Магнитные материалы

Алан-э-Дейл       03.07.2022 г.

Что такое твердое железо

Твердое железо может быть сделано постоянным магнитом намагничиванием, но эта намагниченность не может быть легко удалена, когда она намагничена. Другими словами, размагничивание трудно или невозможно после намагничивания твердого железа.

Магнитные свойства железа происходят от движения электронов в атомах. Каждый электрон имеет спин. Спин является внутренней формой углового момента, переносимого электроном. Атомы состоят из орбиталей, в которых находятся электроны. Одна орбита может содержать максимум два электрона. Эти два электрона имеют противоположный спин.

В железе соседние атомы имеют спины, которые выровнены друг с другом. Это приводит к тому, что мы называем «доменами». Домен или магнитный домен — это область внутри магнитного материала, где намагниченность идет в однородном направлении. Это равномерное направление обусловлено выравниванием атомов.

Когда стержень из немагнитного железа помещают в магнитное поле, направление намагничивания магнитных доменов имеет тенденцию двигаться в направлении поля. Это приводит домены в соответствие с направлением магнитного поля. Это также расширяет область доменов. Это то, что мы называем намагничиванием железки.

Рисунок 1: постоянный магнит

В твердом железе смещение этих магнитных доменов необратимо. Другими словами, магнитные домены из твердого железа не возвращаются в исходную точку при удалении магнитного поля. Поэтому твердое железо обычно используется в качестве постоянных магнитов.

4.6. Ферриты

Это соединения оксида железа Fe2O3 с оксидами других металлов: ZnO, NiO. Ферриты изготавливают из порошкообразной смеси оксидов этих металлов.

Название ферритов определяется названием одно-, двухвалентного металла, оксид которого входит в состав феррита:

Если ZnO – феррит цинка

NiO – феррит никеля.

Ферриты имеют кубическую кристаллическую решетку, подобную решетке шпинели, встречающейся в природе: MgO·Al2O3. Большинство соединений указанного типа, как и природный магнитный железняк FeO·Fe2O3, обладает магнитными свойствами. Однако феррит цинка и феррит кадмия являются немагнитными. Исследования показали, что наличие или отсутствие магнитных свойств определяется кристаллической структурой этих материалов, и в частности расположением ионов двухвалентных металлов и железа между ионами кислорода. В случае структуры обычной шпинели, когда в центре кислородных тетраэдров расположены ионы Zn++ или Cd++, магнитные свойства отсутствуют. При структуре так называемой обращенной шпинели, когда в центре кислородных тетраэдров расположены ионы Fe+++, материал обладает магнитными свойствами. Ферриты, в состав которых кроме оксида железа входит только один оксид, называется простым. Химическая формула простого феррита:

MeOxFe2O3 или MeFe2O4

Феррит цинка – ZnFe2O4, феррит никеля – NiFe2O4.

Не все простые ферриты обладают магнитными свойствами. Так CdFe2O4 является немагнитным веществом.

Наилучшими магнитными характеристиками обладают сложные или смешанные ферриты, представляющие твердые растворы одного в другом. В этом случае используются и немагнитные ферриты в сочетании с простыми магнитными ферритами. Общая формула широко распространенных никель-цинковых ферритов имеет следующий вид:

mNiO·Fe2O3 + nZnO·Fe2O3 + pFeO·Fe2O3, (4.8)

где коэффициенты m, n и p определяют количественные соотношения между компонентами. Процентный состав компонентов играет существенную роль в получении тех или иных магнитных свойств материала.

Наиболее широко в РЭА применяют смешанные магнитно-мягкие ферриты: никель-цинковые, марганец-цинковые и литий-цинковые.

Достоинства ферритов – стабильность магнитных характеристик в широком диапазоне частот, малые потери на вихревые токи, малый коэффициент затухания магнитной волны, а также простота изготовления ферритовых деталей.

Недостатки всех ферритов – хрупкость и резко выраженная зависимость магнитных свойств от температуры и механических воздействий.

Что такое магнит и как он устроен?

Магнит – это тело, которое обладает собственным магнитным полем. Магниты бывают нескольких видов:

  1. Постоянные – изделия, которые после однократного намагничивания сохраняют данное свойство. Магниты разделяются на несколько подвидов в зависимости от силы и других параметров.
  2. Временные – функционируют по принципу постоянных, но лишь тогда, когда располагаются в сильном магнитном поле. Например, изделия из так называемого мягкого железа (гвозди, скрепки и т.п.).
  3. Электромагниты представляют собой провода, плотно намотанные на каркас. Как правило, такое устройство оснащено железным сердечником. Работает оно лишь при условии прохождения по проводу электрического тока.

Постоянный магнит – наиболее привычный и распространенный. Для его изготовления чаще всего используют следующие сочетания материалов:

  • неодим-железо-бор;
  • альнико или сплав ЮНДК (железо, алюминий, никель, кобальт);
  • самарий-кобальт;
  • ферриты (соединения оксидов железа и других металлов-ферримагнетиков).

Магнетизм

Любой магнит имеет южный и северный полюс. Одинаковые полюса отталкиваются, а противоположные – притягиваются.

Интересный факт: магниты зачастую изготавливаются в виде подковы. Это делается для того, чтобы полюса располагались максимально близко друг к другу. Таким образом, создается сильное магнитное поле, которое способно притягивать более крупные части металла.

4.1. Классификация веществ по магнитным свойствам

По реакции на внешнее магнитное поле и по характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно разделить на пять групп:

  • диамагнетики;
  • парамагнетики;
  • ферромагнетики;
  • антиферромагнетики;
  • ферримагнетики.

Диамагнетики – магнитная проницаемость m меньше единицы и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электрона при внесении атома в магнитное поле.

Диамагнитный эффект является универсальным, присущим всем веществам. Однако в большинстве случаев он маскируется более сильными магнитными эффектами.

К диамагнетикам относят инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть и др.), большинство полупроводников и органических соединений. Диамагнетики – все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.

Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля.

Парамагнетики – вещества с m больше единицы, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля.

Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении.

Парамагнетики, помещенные в магнитное поле, втягиваются в него.

К числу парамагнетиков относятся: кислород, окись азота, щелочные и щелочно-земельные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.

Парамагнитный эффект по физической природе во многом сходен с дипольно-релаксационной поляризацией диэлектриков.

К ферромагнетикам относят вещества с большой магнитной проницаемостью (до106), сильно зависящей от напряженности внешнего магнитного поля и температуры.

Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях.

Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры Т° спонтанно возникает антипараллельная ориентация магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки

При нагревании антиферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Ce, Nd, Sm, Tm и др.)

К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Магнитная проницаемость у них высока и сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом – различные оксидные соединения, а главный интерес представляют ферриты.

Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, тогда как ферро- и ферримагнетики представляют собой сильномагнитные материалы и представляют наибольший интерес.

Основное отличие — Hard Iron против Soft Iron

Ферромагнитный материал — это вещество, которое может обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. Существуют две группы магнитных материалов: магнитомягкие и магнитотвердые. Железо является хорошим примером ферромагнитного материала. Железо также может быть найдено в двух типах как твердое железо и мягкое железо. Эта классификация основана на магнитных свойствах железа. Основное различие между твердым железом и мягким железом состоит в том, что твердое железо не может размагничиваться, когда оно намагничивается, тогда как мягкое железо может размагничиваться, когда оно намагничивается.

Магнитное свойство — железо

Магнитные свойства железа ( как и других ферромагнитных материалов) зависят от следующих факторов: 1) ориентировки кристаллических осей отдельных кристаллов относительно направления намагничивания ( так называемой текстуры); 2) наличия примесей ( особенно вредными являются не образующие твердых растворов); 3) величины зерен ( кристаллов); 4) искажений кристаллической решетки пластическими деформациями.

Магнитные свойства железа ( как и других ферромагнитных материалов) зависят от следующих факторов: 1) ориентировки кристаллических осей отдельных кристаллов относительно направления намагничивания ( так называемой текстуры); 2) наличия примесей ( особенно вредными являются примеси не образующие твердых растворов); 3) величины зерен ( кристаллов); 4) искажений кристаллической решетки пластическими деформациями.

Магнитные свойства железа ( как и других ферромагнитных материалов) зависят от следующих факторов: 1) ориентировки кристаллических осей отдельных кристаллов относительно направления намагничивания ( так называемой текстуры); 2) наличия примесей ( особенно вредными являются примеси, не образующие твердых растворов); 3) размеров зерен ( кристаллов); 4) искажений кристаллической решетки пластическими деформациями.

Магнитные свойства железа ярко проявляются только при низкой температуре. При нагревании железа они становятся менее заметными, а при температуре более 768Q С ( см. рис. 9) совсем исчезают.

Магнитные свойства железа, в первую очередь значения магнитной проницаемости в слабых и средних полях и коэрцитивная сила, могут меняться в широких пределах. Свойства железа, полученного в лаборатории, в 100 — 200 раз выше свойств технически чистого железа, что объясняется большим влиянием примесей, которые трудно удалить.

Криные нпгрева и охлаждения железа.

Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и режимов термической обработки.

Это относится к магнитным свойствам железа в слабых и в средних полях. Проницаемость в сильных полях и индукция насыщения от перечисленных причин зависят мало.

Диэлектрическая постоянная этилового эфира как функция температуры.

Точно так же и магнитные свойства железа, никеля и других тел исчезают, коль скоро устранена причина, вызывавшая их. Все эти тела, в той или иной мере намагничивающиеся благодаря одному присутствию куска магнитного железняка, быстро размагничиваются при удалении магнитного железняка.

При 760 С изменяются магнитные свойства железа, но решетка не перестраивается. До 760 С ( точка Кюри) железо ферромагнитно.

Наличие железного сердечника увеличивает магнитный поток соленоида. а наибольшее увеличение магнитного потока достигается у кольцеобразного сердечника. б большое увеличение магнитного потока получается также у длинного и узкого соленоида с выступающими концами сердечника. Первичная катушка Р в обоих случаях должна плотно обвивать соленоид. С — гальванометр.

Величину ц, характеризующую магнитные свойства железа, использованного для сердечника, называют его магнитной проницаемостью. Как уже упоминалось, измерения показывают, что наличие железного сердечника увеличивает магнитный поток весьма значительно, иногда в тысячи раз.

Под влиянием магнитного поля соленоида амперовы токи в железном сердечнике ориентируются так, что направление их совпадает с током в соленоиде.

Величину ц, характеризующую магнитные свойства железа, использованного для сердечника, называют его магнитной проницаемостью.

Прочие магнитотвердые материалы

К магнитотвердым материалам относятся и имеющие узкоспециальное назначение. Это эластичные магниты, сплавы пластически деформируемые, материалы для носителей информации и магниты жидкие. Деформируемые магниты имеют замечательные пластические свойства, прекрасно поддаются любым видам механической обработки — штамповке, резке, обработке на станках. Но стоят такие магниты дорого. Магниты кунифе из меди, никеля и железа анизотропны, то есть намагничиваются в сторону прокатки, их применяют в виде штамповки и проволоки. Магниты викаллой из кобальта и ванадия выполняют в виде магнитной ленты высокой прочности, а также и проволокой. Этот состав хорош для очень мелких магнитов с самой сложной конфигурацией.

Эластичные магниты — на резиновой основе, в которой наполнителем служит мелкий порошок из магнитотвердого материала. Чаще всего это феррит бария. Такой способ позволяет получать изделия совершенно любой формы с высокой технологичностью. Они тоже прекрасно режутся ножницами, сгибаются, штампуютмя, скручиваются. Стоят они значительно дешевле. Магнитная резина применяется как листы магнитной памяти для ЭВМ, в телевидении, для корректирующих систем. Как носители информации магнитные материалы отвечают многим требованиям. Это остаточная индукция высокого уровня, малый эффект саморазмагничивания (иначе информация потеряется), высокое значение коэрцитивной силы. А чтобы облегчить процесс стирания записей, нужна как раз малая величина этой силы, но противоречие это убирается с помощью технологий.

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовПриказыКонтрактыВыполнение работПротоколы рассмотрения заявокАукционыПроектыПротоколыБюджетные организацииМуниципалитетыРайоныОбразованияПрограммыОтчетыпо упоминаниямДокументная базаЦенные бумагиПоложенияФинансовые документыПостановленияРубрикатор по темамФинансыгорода Российской Федерациирегионыпо точным датамРегламентыТерминыНаучная терминологияФинансоваяЭкономическаяВремяДаты2015 год2016 годДокументы в финансовой сферев инвестиционной

Состав

Пермаллой относится к прецизионным сплавам, что означает строгое нормирование химического состава и его физико-механических характеристик. Состав этой группы материалов зафиксирован в ГОСТ 10994-74, там же указаны правила маркировки. Марка состоит из литерных обозначений легирующих компонентов и стоящих перед ними чисел, отражающих их массовую долю в сплаве.

Соответствие между буквами и химическими элементами следующее:

  • Г – марганец;
  • Х – хром;
  • Н – никель;
  • Д – медь;
  • А – азот;
  • Ф – ванадий;
  • Б – ниобий;
  • В – вольфрам;
  • Е – селен;
  • К – кобальт;
  • Л – бериллий;
  • М – молибден;
  • Р – бор;
  • Т – титан;
  • Ю – алюминий;
  • Ц – цирконий;
  • П – фосфор;
  • Ч – редкоземельные металлы.

Основным рабочим составом пермаллоя служит марка 79HM, у неё наибольшая магнитная проницаемость. В сплаве высокое содержание никеля и молибден в качестве легирующего компонента, который делает пермаллой более технологичным. Упрощается производственный процесс, материал становится более устойчив к механическим воздействиям, вырастает удельное электросопротивление, улучшается магнитная проницаемость соединения. У добавки молибдена есть отрицательный эффект – уменьшение индукции насыщения. Похожими особенностями в качестве улучшающего компонента обладает хром.

Марганец и кремний добавляют для увеличения удельного сопротивления. В сплавах с большой долей никеля для повышения электросопротивления и снижения темпа охлаждения в качестве легирующих добавок применяют хром, кремний, медь, ну и молибден, про который уже говорилось ранее.

Какие бывают магнитные системы

Сама наша планета является исключительно хорошо отлаженной магнитной системой. По этому же принципу выстроены и все остальные. Магнитотвердые материалы имеют функциональные свойства весьма разнообразные. В каталогах у поставщиков не зря даются не только их параметры, но и физические свойства. К тому же, это могут быть материалы магнитотвердые и магнитомягкие. Например, взять резонансные томографы, где используются системы с высокооднородным магнитным полем, и сравнить с сепараторами, где поле резко неоднородно. Совсем иной принцип! Освоены магнитные системы, где поле умеет включаться и выключаться. Именно так устроены захваты. А некоторые системы даже изменяют магнитное поле в пространстве. Это всем известные клистроны и лампы с бегущей волной. Свойства магнитомягких и магнитотвердых материалов поистине волшебные. Они подобны катализаторам, практически всегда выступают как посредники, но без малейшей потери собственной энергии умеют преобразовывать чужую, превращая один вид в другой.

Например, магнитный импульс превращается в механическую энергию в работе муфт, сепараторов и тому подобного. Механическая энергия превращается с помощью магнитов в электрическую, если мы имеем дело с микрофонами и генераторами. И наоборот бывает! В динамиках и моторах магниты превращают электричество в механическую энергию, например. И это еще не все. Механическую можно превратить даже в тепловую энергию, как это делает магнитная система в работе микроволновой печи или в тормозном устройстве. Способны магнитотвердые и магнитомягкие материалы и на специальные эффекты — в датчиках Холла, в магниторезонансных томографах, в работе СВЧ-связи. О каталитическом влиянии на химические процессы можно отдельную статью писать, как в воде градиентные магнитные поля воздействуют на структуры ионов, белковых молекул, растворенных газов.

4.4. Металлические магнитно-мягкие материалы

Основными магнитно-мягкими материалами, применяемыми в радиоэлектронной аппаратуре, являются карбонильное железо, пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремнистые стали.

4.4.1. Карбонильное железо

Представляет собой тонкодисперсный порошок, состоящий из частиц сферической формы диаметром 1–8 мкм.

μн = 2500 – 3000 μм = 20000 – 21000 Нс = 4.5 – 6.2 А/м

Его применяют при изготовлении высокочастотных магнитодиэлектрических сердечников.

4.4.2. Пермаллои

Пластичные железоникелевые сплавы с содержанием никеля 45–80%, легко прокатываются в тонкие листы и ленты, толщиной до 1 мкм. При содержании никеля 45–50% называются низконикелевыми, 60–80% — высоконикелевыми.

μн = 2000 – 14000 μм = 50000 – 270000 Нс = 2 – 10 А/м ρ = 0.25 – 0.45 мкОм·м

Для улучшения магнитных характеристик в пермаллои вводят молибден, хром, кремний или медь, отжигают в водороде или вакууме, при помощи турбомолекулярных насосов.

Легированные пермаллои применяют для деталей аппаратуры, работающих на частотах 1–5 МГц. В магнитных усилителях применяют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса.

4.4.3. Альсиферы

Представляют собой нековкие, хрупкие сплавы, состоящие из 5.5–13% алюминия, 9–10% кремния, остальное – железо.

μн = 6000 – 7000 μм = 30000 – 35000 Нс = 2.2 А/м ρ = 0.8 мкОм·м

Из него изготовляют литые сердечники, работающие в диапазоне до 50 кГц.

4.4.4. Низкоуглеродистые кремнистые стали

Представляют собой сплавы железа с 0.8–4.8% кремния, содержание углерода не более 0.08%. Это сравнительно дешевый материал. Введение большого количества кремния улучшает магнитные свойства материала, но повышает его хрупкость (поэтому кремния не более 4.8%).

Листы кремнистой стали изготавливают прокаткой заготовок в нагретом и ненагретом состояниях, поэтому различают горячекатанную и холоднокатанную сталь.

Улучшенные магнитные характеристики холоднокатанных сталей наблюдаются только при совпадении направления магнитного потока с напрвлением пркатки. В противном случае свойства горячекатанных сталей выше.

Таблица 4.1. Стали применяют в менее ответственных узлах РЭА.

μн

μм

Нс, А/м

Горячекатанная

300 — 400

6000 — 8000

31 – 33

холоднокатанная

600 — 900

2000 — 35000

9.5 – 14

Железо, никель и магнетизм Земли

Как показали недавние исследования совместно с группой Дж. Санджованни в Университете Вюрцбурга (Германия), магнитные свойства никеля проявляют черты как сходства, так и отличия от железа. Отличие атома никеля от железа состоит в том, что он имеет восемь, а не шесть d-электронов. Хотя, сходно с железом, локальная восприимчивость никеля подчиняется закону Кюри — Вейсса, в никеле она имеет совершенно иное происхождение, а именно, в значительной мере обусловлена зонной структурой, а не взаимодействием. Кроме того, в никеле локальный момент сравнительно мал и к тому же уже при высоких температурах частично экранирован. Единственная роль взаимодействия состоит в резком уменьшении температуры Кондо, выше которой локальные моменты хорошо определены, с нескольких тысяч до нескольких сотен градусов.

Под высоким давлением железо становится немагнитным. Но добавление небольшого количества никеля возвращает магнетизм

Эти (и некоторые другие, не описанные здесь) интересные особенности никеля получили недавно дальнейшее развитие в сплавах железо-никель под давлением. Под давлением железо оказывается в особой, так называемой эпсилон-фазе, которая кардинально отличается от «обычной» альфа-фазы железа. В частности, эпсилон-железо абсолютно не обладает локальными магнитными моментами. Однако добавление к эпсилон-железу атомов никеля даже в небольшой концентрации качественно изменяет ситуацию.

Альсифер

Важная особенность альсифера состоит в том, что его температурный коэффициент магнитной проницаемости в зависимости от содержания кремния и алюминия может быть меньше, больше или равен нулю. Альсифер является дешевым и недефицитным материалом.

Оптимальный состав альсифера: 9 5 % Si, 5 6 % Al, остальное — Fe. Такой сплав отличается твердостью и хрупкостью, но может быть изготовлен в виде фасонных отливок.

Кривые намагничивания образцов ленты толщиной 0 02 мм из сплавов марок.| Зависимость начальной проницаемости от частоты для образцов из сплавов марок.

Тонкие порошки альсифера используют как магнитную составляющую при изготовлении высокочастотных магнитодиэлектриков. Зависимость начальной проницаемости альсифера от состава сплава имеет очень острый максимум, что существенно затрудняет его промышленное изготовление. Для получения необходимого состава нужны высокая чистота исходных материалов и проведение плавки в вакууме или в атмосфере нейтральных газов.

Важная особенность альсифера состоит в том, что его температурный коэффициент магнитной проницаемости в зависимости от содержания кремния и алюминия может быть меньше, больше или равен нулю. Альсифер является дешевым и недефицитным материалом.

Кривые намагничивания пермаллоя 80НХС.

Вследствие хрупкости альсифера толщина стенок должна быть не менее 1 — 2 мм, а это ввиду малого электрического сопротивления изделия полностью исключает возможность использования отливок из альсифера в цепях переменного тока даже при частоте 50 Гц.

Важной особенностью альсифера является то, что его температурный коэффициент магнитной проницаемости в зависимости от содержания кремния и алюминия может быть меньше, больше или равен нулю. Альсифер является дешевым и недефицитным материалом.
 . Важная особенность альсифера состоит в том, что его температурный коэффициент магнитной проницаемости в зависимости от содержания кремния и алюминия может быть меньше, больше или равен нулю

Альсифер является дешевым и не дефицитным материалом.

Важная особенность альсифера состоит в том, что его температурный коэффициент магнитной проницаемости в зависимости от содержания кремния и алюминия может быть меньше, больше или равен нулю. Альсифер является дешевым и не дефицитным материалом.

Примеси в альсифере ухудшают его электромагнитные параметры.

Карбонильное железо и альсифер практически не подвержены старению; магнитная проницаемость этих материалов в очень незначительной мере зависит от напряженности. При изготовлении контурных катушек индуктивности в большинстве случаев используются сердечники из карбонильного железа.

Алюминиекремнежелезный сплав, называемый альсифер, также отличается высокой начальной магнитной проницаемостью и высоким электросопротивлением, его состав: 5 4 % А1; 9 6 % Si; 85 % Fe. Альсифер гораздо дешевле пермаллоя, но хрупок и не может быть прокатан в листы, поэтому применяется или в виде отливок или в виде порошка.

Способ изготовления сплава альсифера состоит в том, что в тигле высокочастотной плавильной печи расплавляют шихту, состоящую из железа, алюминия и ферросилиция. Приготовленный сплав отливается в стержни или пластины произвольной формы.

Изготовление сердечников из альсифера полностью соответствует изложенному. Это объясняется тем, что зерна альсифера имеют грани, которые при давлении 8 — 10 Т / см2 могут вызвать разрушение изоляционной пленки между зернами, что влечет за собой повышение потерь на вихревые токи.

Особенностью сердечников из альсифера является наличие у них отрицательного температурного коэффициента магнитной проницаемости. Это позволяет создавать Магнитодиэлектрики из смеси карбонильного железа и альсифера с необходимым уровнем и знаком температурного коэффициента магнитной проницаемости.

Магнитно-мягкие материалы

Магнитно-мягкие материалы должны иметь высокую начальную и максимальную магнитную проницаемость и низкую коэрцитивную силу. Кроме этого, они должны обладать незначительными потерями при перемагничивании на вихревые токи, обладать малой площадью петли гистерезиса и сравнительно высоким электрическим сопротивлением.

Изготовление магнитно-мягких изделий литьём трудоёмко и связано с большими потерями материала. Себестоимость магнитно-мягких спеченных деталей гораздо ниже себестоимость тех же деталей, изготовленных путём обработки на металлорежущих станках из компактного материала. При этом в ряде случаев требования промышленности настолько высоки, что выполнение их на базе существующей технологии изготовления магнитно-мягких материалов невозможно.Наиболее широко применяемыми магнитно-мягкими материалами являются чистое железо, сплавы железа с никелем (типа пермаллоя), с кремнием и алюминием (типа альсифера), с хромом или алюминием и другими. Порошок железа, применяемый как основа магнитно-мягких материалов, должен содержать углерода не более 0,07%. Состав и свойства некоторых магнитно-мягких материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Состав и свойства некоторых магнитно-мягких материалов

Состав материала, %   Удельное электросопротивление ρ, мкОм⋅см   Магнитные свойства в статических полях
Остаточная магнитная индукция В800, Тл Коэрцитивная сила , Нс, А/М Максимальная магнитная проницаемость μmax·103
 99 Fe  10,0  1,30  76,0  3,80
 99 Fe, 1P  41,0  1,35  75,0  5,00
 97 Fe, 2Si  44,6  1,00  120,0  1,90
 96 Fe, 4Si  70,5  1,00  128,0  2,10
 94 Fe, 6Si  146,9  0,90  72,0  4,40
 88 Fe, 12Al  95,0  1,30  36,0  8,20
 50 Fe, 50 Ni  40,0  1,55  5,8  40,20
 14 Fe, 72 Ni, 14 Cu  29,0 0,62  4,0  48,00
 22 Fe, 78 Ni  –  0,90  4,8  72,50

При изготовлении магнитно-мягких материалов из железного порошка необходимое количество его смешивают с определенной дозой стеротекса (цинковая соль стеариновой кислоты) для улучшения прессуемости порошка. Затем проводят прессование и спекание в атмосфере водорода. Охлаждение после спекания осуществляют в холодильнике печи также в атмосфере водорода. После спекания изделия подвергают допрессовке, после которой проводят повторное спекание в водороде (отжиг).

В результате такой обработки получают изделия, имеющие характеристики:

  • остаточная магнитная индукция В800, Тл – 0,9
  • максимальная магнитная проницаемость μmax, мГн/м –3400 –3500
  • коэрцитивная сила Нс, А/м – 96–104

Чистое железо имеет низкое электросопротивление. Поэтому для изделий из него характерны большие потери на вихревые токи. Для снижения этих потерь применяют сплавы железа с кремнием, кремнием и алюминием или другими легирующими добавками. Лучшие свойства достигаются при содержании кремния 4–6 %. Сплавы с большим содержании кремния имеют высокую твердость, повышенную хрупкость и плохую обрабатываемость.

Сплавы типа пермаллоя можно получать как из механической смеси порошков, так и из порошков полученных путем совместного осаждения карбонилов железа и никеля. Сплав, получаемый совместным легированием карбонилов, имеет более высокие свойства, чем полученный механическим смешиванием отдельных компонентов. Так, в первом случае коэрцитивная сила Нс= 0,537 А/м, максимальная магнитная проницаемость μmax= 6,62 мГн/м , а во втором соответственно Нс=0,0417 А/м, μmax= 3,49 мГн/м.

В настоящее время разработан электролитический метод получения порошковых магнитно-мягких сплавов типа тройного пермаллоя (Ni–Fe–Mo) и четверных супермаллоев ( Ni–Fe–Mo–Mn и Ni–Fe–Mo–Cu) с высокими магнитными свойствами. Из-за высокой твердости частиц такие порошки плохо прессуются. Для улучшения прессуемости в состав вводят определенное количество пластмассы, которая при спекании в водороде полностью удаляется и не влияет на магнитные свойства.В ряде случаев для улучшения свойств магнитно-мягких материалов проводят термомагнитную обработку, которая заключается в нагреве магнитных изделий до температуры порядка 710 °С с выдержкой при этой температуре и последующем охлаждением в магнитном поле. Магнитная проницаемость после такой обработки повышается.

Почему магнит притягивает лишь определенные вещества?

Принцип его работы построен на создании магнитного поля при помощи движущихся электронов. В целом электрон является простейшим магнитом. А любая заряженная частица, находящаяся в движении, образует магнитное поле. Если движущихся частиц много, а их перемещение происходит вокруг одной оси, получается тело с магнитными свойствами.

Почему в таком случае магнит не притягивает все вещества подряд? В состав атома входит ядро, а также электроны, вращающиеся вокруг него. У электронов есть специальные уровни, по которым они вращаются, или орбиты. На каждом таком уровне расположено по 2 электрона. Причем вращаются они в разных направлениях.

Однако есть вещества под названием ферромагнетики. Некоторые электроны у них непарные. Соответственно, определенное их количество может вращаться в одном и том же направлении. Так создается магнитное поле вокруг каждого атома вещества.

Обычно атомы находятся в произвольном порядке. В таком случае поля уравновешивают друг друга. Но если же направить магнитные поля всех атомов в одном направлении, получается магнит. Примечательно, что притягиваться могут разные металлы и другие вещества, но намного слабее по сравнению с ферромагнетиками. Чтобы ощутить притяжение, необходимо задействовать очень сильный магнит.

Направление магнитного поля

К ферромагнетикам относятся такие металлы, как железо, кобальт, никель, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий. Также аналогичными свойствами характеризуются некоторые металлические сплавы и соединения. Количество ферромагнетиков неметаллического происхождения не так велико или пока мало изучено. К ним относится, например, оксид хрома.

Магнитной восприимчивостью характеризуются вещества (преимущественно металлы), которые обладают определенной структурой. Их называют ферромагнетиками – это вещества, у которых магнитные поля атомов складываются в одном направлении. Помимо железа, к ферромагнетикам относятся кобальт, никель, тербий, гадолиний, диспрозий, гольмий, эрбий. Также магнит притягивает некоторые сплавы и даже неметаллические вещества – например, оксид хрома.

Проницаемость и потери энергии

Чтобы охарактеризовать поведение материала в поле напряженности, нужно использовать такое понятие как абсолютная магнитная проницаемость. Существуют определения импульсной, дифференциальной, максимальной, начальной, нормальной магнитной проницаемости. Относительная прослеживается по основной кривой, поэтому такое определение не употребляется — для простоты. Магнитная проницаемость при условиях, когда Н = 0 называется начальной, и ее можно определить только при слабых полях, приблизительно до 0,1 единиц измерения. Максимум, напротив, характеризует наибольшую магнитную проницаемость. Значения нормальной и максимальной предоставляют возможность наблюдать нормальный ход процесса в каждом частном случае. В области насыщения в сильных полях магнитная проницаемость всегда стремится к единице. Все эти значения необходимы для использования магнитотвердых материалов, применяют их всегда.

Потери энергии при перемагничивании необратимы. Электричество выделяется в материале как тепло, и потери его складываются из динамических потерь и потерь на гистерезис. Последние получаются при смещении стенок доменов, когда процесс намагничивания только начинается. Поскольку магнитный материал имеет структуру неоднородную, энергия обязательно затрачивается на выравнивание стенок доменов. А динамические потери получаются в связи с вихревыми токами, возникающими в момент изменения напряженности и направления магнитного поля. Таким же образом рассеивается энергия. И потери из-за вихревых токов превосходят на высоких частотах даже потери на гистерезис. Также динамические потери получаются в связи с остаточными изменениями состояния магнитного поля после того, как изменилась напряженность. Количество потерь последействия зависит от состава, от термической обработки материала, появляются они сугубо на высоких частотах. Последействие — это магнитная вязкость, и эти потери всегда учитываются, если ферромагнетики используются в импульсном режиме.

Гость форума
От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.