Применение магнитных материалов реферат

Обновлено: 02.07.2024

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Содержание Введение

1. Классификация магнитных материалов

1.1 Общая характеристика магнитных материалов

1.2 Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей

1.3 Ферриты и магнитодиэлектрики

1.4 Магнитные материалы специального назначения

2. Цепи магнитного тока и их характеристика

2.1 Общая характеристика магнитного поля

2.2 Порядок расчета магнитной цепи электромагнитного реле

2.3 Анализ магнитных цепей постоянного тока

2.4 Практический расчет магнитной цепи

Список использованной литературы

Как известно из курса физики, вокруг проводника с током появляется магнитное поле. Интенсивность магнитного поля характеризуется векторной величиной: напряженностью магнитного поля, измеряемой в амперах на метр (A/м). Интенсивность магнитного поля характеризуется также вектором магнитной индукции, измеряемой в теслах (Тл). Напряженность магнитного поля не зависит, а магнитная индукция зависит от свойств окружающей среды. Магнитная цепь - последовательность взаимосвязанных магнетиков, по которым проходит магнитный поток. То есть магнитной цепью или магнитопроводом называется путь, по которому замыкается магнитный поток. Этот путь может проходить целиком по воздуху.

Магнитные цепи по своей конфигурации могут быть подразделены на неразветвленные и разветвленные. В неразветвленной магнитной цепи на всех ее участках имеет место один и тот же поток, т.е. различные участки цепи соединены между собой последовательно. Разветвленные магнитные цепи содержат два и более контура.

Актуальность темы заключается в том, что магнитная цепь и сопутствующий математический аппарат используется для расчётов трансформаторов, электрических машин, магнитных усилителей и т.п.

Целью данной работы является рассмотрение и анализ магнитных характеристик материалов, магнитных цепей и направлений их применения.

Основными задачами, выделяемыми в рамках данной цели, являются:

- классификация наиболее применяемых на практике магнитных материалов;

- описание основных принципов существования магнитного поля;

- рассмотрение методики расчета разветвленных и неразветвленных магнитных цепей постоянного и переменного тока;

- решение практической задачи.

1. Классификация магнитных материалов 1.1 Общая характеристика магнитных материалов

Магнитные материалы подразделяют на магнитомягкие, магнитотвердые и материалы специализированного назначения.

К магнитомягким относят материалы с малой коэрцетивной силой (Нс 4кА/м). Они перемагничиваются в очень сильных магнитных полях и служат в основном для изготовления постоянных магнитов.

Среди материалов специализированного назначения в радиоэлектронике применяются материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы [3].

1.2 Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей

Магнитомягкие материалы должны обладать высокой магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой, большой индукцией насыщения, малыми потерями на перемагничивание. Магнитные свойства материалов должны мало зависеть от механических напряжений, в результате

Ферромагнетики играют существенную роль в электротехнике. К ним могут быть предъявлены различные требования в зависимости от назначения.

Постоянные магниты

Были созданы специальные материалы с заданными свойствами. Для получения постоянного магнита необходимо отыскать ферромагнетик с максимально широкой петлей гистерезиса. То есть при нулевом внешнем магните остаточная намагниченность будет максимально большая. Такие магнетики обладают высокой коэрцитивной силой. Вещество должно иметь неизменные границы доменов.

Петля гистерезиса такого ферромагнетика должна быть в 500 раз шире петли мягкого железа.
AlNiCo является термостабильным магнитом с высокой коррозионной и радиационной стойкостью. Обладает остаточной намагниченностью порядка B r ~ 1 , 1 - 1 , 5 Т л , коэрцитивной силой H k = 0 , 5 - 1 , 9 к Э . Максимальная рабочая температура достигает 450 ° C . На данный момент предпринимаются попытки изготовления наноструктурных сплавов. Их применяют в акустических системах, студийных микрофонах, электродвигателях, сенсорах.

Спеченные редкоземельные магниты на основе SmCo

Такие магниты не требуют защитного покрытия, так как имеют высокую рабочую температуру и коэрцитивную силу, иначе говоря, устойчивы к размагничиванию. Являются довольно хрупкими и очень дорогими. Обладают остаточной намагниченностью порядка B r ~ 0 , 8 - 1 , 1 Т л , коэрцитивной силой H k = 8 - 10 к Э . Их применяют в космических аппаратах, мобильной телефонии, компьютерной технике, авиастроении, медицинском оборудовании, микро-электромеханических приборах.

