Основные характеристики и свойства магнитных материалов
Классификация и области использования магнитных материалов
Лекции №9-10
РАЗДЕЛ 5. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Электрическая прочность диэлектриков
Электрической прочностью называется свойство диэлектрика сохранять свое электрическое сопротивление при приложении напряжения. Потери диэлектриком своих изоляционных свойств при превышении напряженности поля некоторого критического значения называется пробоем, напряжение – пробивным напряжением.
Электрическую прочность определяю величиной пробивного напряжения, отнесенного к толщине диэлектрика в месте пробоя:
Пробой диэлектриков может наступать в результате электрических, тепловых, а также электрохимических процессов, происходящих под действием электрического поля. Механизм пробоя лучше всего рассматривать в зависимости о агрегатного состояния вещества.
Электрическая прочность измеряется в вольтах на единицу расстояния (обычно В/см) и сильно варьирует с диэлектриком:
§ cлюда, кварц и другиe твёрдые диэлектрики с хорошими изолирующими свойствами обладают прочностью до 106—107 В/см;
§ электрическая прочность жидкого диэлектрика очень сильно зависит от его чистоты и также может достигать 106 В/см;
§ электрическая прочность газов линейно зависит от давления (закон Пашена) и существенно — от толщины слоя («отклонения» от закона Пашена); в случае воздуха в нормальных условиях с толщиной слоя 1 см электрическая прочность составляет приблизительно 3×104 В/см, у элегаза — в 2-4 раза выше.
5.1.1 Определение магнитных материалов
Магнитными материалами называют материалы, основным свойством которых является способность намагничиваться под влиянием внешнего магнитного поля. Некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнитного поля.
К магнитным материалам относятся материалы на основе чистого железа, никеля, кобальта и их сплавов.
5.1.2. Основные типы магнитного состояния вещества (диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, ферримагнетики, антиферромагнетики)
В соответствии с магнитными свойствами все материалы делятся на следующие группы: диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные, антиферромагнитные и ферримагнитные.
Диамагнетизм наблюдается во всех веществах и связан тем, что внешнее магнитное поле оказывает влияние на орбитальное движение электронов, вследствие чего индуцируется магнитный момент, направленный навстречу внешнему полю. После снятия внешнего магнитного поля индуцированный магнитный момент диамагнетика исчезает. Магнитная восприимчивость диамагнетиков кd (отрицательная) по абсолютному значению очень мала; она не зависит ни от температуры, ни от напряженности магнитного поля. Диамагнетик выталкивается из магнитного поля.
К диамагнитным веществам относятся инертные газы, водород, медь, цинк, свинец (вещества, состоящие из атомов с полностью заполненными электронными оболочками). Магнитный момент их атомов равен нулю.
Парамагнитные вещества отличаются тем, что состоят из атомов с не полностью заполненными оболочками, т.е. обладающих магнитными моментами. Но такие атомы находятся друг от друга достаточно далеко, так, что взаимодействие между ними отсутствует. Поэтому у парамагнетиков магнитные моменты атомов ориентируются в направление внешнего магнитного поля и усиливают его.
Магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна, имеет небольшое значение от 10-5 до10-2 и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, но зависит от температуры. К парамагнетикам относятся Na и редкоземельные элементы, поскольку их атомы всегда обладают магнитными моментами. Парамагнетик втягивается в магнитное поле.
Ферромагнитные вещества содержат атомы, обладающие магнитным моментом (незаполненные электронные оболочки), однако расстояние между ними не так велико, как в парамагнетиках, в результате чего между атомами возникает взаимодействие, которое называется обменным (предполагается, что соседние атомы обмениваются электронами). В результате такого взаимодействия энергетически выгодной в зависимости от расстояния становится параллельная ориентация магнитных моментов соседних атомов (ферромагнетизм) либо антипараллельная (антиферромагнетизм).
Под воздействие обменных сил параллельная ориентация магнитных моментов атомов ферромагнитного вещества происходит в определенных областях, называемых доменами. В пределах домена материал в отсутствие внешнего поля намагничен до насыщения благодаря обменному взаимодействию отдельных атомов. Это взаимодействие действует только до определенной критической температуры, которая называется температурой Кюри. Выше температуры Кюри домены разрушаются и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Ферромагнитные вещества легко намагничиваются в слабых магнитных полях. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость ферромагнетиков велики (до 106) и сильно зависят от температуры, а также от напряженности магнитного поля.
Антиферромагнетиками называют материалы, в которых во время обменного взаимодействия соседних атомов происходит антипараллельная ориентация их магнитных моментов. Так как магнитные моменты соседних атомов взаимно компенсируются, антиферрромагнетики не обладают магнитным моментом, а характеризуются магнитной восприимчивостью, которая близка к восприимчивости парамагнетиков. Выше некоторой критической температуры, которая получила название температуры Нееля (аналогична температуре Кюри), магнитоупорядоченное состояние антиферромагнетика разрушается и он переходит в парамагнитное состояние.
К феррримагнетикам относятся вещества, в которых обменное взаимодействие осуществляется не непосредственно между магнитноактивными атомами, как в случае ферромагнетизма, а через немагнитный ион кислорода. Такое взаимодействие называют косвенно обменным или сверхобменным. Это взаимодействие в большинстве случаев в ферримагнитных веществах приводит к антипараллельной ориентации магнитных моментов соседних ионов (т.е. к антиферромагниному упорядочению). Однако количество ионов с магнитными моментами, ориентированными условно вверх и вниз, а также величины их моментов неодинаковы. Поэтому магнитные моменты ионов не полностью компенсируются и ферримагнитные вещества обладают магнитным моментом и имеют доменную структуру, которая исчезает выше температуры Кюри.
Диа- пар- и антиферромагнитные вещества относятся к слабомагнитным, а ферро- и ферримагнитные вещества являются сильномагнитными и поэтому именно они нашли техническое применение в качестве магнитных материалов в электротехнике.
5.1.3.Общие сведения о группах магнитных материалов (магнитомягкие, магнитотвердые, материалы специализированного назначения)
Магнитные материалы в зависимости от их свойств классифицируются следующим образом:
1. Магнитомягкие материалы – материалы с высокой проницаемостью в слабых и средних полях и низкой коэрцитивной силой. К ним относятся электротехнические стали, пермаллой, викаллой, термаллой.
Магнитомягкие материалы применяются для изготовления магнитопроводов электрических машин, магнитопроводов трансформаторов и реакторов, полюсных наконечников, сердечников, катушек, дросселей электромагнитов и т.д.
2. Магнитотвердые материалы с высокой коэрцитивной силой. Применяются для изготовления постоянных магнитов электрических машин, электроизмерительных приборов, магнитных муфт и т.д.
3. Прецизионные материалы со специальными свойствами (высокой магнитострикцией, термомагнитными, коррозионностойкими и другими свойствами).
Магнитные прецизионные материалы со специальными свойствами применяются для изготовления магнитострикционных преобразователей, магнитопроводов систем, работающих в агрессивных средах, магнитных шунтов измерительных приборов.
Магнитные материалы классифицируются также в соответствии с их основой. Различают: металлические материалы, неметаллические материалы, магнитодиэлектрики.
Металлические магнитомягкие материалы – это чистое железо, листовая электротехническая сталь, железо-армко, пермаллои ( железно-никелевые спавы) и др.
Металлические магнитотвердые материалы – это легированные стали, специальные сплавы на основе железа, алюминия, никеля и легирующих компонентов (кобальт, кремний).
Неметаллические магнитные материалы – это материалы, получаемые из порошкообразной смеси окислов некоторых металлов, и окиси железа – ферриты. Ферриты делятся на магнитомягкие и магнитотвердые. Прессованные ферритовые изделия подвергают высокотемпературной обработке – обжигу при температуре 1300 – 1500˚С.
Магнитодиэлектрики – это композиционные материалы которые включают 70-80% порошкообразного магнитного материала и 30-20% органического высокополимерного диэлектрика.
Магнитодиэлектрики и ферриты отличаются от металлических магнитных материалов большими значениями удельного электрического сопротивления. Это значительно снижает потери на вихревые токи, что позволяет использовать эти материалы в технике высоких частот.
Магнитные свойства материалов характеризуются рядом физических величин или магнитными характеристиками: петлей гистерезиса, кривой намагничивания, магнитной проницаемостью, потерями энергии при перемагничивании.
Основные физические свойства магнита определяются характером размагничивающей ветви петли магнитного гистерезиса материала, из которого изготовлен магнит. Чем больше коэрцитивная сила Hc и остаточная магнитная индукция Br материала, то есть чем более магнитно-твёрдым является материал, тем лучше он подходит для магнита. Индукция в магните может равняться наибольшей остаточной индукции Br лишь в том случае, если он представляет собой замкнутый магнитопровод. Обычно же магнит служит для создания магнитного потока в воздушном зазоре, например, между полюсами подковообразного магнита. Воздушный зазор уменьшает индукцию (и намагниченность) магнита; влияние зазора подобно действию некоторого внешнего размагничивающего поля Hd. Значение поля Hd, уменьшающего остаточную индукцию Br до значения Bd, определяется конфигурацией магнита. Таким образом, при помощи магнита могут быть созданы магнитные поля, индукция которых В ≤ Br.
Действие магнита наиболее эффективно в том случае, если состояние магнита соответствует точке кривой размагничивания, где максимально значение (BH)max, то есть максимальна магнитная энергия единицы объёма магнитного материала.
Важным условием для достижения наивысших магнитных характеристик магнита является его предварительное намагничивание до состояния магнитного насыщения. Другое важное требование – неизменность магнитных свойств со временем и при воздействии неблагоприятных условий внешней среды.
5.2.1 Магнитная индукция и напряженность магнитного поля
Магнитная индукция B – векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства.
Определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд, движущийся в магнитном поел с определенной скоростью.
Единица измерения в системе СИ: Тесла.
Напряжённость магнитного поля Н — векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M.
Единица измерения в системе СИ: амперы на метр (А/м).
5.2.2 Намагниченность
Намагниченность – векторная физическая величина, характеризующая магнитное состояние макроскопического физического тела. Обозначается обычно М или J.
Определяется как магнитный момент единицы объёма вещества.
Единица измерения в системе СИ: А/м-1.
2.5.3 Магнитная проницаемость
Для характеристики поведения магнитных материалов в поле с напряженностью Н пользуются понятиями абсолютной магнитной проницаемости μа и относительной магнитной проницаемости μr:
μа= В/Н
μа= μ0 · μr ,
где μ0 = 4·π · 107 - магнитная постоянная, Гн/м.
Относительную магнитную проницаемость материала μr получают по основной кривой намагничивания. Для простоты индекс и слово «относительная» не упоминается.
Наиболее часто используют понятия нормальной μ, начальной μн, максимальной μмах, дифференциальной μдиф и импульсной μимп магнитной проницаемости.
5.2.4 Магнитная восприимчивость
Магнитная восприимчивость – физическая величина, характеризующая связь между магнитным моментом (намагниченностью) вещества и магнитным полем в этом веществе.
Магнитная восприимчивость определяется отношением намагниченности единицы объёма вещества к напряжённости намагничивающего магнитного поля. Является величиной безразмерной.
Магнитная восприимчивость большинства веществ (за исключением большей части диамагнетиков и некоторых парамагнетиков — щелочных и, в меньшей степени, щёлочноземельных металлов) обычно зависит от температуры вещества.
У парамагнетиков магнитная восприимчивость уменьшается с температурой, подчиняясь закону Кюри — Вейса. У ферромагнетиков магнитная восприимчивость с ростом температуры увеличивается, достигая резкого максимума вблизи точки Кюри.
Магнитная восприимчивость антиферромагнетиков увеличивается с ростом температуры до точки Нееля, а затем падает по закону Кюри — Вейса.
Кривая Столетова –зависимость магнитной восприимчивости от температуры вещества
5.2.5 Кривая намагничивания
Деление ферромагнетика на домены ограничивается энергией, затрачиваемой на образование границ между доменами. Линейный размер доменов имеет порядок от 10-2 до 10-5 см. Толщина доменной границы достигает нескольких сотен нанометров.
При наложении внешнего магнитного поля происходит рост объема доменов, которые имеют направление намагниченности, совпадающее или близкое к направлению напряженности поля. Зависимость магнитной индукции ферромагнитного вещества от напряженности внешнего поля называют кривой намагничивания (рис.1.)
В
1 2 3 4
Н
Рисунок 1 – Основная кривая намагниченности ферромагнетика
Кривую можно разделить на несколько участков, которые характеризуются определенными процессами намагничивания. В области слабых полей (участок 1) магнитные восприимчивость и проницаемость не изменяются. Изменение магнитной индукции в этой области происходит в основном за счет обратимых процессов, которые обусловлены смещением границ доменов.
Участок 2 кривой намагничивания характеризуется тем, что здесь происходит неупругое смещение границ доменов, т.е. процесс не является обратимым. В области приближения к насыщению (участок 3) изменение индукции объясняется в основном процессом вращения, когда направление вектора намагниченности самопроизвольных областей приближается к направлению внешнего поля. Полная ориентация намагниченности по полю соответствует техническому насыщению (участок 4).
5.2.6 Петля гистерезиса
При циклическом изменении напряженности магнитного поля кривая изменения индукции (кривая перемагничивания) имеет форму замкнутой кривой – называемой петлей гистерезиса. Магнитным гистерезисом называется явление отставания изменения магнитной индукции от вызывающей эти изменения напряженности магнитного поля.
 |
Рисунок 2 – Петля магнитного гистерезиса
Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения намагничивания, называют предельной петлей гистерезиса. Она характеризуется максимально достигнутым значением индукции Вs, называемым индукцией насыщения.
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 Вs , остаточную индукцию Вс, коэрцитивную силу Нс.
5.2.7 Остаточная индукция и индукция насыщения
Остаточная магнитная индукция Br
Единица измерения в системе СИ – Тесла.
Определяет, насколько сильное магнитное поле (плотность потока) может производить магнит.
Максимальный магнитный поток, который может создать магнит, измеряемый только в замкнутой магнитной системе.
2.5.8 Коэрцитивная сила
Коэрцитивная (задерживающая) магнитная сила Hc.
Единицы измерения в системе СИ – Ампер/метр.
Определяет величину внешнего магнитного поля, при котором магнит, первоначально намагниченный до состояния насыщения, становится ненамагниченным (размагничивается).
Чем больше коэрцитивная сила, тем "прочнее" магнитный материал удерживает остаточную намагниченность.
По смыслу данная величина характеризует сопротивляемость магнита размагничиванию, а по определению – это величина внешнего магнитного поля, требуемого для полного размагничивания магнита, намагниченного до состояния насыщения.
5.2.9 Магнитные потери
Потери энергии при перемагничивании
Это необратимые потери электрической энергии, которая выделяется в материале в виде тепла.
Потери на перемагничивание магнитного материала складываются из потерь на гистерезис и динамических потерь.
Потери на гистерезис создаются в процессе смещения стенок доменов на начальной стадии намагничивания. Вследствие неоднородности структуры магнитного материала на перемещение стенок доменов затрачивается магнитная энергия.
Потери энергии на гистерезис:
Рr= а· f
где а – коэффициент, зависящий от свойств и объема материала;
f – частота тока, Гц.
Динамические потери Рвт вызываются частично вихревыми токами, которые возникают при изменении направления и напряженности магнитного поля; они также рассеивают энергию:
Рвт= b · f2
где b – коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления, объема и геометрических размеров образца.
Потери на вихревые токи из-за квадратичной зависимости о частоты превосходят потери на гистерезис на высоких частотах.
К динамическим потерям относятся также потери на последействие Рп (магнитную вязкость), которые связаны с остаточным изменением магнитного состояния после изменения напряженности магнитного поля. Они зависят от состава и термической обработки магнитного материала и проявляются на высоких частотах. Потери на последействие необходимо учитывать при использовании ферромагнетиков в импульсном режиме.
Общие потери в магнитном материале:
Р= Рr + Рвт + Рп
Магнитострикция
При намагничивании магнитных материалов наблюдается изменение их размеров и формы, такое явление называется магнитострикция. Она может быть объемной (изменение объема тела) и линейной (изменение размеров тела).
По своей природе линейная магнитострикция анизотропна. Так, например, для монокристаллического железа, намагниченного в направлении ребра куба, линейные размеры в этом направлении уменьшаются, при намагничивании вдоль диагонали куба увеличиваются, т.е. магнитострикция может быть как положительной, так и отрицательной.