Магнитные материалы (магнетики)

1. Магнитные материалы (магнетики)

План лекции:
1. Магнитные свойства вещества
2. Классификация магнитных материалов
3. Процесс намагничивания. Количественные параметры
магнитных материалов
4. Намагничивание магнетика
5. Намагничивание в переменном магнитном поле
6. Потери в магнитных материалах
7. Магнитные материалы
Основные характеристики, применение
8. Магнитомягкие материалы
9. Количественные параметры магнитомягких материалов
10. Магнитотвердые материалы
1

2.

Магнитные свойства вещества. Природа ферромагнитного
состояния
Магнитными веществами, или магнетиками, называются вещества,
обладающие магнитными свойствами.
Под магнитными свойствами понимается способность вещества
приобретать магнитный момент, т.е. намагничиваться при воздействии на него
магнитного поля.
В этом смысле все вещества в природе являются магнетиками, так как при
воздействии магнитного поля приобретают определенный магнитный момент М,
который представляет собой сумму элементарных магнитных моментов атомов
данного вещества.
В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов
вещества ориентированы обычно беспорядочно, так что создаваемые ими
магнитные поля компенсируют друг друга.
При
приложении
внешнего
магнитного
поля
атомы
стремятся
сориентироваться магнитными моментами по направлению внешнего магнитного
поля, и тогда компенсация магнитных моментов нарушается, тело приобретает
магнитные свойства – намагничивается.
Большинство тел намагничивается очень слабо и величина индукции
магнитного поля B в таких веществах мало отличается от величины индукции
магнитного поля в вакууме B0 .
2

3.

Магнитные свойства вещества определяются магнитными свойствами
электронов и атомов.
Магнитные моменты протонов и нейтронов примерно в тысячу раз
меньше магнитного момента электрона, поэтому магнитные свойства
атома определяются, в основном, электронами.
Электрон, движущийся по орбите в атоме:
- эквивалентен замкнутому контуру с орбитальным током I (е –
заряд электрона, Ʋ - скорость электрона, S – площадь орбиты, r –
радиус орбиты, n – единичный вектор нормали к S), которому
соответствует орбитальный магнитный момент электрона Pm
- и т.к. электрон движется по круговой орбите, можно считать, что он
обладает моментом импульса Le=mʋr, который направлен
противоположно по отношению к орбитальному магнитному моменту
электрона Pm и связан с ним
соотношением
Pm = γ Le,
где γ - коэффициент пропорциональности,
гиромагнитное орбитальное отношение,
равен: γ = - е / (2m),
где m – масса электрона.
3

4.

Кроме того, электрон обладает собственным моментом
импульса , который называется спином электрона Ls.
Ls = (ħ 3) / 2
Спину электрона Ls соответствует спиновый магнитный момент
электрона Pms, направленный в противоположную сторону от
орбитального магнитного момента электрона.
Pms = γs Ls,
где γs - гиромагнитное спиновое отношение,
γ = - ցе / (2m), где ց = 2 для ферромагнитных материалов, ց < 2 для
парамагнетиков.
Т.о. атом представляет собой сложную магнитную систему,
магнитный момент которой является результирующим всех
магнитных моментов электронов, протонов и нейтронов, т.е.
внутри атома орбитальный момент Рm и собственный, спиновый,
момент Рms связаны магнитными силами (спин - орбитальным
взаимодействием).
4

5.

Количественная оценка намагниченности магнетика
Намагниченность J - суммарный магнитный момент всех атомов в
единице объема, возникающий при помещении вещества в магнитное поле с
напряженностью Н.
При этом происходит ориентация
магнитных
моментов
атомов
(намагничивание) и намагниченность определяется соотношением
J = km H ,
где km - безразмерная величина, которая называется магнитная
восприимчивость.
Она характеризует способность веществ намагничиваться во внешнем
магнитном поле с напряженностью Н.
На
практике
способность
веществ
намагничиваться
принято
характеризовать относительной магнитной проницаемостью
µ = (1 + km ),
которая фактически является коэффициентом пропорциональности,
связывающим магнитную индукцию в веществе с напряженностью внешнего
поля Н.
Магнитная проницаемость μ показывает во сколько раз магнитная
индукция В поля в веществе больше, чем магнитная индукция В0 в вакууме.
B = μ0H (1 + km) = μ0μH
5

6.

Особые свойства ферромагнетизма обусловлены их доменным строением.
Спонтанная намагниченность доменов образована параллельной ориентацией
магнитных
моментов
атомов,
природой
которой
являются
силы
электростатического взаимодействия.
Основную роль в создании спонтанной намагниченности
играют силы обменного взаимодействия.
Для двух близкорасположенных атомов энергия обменного
взаимодействия определяется выражением: ЭА = - А (s1* s2),
где А - так называемый обменный интеграл, имеющий размерность
энергии; s1 и s2 - единичные векторы, характеризующие направление
спиновых моментов взаимодействующих электронов.
Электроны атомов находятся в поле кулоновского взаимодействия соседних
ядер. Из-за перекрытия электронных оболочек электроны соседних атомов
являются обобществленными, между атомами возникают силы притяжения.
Электростатическая энергия молекулы зависит от ориентации спинов
электронов и при определенной ориентации спинов электронов она минимальна.
При положительном знаке обменного
интеграла минимуму электростатической
энергии отвечает параллельная ориентация
спинов, при которой s1*s2 = 1
6

7.

Если обменный интеграл отрицателен, то энергетически выгодно
антипараллельное расположение спинов, когда s1*s2 = -1.
Т.о. обменный интеграл характеризует влияние магнитной
упорядоченности на энергию системы. Его значение и знак
определяются степенью перекрытия электронных оболочек, т.е. зависят
от расстояния между атомами.
Для системы, содержащей N атомов, энергия обменного
взаимодействия может быть определена по формуле
ЭА = - NzAy2,
где y2- вероятность появления параллельных спинов у соседних атомов
(относительная намагниченность), z-число ближайших соседей.
Численное значение и знак обменного интеграла А зависит от
расстояния между атомами a и диаметром оболочки d, содержащей
нескомпенсированные спины.
Если a/d = (3 ÷ 4), то величина энергии взаимодействия ЭА
незначительна и обменные силы не могут противодействовать
тепловому движению и вызвать упорядоченное расположение спинов.
Такие вещества проявляют свойства парамагнетиков.
7

8.

При уменьшении расстояния между атомами обменный интеграл
возрастает, т.е. обменное взаимодействие усиливается и становится
возможной параллельная ориентация спинов, характерная для
ферромагнетиков.
При дальнейшем сближении атомов (a/d = 1,5) обменный интеграл
А становится отрицательным. В таком случае энергетически выгодно
антипараллельное расположение спинов, т.е. такие вещества должны
быть антиферромагнетиками.
8

9.

Магнитная анизотропия
В монокристаллах ферромагнитных веществ существуют направления
легкого и трудного намагничивания.
Число таких направлений определяется симметрией кристаллической
решетки. В отсутствие внешнего поля магнитные моменты доменов
самопроизвольно
ориентируются
вдоль
одной
из
осей
легкого
намагничивания.
В монокристалле железа (ОЦК решетка) можно выделить шесть
эквивалентных направлений легкого намагничивания <100>, а направления
трудного намагничивания <111>.
У никеля (ГЦК решетка) восемь эквивалентных направлений легкого
намагничивания <111>, а направления трудного намагничивания <100>.
У кобальта два направления легкого намагничивания <0001>.
железо
никель
Направления легкого,
намагничивания
в монокристаллах
трех основных
ферромагнитных
элементов: железа,
никеля и кобальта
кобальт
9

10.

Классификация магнитных материалов
В соответствии с магнитными свойствами
вещества (численными значениями km и μ , а также
характером их зависимости от напряженности
внешнего поля Н и температуры Т ) различают
несколько основных типов магнитных явлений и
магнитные материалы делятся на следующие группы:
- диамагнитные (диамагнетики);
- парамагнитные (парамагнетики);
- ферромагнитные (ферромагнетики);
- антиферромагнитные (антиферромагнетики);
- ферримагнитные (ферримагнетики);
- метамагнитные (метамагнетики).
10

11.

Диамагнетики
Диамагнитный эффект заключается в том, что под действием
внешнего
магнитного
поля
диамагнетик
намагничивается
в
направлении, противоположном направлению вектора магнитной
индукции внешнего поля.
Магнитная восприимчивость (km) диамагнетика является величиной
отрицательной,
очень мала
и практически
не
зависит
от
напряженности поля и температуры.
Диамагнетизм проявляется в веществах, в которых орбитальные и
спиновые моменты атомов (при B0 = 0) полностью скомпенсированы.
В присутствии поля вследствие прецессии (изменении направления
магнитного момента импульса тела)
орбитальный момент Pm1, направленный
по полю, будет уменьшаться, а спиновый
момент Pm2 будет увеличиваться, так что
в целом суммарный магнитный момент
будет направлен против внешнего поля.
Диамагнетики - вещества, которые выталкиваются из магнитного поля.
К ним относятся: водород, инертные газы, соединения, содержащие ионы,
подобные атомам инертных газов (Li+, Be2+ , Al3+ , O2- и т.д.), цветные и
благородные металлы, (Zn, Au, Hg, Cu и др.), а также сверхпроводники.
11

12.

Парамагнетики
Парамагнитный эффект наблюдается в веществах с
нескомпенсированными
орбитальным
и
спиновым
магнитными моментами, когда отсутствует магнитный
атомный порядок, т.е. при отсутствии внешнего поля
векторы магнитных моментов разориентированы и
суммарный момент равен нулю.
Под действием внешнего
магнитного поля возникает
преимущественная ориентация
магнитных моментов вдоль поля
(намагничивание), однако km
очень мала и существенно зависит температуры.
К веществам данного класса относятся щелочные (Li, Na,…), щелочно –
земельные (Be, Mg, Ca, …) и некоторые переходные металлы (Mo, W,
12
Ti, Pt ).

13.

Ферромагнетики
Ферромагнитный эффект заключается в том, что при
температуре ниже точки Кюри даже в отсутствие внешнего
поля в материале существует ферромагнитный атомный
порядок.
Ему
соответствует
параллельное
расположение
спиновых моментов (доменная структура).
Это означает, что при напряженности поля Н = 0
ферромагнетик
находится
в
состоянии
самопроизвольного или спонтанного намагничивания.
Магнитная восприимчивость km >> 0 и существенно
зависит от напряженности внешнего поля и температуры.
К ферромагнетикам относятся Fe, Ni, Co, Cd, их
соединения и сплавы, а также некоторые сплавы Mn, Ag,
Al.
13

14.

Ферромагнетики характеризуются:
- кристаллическим строением и доменной
структурой при температурах ниже точки Кюри;
- нелинейной зависимостью μ и km , от H и
температуры;
способностью
даже
в
слабых
полях
намагничиваться практически до насыщения, когда
магнитные моменты всех атомов сориентированы по
направлению внешнего поля;
- магнитным гистерезисом, т.е. отставанием
намагниченности от внешнего поля Н;
- температурой Кюри Тк, выше которой теряются
магнитные свойства, т.е. разрушается ферромагнитный
атомный порядок.
14

15.

Магнитострикция
Для ферромагнетиков характерно явление магнитострикции изменение линейных размеров при намагничивании.
Магнитострикция
оценивается
величиной
относительной
деформации в направлении магнитного поля: λ = ∆l / l, где ∆l –
удлинение (или укорочение) образца при включении магнитного поля
Н, а l – длина образца.
Магнитострикция сопровождается появлением внутренних
напряжений, деформацией кристаллической решетки, что препятствует
смещению доменных границ и затрудняет процесс намагничивания
ферромагнетиков в слабых полях.
Поэтому магнитные материалы с малыми коэффициентами
анизотропии и магнитострикции обладают высокой магнитной
проницаемостью.
15

16.

Величина и знак коэффициента магнитострикции зависит от типа
структуры, кристаллографического направления, напряженности
магнитного поля и температуры.
Относительную магнитную деформацию, возникающую при магнитном
насыщении называют константой магнитострикции λs*.
В слабых полях железо и никель имеют разные знаки коэффициента
магнитострикции, что позволяет получать железоникелиевые сплавы типа пермаллой с
большой начальной магнитной проницаемостью.
В пермаллоях с содержанием никеля около 80% коэффициенты магнитострикции
вдоль
всех основных
∆l/l
кристаллографических
направлений становятся
близкими к нулю.
*На рисунке коэффициент магнитострикции λs обозначен буквой М.
16

17.

Антиферромагнетики
Антиферромагнитный эффект характеризуется наличием
антиферромагнитного атомного порядка, когда магнитные моменты
соседних атомов ориентированы антипараллельно и скомпенсированы
так, что при Н = 0 результирующий магнитный момент равен нулю (у них
оказывается энергетически более выгодным антипараллельное
расположение спинов соседних атомов).
Под действием внешнего поля магнитные моменты атомов
устанавливаются по его направлению, поэтому km положительна, но
очень мала и сильно зависит от температуры.
К антиферромагнетикам относятся: твёрдый кислород (α- модификация
при TN < 24 К), хром - антиферромагнетик с геликоидальной* структурой (TN =310
К), α-марганец (TN =100 К), а также ряд редкоземельных металлов, где TN- точка
Нееля
(температура
Нееля),
ниже
которой
вещество
становится
антиферромагнетиком.
*В простейшем случае антиферромагнетик представляет собой две магнитные
подрешетки в каждой из которых упорядочение магнитных моментов атомов
параллельное, а упорядочение между подрешетками - антипараллельное.
В решетках большой положительный обменный интеграл, а между подрешетками
небольшой отрицательный.
17

18.

Ферримагнетики
Ферримагнитный
эффект
это
нескомпенсированный
антиферромагнетизм,
который
характеризуется ферримагнитным атомным порядком.
Это означает, что магнитные моменты атомов
антипараллельны и нескомпенсированы.
Эффект проявляется в том, что вещество по
кристаллической структуре состоит из двух подрешеток
(асимметрия кристаллической решетки),
создающих
встречные нескомпенсированные моменты.
Для таких веществ km >> 0 и зависит от температуры,
причем при некоторой
ТN,
(температуре
Нееля),
наступает компенсация встречных магнитных моментов и
вещество теряет магнитные свойства.
18

19.

.
19

20.

Точка Кюри для некоторых ферримагнетиков может
совпадать с точкой Нееля, а может быть и несколько выше.
При
температурах
выше
точки
Кюри
для
ферромагнетиков
и
выше
точки
Нееля
для
антиферромагнетиков и ферримагнетиков нарушается
соответствующий атомный магнитный порядок и они
переходят в парамагнитное состояние.
Метамагнитными
являются
такие
материалы,
которые в слабых магнитных полях ведут себя как
антиферромагнитные, а в сильных магнитных полях – как
ферромагнитные, или наоборот, т.е. под действием
магнитного поля у них меняется магнитный порядок.
Антиферромагнитными
диспрозий Dy и эрбий Er.
в
слабых
полях
являются
MnAs2,
Ферромагнитными - MnAs, MnBi, гольмий Ho и тербий Tb.
20

21.

Ориентация магнитных моментов в веществах разной
магнитной природы
парамагнетик
ферромагнетик антиферромагнетик
векторы магнитных
моментов
разориентированы
параллельное
расположение
спиновых
моментов
ферримагнетик
магнитные моменты
магнитные
соседних атомов
моменты
ориентированы
атомов
антипараллельно антипараллельны
и скомпенсированы
и
нескомпенсированы
21

22.

Процесс намагничивания магнитных материалов
С технической точки зрения в качестве магнитных
материалов наибольший интерес представляют ферроантиферро- и ферримагнетики.
Несмотря на различия в строении и магнитных
свойствах процессы ориентации магнитных моментов
характеризуются одними и теми же закономерностями, т.е.
процессы их намагничивания аналогичны.
Особенностью всех магнитных материалов, или просто
магнетиков, является их доменная структура.
Домен - это макроскопическая область спонтанного
(самопроизвольного) намагничивания до насыщения с
магнитным моментом определенного направления, размеры
доменов от 10-2 до 10-3 см3.
22

23. Домены

Доменная структура магнетиков
а – ферромагнетики; б – антиферромагнетики; в – ферримагнетики
Доменная стенка
23

24.

При наличии спонтанной намагниченности, результирующий
магнитный
момент
предварительно
ненамагниченного
ферромагнетика равен нулю.
Это объясняется тем, что весь объем ферромагнетиков
самопроизвольно разбивается на локальные области - домены.
Переходной слой, разделяющий два домена называют
"стенкой Блоха". В пределах такого слоя происходит постепенное
изменение ориентации спинов.
Толщина "стенок Блоха" может достигать несколько сот
межатомных расстояний(например, в железе около 100 нм).
24

25.

Намагничивание магнетика
Процесс
намагничивания
характеризуется
зависимостью
магнитной индукции В от напряженности внешнего поля Н, которую
принято называть кривой первоначального намагничивания (основная
кривая намагничивания).
Основная кривая намагничивания магнетика
25

26.

Участок I характеризуется смещением доменных границ, а процесс
намагничивания - обратимым, т.е. при снятии внешнего поля доменная
структура возвращается в исходное состояние.
На участке II происходит необратимое смещение доменных границ.
После снятия магнитного поля домены будут стремиться вернуться в
исходное состояние, что и происходит, если отклонение диполей от
исходного состояния было небольшим.
При достаточно больших отклонениях домены не возвращаются в
исходное состояние. Это новое состояние будет характеризовать
остаточную намагниченность вещества.
На участке III процесс намагничивания происходит за счет вращение
магнитных моментов доменов, в результате которого почти все
магнитные диполи ориентируются по направлению внешнего поля.
На участке IV происходит ориентации спиновых моментов
отдельных электронов вдоль поля.
Для этого участка иногда употребляют понятие перемагничивания с
направления легкого намагничивания в направление трудного намагничивания,
что соответствует режиму насыщения магнетика, когда все магнитные моменты
и доменов, и отдельных атомов сориентированы по полю.
26

27.

Магнитная индукция В связана с напряженностью внешнего поля Н
соотношением
В=μ×μ0×H,
где μ0 – магнитная постоянная равная 4π·10-7 Гн/м;
μ - относительная магнитная проницаемость вещества или просто магнитная
проницаемость, характеризующая способность вещества намагничиваться.
Численное значение магнитной проницаемости можно определить по кривой
намагничивания.
Различают начальную магнитную
проницаемость μнач и максимальную
магнитную проницаемость μmax
μ нач = tgα нач = lim [В/(μ0 × H )],
H→0
μmax = Вmax/(μ 0 × Hmax)
Магнитная проницаемость зависит
от напряженности внешнего поля
и от температуры.
Зависимость магнитной проницаемости
от напряженности внешнего поля
27

28.

Зависимость магнитной проницаемости μнач (μi ) от
температуры
Для начальной магнитной проницаемости μнач наблюдается максимум при
температуре несколько ниже точки Кюри.
Возрастание μнач при повышении температуры связано с уменьшением
констант магнитострикциии и магнитной анизотропии, т.е. при нагревании
ослабляются силы, препятствующие смещению доменных границ и повороту
магнитных
моментов доменов.
Высокотемпературный спад
магнитной проницаемости
связан с резким уменьшением
спонтанной намагниченности
доменов.
При Тк μнач =1, пересечение
прямой (0,8 µimax- 0,2µimax) с прямой
µi = 1, параллельной температурной
оси, позволяет определить
значение температуры Кюри.
28

29.

Намагничивание в переменном магнитном поле
В переменном магнитном поле зависимость магнитной
индукции от напряженности внешнего магнитного поля
представляет собой петлю гистерезиса, которая обусловлена
отставанием
процесса
намагничивания
от
изменения
напряженности внешнего магнитного поля.
29

30.

Геометрическое место точек вершин динамических петель
гистерезиса называется
основной
кривой
намагничивания,
которая
представляет
собой
кривую
первоначального
намагничивания.
Магнитная проницаемость
По основной кривой намагничивания рассчитываются значения
магнитной проницаемости (μнач, μmax, μ).
В области обратимого намагничивания для μ выполняется
формула Релея
μ = μн + βН,
β – постоянная, зависящая от природы материала.
Крутизну отдельных участков кривой намагничивания и ветвей
петель гистерезиса характеризуют дифференциальной магнитной
проницаемостью
μдиф = dВ / (μ0dH)
При одновременном воздействии сильного постоянного и слабого
переменного
магнитных
полей
изменение
магнитного
состояния
ферромагнетика характеризуется небольшой частной петлей гистерезиса и
реверсивной магнитной проницаемостью
μр = dВ~ / (μ0dH~)|нˍН˷→0
30

31.

Характерные точки предельной петли гистерезиса, позволяющие
количественно оценивать свойства магнитного материала:
- коэрцитивная сила ±НС - напряженность внешнего поля, которую
надо приложить, чтобы индукция внутреннего поля стала равной нулю,
т.е. чтобы полностью размагнитить материал;
- остаточная индукция ±Вr - значение индукции внутреннего
магнитного поля при напряженности внешнего поля, равной нулю;
- максимальная магнитная индукция ±Вmaх ≡ Вs (индукция
насыщения);
- напряженность магнитного поля при насыщении ±Нmax ≡ Hs.
По площади петли гистерезиса можно судить о магнитных потерях
при перемагничивании.
31

32.

Потери в магнитных материалах
Перемагничивание ферромагнетиков в переменном магнитном поле
сопровождается потерями энергии, которые вызывают нагрев
материала.
В общем случае потери на перемагничивание состоят из потерь на
гистерезис, вихревые токи и магнитную вязкость. Влиянием магнитной
вязкости на разогрев ферромагнетика обычно можно пренебречь.
1. Потери на гистерезис обусловлены перестройкой доменной
структуры вещества.
Они пропорциональны площади петли гистерезиса за один цикл
перемагничивания (статической петли гистерезиса) :
где ƞ - коэффициент, который зависит от свойств материала; V-объем тела;
Bm - максимальная индукция, которая достигается за один цикл
перемагничивания; n - показатель степени, который изменяется от 1,6 до 2 в
зависимости от Bm.
32

33.

В области слабых полей потери на гистерезис незначительны и
возрастают с увеличением поля.
Для уменьшения потерь на гистерезис необходимо использовать
материалы с малой коэрцитивной силой Hc (магнитомягкие материалы).
2. Вихревые токи возникают в проводящем замкнутом контуре за счет ЭДС
самоиндукции, пропорциональной скорости изменения магнитного потока. При
этом мощность тратится на нагрев диэлектрика и возрастает с увеличением
частоты переменного поля:
где ξ - коэффициент, который зависит от удельного сопротивления
материала и геометрических размеров образца.
Для снижения потерь на вихревые токи необходимо использовать материал
с высоким удельным сопротивлением, если используются ферриты.
3. Потери на магнитное последействие или магнитную вязкость
обусловлены отставанием магнитной индукции от напряженности магнитного
поля и существенным образом ниже потерь на гистерезис и вихревые токи.
Зависят от времени установления стабильного магнитного состояния (от
долей миллисекунды до нескольких минут).
33

34.

Магнитные материалы.
Основные характеристики, применение
По составу, свойствам, назначению и применению различают три
группы магнитных материалов:
- магнитомягкие материалы (МММ);
- магнитотвердые материалы (МТМ);
- материалы специального назначения (МСН).
Основой для деления материалов на магнитомягкие и
магнитотвердые является значение коэрцитивной силы Нс.
Для МММ Нс = (0,4...800) А/м, а для МТМ Нс = (4...800) кА/м.
Материалы специального назначения выделены в отдельную
группу в связи с их особыми свойствами и областями применения.
К ним относятся материалы для записи и хранения информации,
ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты СВЧ,
магнитострикционные и термомагнитные материалы.
34

35.

Магнитомягкие материалы
Магнитомягкие материалы подразделяются на низкочастотные
НЧ и высокочастотные ВЧ.
НЧ
низкоуглеродистые
стали,
кремнистые
стали,
низкокоэрцитивные стали (пермаллои Fe-Ni, Fe-Ni-Co-Mo, … ).
ВЧ – ВЧ и СВЧ ферриты, магнитодиэлектрики.
МММ должны удовлетворять требованиям, согласно которым
материал должен:
- легко намагничиваться и размагничиваться;
- обладать узкой петлей гистерезиса, т.е. малой Нс и большими μнач и
μmax;
- иметь высокую индукцию насыщения Bs, т.е. обеспечивать прохождение
максимального магнитного потока через единичное сечение магнитопровода,
что уменьшает его габариты и вес;
- обеспечивать малые потери при работе в переменных полях, что
снижает температуру нагрева изделия, габариты и вес, повышает КПД и
рабочую индукцию;
удовлетворять
дополнительным
требованиям,
связанным
с
механическими свойствами, стабильностью во времени, при разных
35
температурах, низкой стоимостью.
-

36.

Наиболее широко применяемыми магнитомягкими материалами
являются:
- технически чистое железо и его разновидности;
- листовая электротехническая сталь;
- пермаллои - сплавы Fe-Ni с различным содержанием Ni;
- альсиферы - сплавы Fe-Si-Аl;
- магнитомягкие ферриты.
Технически чистое железо содержит менее 0,05% углерода и
минимальное количество примесей других элементов, имеет малое
удельное сопротивление и большие потери на вихревые токи.
Получается прямым восстановлением чистых руд, а также с
применением электролитического или карбонильного процессов.
Наиболее употребляемыми являются низкоуглеродистая сталь и
карбонильное железо, в основном в виде магнитопроводов для
постоянного магнитного потока и в качестве главного компонента для
большинства магнитных материалов.
36

37.

На магнитные свойства железа влияют:
- химический состав;
- структура;
- размер зерна;
- искажения кристаллической решетки;
- механические напряжения.
Магнитные свойства железа улучшаются:
- при выращивании крупного зерна (полиморфизм);
- в результате многократных переплавок в вакууме.
Внутренние напряжения в деталях снимаются отжигом.
Технически чистое железо
зерна феррита (α) и третичный
цементит
(Fe3Cтр)
37

38.

Пермаллои
Пермаллои (низкокоэрцитивные сплавы) - являются сплавами Fe
и Ni с легирующими добавками хрома, кобальта, кремния, меди,
марганца, которые повышают ρv и μmax, улучшают механические
свойства и температурную стабильность.
По составу выделяют низконикелевые (40 - 50% Ni) и
высоконикелевые (72 - 80 % Ni) пермаллои. Такое разделение
вызвано смещением магнитных и электрических характеристик в
зависимости от процентного содержания никеля.
Из рисунка видно, что μнач имеет два максимума: относительный (1)
и абсолютный (2): 1 - область с содержанием никеля 40-50%
соответствует низконикелевому
Магнитные
характеристики
пермаллоев
пермаллою;
2 - область с
содержанием 72-80%
- высоконикелевому,
- обладающими наибольшими
- значениями μmax.
38

39.

Низконикелевые и высоконикелевые пермаллои
Ni, %
μнач
μmax
Bs, Тл
ρ, мкОм˟м
50
2000–3200
50000–60000
1,55
0,5
78,5
7000–14000
100000–200000
1,05
0,25
Марки пермаллоя: 79 НМ, 50НХС, 45Н, где цифра в обозначении
марки пермаллоя указывает процентное содержание никеля.
Применение:
- сплавы с наибольшей μmax и μнач рекомендуются для сердечников
малогабаритных трансформаторов, реле, магнитных экранов при их
толщинах менее 0,02 мм,
для сердечников импульсных
трансформаторов, магнитных усилителей;
- сплавы с повышенным удельным сопротивлением реализуют для
сердечников импульсных трансформаторов и аппаратуры звуковых и
высоких частот, работающих без перемагничивания.
С увеличением частоты следует применять более низконикелевые
пермаллои.
Недостатками пермаллоев являются высокая чувствительность к
механическим воздействиям, низкое значение ρv и зависимость μ от
частоты.
39

40.

Альсиферы
Альсиферы — сплавы Al-Si-Fe, обладающие хорошими
магнитными свойствами, оптимальный состав (9,6% Si, 5,4% Al) имеет
следующие свойства: μнач = 35400; μmax= 117000; Hc =1,76 А/м.
Промышленные образцы имеют более низкие значения
магнитных свойств, чем альсифер оптимального состава (у
отожженных образцов μнач = 6000 - 7000).
Область применения - магнитные сердечники и экраны, корпуса
приборов и аппаратов, фасонные детали магнитопроводов и другие
изделия, работающие в постоянных магнитных полях.
Альсиферы отличаются высокой хрупкостью, и теряют свойства
при механической обработке, поэтому детали из них изготавливают
литьем, а также в виде порошков для изготовления ВЧ сердечников
методом прессования.
Тонкие
порошки
альсифера
применяются
в
качестве
ферромагнитной составляющей магнитодиэлектриков.
40

41.

Ферриты
Ферриты (оксиферы) представляют собой системы из оксидов
железа и оксидов двухвалентных, а иногда и одновалентных металлов.
Общая формула ферритов MeOFe2O3, где Me - символ
двухвалентного металла.
Ферриты обладают достаточно высокими магнитными свойствами,
имеют высокое значение ρv, поскольку это смесь оксидов, имеют
малые потери и широко применяются на повышенных и высоких
частотах.
По свойствам и применению ферриты делятся на:
- магнитомягкие низкочастотные ферриты с f*кр = 0,2 ÷ 20 МГц
и высокочастотные c fкр = 30 ÷ 300 МГц;
- магнитотвердые ферриты;
- ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ);
- ферриты СВЧ.
*fкр – допустимый частотный диапазон, в котором tgδ=0,1
41

42.

Магнитомягкие ферриты
Магнитомягкие ферриты — химические соединения окисла железа Fe2O3
с окислами других металлов.
По составу ферриты делятся на:
- марганец-цинковые (MnO·Zn·Fe2 ·O3);
- никель- цинковые (NiO·Zn·Fe2 ·O3);
- литий-цинковые (Li2O·Zn·Fe2 ·O3).
Широко применяются ферриты со структурой шпинели, отвечающими
формуле MeFe2O4, где Me – какой-либо двухвалентный катион.
Самопроизвольная намагниченность ферритов обусловлена спиновыми
магнитными моментами трехвалентных ионов железа и двухвалентных ионов
металла, между которыми существует косвенное обменное взаимодействие
через ионы кислорода.
42

43.

Ферриты
имеют
гранецентрированную
плотно
упакованную
кристаллическую решетку, в которой ионы кислорода образуют
тетраэдры и октаэдры.
В центре тетраэдра располагается ион металла. Если этим ионом
является Fe2+, материал обладает магнитными свойствами, например
никелевый (NiO·Fe2O3) и марганцевый (MnO·Fe2O3) ферриты.
Если этим ионом является
Zn2+ или Cd2+, образуется
немагнитный цинковый
(ZnO·Fe2O3) или
кадмиевый (CdO·Fe2O3)
феррит.
R 3+ - редкоземельный элемент,
входящий в состав феррита
(Gd3+, Tb3+, Dy3+, … ).
43

44.

Кристаллическую решетку ферритов, в магнитном
отношении, можно представить как состоящую из двух
подрешеток, имеющих противоположные направления
магнитных моментов ионов.
В магнитном феррите намагниченность подрешеток
не одинакова, в результате чего возникает суммарная
спонтанная намагниченность Jм = JмВ – JмА, а в немагнитном
феррите суммарная намагниченность равна нулю.
Ферриты с высокой магнитной проницаемостью
представляют собой твердые растворы замещения,
образованные двумя простыми ферритами, один из
которых NiFe2O4 или MnFe2O4 является ферримагнетиком,
а второй ZnFe2O4 немагнитен.
44

45.

Вхождение цинка в кристаллическую решетку приводит в изменению
обменного взаимодействия, приводящее к зависимости свойств
феррита от процентного содержания Zn.
Увеличение содержания немагнитного компонента приводит к
уменьшению констант магнитной анизотропии и магнитострикции и
росту μнач.
Максимальному значению μнач соответствует твердый раствор
Ni1-хZnхFe2O4 при х = 0,7.
Значение μнач и Нс определяется
также структурой феррита. Устранение
структурных недостатков позволяет
существенно повысить μ материала.
Большое влияние на значение μ
оказывает размер кристаллических
зерен.
Марганец-цинковые ферриты с крупнозернистой структурой
могут обладать μнач до 20 000, близкое к μ лучших марок пермаллоя.
45

46.

Магнитные свойства
Для ферритов, используемых в переменных полях, кроме начальной
магнитной проницаемости, важной характеристикой является tgδ.
Благодаря низкой проводимости, потери на вихревые токи в
ферритах малы и ими можно пренебречь, а потери на гистерезис в
слабых магнитных полях оказываются незначительны, поэтому tgδ на
высоких частотах определяется, в основном, потерями на
релаксационные явление, т.е. магнитное последействие и резонансные.
Магнитное последействие, проявляющееся на высоких частотах,
приводит также к снижению μ.
Частоту, при которой μнач уменьшается до 0,7 от ее значения при
постоянном магнитном поле, называют граничной - fгр, как правило,
fгр. ˃ fкр , применяемой для оценки допустимого частотного диапазона
при которой tgδ достигает значения 0,1.
Для сравнительной оценки качества ММ ферритов применяют
относительный tgδотн = tgδ/ μнач.
46

47.

Маркировка ферритов:
- на первом месте стоит численное значение начальной магнитной
проницаемости μн,
- затем - буквы, определяющие частотный диапазон применения,
Н - низкочастотные (fкр = 0,1…20 МГц), ВЧ - высокочастотные, с fкр =
30…300 МГц.
затем - буквы, указывающие состав феррита:
«Н» - никель-цинковый;
«М» - марганец-цинковый.
Марганец-цинковые ферриты имеют более высокую магнитную
проницаемость и точку Кюри, но сравнительно невысокое
ρ = 103…105 Ом.м, что и ограничивает их использование до 3 МГц, а
никель-цинковые ферриты – высокое ρ (до 1011 Ом.м) и лучшие
частотные характеристики.
Ферриты, применяемые на высоких и сверхвысоких
частотах (СВЧ)
На высоких частотах (до 800 МГц) применяют литиевые
(Li2O.5Fe2O3), кобальт-бариевые (Co.Ba)O.Fe2O3 и др. более сложные
ферриты.
-
47

48.

Зависимость начальной магнитной проницаемости от
частоты (никель-цинковый феррит)
При увеличении частоты возрастают потери в феррите (т.е.
индуктивная компонента уменьшается, а резистивная компонента
увеличивается).
Существует «предел Сноека». который ограничивает частотный
диапазон, допустимый для использования ферритового материала
(никель-цинковый).
Ферриты – магнитные материалы,
представляющие собой
смесь оксида железа Fe2O3
с оксидами других металлов
(таких как Mn, Zn, Ni, Mg, Co, Cu)
и обладающие
ферромагнетизмом.
По оси Y - µнач.
Цифра в маркировке
показывает содержание
никеля
48

49. Mn-Zn и Ni-Zn ферриты

49

50.

Магнитомягкие
ферриты
применяются
для
изготовления
сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, фильтров,
магнитных антенн и отклоняющих систем телевизоров, статоров и
роторов ВЧ микродвигателей и т.д.
Магнитодиэлектрики
Магнитодиэлектрики получают прессованием порошкообразного
магнетика
с
изолирующей
его
частицы
органической
или
неорганической связкой.
Использование диэлектрической связки повышает ρv и позволяет
применять материалы на повышенных и высоких частотах.
В качестве основы применяют карбонильное железо, альсифер и
другие порошкообразные магнетики, а диэлектрической связкой служат
фенолформальдегидные смолы, полистирол, стекло и т.д.
Магнитная проницаемость магнитодиэлектриков практически
неуправляема внешним магнитным полем.
Магнитодиэлектрики применяют в катушках индуктивности
фильтров, генераторов, контуров радиоаппаратуры и аппаратуры связи.
50