Неодимовые магниты. Сплавы Nd - Fe - B

Являются довольно хрупкими с достаточно невысокими рабочими температурами - 60 - 220 ° С . При перегревании нуждаются в перемагничивании. Подвергаются коррозии. Такие магниты легко обрабатываются механически, обладают гибкостью. Они имеют самое высокое значение остаточной намагниченности порядка B r ~ 1 - 1 , 4 Т л , коэрцитивной силы H k = 12 к Э . Применимы в компьютерной технике или датчиках.

При перепадах температур, деформациях, механических вибрациях магниты могут терять свойства намагниченности. Полного размагничивания они достигают при температуре выше точки Кюри в сильных магнитных полях, если ферромагнит располагается в затухающем переменном магнитном поле или постоянное внешнее имеет противоположное направление относительно внутреннего. Железные магниты могут размагничиваться в домашних условиях очень долго. Искусственно созданные могут быстро стареть.

Постоянные магниты применимы:

как зажимы, крепления, фиксация предметов;
для поиска железных предметов методом зондирования.

Хорошими магнитными свойствами обладает пермаллой, содержащий 75 , 8 % никеля, полученный при двухэтапной обработке сплава. На первом этапе температура достигает 900 - 950 ° C в течение часа, после чего происходит охлаждение с низкой скоростью. Второй этап подразумевает нагрев до
600 ° C и охлаждение при комнатной температуре со скоростью 1500 г р а д м и н .

Чаще всего их применяют в трансформаторах, однако они непригодны для использования в качестве постоянных магнитов. Пермаллои не следует подвергать деформации, так как происходит изменение их свойств.

При наличии максимального значения магнитной проницаемости сплава используют для сердечников малоразмерных трансформаторов, магнитных экранов, реле. Если имеется повышенное удельное сопротивление, то применяют для сердечников импульсных трансформаторов или высокочастотной аппаратуры.

При расчете разного рода устройств переменного тока, содержащие ферромагнетики, необходимо оценивать тепловой эффект при гистерезисе. Это явление в железных сердечниках трансформаторов или вращающихся якорях генераторов постоянного тока приводит к затратам части энергии на тепло гистерезиса, уменьшающим КПД устройства. Отсюда следует, что для такого оборудования подбираются специальные виды ферромагнетиков, у которых площади петель гистерезиса минимальные

По исследованиям стало видно наличие мильных ферромагнитных свойств у некоторых неферромагнитных металлов при определенном их соотношении. К ним относят марганец-висмут, хром-теллур и другие.

Ферриты

При наличии отличий во время намагничивания подрешеток, возникает некомпенсированный антиферромагнетизм. Это объясняется присутствием у тела значительного магнитного момента. Данные вещества получили название ферримагнетиков.

Их магнитные свойства не отличаются от свойств ферромагнетиков.

Если ферримагнетики обладают полупроводниковыми свойствами, то их называют ферритами – магнитными полупроводниками, имеющими большое удельное сопротивление (около 10 2 - 10 6 О м · с м ).

Намагниченность насыщения у ферримагнетиков намного меньше, чем у ферромагнетиков. Они применимы только при наличии слабого поля. Ферриты называют ферромагнитными изоляторами. Создаваемые в них вихревые токи в полях с высокой частотой по значению очень малы, что позволяет использовать их в микроволновой технике. Микрополя проникают внутрь ферритов, когда в ферромагнетиках это невозможно по причине наличия вихревых токов.

Вещества используют в радиотехнике при наличии больших частот, где в ферромагнетиках из-за большой проводимости появляются огромные потери на вихревые токи.

Дан рисунок, на котором изображены два ферромагнитных материала. Какой из них наиболее пригодный для электромагнитов с быстрой регулировкой подъемной силы? Для использования в качестве постоянного магнита?

Решение

У постоянного магнита более применим ферромагнетик с широкой петлей гистерезиса с соответствующей большей коэрцитивной силой, позволяющей веществу размагничиваться с меньшей скоростью и большой остаточной намагниченностью. Отсюда следует, что ферромагнетик под номером 1 считается наиболее пригодным для использования в качестве постоянного магнита.

Для электромагнита с быстрой регулировкой требуется ферромагнетик, имеющий узкую петлю гистерезиса, меньшую коэрцитивную силу и остаточную намагниченность. Отсюда следует, что подходящим вариантом будет ферромагнетик под номером 2 .

Возможно ли переносить раскаленные стальные трубы при помощи электромагнитного крана?

Решение

Это делать не стоит. Ферромагнитные свойства при температурах выше точки Кюри исчезают, она становится парамагнетиком с малой магнитной проницаемостью. Отсюда следует вывод, что наличие его магнитных свойств не будет достаточно для использования его как средство переноса труб.

