферыпредставляют собой нековкие хрупкие сплавы, состоящие из 5,5—13 % алюминия, 9—10 % кремния, остальное — железо. Альсиферы предназначались для замены дорогих пермаллоев, но удалось это сделать в
сравнительно ограниченной области их применения. Из альсифера изготовляют литые сердечники, работающие в диапазоне частот не более 20 кГц, так как на более высоких частотах в них возникают большие потери
на вихревые токи. Кроме того, из альсифера отливают полые детали с толщиной стенок не менее 2 мм.

Трансформаторные стали.Электротехнические кремнистые стали представляют собой низкоуглеродистые стали (0,04%), в которые вводят от 0,8 до 4,8 % кремния для улучшения магнитных свойств. Кремний, находящийся в стали в растворенном состоянии, реагирует с закисью железа FeO. При этом
из стали выделяется чистое железо и образуется кремнезем 2FeO + Si →2Fe+Si02.

Кремнезем повышает удельное сопротивление стали, что снижает потери на вихревые токи. Кремний также способствует росту кристаллов железа, что
повышает уровень магнитных характеристик стали. Введение больших количеств кремния в сталь улучшает все магнитные характеристики, но вызывает ее повышенную хрупкость, исключающую изготовление из нее штампованных деталей. Поэтому вводят кремний в сталь в количестве, не превышающем 4,8 %.

Листы кремнистой стали изготовляют прокаткой заготовок в нагретом или не нагретом состоянии. В соответствии с этим различают горячекатаную и холоднокатаную кремнистую сталь.

Как известно, железо имеет кубическую структуру кристаллов и намагничивается наиболее интенсивно, когда направление магнитного поля совпадает с направлением ребра куба кристалла. Поэтому для улучшения

магнитных свойств листы электротехнической стали прокатывают в холодном состоянии в одном и том же направлении, после чего отжигают в атмосфере водорода при 900 °С.

При прокатке листов стали в одном и том же направлении кристаллы железа ориентированы преимущественно в направлении прокатки. При последующем отжиге листов стали из материала удаляются примеси,
снижающие его магнитные свойства (углерод, кислород). Кроме того, при отжиге деформированные прокаткой кристаллы железа принимают прежнюю форму.

Холоднокатаные кремнистые стали, кристаллы железа которых расположены преимущественно в направлении прокатки, называют текстурованными.

Улучшенные магнитные характеристики наблюдаются у холоднокатаных сталей только при совпадении направления их прокатки с направлением магнитного потока. В ином случае все магнитные характеристики холоднокатаных текстурованных сталей ниже, чем горячекатаных.

Поэтому холоднокатаные стали наиболее рационально применять в ленточных сердечниках и других конструкциях, где направление магнитного потока совпадает с направлением прокатки.

Электротехническую сталь прокатывают в листы и ленты толщиной от 0,05 до 1 мм. Это доступный и дешевый материал. Для сердечников электрических машин, имеющих круглую форму, применяют горячекатаные
стали, а также холоднокатаные малотекстурованные, которые обладают лучшими магнитными свойствами, чем горячекатаные.

В трансформаторостроении применяют листовую и рулонную электротехническую сталь преимущественно толщиной 0,35 и 0,5 мм. Применение стали пониженной толщины сказывается благоприятно на снижении потерь на вихревые токи.

Магнитопроводы трансформаторов собирают из пластин электротехнической стали, изолированных пленкой жаростойкого покрытия или лака.

Магнитопроводы ремонтируют частично и полностью, в зависимости от степени повреждения.

Очаги прогара и оплавления активной стали расчищают, снимая образовавшиеся наплывы металла карборундовым камнем или вырубая зубилом. После очистки поврежденного участка от наплывов металла частично распрессовывают пластины магнитопровода на этом участке, отделяют сварившиеся кромками пластины друг от друга, и очистив этот участок от остатков старой изоляции и металлических опилок, изолируют пластины снова.

Очистку листов стали (пластин) магнитопровода от старой изоляции осуществляют механическим и химическим способами, а также отжигом и отпариваем в горячей воде.

Механический способ используют преимущественно для очистки пластин горячекатаной стали обычно на станках с вращающимися стальными кардолентными щетками. Этот способ наиболее распостранненый и простой, обеспечивающий быструю очистку стали, но возникающая шлифовка поверхности увеличивает потери в стали.

Химический способ очистки позволяет легко удалять с пластин лаковую и бумажную изоляцию. При удалении лаковой изоляции пластины погружают в специальную ванну с каустической содой на 15 – 20 минут, затем вынимают и промывают проточной горячей водой и сушат.

Способом отжига в специальных термических печах при 300-500 0С используют для очистки пластин, покрытых тонкими листами бумаги и лаками. Применяют редко из – за резкого снижения магнитной проницаемости и увеличения потерь в стали вследствие образования окалины на поверхности пластин и изменения структуры стали, кроме того идет загрязнение атмосфе5ры продуктами сгорания бумаги и лака.

Наиболее простой способ удаления бумажной изоляции с пластин – отпаривание в воде, нагретой до 90-100 0С. Для ускорения отслоения добавляют слабый раствор каустической соды.

После очистки любым из способов пластины изолируют снова с обеих сторон однократно и двукратно пленкой лака и запекая ее.

Основным повреждением шихтованных сердечников является порча изоляции вследствие повышения температуры магнитопровода. Порча изоляции, в частности лака, отражается в виде высыхания и потрескивания. В следствие повреждения изоляции происходит короткое замыкание, которое приводит к спайке трансформаторных листов. Для предупреждения повреждения сердечников необходимо следить за нагрузкой трансформатора, а следственно, за рабочей температурой трансформатора, производить проверку на наличие повреждений в изоляции.

Основное требование, предъявляемое к постоянным магнитам, состоит в том, что они должны создавать в воздушном зазоре между своими полюсами магнитное поле с постоянными по значениям напряженностью и магнитной индукцией. Постоянный магнит должен обладать большой магнитной энергией, т.е. магнитотвердые материалы должны иметь возможно большие
коэрцитивную силу и остаточную магнитную индукцию.

Магнитный поток постоянного магнита с течением времени уменьшается, а следовательно, снижается и удельная магнитная энергия. Этот процесс называют старением магнита. Если старение магнита наступает в результате вибраций, ударов, резкого изменения температуры, ему повторным намагничиванием можно возвратить прежние магнитные свойства. Старение же, связанное с изменением структуры магнитотвердого материала, является необратимым. Поэтому магнитотвердые материалы должны быть устойчивы к старению.

Постоянные магниты изготовляют из стальных прутков и полос мартенситных сталей горячей ковкой или штамповкой. После механической обработки их закаливают на мартенсит, а затем намагничивают. Для стабилизации магнитных характеристик все магниты подвергают искусственному старению.

Лучшими материалами являются кобальтовые стали, но они значительно дороже хромистых и вольфрамовых.

Ферриты изготовляют из порошкообразных смесей, состоящих из оксидов железа и специально подобранных других металлов. Отпрессованные ферритовые изделия спекают при высоких температурах. Название феррита определяется названием двухвалентного или реже одновалентного металла, оксид которого входит в состав феррита. Так, если в состав феррита входит
оксид цинка ZnO, то феррит называют ферритом цинка, если оксид никеля NiO — ферритом никеля и т. д.

Ферриты, в состав которых кроме оксида железа входит только один оксид другого металла, называют простыми.

Наилучшими магнитными характеристиками обладают сложные, или смешанные ферриты, представляющие собой твердые растворы одного простого феррита в другом. В этом случае могут быть использованы немагнитные ферриты в сочетании с магнитными простыми ферритами. Например, твердый раствор двух простых ферритов цинка и никеля образует смешанный никельцинковый феррит.

Ферриты изготовляют по керамической технологии, т. е. исходные порошкообразные оксиды металлов, взятые в определенном соотношении, измельчают в шаровых мельницах, затем из смеси тонкопомолотых порошков прессуют брикеты, которые подвергают первоначальному обжигу в печах. Спекшиеся брикеты размалывают и в полученный тонкодисперсный порошок вводят какой-либо пластификатор, например раствор поливинилового спирта. Из полученной массы прессуют ферритовые изделия (сердечники, кольца), которые обжигают при 1000—1400 °С. Полученные твердые хрупкие изделия (преимущественно черного цвета)
можно обрабатывать только шлифованием.

Достоинство ферритов — стабильность магнитных характеристик в широком диапазоне частот, малые потери на вихревые токи и простота изготовления ферритовых деталей.

Как все магнитные материалы, ферриты сохраняют свои магнитные свойства только до температуры Кюри. Температура Кюри различных по составу ферритов колеблется в широких пределах: от 70 до 450 °С. Все ферриты обладают небольшой пористостью.

Недостатком всех ферритов являются хрупкость и возможность обработки только шлифованием.

Ферриты являются магнитными полупроводниками и, следовательно, с ростом температуры их удельное сопротивление уменьшается, что вызывает увеличение потерь на вихревые токи.

Магнитные материалы — это материалы, которые под действием внешнего магнитного поля способны намагничиваться, т.е. приобретать особые магнитные свойства.

Основные характеристики магнитных материалов:

- магнитная проницаемость — величина, определяющая способность материала к намагничиванию. Между абсолютной магнитной проницаемостью μ_а Гн/м, и относительной магнитной проницаемостью μ (безразмерная величина) существует соотношение

где μ₀— магнитная постоянная, равная 1,256637- 10 -6 Гн/м;

- индукция насыщения Bs, Тл;

- остаточная магнитная индукция Вr Тл, т.е. индукция в веществе при напряженности магнитного поля, равной нулю;

- коэрцитивная сила Нс, А/м, — напряженность магнитного поля, при которой магнитная индукция становится равной нулю;

- коэффициент прямоугольности a_п петли гистерезиса, характеризующий степень прямоугольности предельной гистерезисной петли. Определяется отношением

где В_max — максимальная магнитная индукция;

- удельная объемная энергия w, Дж/м 3 , т.е. энергия, создаваемая постоянным магнитом в воздушном зазоре (между полюсами), отнесенная к единице его объема. Максимальное значение w определяется по формуле

где В - индукция, соответствующая максимальному значению удельной объемной энергии; Н - напряженность магнитного поля, соответствующая максимальному значению удельной объемной энергии.

8.1. Определите абсолютную магнитную проницаемость пермаллоя, если относительная магнитная проницаемость этого материала μ = 6000.

8.2. Вставьте пропущенные слова:

- Поведение магнитного материала в магнитном поле характеризуется начальной кривой. ______________________________________________

- Для размагничивания образца материала надо, чтобы вектор напряженности магнитного поля изменил свое направление на___________

- Предельная петля гистерезиса снимается при медленном изменении постоянного _________________от +Н до -Н, когда величина магнитной индукции становится равной индукции ______________________________

- Чем больше a_п, тем более ___________________гистерезисная петля.

- При воздействии на материал переменного магнитного поля получают ___________кривую намагничивания и _____________петлю гистерезиса.

- Магнитной характеристикой материала является максимальная величина удельной___________________ ____________________, Дж/м 3 .

Выберите правильный ответ

8.3. Свойства магнитных материалов оценивают с помощью:

A. Магнитных параметров;

B. Магнитных характеристик;

C. Магнитных величин;

D. Магнитных зависимостей.

8.4. Чем больше величина магнитной проницаемости μ, тем материал:

A. Легче намагничивается;

B. Труднее намагничивается;

C. Легче перемагничивается;

D. Свойства намагничивания материала не зависят от величины ц.

8.5. Потери энергии на вихревые токи Рв зависят:

A. От величины остаточной магнитной индукции В_r;

B. От величины коэрцитивной силы Нс;

C. От удельного электрического сопротивления r магнитного материала;

D. От параметра, который не указан в предыдущих ответах.

8.6. При увеличении остаточной магнитной индукции В_r, магнитные свойства материала ведут себя следующим образом:

A. Становятся выше;

B. Становятся ниже;

C. Не изменяются.

8.7. Магнитная проницаемость μ в большей степени зависит:

A. От величины магнитной индукции;

B. От напряженности магнитного поля;

C. От удельной объемной магнитной энергии;

D. От внутренних свойств самого материала.

8.8. Для размагничивания образца материала необходимо:

A. Чтобы магнитная индукция В достигла нуля;

B. Чтобы вектор напряженности магнитного поля Н изменил свое направление на обратное;

C. Чтобы магнитная индукция В и напряженность магнитного поля Н материала достигли нуля.

Магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы обладают большой коэрцитивной силой (Н_с > >40 А/м) и большой остаточной индукцией (В_r > 0,1 Тл).

Они с большим трудом намагничиваются, а будучи намагниченными, могут несколько лет сохранять магнитную энергию, т.е. служить источниками постоянного магнитного поля.

Основными характеристиками магнитотвердых материалов являются коэрцитивная сила Н_с, остаточная индукция В_r и отдаваемая во внешнее пространство максимальная удельная магнитная энергия w_max.

Выберите правильный ответ

8.9. Магнитная проницаемость μ магнитотвердых материалов:

A. Значительно больше, чем у магнитомягких материалов;

B. Значительно меньше, чем у магнитомягких материалов;

C. Не зависит от типа материала.

8.10. У любого постоянного магнита с течением времени уменьшается магнитный поток, а следовательно, и удельная магнитная энергия. Этот процесс называется:

A. Дестабилизацией магнитных параметров;

B. Дисперсионным твердением;

C. Старением магнита;

D. Все ответы верны.

8.11. Для стабилизации магнитных характеристик все магниты подвергаются:

A. Дисперсионному твердению;

B. Искусственному старению;

C. Термомагнитной обработке;

D. Всем перечисленным процессам.

8.12. При оценке качества магнитотвердых материалов учитывают:

A. Коэрцитивную силу Н_с;

B. Остаточную магнитную индукцию В_r,

C. Максимальную удельную магнитную энергию w_max;

D. Все перечисленные параметры.

A. Тем выше его коэрцитивная сила Н_с;

B. Тем больше его остаточная магнитная индукция В_r;

C. Тем меньше его магнитная проницаемость μ;

D. Все ответы верны.

8.14. Уровень магнитных характеристик у сплавов с содержанием кобальта 15% и более, можно повысить:

A. Термомагнитной обработкой отлитых магнитов;

B. Дисперсионным твердением;

C. Искусственным старением;

D. Всеми перечисленными способами;

E. Способом, не указанным в предыдущих ответах.

8.17. Вставьте пропущенные слова

- Металлические магнитотвердые материалы можно разделить на три основные группы:____________ ________________ __________________;

- Металлические магнитотвердые материалы применяют главным образом для изготовления________________________________________.

- Магнитотвердым материалам соответствует __________гистерезисная петля.

- Мартенситная структура в высокоуглеродистых сталях получается посредством их_________________________________________________.

- Порошковые магнитотвердые материалы применяют для изготовления __________________________________________________.

- Порошковые магнитотвердые материалы подразделяют на металлокерамические, металлопластические, __________и _____________.

8.18. Расшифруйте марки железо-никель-алюминиевых сплавов ЮНД8, ЮНДК15, ЮН13ДК24, ЮНДК34ТБ, ЮНДК35Т5.

8.19. Заполните табл. 8.1.

Таблица 8.1 - Основные характеристики металлических магнитотвердых материалов

Металлические магнитотвердые материалы	Состав	Магнитные характеристики материалов	Достоинства	Недостатки
Н_с, А/м	В_r,Тл
Мартенситные стали
Железо-никель-алюминиевые сплавы
Нековкие металлокера-мические материалы

Ответьте на вопросы

8.20. Каким требованиям должны отвечать магнитные материалы для носителей информации?

8.21. Что представляют собой жидкие магниты и где их применяют?

8.22. Как классифицируют магнитотвердые материалы по составу и способу получения?

8.23. В каком случае повторное намагничивание не устраняет необратимое старение?

Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы обладают большими начальным и максимальным значениями магнитной проницаемости и малыми значениями коэрцитивной силы (Н_с

Основные характеристики магнитных материалов:

где μ₀— магнитная постоянная, равная 1,256637- 10 -6 Гн/м;

- индукция насыщения Bs, Тл;

где В_max — максимальная магнитная индукция;

8.2. Вставьте пропущенные слова:

- Чем больше a_п, тем более ___________________гистерезисная петля.

- Магнитной характеристикой материала является максимальная величина удельной___________________ ____________________, Дж/м 3 .

Выберите правильный ответ

8.3. Свойства магнитных материалов оценивают с помощью:

A. Магнитных параметров;

B. Магнитных характеристик;

C. Магнитных величин;

D. Магнитных зависимостей.

8.4. Чем больше величина магнитной проницаемости μ, тем материал:

A. Легче намагничивается;

B. Труднее намагничивается;

C. Легче перемагничивается;

D. Свойства намагничивания материала не зависят от величины ц.

8.5. Потери энергии на вихревые токи Рв зависят:

A. От величины остаточной магнитной индукции В_r;

B. От величины коэрцитивной силы Нс;

C. От удельного электрического сопротивления r магнитного материала;

D. От параметра, который не указан в предыдущих ответах.

A. Становятся выше;

B. Становятся ниже;

C. Не изменяются.

8.7. Магнитная проницаемость μ в большей степени зависит:

A. От величины магнитной индукции;

B. От напряженности магнитного поля;

C. От удельной объемной магнитной энергии;

D. От внутренних свойств самого материала.

8.8. Для размагничивания образца материала необходимо:

A. Чтобы магнитная индукция В достигла нуля;

B. Чтобы вектор напряженности магнитного поля Н изменил свое направление на обратное;

C. Чтобы магнитная индукция В и напряженность магнитного поля Н материала достигли нуля.

Магнитотвердые материалы

Выберите правильный ответ

8.9. Магнитная проницаемость μ магнитотвердых материалов:

A. Значительно больше, чем у магнитомягких материалов;

B. Значительно меньше, чем у магнитомягких материалов;

C. Не зависит от типа материала.

A. Дестабилизацией магнитных параметров;

B. Дисперсионным твердением;

C. Старением магнита;

D. Все ответы верны.

8.11. Для стабилизации магнитных характеристик все магниты подвергаются:

A. Дисперсионному твердению;

B. Искусственному старению;

C. Термомагнитной обработке;

D. Всем перечисленным процессам.

8.12. При оценке качества магнитотвердых материалов учитывают:

A. Коэрцитивную силу Н_с;

B. Остаточную магнитную индукцию В_r,

C. Максимальную удельную магнитную энергию w_max;

D. Все перечисленные параметры.

A. Тем выше его коэрцитивная сила Н_с;

B. Тем больше его остаточная магнитная индукция В_r;

C. Тем меньше его магнитная проницаемость μ;

D. Все ответы верны.

8.14. Уровень магнитных характеристик у сплавов с содержанием кобальта 15% и более, можно повысить:

A. Термомагнитной обработкой отлитых магнитов;

B. Дисперсионным твердением;

C. Искусственным старением;

D. Всеми перечисленными способами;

E. Способом, не указанным в предыдущих ответах.

8.17. Вставьте пропущенные слова

- Металлические магнитотвердые материалы можно разделить на три основные группы:____________ ________________ __________________;

- Металлические магнитотвердые материалы применяют главным образом для изготовления________________________________________.

- Магнитотвердым материалам соответствует __________гистерезисная петля.

- Мартенситная структура в высокоуглеродистых сталях получается посредством их_________________________________________________.

- Порошковые магнитотвердые материалы применяют для изготовления __________________________________________________.

8.18. Расшифруйте марки железо-никель-алюминиевых сплавов ЮНД8, ЮНДК15, ЮН13ДК24, ЮНДК34ТБ, ЮНДК35Т5.

8.19. Заполните табл. 8.1.

Таблица 8.1 - Основные характеристики металлических магнитотвердых материалов

Металлические магнитотвердые материалы	Состав	Магнитные характеристики материалов	Достоинства	Недостатки
Н_с, А/м	В_r,Тл
Мартенситные стали
Железо-никель-алюминиевые сплавы
Нековкие металлокера-мические материалы

Ответьте на вопросы

8.20. Каким требованиям должны отвечать магнитные материалы для носителей информации?

8.21. Что представляют собой жидкие магниты и где их применяют?

8.22. Как классифицируют магнитотвердые материалы по составу и способу получения?

8.23. В каком случае повторное намагничивание не устраняет необратимое старение?

Магнитомягкие материалы

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Магнитные свойства материала - это класс физических явлений, опосредованных полями. Электрические токи и магнитные моменты элементарных частиц порождают поле, которое действует на другие токи. Наиболее знакомые эффекты возникают в ферромагнитных материалах, которые сильно притягиваются магнитными полями и могут намагничиваться, превращаясь в постоянные, создавая сами заряженные поля.

Только несколько веществ являются ферромагнитными. Для определения уровня развитости этого феномена в конкретной субстанции существует классификация материалов по магнитным свойствам. Наиболее распространенными являются железо, никель и кобальт и их сплавы. Приставка ферро- относится к железу, потому что постоянный магнетизм впервые наблюдался в порожняке, форме природной железной руды, называемой магнитными свойства материала, Fe3O4.

Вам будет интересно: Технология "Педагогическая мастерская": понятие, основные функции, характеристика проведения и анализ эффективности

Парамагнитные материалы

Хотя ферромагнетизм ответственен за большинство эффектов магнетизма, встречающихся в повседневной жизни, все другие материалы в некоторой степени подвержены влиянию поля, а также некоторых других типов магнетизма. Парамагнитные вещества, такие как алюминий и кислород, слабо притягиваются к приложенному магнитному полю. Диамагнитные вещества, такие как медь и углерод, слабо отталкиваются.

Вам будет интересно: Какие существуют окончания писем на английском?

В то время как антиферромагнитные материалы, такие как хром и спиновые стекла, имеют более сложную связь с магнитным полем. Сила магнита на парамагнитных, диамагнитных и антиферромагнитных материалах обычно слишком слаба, чтобы ее можно было почувствовать, и ее можно обнаружить только лабораторными приборами, поэтому эти вещества не входят в список материалов, обладающих магнитными свойствами.

Условия

Магнитное состояние (или фаза) материала зависит от температуры и других переменных, таких как давление и приложенное магнитное поле. Материал может проявлять более чем одну форму магнетизма при изменении этих переменных.

История

Вам будет интересно: Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия имени Столыпина

Древний Китай

Средневековье

Александр Неккам, к 1187 году, был первым в Европе, кто описал компас и его использование для навигации. Этот исследователь впервые в Европе досконально установил, какими свойствами обладают магнитные материалы. В 1269 году Питер Перегрин де Марикур написал Epistola de magnete, первый сохранившийся трактат, описывающий свойства магнитов. В 1282 году свойства компасов и материалов с особыми магнитными свойствами описал аль-Ашраф, йеменский физик, астроном и географ.

Ренессанс

Из своих экспериментов он пришел к выводу, что Земля сама по себе является магнитной и что именно поэтому компасы указывали на север (ранее некоторые полагали, что именно полярная звезда (Polaris) или большой магнитный остров на Северном полюсе притягивал компас).

Новое время

Понимание взаимосвязи между электричеством и материалами со специальными магнитными свойствами появилось в 1819 году в работе Ханса Кристиана Эрстеда, профессора в Копенгагенском университете, который обнаружил в результате случайного подергивания стрелки компаса возле провода, что электрический ток может создать магнитное поле. Этот знаменательный эксперимент известен как Эксперимент Эрстеда. Несколько других экспериментов последовали с Андре-Мари Ампера, который в 1820 году обнаружил, что магнитное поле, циркулирующее по замкнутому пути, было связано с током, протекающим по периметру пути.

Вам будет интересно: Правильная шестиугольная пирамида. Формулы объема и площади поверхности. Решение геометрической задачи

Карл Фридрих Гаусс занимался исследованием магнетизма. Жан-Батист Био и Феликс Савар в 1820 году придумали закон Био-Савара, дающий нужное уравнение. Майкл Фарадей, который в 1831 году обнаружил, что изменяющийся во времени магнитный поток через петлю провода вызывал напряжение. А другие ученые находили дальнейшие связи между магнетизмом и электричеством.

ХХ век и наше время

Джеймс Клерк Максвелл синтезировал и расширил это понимание уравнений Максвелла, объединив электричество, магнетизм и оптику в области электромагнетизма. В 1905 году Эйнштейн использовал эти законы, мотивируя свою теорию специальной теории относительности, требуя, чтобы законы сохранялись во всех инерциальных системах отсчета.

Электромагнетизм продолжал развиваться в XXI веке, будучи включенным в более фундаментальные теории калибровочной теории, квантовой электродинамики, электрослабой теории и, наконец, в стандартную модель. В наше время ученые уже вовсю изучают магнитные свойства наноструктурных материалов. Но самые великие и удивительные открытия в этой области, вероятно, все еще ждут нас впереди.

Магнитные свойства материалов в основном обусловлены магнитными моментами орбитальных электронов их атомов. Магнитные моменты ядер атомов обычно в тысячи раз меньше, чем у электронов, а посему они незначительны в контексте намагничивания материалов. Ядерные магнитные моменты тем не менее очень важны в других контекстах, особенно в ядерно-магнитном резонансе (ЯМР) и магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Обычно огромное количество электронов в материале устроено так, что их магнитные моменты (как орбитальные, так и внутренние) сводятся на нет. В некоторой степени это связано с тем, что электроны объединяются в пары с противоположными собственными магнитными моментами в результате принципа Паули (см. Конфигурацию электронов) и объединяются в заполненные подоболочки с нулевым суммарным орбитальным движением.

В обоих случаях электроны преимущественно используют схемы, в которых магнитный момент каждого электрона нейтрализуется противоположным моментом другого электрона. Более того, даже когда конфигурация электронов такова, что существуют неспаренные электроны и / или незаполненные подоболочки, часто бывает так, что различные электроны в твердом теле будут вносить магнитные моменты, которые указывают в разных, случайных направлениях, так что материал не будет магнитным.

Иногда, либо самопроизвольно, либо из-за приложенного внешнего магнитного поля - каждый из магнитных моментов электронов будет в среднем выстроен в линию. Подходящий материал может затем создать сильное чистое магнитное поле.

Магнитное поведение материала зависит от его структуры, в частности от электронной конфигурации, по причинам, указанным выше, а также от температуры. При высоких температурах случайное тепловое движение затрудняет выравнивание электронов.

Диамагнетизм

Диамагнетизм проявляется во всех материалах и представляет собой тенденцию материала противостоять приложенному магнитному полю и, следовательно, отталкиваться от магнитного поля. Однако в материале с парамагнитными свойствами (то есть с тенденцией усиливать внешнее магнитное поле) доминирует парамагнитное поведение. Таким образом, несмотря на универсальное возникновение, диамагнитное поведение наблюдается только в чисто диамагнитном материале. В диамагнитном материале нет неспаренных электронов, поэтому собственные магнитные моменты электронов не могут создавать какого-либо объемного эффекта.

Обратите внимание, что это описание подразумевается только как эвристический вариант. Теорема Бора-Ван Леувена показывает, что диамагнетизм невозможен в соответствии с классической физикой, и что правильное понимание требует квантово-механического описания.

Обратите внимание, что все материалы проходят этот орбитальный ответ. Однако в парамагнитных и ферромагнитных веществах диамагнитный эффект подавляется гораздо более сильными эффектами, вызванными неспаренными электронами.

Ферромагнетики

Ферромагнетик, как парамагнитное вещество, имеет неспаренные электроны. Однако, в дополнение к тенденции собственного магнитного момента электронов быть параллельной приложенному полю, в этих материалах также существует тенденция для этих магнитных моментов ориентироваться параллельно друг другу, чтобы поддерживать состояние пониженной энергии. Таким образом, даже в отсутствие приложенного поля магнитные моменты электронов в материале спонтанно выстраиваются параллельно друг другу.

Каждое ферромагнитное вещество имеет свою индивидуальную температуру, называемую температурой Кюри, или точкой Кюри, выше которой оно теряет свои ферромагнитные свойства. Это связано с тем, что тепловая тенденция к беспорядку подавляет снижение энергии из-за ферромагнитного порядка.

Вам будет интересно: Топ-10 самых правильных переводчиков

Ферромагнетизм встречается только в нескольких веществах; распространенными являются железо, никель, кобальт, их сплавы и некоторые сплавы редкоземельных металлов.

Магнитные моменты атомов в ферромагнитном материале заставляют их вести себя как крошечные постоянные магниты. Они слипаются и объединяются в небольшие области более или менее равномерного выравнивания, называемые магнитными доменами или доменами Вейсса. Магнитные домены можно наблюдать с помощью магнитно-силового микроскопа, чтобы выявить границы магнитных доменов, которые напоминают белые линии на эскизе. Есть много научных экспериментов, которые могут физически показать магнитные поля.

Роль доменов

Когда домен содержит слишком много молекул, он становится нестабильным и делится на два домена, выровненных в противоположных направлениях, чтобы они более стабильно слипались, как показано справа.

При воздействии магнитного поля границы доменов перемещаются, так что домены, выровненные по магнитному полю, растут и доминируют в структуре (пунктирная желтая область), как показано слева. Когда намагничивающее поле удалено, домены могут не вернуться в ненамагниченное состояние. Это приводит к тому, что ферромагнитный материал намагничивается, образуя постоянный магнит.

При достаточно сильном намагничивании, чтобы преобладающий домен перекрывал все остальные, приводя к образованию только одного отдельного домена, материал магнитно насыщался. Когда намагниченный ферромагнитный материал нагревают до температуры точки Кюри, молекулы перемешиваются до такой степени, что магнитные домены теряют организацию, а магнитные свойства, которые они вызывают, прекращаются. Когда материал охлаждается, эта структура выравнивания доменов самопроизвольно возвращается, примерно аналогично тому, как жидкость может замерзнуть в кристаллическое твердое вещество.

Антиферромагнетика

В антиферромагнетике, в отличие от ферромагнетика, собственные магнитные моменты соседних валентных электронов имеют тенденцию указывать в противоположных направлениях. Когда все атомы расположены в веществе так, что каждый сосед антипараллелен, вещество является антиферромагнитным. Антиферромагнетики имеют нулевой суммарный магнитный момент, что означает, что они не создают поля.

Антиферромагнетики встречаются реже по сравнению с другими типами поведения и чаще всего наблюдаются при низких температурах. При различных температурах антиферромагнетики проявляют диамагнитные и ферромагнитные свойства.

В некоторых материалах соседние электроны предпочитают указывать в противоположных направлениях, но нет геометрического расположения, в котором каждая пара соседей является анти-выровненной. Это называется спин-стекло и является примером геометрического разочарования.

Магнитные свойства ферромагнитных материалов

Как и ферромагнетизм, ферримагнетики сохраняют свою намагниченность в отсутствие поля. Однако, как и антиферромагнетики, соседние пары электронных спинов имеют тенденцию указывать в противоположных направлениях. Эти два свойства не противоречат друг другу, потому что в оптимальном геометрическом расположении магнитный момент от подрешетки электронов, которые указывают в одном направлении, больше, чем от подрешетки, которая указывает в противоположном направлении.

Большинство ферритов являются ферримагнитными. Магнитные свойства ферромагнитных материалов на сегодняшний день считаются неоспоримыми. Первое обнаруженное магнитное вещество, магнетит, является ферритом и первоначально считалось ферромагнетиком. Однако Луи Неэль опроверг это, открыв ферримагнетизм.

Когда ферромагнетик или ферримагнетик достаточно мал, он действует как один магнитный спин, который подвержен броуновскому движению. Его реакция на магнитное поле качественно аналогична реакции парамагнетика, но намного больше.

Электромагниты

Электромагнит - это магнит, в котором магнитное поле создается электрическим током. Магнитное поле исчезает, когда ток отключается. Электромагниты обычно состоят из большого количества близко расположенных витков провода, которые создают магнитное поле. Проволочные витки часто наматываются вокруг магнитного сердечника, изготовленного из ферромагнитного или ферримагнитного материала, такого как железо; магнитный сердечник концентрирует магнитный поток и создает более мощный магнит.

Основным преимуществом электромагнита перед постоянным магнитом является то, что магнитное поле можно быстро изменить, контролируя величину электрического тока в обмотке. Однако, в отличие от постоянного магнита, который не требует питания, электромагнит требует непрерывной подачи тока для поддержания магнитного поля.

Электромагниты широко используются в качестве компонентов других электрических устройств, таких как двигатели, генераторы, реле, соленоиды, громкоговорители, жесткие диски, МРТ-аппараты, научные приборы и оборудование для магнитной сепарации. Электромагниты также используются в промышленности для захвата и перемещения тяжелых железных предметов, таких как металлолом и сталь. Электромагнетизм был открыт в 1820 году. Тогда же вышла первая классификация материалов по магнитным свойствам.

Магнитные свойства материалов характеризуются петлей гистерезиса, кривой намагничивания, магнитной проницаемостью, потерями энергии при перемагничивании.

Петля гистерезиса

При циклическом изменении напряженности постоянного магнитного поля от 0 до +Н, от +Н до -Н и снова от -Н до +Н кривая изменения индукции (кривая перемагничивания) имеет форму замкнутой кривой - петли гистерезиса. Для слабых полей петля имеет вид эллипса (рис. 6.1). При увеличении значения напряженности магнитного поля Н получают серию заключенных одна в другую промежуточных петель гистерезиса. Когда все векторы намагниченности доменов сориентируются вдоль направления поля, процесс намагничивания закончится состоянием технического насыщения намагниченности материала. Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения намагничивания, называют предельной петлей гистерезиса.

Рис. 6.1. Петли гистерезиса при различных значениях напряженности внешнего магнитного поля

Она характеризуется максимально достигнутым значением индукции B_s, называемым индукцией насыщения. При уменьшении напряженности магнитного поля от + Н до 0 магнитная индукция сохраняет остаточную индукцию В_с. Чтобы получить остаточную магнитную индукцию, равную нулю, необходимо приложить противоположно направленное размагничивающее поле определенной напряженности -Н_с. Отрицательная напряженность магнитного поля -Н_с называется коэрцитивной силой материала. При достижении напряженности магнитного поля значения -Н, а затем 0 вновь возникает остаточная индукция -В_c. Если повысить напряженность магнитного поля до +Н_с, то остаточная магнитная индукция Вс будет равна 0.

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

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

Кривая намагничивания

Рис. 6.2. Зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н (основная кривая намагничивания) технически чистого железа (99,92% Fe)

Это важнейшая характеристика магнитных материалов, она показывает зависимость намагниченности или магнитной индукции материала от напряженности внешнего поля Н. Магнитная индукция материала B_i измеряется в теслах (Тл) и связана с намагниченностью М формулой

где - магнитная постоянная, равная 4 10 -7 Гн/м; М-намагниченность, А×м -1 .

Основная (коммутационная) кривая намагничивания представляет собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полученных при циклическом перемагничивании (см. рис. 6.1) и отражает изменение магнитной индукции В в зависимости от напряженности магнитного поля Н, которое создается в материале при намагничивании. Напряженность магнитного поля в образце в виде тороида, когда магнитная цепь замкнута, равна напряженности внешнего поля В разомкнутой магнитной цепи на концах образца появляются магнитные полюса, создающие размагничивающее поле Н_р. Разница между магнитными напряженностями внешнего и размагничивающего полей определяет внутреннюю магнитную напряженность Н_i. материала.

Основная кривая намагничивания (рис. 6.2) имеет ряд характерных участков, которые можно условно выделить при намагничивании монокристалла ферромагнетика. Первый участок кривой намагничивания соответствует процессу смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. На втором участке происходит поворот векторов намагниченности доменов в направлении внешнего магнитного поля. Третий участок соответствует парапроцессу, т. е. завершающему этапу процесса намагничивания, когда сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия несориентированные магнитные моменты доменов ферромагнетика.

Магнитная проницаемость

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

где - абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м; - магнитная постоянная.

Подставляя в эти соотношения конкретные значения В и Н, получают различные виды магнитной проницаемости, которые применяют в технике. Наиболее часто используют понятия нормальной , начальной , максимальной , дифференциальной и импульсной магнитной проницаемости.

Магнитную проницаемость при Н=0 называют начальной магнитной проницаемостью . Ее значение определяется при очень слабых полях (примерно 0,1 А/м).

Максимум на кривой проницаемости, соответствующий II участку кривой намагничивания (см. рис. 6.2), характеризуется значением максимальной магнитной проницаемости . Начальная и максимальная магнитные проницаемости представляют собой частные случаи нормальной магнитной проницаемости. Их значения наряду с B_s, B_c и H_с являются важнейшими параметрами магнитного материала.

В сильных полях в области насыщения магнитная проницаемость стремится к единице.

Читайте также: