Какие вещества обладают магнитными свойствами

Какие вещества обладают магнитными свойствами

Физика

Электродинамика

Магнитное поле

Механические колебания

Электромагнитные колебания

Механические волны

Электромагнитные волны

Оптика

Геометрическая оптика

Задачи на сферическое зеркало

Линза

Волновая оптика

Основы теории относительности

Основы квантовой физики

Излучения и спектры

Световые кванты

Атомная физика

Ядерная физика

Физика элементарных частиц

Открытие позитрона. Античастицы

Современная физическая картина мира

Современная физическая картина мира

Строение Вселенной

Строение Вселенной

Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звёзд

Наша галактика и другие галактики

Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной

Применимость законов физики для объяснения природы космических объектов

«Красное смещение» в спектрах галактик

Современные взгляды на строение и эволюцию Вселенной

Наблюдение солнечных пятен, звёздных скоплений, туманностей и галактик

Медиаматериалы

Магнитные материалы

Магни́тные материа́лы, вещества, обладающие магнитными свойствами. Под данное определение попадают практически все известные материалы, поскольку все они содержат электроны и проявляют, по крайней мере, диамагнитные свойства, следовательно, могут называться диамагнитными материалами . Для того чтобы сузить спектр рассматриваемых материалов на практике, в физике и технике под магнитными материалами в первую очередь понимают материалы, обладающие теми или иными сильно выраженными магнитными, магнитотепловыми, магнитоупругими , магниторезистивными или другими свойствами и/или оригинальными магнитными структурами . В магнитных материалах, как правило, в определённой области температур существуют области спонтанной намагниченности (в объёмных материалах они разбиваются на магнитные домены ), в которых сохраняется отличная от нуля намагниченность как до, так и после выключения приложенного внешнего магнитного поля . Важно различать термины «магнитный материал» и « магнит ». Последний, как правило, обозначает тело или объект, который создаёт своё собственное магнитное поле.

Рис. 1. Виды магнетизма. Архив БРЭ. Рис. 1. Виды магнетизма. Архив БРЭ. Характер поведения магнитных материалов зависит от магнитного поля, температуры, давления, и их свойства могут сильно варьироваться при изменении кристаллической и главным образом электронной структуры материала. В зависимости от последней выделяют различные виды магнетизма, классификация которых представлена на рис. 1. Многообразие видов магнетизма обусловливает большое разнообразие типов магнитного упорядочения, наблюдаемого в магнитных материалах, и является основой для их классификации; выделяют большие классы материалов – ферромагнетики , ферримагнетики , антиферромагнетики , суперпарамагнетики , спиновое стекло , спиновый лёд и др. Кроме того, возможна классификация по химическому составу (например, редкоземельные магнетики, оксиды, халькогениды и др.); по типу кристаллической структуры (например, материалы со структурой шпинели , перовскита , граната и др.); по типу внутреннего строения ( поликристаллические , монокристаллические , аморфные ); по типу электропроводности (металлы, магнитные полупроводники , магнитные диэлектрики ); по форме вещества ( магнитные плёнки , порошки, магнитные жидкости , гели, пены , композиционные материалы и др.); по массе (например, магнитомягкая листовая сталь выпускается в виде многотоннажных рулонов, а ярмо лабораторного электромагнита может весить до нескольких сотен килограммов); по целевому назначению ( магнитострикционные материалы , термомагнитные сплавы , магнитные диэлектрики, сегнетомагнетики , магнитооптические материалы, материалы для СВЧ и др.).

Внешнее магнитное поле, воздействуя на магнитный материал, может изменять его магнитные, электронные и структурные параметры, что проявляется, например, в изменении геометрических размеров материала ( магнитострикция ), его электрического сопротивления ( магнитосопротивление ), температуры ( магнитокалорический эффект ) и т. д. В ряде магнитных материалов эти эффекты достигают гигантских величин, что обеспечивает их широкое применение в различных областях техники и электроники.

Рис. 2. Магнитная фазовая диаграмма гольмия. Репродукция графика из статьи: Zverev V. I., Tishin A. M., Zou Min, Mudryk Ya., Gschneidner K. A. Jr and Pecharsky V. K. Magnetic and magnetothermal properties and the magnetic phase diagram of single-crystal holmium along the easy magnetization direction // Journal of Physics: Condensed Matter. 2015. Vol. 27, N. 14. Рис. 2. Магнитная фазовая диаграмма гольмия. Репродукция графика из статьи: Zverev V. I., Tishin A. M., Zou Min, Mudryk Ya., Gschneidner K. A. Jr and Pecharsky V. K. Magnetic and magnetothermal properties and the magnetic phase diagram of single-crystal holmium along the easy magnetization direction // Journal of Physics: Condensed Matter. 2015. Vol. 27, N. 14. В ряде случаев, как, например, в редкоземельных материалах , в зависимости от температур и/или магнитных полей в одном материале могут проявляться различные типы магнитного упорядочения или их комбинации. Так, среди антиферромагнетиков можно выделить ряд редкоземельных материалов с крайне сложными магнитными фазовыми диаграммами : в той или иной области температур и магнитных полей могут существовать, например, геликоидальные, конические, веерные, структуры спинового проскальзывания, а также их комбинации и другие структуры (рис. 2).

В отдельный класс выделяют магнитные наноструктуры . В некоторых случаях без указания точного геометрического размера нельзя утверждать, в каком состоянии находится материал, например, один и тот же материал может обладать магнитными свойствами в наносостоянии и сегнетоэлектрическими – в объёмном состоянии.

Рис. 3. Спектр магнитомягких и магнитотвёрдых материалов. Источник: материалы компании VACUUMSCHMELZE GmbH & Co. KG, Hanau. Рис. 3. Спектр магнитомягких и магнитотвёрдых материалов. Источник: материалы компании VACUUMSCHMELZE GmbH & Co. KG, Hanau. Классификацию магнитных материалов можно проводить и по их основным характеристикам: намагниченности насыщения M s , M_>, M s ​ , остаточной намагниченности M r , M_>, M r ​ , коэрцитивной силе H c , H_>, H c ​ , магнитной проницаемости μ , \mu, μ , температуре магнитного фазового перехода ( T C (T_> ( T C ​ или T N ) , T_>), T N ​ ) , константам магнитной анизотропии , величинам магнитострикции, магнитосопротивления, магнитокалорического эффекта и др. Магнитные материалы подразделяют на магнитомягкие материалы – материалы с малой величиной H c H_> H c ​ и большими μ \mu μ и M s , M_>, M s ​ , и магнитотвёрдые материалы – материалы с большими величинами H c H_> H c ​ и M r M_> M r ​ (рис. 3). Термины «магнитомягкий материал» и «магнитотвёрдый материал» определяют исключительно магнитные свойства материалов и не характеризуют их механические свойства.

Одним из самых хороших и вместе с этим самым дорогих магнитомягких материалов является сплав FeCo \text FeCo c содержанием кобальта 48–50 %, имеющий торговое название пермендюр. Как можно видеть (рис. 4) «моторный» (применяемый в электромоторах и генераторах) сплав Fe 50 Co 50 \text_\text_ Fe 50 ​ Co 50 ​ (Vacoflux 50) имеют величину H c < H_c< H c ​ < 0,8 А/м, что почти в 30 раз меньше магнитного поля Земли. При этом, величина намагниченности насыщения 2,2 Тл данного сплава на 42 % превышает намагниченность соединения FeSi 3 . \text_3. FeSi 3 ​ .

Рис. 4. Статические петли гистерезиса для сплавов FeCo. Репродукция графика из статьи: Soft Magnetic Cobalt-Iron-Alloys. VACOFLUX 48, VACOFLUX 50, VACODUR 50, VACOFLUX 17. Hanau, 2001. Рис. 4. Статические петли гистерезиса для сплавов FeCo. Репродукция графика из статьи: Soft Magnetic Cobalt-Iron-Alloys. VACOFLUX 48, VACOFLUX 50, VACODUR 50, VACOFLUX 17. Hanau, 2001. Помимо электротехнических сталей на основе железа , промышленностью освоен выпуск целого ряда других магнитомягких материалов, таких как пермаллой , инвар , ковар и другие, которые выпускаются в виде слитков, проволоки, листов, лент, стержней и т. д. Применение магнитных материалов определяется общей совокупностью их свойств, а также характером зависимости этих свойств от температуры. Области их применения чрезвычайно разнообразны. Они широко используются: для магнитной записи информации ( магнитная лента , магнитные диски , другие магнитные носители); в банковских картах ; громкоговорителях , динамиках и микрофонах; электродвигателях и генераторах электрического тока ; трансформаторах ; компасах ; магнитных держателях; магнитных сепараторах и т. д. Магнитные материалы применяют в диагностике и лечении различных заболеваний ( магнитно-резонансная томография , адресная магнитная доставка лекарств , магнитная гипертермия и т. п.). Магнитные материалы окружают нас в быту. Дверь холодильника остаётся закрытой благодаря притяжению магнитной резины ( магнитопласт ), расположенной по периметру двери. Магнитный винил используют как основу для наклеек на холодильник. В каждом мобильном телефоне есть три постоянных магнита марки неодим-железо-бор (в вибровызове, динамике и микрофоне). Известно применение магнитных материалов в музыкальных инструментах – например, в электрогитарах используют магнитные пикапы для превращения вибрации струн гитары в электрический ток , который затем может быть усилен. Тишин Александр Метталинович , Зверев Владимир Игоревич

Опубликовано 1 марта 2023 г. в 13:30 (GMT+3). Последнее обновление 24 января 2024 г. в 16:14 (GMT+3). Связаться с редакцией

Какие вещества обладают магнитными свойствами

Все вещества являются магнетиками и намагничиваются во внешнем магнитном поле.

По магнитным свойствам материалы подразделяются на слабомагнитные (диамагнетики и парамагнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики и ферримагнетики).

Парамагнетики – вещества с магнитной проницаемостью μ_r > 1, которая в слабых полях не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К парамагнетикам относятся вещества, атомы (молекулы) которых в отсутствие намагничивающего поля обладают магнитным моментом отличным от нуля: кислород, оксид азота, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов, щелочные металлы, алюминий, платина.

У диамагнетиков и парамагнетиков магнитная проницаемость μ_r близка к единице. Применение в технике в качестве магнитных материалов носит ограниченный характер.

У сильномагнитных материалов магнитная проницаемость значительно больше единицы ( μ_r >> 1) и зависит от напряженности магнитного поля. К ним относятся: железо, никель, кобальт и их сплавы, а также сплавы хрома и марганца, гадолиний, ферриты различного состава.

Магнитные свойства материалов оценивают физическими величинами, называемыми магнитными характеристиками.

Магнитная проницаемость

Различают относительную и абсолютную магнитные проницаемости вещества (материала), которые между собой связаны соотношением

μ_o – магнитная постоянная, μ_o = 4 π ·10 -7 Гн/м;

μ – относительная магнитная проницаемость (безразмерная величина).

Для описания свойств магнитных материалов применяют относительную магнитную проницаемость μ (чаще называемую магнитная проницаемость) , а для практических расчетов используют абсолютную магнитную проницаемость μ_a , вычисляемую по уравнению

μ_a = В /Н , Гн/м

Н – напряженность намагничивающего (внешнего) магнитного поля, А/м

В – магнитная индукция поля в магнетике.

Большая величина μ показывает, что материал легко намагничивается в слабых и сильных магнитных полях. Магнитная проницаемость у большинства магнетиков зависит от напряженности намагничивающего магнитного поля.

Для характеристики магнитных свойств широко используется безразмерная величина, называемая магнитной восприимчивостью χ .

Температурный коэффициент магнитной проницаемости

Магнитные свойства вещества зависят от температуры μ = μ ( T ) .

Для описания характера изменения магнитных свойств с температурой используют температурный коэффициент магнитной проницаемости.

Зависимость магнитной восприимчивости парамагнетиков от температуры T описывается законом Кюри

где C — постоянная Кюри .

Магнитные характеристики ферромагнетиков

Зависимость магнитных свойств ферромагнетиков имеет более сложный характер, показанный на рисунке, и достигает максимума при температуре близкой к Q _к .

Температура, при которой магнитная восприимчивость резко снижается, почти до нуля, носит название температуры Кюри — Q _к . При температурах выше Q _к процесс намагничивания ферромагнетика нарушается из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул и материал перестает быть ферромагнитным и становится парамагнетиком.

Для железа Q _к = 768 ° C , для никеля Q _к = 358 ° C , для кобальта Q _к = 1131 ° C .

Выше температуры Кюри зависимость магнитной восприимчивости ферромагнетика от температуры T описывается законом Кюри-Вейса

Процесс намагничивания сильномагнитных материалов (ферромагнетиков) обладает гистерезисом. Если производить намагничивание размагниченного ферромагнетика во внешнем поле, то он намагничивается по кривой намагничивания B = B ( H ) . Если затем, начиная с некоторого значения H начать уменьшать напряженность поля, то индукция B будет уменьшаться с некоторым запаздыванием ( гистерезисом) по отношению к кривой намагничивания. При увеличении поля противоположного направления ферромагнетик размагничивается, затем перемагничивается , и при новой смене направления магнитного поля может вернуться в исходную точку, откуда начинался процесс размагничивания. Получившаяся петля, изображенная на рисунке, называется петлей гистерезиса.

При некоторой максимальной напряженности Н _м намагничивающего поля вещество намагничивается до состояния насыщения, индукция в котором достигает значения В _Н , которое называется индукцией насыщения.

Остаточная магнитная индукция В _О – наблюдается в ферромагнитном материале, намагниченном до насыщения, при его размагничивании, когда напряженность магнитного поля равна нулю. Для размагничивания образца материала надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на обратное (- Н ). Напряженность поля Н _К , при которой индукция равна нулю, называется коэрцитивной силой (удерживающая сила) .

Перемагничивание ферромагнетика в переменных магнитных полях всегда сопровождается тепловыми потерями энергии, которые обусловлены потерями на гистерезис и динамическими потерями. Динамические потери связаны с вихревыми токами, индуцированными в объеме материала, и зависят от электрического сопротивления материала, уменьшаясь с ростом сопротивления. Потери на гистерезис W в одном цикле перемагничивания определяются площадью петли гистерезиса

и могут быть вычислены для единицы объема вещества по эмпирической формуле

где η – коэффициент зависящий от материала, B _Н – максимальная индукция, достигаемая в течение цикла, n – показатель степени, равный в зависимости от материала 1,6 ¸ 2.

Удельные потери энергии на гистерезис Р _Г – потери, затраченные на перемагничивание единицы массы в единице объема материала за секунду.

где f – частота переменного тока, T – период колебаний.

Магнитострикция

Магнитострикция – явление изменения геометрических размеров и формы ферромагнетика при изменении величины магнитного поля, т.е. при намагничивании. Относительное изменение размеров материала Δ l / l может быть положительным и отрицательным. У никеля магнитострикция меньше нуля и достигает величины 0,004 %.

В соответствии с принципом Ле Шателье о противодействии системы влиянию внешних факторов, стремящихся изменить это состояние, механическая деформация ферромагнетика, приводящая к изменению его размера должна оказывать влияние на намагничивание этих материалов.

Если при намагничивании тело испытывает в данном направлении сокращение своих размеров, то приложение механического напряжения сжатия в этом направлении способствует намагничиванию, а растяжение – затрудняет намагничивание.

6.2. Классификация ферромагнитных материалов

Все ферромагнитные материалы по поведению в магнитном поле делятся на две группы.

Магнитные характеристики зависят от химической чистоты и степени искажения кристаллической структуры. Чем меньше примесей ( С, Р , S, О, N ) , тем выше уровень характеристик материала, поэтому необходимо при производстве ферромагнетика их и оксиды удалять, и стараться не искажать кристаллическую структуру материала.

Магнитотвердые материалы – обладают большой Н _К > 0,5 · МА/м и остаточной индукцией ( В _О ≥ 0,1Т). Им соответствует широкая петля гистерезиса. Они с большим трудом намагничиваются, зато могут несколько лет сохранять магнитную энергию, т.е. служить источником постоянного магнитного поля. Поэтому из них изготовляются постоянные магниты.

По составу все магнитные материалы делятся на :

Металлические магнитные материалы — это чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов.

К неметаллическим материалам относятся ферриты, получаемые из порошков оксидов железа и других металлов. Их прессуют и обжигают при 1300 – 1500 °С и они превращаются в твердые монолитные магнитные детали. Ферриты, как и металлические магнитные материалы, могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми.

Магнитодиэлектрики – это композиционные материалы из 60 – 80 % порошка магнитного материала и 40 – 20 % органического диэлектрика. Ферриты и магнитодиэлектрики имеют большое значение удельного электрического сопротивления ( ρ = 10 ÷ 10 8 Ом·м), Высокое сопротивление этих материалов обеспечивает низкие динамические потери энергии в переменных электромагнитных полях и позволяет широко использовать их в высокочастотной технике.

К металлическим магнитомягким материалам относятся карбонильное железо, пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремнистые стали.

Карбонильное железо – получают термическим разложением жидкости пентакарбонила железа F е ( СО )₅ с получением частиц чистого порошкообразного железа:

F е ( СО )₅ → Fе + 5 СО,

при температуре около 200 °С и давлении 15 МПа. Частицы железа имеют сферическую форму размером 1 – 10 мкм. Для освобождения от частиц углерода порошок железа подвергают термической обработке в среде Н ₂ .

Магнитная проницаемость карбонильного железа достигает 20000, коэрцитивная сила составляет 4,5 ¸ 6,2 А /м. Применяют порошок железа для изготовления высокочастотных магнитодиэлектрических сердечников, в качестве наполнителя в магнитных лентах.

Пермаллои – пластичные железоникелевые сплавы. Для улучшения свойств вводят Мо, С r , Сu , получая легированные пермаллои. Обладают высокой пластичностью, легко прокатываются в листы и ленты до 1 мкм.

Если содержание никеля в пермаллое 40 – 50 %, то он называется низконикелевым, если 60 – 80 % – высоконикелевым .

Пермаллои имеют высокий уровень магнитных характеристик, который обеспечивается не только составом и высокой химической чистотой сплава, но и специальной тепловой вакуумной обработкой. Пермаллои имеют очень высокий уровень начальной магнитной проницаемости от 2000 до 30000 ( в зависимости от состава) в области слабых полей, который обусловлен низкой величиной магнитострикции и изотропностью магнитных свойств. Особенно высокие характеристики имеет супермаллой, начальная магнитная проницаемость которого имеет значение 100000, а максимальная достигает 1,5 · 10 6 при B = 0,3 Тл.

Пермаллои поставляют в виде лент, листов и прутков. Низконикелевые пермаллои применяют для изготовления сердечников дросселей, малогабаритных трансформаторов и магнитных усилителей, высоконикелевые пермаллои – для деталей аппаратуры, работающих на звуковых и сверхзвуковых частотах. Магнитные характеристики пермаллоев стабильны при –60 +60°С.

Альсиферы – нековкие хрупкие сплавы состава Al – Si – Fe , состоящие из 5,5 – 13 % Аl , 9 – 10 % Si , остальное – железо. Альсифер близок по свойствам к пермаллою, но более дешев. Из него изготовляют литые сердечники, отливают магнитные экраны и другие полые детали с толщиной стенок не менее 2 – 3 мм. Хрупкость альсифера ограничивает области его применения. Используя хрупкость альсифера , его размалывают в порошок, который используется в качестве ферромагнитного наполнителя в прессованных высочастотных магнитодиэлектриках (сердечники, кольца).

Кремнистая низкоуглеродистая сталь (электротехническая сталь) – сплав железа и кремния (0,8 – 4,8 % Si ). Основной магнитомягкий материал массового применения. Она легко прокатывается в листы и ленты 0,05 – 1 мм и является дешевым материалом. Кремний, находящийся в стали в растворенном состоянии, выполняет две функции.

· Повышая удельное сопротивление стали, кремний вызывает снижение динамических потерь, связанных с вихревыми токами. Сопротивление повышается за счет образования кремнезема SiO ₂ в результате протекания реакции

2 FeO + S i → 2 Fe + SiO ₂ .

· Наличие кремния, растворенного в стали , способствует распаду цементита Fе ₃ С – вредной примеси, снижающей магнитные характеристики, и выделению углерода в виде графита. При этом образуется чистое железо, рост кристаллов которого повышает уровень магнитных характеристик стали .

Введение кремния в сталь в количестве, превышающем 4,8 %, не рекомендуется, так как, способствуя улучшению магнитных характеристик, кремний резко повышает хрупкость стали и снижает ее механические свойства.

Магнитотвердые материалы — это ферромагнетики с высокой коэрцитивной силой (более 1 кА/м) и большой величиной остаточной магнитной индукции В _О . Применяются для изготовления постоянных магнитов.

Подразделяются в зависимости от состава, состояния и способа получения на :

· легированные мартенситные стали;

· литые магнитотвердые сплавы.

Легированные мартенситные стали – эт о углеродистые стали и стали, легированные Сr , W, Со, Мо . Углеродистые стали быстро стареют и изменяют свои свойства, поэтому редко применяются для изготовления постоянных магнитов. Для изготовления постоянных магнитов используют легированные стали – вольфрамовую и хромистую ( Н _С ≈ 4800 А /м, В _О ≈ 1 Т), которые изготавливаются в виде прутков с различной формой сечения. Кобальтовая сталь обладает более высокой коэрцитивной силой ( Н _С ≈ 12000 А /м, В _О ≈ 1 Т) по сравнению с вольфрамовой и хромистой. Коэрцитивная сила Н _С кобальтовой стали растет с увеличением содержания С о .

Литые магнитотвердые сплавы. Улучшенные магнитные свойства сплавов обусловлены специально подобранным составом и специальной обработкой – охлаждением магнитов после отливки в сильном магнитном поле, а также специальной многоступенчатой тепловой обработкой в виде закалки и отпуска в сочетании с магнитной обработкой, называемой дисперсионным твердением.

Для изготовления постоянных магнитов находят применение три основных группы сплавов:

· Железо – кобальт – молибденовый сплав типа ремаллой с коэрцитивной силой Н _К = 12 – 18 кА/м.

§ медь – никель – железо;

§ медь – никель – кобальт;

§ железо – марганец, легированные алюминием или титаном;

§ железо – кобальт – ванадий ( F е – Со – V ).

Сплав медь – никель – железо называется кунифе ( С u – Ni — Fе ). Сплав F е – Со – V (железо – кобальт — ванадий) называется викалой . Сплавы этой группы имеют коэрцитивную силу Н _К = 24 – 40 кА/м. Выпускаются в виде проволоки и в листах.

· Сплавы системы железо – никель – алюминий ( F е – Ni – Аl ), известные ранее под названием сплав альни . Сплав содержит 20 — 33 % Ni + 11 – 17 % Al , остальное железо. Добавление в сплавы кобальта, меди, титана, кремния, ниобия улучшает их магнитные свойства, облегчает технологию изготовления, обеспечивает повторяемость параметров, улучшает механические свойства. Современная маркировка марки содержит буквы, обозначающие добавляемые металлы (Ю – алюминий, Н – никель, Д – медь, К — кобальт, Т – титан, Б – ниобий, С – кремний), цифры — содержание элемента, буква которого стоит перед цифрой, например, ЮНДК15.

Сплавы обладают высоким значением коэрцитивной силы Н _К = 40 – 140 кА/м и большой запасенной магнитной энергией.

Ферриты представляют собой керамические ферромагнитные материалы с малой электронной электропроводностью. Низкая электропроводность в сочетании с высокими магнитными характеристиками позволяет широко использовать ферриты на высоких частотах.

Изготовляют ферриты из порошкообразной смеси, состоящей из окиси железа и специально подобранных окислов других металлов. Их прессуют, а затем спекают при высоких температурах. Общая химическая формула имеет вид:

где Ме символ двухвалентного металла.

Ферриты обладают кубической решеткой типа шпинели MgOAl ₂ O ₃ — алюмината магния. Не все ферриты обладают магнитными свойствами. Наличие магнитных свой ств св язано с расположением ионов металлов в кубической решетке шпинели. Так система ZnFe ₂ O ₄ не обладает ферромагнитными свойствами.

Ферриты изготовляют по керамической технологии. Исходные порошкообразные окислы металлов измельчают в шаровых мельницах, прессуют и обжигают в печах. Спекшиеся брикеты размалывают в тонкодисперсный порошок, вводят пластификатор, например раствор поливинилового спирта. Из полученной массы прессуют ферритовые изделия – сердечники, кольца, которые обжигают на воздухе при 1000 – 1400 °С. Полученные твердые хрупкие изделия в основном черного цвета можно обрабатывать только шлифованием и полированием.

Магнитомягкие ферриты

Магнитомягкие ферриты широко применяют в области высоких частот электронной техники и приборостроении для изготовления фильтров, трансформаторов усилителей низких и высоких частот, антенн радиопередающих и радиоприемных устройств, импульсных трансформаторов, магнитных модуляторов. Промышленностью выпускаются следующие виды магнитомягких ферритов с широким спектром магнитных и электрических свойств: никель – цинковые, марганец – цинковые и литий – цинковые. Верхняя граничная частота применения феррита зависит от их состава и изменяется у разных марок ферритов от 100 кГц до 600 МГц, коэрцитивная сила составляет около 16 А /м.

Достоинством ферритов является стабильность магнитных характеристик, относительная простота изготовления радиодеталей. Как все ферромагнитные материалы ферриты сохраняют свои магнитные свойства только до температуры Кюри, которая зависит от состава ферритов и колеблется в пределах от 45 ° до 950 °С.

Магнитотвердые ферриты

Для изготовления постоянных магнитов используют магнитотвердые ферриты, наибольшее применение имеют ферриты бария ( ВаО ·6 Fе ₂ О ₃ ). Они имеют гексагональную кристаллическую структуру с большой Н _К . Ферриты бария представляют собой поликристаллический материал. Могут быть изотропными — одинаковость свойств феррита во всех направлениях обусловлена тем, что кристаллические частицы ориентированы произвольно. Если в процессе прессования магнитов порошкообразную массу подвергнуть воздействию внешнего магнитного поля большой напряженности, то кристаллические частицы феррита будут ориентированы в одном направлении, и магнит будет являться анизотропным.

Бариевые ферриты отличаются хорошей стабильностью своих характеристик, но чувствительны к изменению температуры и механическим воздействиям. Магниты из бариевых ферритов дешевы.

6.5. Магнитодиэлектрики

Магнитодиэлектрики — это композиционные материалы, состоящие из мелкодисперсных частиц магнитомягкого материала, связанных друг с другом органическим или неорганическим диэлектриком. В качестве магнитомягких материалов применяют карбонильное железо, альсифер и некоторые сорта пермаллоев, измельченные до порошкообразного состояния.

В качестве диэлектриков применяют полистирол, бакелитовые смолы, жидкое стекло и др.

Назначение диэлектрика не только в том, чтобы соединить частицы магнитного материала, но и изолировать их друг от друга, а, следовательно, резко повысить величину удельного электрического сопротивления магнитодиэлектрика . Удельное электрическое сопротивление r магнитодиэлектриков составляет 10 3 – 10 4 Ом × м

Магнитодиэлектрики применяют для изготовления сердечников высокочастотных узлов радиоаппаратуры. Процесс производства изделий проще, чем из ферритов, т.к. они не нуждаются в высокотемпературной тепловой обработке. Изделия из магнитодиэлектриков отличаются высокой стабильностью магнитных свойств, высоким классом чистоты поверхности и точностью размеров.

Наиболее высокими магнитными характеристиками обладают магнитодиэлектрики, наполнителем в которых служит молибденовый пермаллой или карбонильное железо.

Какие вещества обладают магнитными свойствами

Разделение веществ на диа-, пара- и ферромагнетики носит в значительной степени условный характер, т.к. первые два вида веществ отличаются по магнитным свойствам от вакуума менее чем на 0,05%. На практике все вещества обычно разделяют на ферромагнитные (ферромагнетики) и неферромагнитные, для которых относительная магнитная проницаемость m может быть принятой равной 1,0.

К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и сплавы на их основе. Они имеют магнитную проницаемость, превышающую проницаемость вакуума в несколько тысяч раз. Поэтому все электротехнические устройства, использующие магнитные поля для преобразования энергии, обязательно имеют конструктивные элементы, изготовленные из ферромагнитного материала и предназначенные для проведения магнитного потока . Такие элементы называются магнитопроводы .

Кроме высокой магнитной проницаемости ферромагнетики обладают сильно выраженной нелинейной зависимостью индукции B от напряженности магнитного поля H , а при перемагничивании связь между B и H становится неоднозначной. Функции B ( H ) имеют особое значение, т.к. только с их помощью можно исследовать электромагнитные процессы в цепях, содержащих элементы, в которых магнитный поток проходит в ферромагнитной среде. Эти функции бывают двух видов: кривые намагничивания и петли гистерезиса .

Рассмотрим процесс перемагничивания ферромагнетика. Пусть первоначально он был полностью размагничен. Сначала индукция быстро возрастает за счет того, что магнитные диполи ориентируются по силовым линиям поля, добавляя свой магнитный поток к внешнему. Затем ее рост замедляется по мере того, как количество неориентированных диполей уменьшается и, наконец, когда практически все они ориентируются по внешнему полю рост индукции прекращается и наступает режим насыщения (рис. 1).

Если в процессе намагничивания довести напряженность поля до некоторого значения, а затем начать уменьшать, то уменьшение индукции будет происходить медленнее, чем при намагничивании и новая кривая будет отличаться от первоначальной. Кривая изменения индукции при увеличении напряженности поля для предварительно полностью размагниченного вещества называется начальной кривой намагничивания . На рис. 1 она показана утолщенной линией.

После нескольких (около 10) циклов изменения напряженности от положительного до отрицательного максимальных значений зависимость B = f ( H ) начнет повторяться и приобретет характерный вид симметричной замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса . Гистерезисом называют отставание изменения индукции от напряженности магнитного поля . Явление гистерезиса характерно вообще для всех процессов, в которых наблюдается зависимость какой-либо величины от значения другой не только в текущем, но и в предыдущем состоянии, т.е. B 2 = f ( H 2 , H 1 ) — где H 2 и H 1 — соответственно текущее и предыдущее значения напряженности.

Петли гистерезиса можно получить при различных значениях максимальной напряженности внешнего поля H m (рис. 2). Геометрическое место точек вершин симметричных циклов гистерезиса называется основной кривой намагничивания . Основная кривая намагничивания практически совпадает с начальной кривой.

Симметричная петля гистерезиса, полученная при максимальной напряженности поля H m (рис. 2), соответствующей насыщению ферромагнетика , называется предельным циклом .

Для предельного цикла устанавливают также значения индукции B r при H = 0, которое называется остаточной индукцией , и значение H c при B = 0, называемое коэрцитивной силой . Коэрцитивная (удерживающая) сила показывает, какую напряженность внешнего поля следует приложить к веществу, чтобы уменьшить остаточную индукцию до нуля.

Форма и характерные точки предельного цикла определяют свойства ферромагнетика. Вещества с большой остаточной индукцией, коэрцитивной силой и площадью петли гистерезиса (кривая 1 рис. 3) называются магнитнотвердыми . Они используются для изготовления постоянных магнитов. Вещества с малой остаточной индукцией и площадью петли гистерезиса (кривая 2 рис. 3) называются магнитномягкими и используются для изготовления магнитопроводов электротехнических устройств, в особенности работающих при периодически изменяющемся магнитном потоке.

При перемагничивании ферромагнетика в нем происходят необратимые преобразования энергии в тепло.

Пусть магнитное поле создается обмоткой, по которой протекает ток i . Тогда работа источника питания обмотки, затрачиваемая на элементарное изменение магнитного потока равна

Если отнести эту работу на единицу объема вещества, получим

Графически эта работа представляет собой площадь элементарной полоски петли гистерезиса (рис. 4 а)).

Полная работа по перемагничиванию единицы объема вещества определится в виде интеграла по контуру петли гистерезиса

Контур интегрирования можно разделить на два участка, соответствующих изменению индукции от — B m до B m и изменению от B m до — B m . Интегралы на этих участках соответствуют заштрихованным площадям рис. 4 а) и б). На каждом участке часть площади соответствует отрицательной работе и после вычитания ее из положительной части мы на обоих участках получим площадь, ограниченную кривой петли гистерезиса (рис. 4 в)).

Обозначая энергию, отнесенную к единице объема вещества, затрачиваемую на перемагничивание за один полный симметричный цикл, через W’ h = A’ получим

Существует эмпирическая зависимость для вычисления удельных потерь энергии на перемагничивание

где h — коэффициент, зависящий от вещества; B m — максимальное значение индукции; n — показатель степени, зависящий от B m и обычно принимаемый

Явление гистерезиса и связанные с ним потери энергии могут быть объяснены гипотезой элементарных магнитиков. Элементарными магнитиками в веществе являются частицы, обладающие магнитным моментом. Это могут быть магнитные поля вращающихся по орбитам электронов, а также их спиновые магнитные моменты. Причем последние играют в магнитных явлениях наиболее существенную роль.

При нормальной температуре вещество ферромагнетика состоит из самопроизвольно намагниченных в определенном направлении областей (доменов), в которых элементарные магнитики расположены почти параллельно один другому и удерживаются в таком положении магнитными силами и силами электрического взаимодействия.

Магнитные поля отдельных областей не обнаруживаются во внешнем пространстве, т.к. все они намагничены в разных направлениях. Интенсивность самопроизвольного намагничивания доменов J зависит от температуры и при абсолютном нуле равна интенсивности полного насыщения. Тепловое движение разрушает упорядоченную структуру и при некоторой температуре q , характерной для данного вещества, упорядоченное расположение полностью разрушается. Эта температура называется точкой Кюри . Выше точки Кюри вещество обладает свойствами парамагнетика.

Под влиянием внешнего поля состояние вещества может изменяться двумя способами. Намагниченность может меняться либо за счет переориентации доменов, либо за счет смещения их границ в направлении области с меньшей составляющей намагниченности, совпадающей по направлению с внешним полем. Смещение границы домена совершается обратимо только до определенного предела, после чего часть или вся область необратимо переориентируется. При быстрой скачкообразной переориентации домена создаются вихревые токи, вызывающие потери энергии при перемагничивании.

Исследования показывают, что второй способ изменения ориентации характерен для крутого участка кривой намагничивания, а первый — для участка области насыщения.

После уменьшения напряженности внешнего магнитного поля до нуля часть доменов сохраняет новое направление преимущественного намагничивания, что проявляется как остаточная намагниченность.