Применение магнитных материалов в энергетике ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Применение магнитных материалов в энергетике. Свойства наиболее применяемых материалов

Магнитомягкие материалы используются в энергетике в качестве разнообразных магнитопроводов в трансформаторах, электрических машинах, электромагнитах и т. д.

Для уменьшения потерь на гистерезис выбирают материалы с пониженной коэрцитивной силой, а для уменьшения вихревых токов магнитопроводы собирают из отдельных пластин и используют металлы с повышенным удельным сопротивлением. Дело в том, что ЭДС самоиндукции, благодаря которой возникают вихревые токи, пропорциональна площади поперечного сечения контура. При рассечении площади n изолированными пластинами в каждой пластине наводится уменьшенная в n раз ЭДС. Мощность потерь при протекании вихревого тока пропорциональна квадрату напряжения (ЭДС) и обратно пропорциональна удельному сопротивлению. Поэтому уменьшение ЭДС в каждой из отдельных пластин и использование металлов с повышенным удельным сопротивлением приводит к уменьшению общих потерь.

Основой наиболее широко используемых в электротехнике магнитных материалов является низкоуглеродистая электротехническая сталь. Она выпускается в виде листов, толщиной от 0.2 мм до 4 мм, содержит не выше 0.04% углерода и не выше 0.6% других примесей. Максимальное значение магнитной проницаемости _max ~ 4000, коэрцитивной силы Н_с~ 65−100 А/м. Наблюдается интересная закономерность: чем чище железо и чем лучше оно отожжено — тем выше магнитная проницаемость и тем ниже коэрцитивная сила. Для особо чистого железа эти параметры составляют: более 1 миллиона и менее 1 А/м, соответственно.

Электротехническую сталь маркируют следующим образом: первая цифра-структура (1-горячекатанная изотропная, 2-холоднокатанная изотропная, 3- холоднокатанная анизотропная с ребровой структурой), вторая цифрасодержание кремния (0-до 0.4%, 1 — до 0.8%. 2 — до 1.8%, 3-до 2.8%, 4 — до 3.8%, 4 — до 4.8%), третья цифра — тип нормируемых магнитных характеристик (0- удельные потери при В=1.7 Тл, f=50 Гц, 1- удельные потери при В=1.5 Тл, f=50 Гц, 2- удельные потери при В=1 Тл, f=400 Гц, 6- В при Н=0.4 А/м, 7- В в средних полях при Н=10 А/м). Четвертая цифра в старых справочниках означала номер материала. В современных справочниках четвертая и пятая цифры являются одним числом, означающим численную характеристику нормируемого параметра.

Если к железу добавить никель, то полученные материалы будут обладать повышенной магнитной проницаемостью (до 100 000 у 79НМ, 79% никеля и небольшое количество марганца). Такие сплавы называются пермаллои, они используются для изготовления сердечников малогабаритнгых силовых и импульсных трансформаторов. Практически такие же результаты по магнитной проницаемости можно получить, добавляя к железу кремний (9.5%) и алюминий (5.6%). Такие сплавы называются альсиферами.

Добавки к железу и никелю молибдена, хрома, меди приводит к еще большему росту начальной магнитной проницаемости, более 100 тысяч. Такие материалы используются в миниатюрных магнитных устройствах.

1 Эффект магнетизма в материалах
Магнетизм – это класс физических явлений, которые опосредуются магнитными полями. Электрические токи и магнитные моменты элементарных частиц создают магнитное поле, которое действует на другие токи и магнитные моменты [1]. Магнетизм – один из аспектов комбинированного явления электромагнетизма. Наиболее известные эффекты возникают в ферромагнитных материалах, которые сильно притягиваются магнитными полями и могут быть намагничены, чтобы стать постоянными магнитами, которые сами создают магнитные поля. Также возможно размагничивание магнита. Лишь некоторые вещества являются ферромагнитными. Наиболее распространенными из них являются железо, кобальт и никель и их сплавы. Приставка ферро- относится к железу, потому что постоянный магнетизм впервые был обнаружен в магнитном железе, форме естественной железной руды, называемой магнетитом, Fe3O4.
Все вещества обладают некоторым типом магнетизма. Магнитные материалы классифицируются в зависимости от их объемной восприимчивости. Ферромагнетизм отвечает за большинство эффектов магнетизма, встречающихся в повседневной жизни, но на самом деле существует несколько типов магнетизма. Парамагнитные вещества, такие как алюминий и кислород, слабо притягиваются к приложенному магнитному полю; диамагнитные вещества, такие как медь и углерод, слабо отталкиваются; в то время как антиферромагнитные материалы, такие как хром и спиновые стекла, имеют более сложные отношения с магнитным полем [1].
Магнитное состояние (или магнитная фаза) материала зависит от температуры, давления и приложенного магнитного поля. Материал может проявлять более одной формы магнетизма при изменении этих переменных.
По реакции на внешнее магнитное поле все вещества делятся на 5 групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики [1]. К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и др.), некоторые металлы (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий и др.) и органических соединений, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.
К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. К ним относят кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов. К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью, которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. При нагревании антиферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм есть у хрома, марганца и некоторых редкоземельных элементов (Се, Nd, Sm, Тm и др.). Антиферромагнетиками являются химические соединения на основе металлов переходной группы (окислы, сульфиды и д.р). Ферримагнетики подобно ферромагнетикам обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. При этом ферримагнетики характеризуются и рядом существенных отличий от ферромагнитных материалов. Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые металлические сплавы, (оксидные соединения, например, ферриты).
2 Классификация магнитных материалов
Все вещества в природе являются магнетиками в том понимании, что они обладают определенными магнитными свойствами и определенным образом взаимодействуют с внешним магнитным полем.
Магнитными называют материалы, применяемые в технике с учетом их магнитных свойств. Магнитные свойства вещества зависят от магнитных свойств микрочастиц, структуры атомов и молекул.
Магнитные материалы делят на 3 группы: магнитотвердые, магнитомягкие, материалы специального назначения. На рис. 1 представлена классификация магнитных материалов. Классификация магнитных материалов по величине потерь на гистерезис представлена на рис. 2 [2].

Рисунок 1 – Классификация магнитных материалов

Каждый пермаллой применяется в соответствии с его свойствами в различных электромагнитных устройствах. Главные области применения пермаллоев следующие: измерительные приборы, сердечники трансформаторов тока, магнитные экраны, реле, магнитные усилители, катушки индуктивности в автоматике и т. п. При использовании пермаллоев не следует забывать, что они чувствительны к механическим воздействиям и обработке – штамповке, ударам, внешним механическим напряжениям. Механические воздействия резко повышают коэрцитивную силу и уменьшают магнитную проницаемость.
За последние годы разработаны и приобрели широкое применение в электротехнике новые магнитные материалы, получившие название ферритов. Эти материалы неметаллические, их изготовляют из смеси окиси железа (Fe2О3) с окислами других металлов – цинка (ZnО), марганца (MnО), никеля (NiO) и др. Характерной особенностью ферритов является то, что при наличии хороших магнитных свойств они обладают весьма большим удельным электрическим сопротивлением. Ферриты относятся к группе полупроводников и обладают сопротивлением ρ=104-109 Ом∙см, тогда как ферромагнитные металлические материалы имеют ρ=10-5-10-4 Ом∙см. Сопротивления ферритов больше сопротивления металлических ферромагнетиков в 108 -1014 раз, поэтому у ферритов потери на вихревые токи в переменных магнитных полях очень малы. Это составляет одно из важнейших преимуществ ферритов [7].
4 Магнитотвердые материалы
Магнитно-твердые материалы (МТМ) (табл. 4), магнитно-жесткие (высококоэрцитивные) материалы, магнитные материалы, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях напряженностью в тысячи и десятки тысяч а/м. После намагничивания МТМ остаются магнитами постоянными из-за высоких значений остаточной индукции Br и коэрцитивной силы HС.
Таблица 4

Из магнитотвердых материалов наибольшее значение в технике приобрели: литые и порошковые (недеформируемые) магнитные материалы типа Fe–Al–Ni–Со; деформируемые сплавы типа Fe–Со–Mo, Fe–Со–V, Pt–Со; ферриты (гекса- ферриты и кобальтовый феррит) [8].
Магнитотвердые материалы служат для изготовления постоянных магнитов, магнитные системы и изделия: роторы и статоры электрических машин, магнитные системы для аппаратов, измерительных приборов и т.д.
Литые высококоэрцитивные сплавы.
К этой группе относят сплавы систем Fе – Ni – Аl и Fе – Ni – Со – Аl, модифицированные различными добавками. Высококоэрцитивное состояние этих сплавов обусловлено их дисперсионным распадом на две фазы при охлаждении до определенной температуры.
В системе Fe – Ni – Al одна из фаз, образующихся в результате распада твердого раствора, по составу близка к чистому железу и является сильномагнитной; ее выделения имеют форму пластинок или стержней однодомённой толщины. Другая фаза состоит из никеля и алюминия и оказывается слабомагнитной. Таким образом, получается композиция из немагнитной матрицы и однодомённых магнитных включений. Материалы, имеющие такую структуру, намагничиваются в основном за счет процессов вращения магнитных моментов доменов [9].
В тройной системе Fe – Ni – Al наибольшей удельной магнитной энергией обладают сплавы, содержащие около 28 % Ni и 14 % Аl (по массе), что приблизительно соответствует интерметаллическому соединению Fe2NiAl. Однако без легирующих элементов эти сплавы практически не применяют. Помимо кобальта распространенными легирующими добавками являются медь, титан и ниобий. Добавки не только улучшают магнитные свойства, но и обеспечивают лучшую повторяемость характеристик, т.е. ослабляют зависимость магнитных свойств от небольших изменений химического состава, наличия примесей и отклонений от заданного режима термообработки.
Таким образом, получается композиция из немагнитной матрицы и однодоменных магнитных включений. Материалы, имеющие такую структуру, намагничиваются в основном за счет процессов вращения магнитных моментов доменов. Однако без легирующих элементов эти сплавы практически не применяют. Помимо кобальта распространенными легирующими добавками являются медь, титан и ниобий. Добавки не только улучшают магнитные свойства, но и обеспечивают лучшую повторяемость характеристик, т. е. ослабляют зависимость магнитных свойств от химического состава, наличия примесей и отклонений от заданного режима термообработки. Недостатком сплавов Fe–Al–Ni является их высокая твердость и хрупкость, поэтому они механически могут обрабатываться только шлифованием. Магнитные свойства этих сплавов существенно зависят от шихты, параметров процесса литья, режима термомагнитной обработки и др.
Магниты из порошков
Невозможность получить особенно мелкие изделия со строго выдержанными размерами из литых железоникельалюминиевых сплавов обусловила использование методов порошковой металлургии для производства постоянных магнитов. При этом следует различать металлокерамические магниты и магниты из зерен порошка, скрепленных тем или иным связующим веществом (металлопластические магниты).
Магнитотвердые ферриты.
Из магнитотвердых ферритов наиболее известен бариевый феррит BaO · 6Fe2O3 (ферроксдюр). В отличие от магнитомягких ферритов он имеет не кубическую, а гексагональную кристаллическую решетку с одноосной анизотропией. Промышленность выпускает два вида бариевых магнитов: марок БИ (бариевые изотропные) и марок Б А (бариевые анизотропные). Его высокая коэрцитивная сила у обусловлена малым размером кристаллических зерен и сильной магнитной кристаллографической анизотропией. К недостаткам следует отнести низкую механическую прочность, большую хрупкость, сильную зависимость магнитных свойств от температуры.
Сплавы на основе редкоземельных элементов.
Магнитотвердые материалы этой группы являются весьма перспективными, но еще недостаточно изученными и освоенными в технологическом отношении. Редкоземельные элементы, являющиеся металлами (РЗМ), образуют большое число бинарных соединений с металлами переходной группы, из которых наибольший интерес представляют интерметаллические соединения типа RCo5 и R2Co17, где R – редкоземельный элемент [9].
Легированные стали, закаленные на мартенсит
Высокая коэрцитивная сила у этих материалов достигается в результате максимального деформирования кристаллической решетки и создания тем самым большого количества внутренних напряжений, дислокаций и других дефектов путем легирования высокоуглеродистых сталей W, Мо, Сг или Со и последующей термической обработки для создания мартенситной структуры. Для получения гарантируемых магнитных свойств мартенситные стали подвергают термообработке, специфичной для каждой марки стали, и пятичасовой структурной стабилизации в кипящей воде.

Список использованных источников
Боровик Е.С. Лекции по магнетизму / Е.С. Боровик, В.В. Еременко, А.С Мильнер - М.: Физматлит, 2005. - 512 с.
Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы: Учебник для вузов. 7-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. - с. 269.
З. Фактор и др. Магнитные материалы. М.: Энергия, 1999 — 312 с.
Курилин С.А. Электротехнические материалы и технология электромонтажных работ. Учебное пособие. 1989. - с. 53.
Пастушенков Ю.Г. Функциональные магнитотвердые материалы. Пастушенков Ю.Г., Скоков К.П. - Тверь, 2014 - 109 с.
Мишин Д. Д. Магнитные материалы. М., 2001 г. – 421 с.
Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Тареева - Том 3, 3-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1986. - с. 149.
Ю. В. Корицкий и др. Справочник по электротехническим материалам. Т.3, Л.: Энергоатомиздат, 1988 — 728 с.
В. В. Пасынков, В. С. Сорокин. Материалы электронной техники, М.: Высшая школа, 1986 — 367 с.

Читайте также: