Определение магнитной проницаемости вещества. Ее роль в описании магнитного поля

Если провести опыт с соленоидом, который соединен с баллистическим гальванометром, то при включении тока в соленоиде можно определять значение магнитного потока Ф, который будет пропорционален отбросу стрелки гальванометра. Проведем опыт дважды, причем ток (I) в гальванометре установим одинаковый, но в первом опыте соленоид будет без сердечника, а во втором опыте, перед тем как включить ток, введем в соленоид железный сердечник. Обнаруживается, то, что во втором опыте магнитный поток существенно больше, чем в первом (без сердечника). При повторении опыта с сердечниками разной толщины, получается, максимальный поток получается в том случае, когда весь соленоид заполнен железом, то есть обмотка плотно навита на железный сердечник. Можно провести опыт с разными сердечниками. В результате получается, что:

где $Ф$ -- магнитный поток в катушке с сердечником, $Ф_0$ -- магнитный поток в катушке без сердечника. Увеличение магнитного потока при введении в соленоид сердечника объясняется тем, что к магнитному потоку, который создает ток в обмотке соленоида, добавился магнитный поток, создаваемый совокупностью ориентированных амперовых молекулярных токов. Под влиянием магнитного поля молекулярные токи ориентируются, и их суммарный магнитный момент перестает быть равным нулю, возникает дополнительное магнитное поле.

Определение

Величину $\mu $, которая характеризует магнитные свойства среды, называют магнитной проницаемостью (или относительной магнитной проницаемостью).

Это безразмерная характеристика вещества. Увеличение потока Ф в $\mu $ раз (1) означает, что магнитная индукция $\overrightarrow{B}$ в сердечнике во столько же раз больше, чем в вакууме при том же токе в соленоиде. Следовательно, можно записать, что:

\[\overrightarrow{B}=\mu {\overrightarrow{B}}_0\left(2\right),\]

где ${\overrightarrow{B}}_0$ -- магнитная индукция поля в вакууме.

Наряду с магнитной индукцией, которая является основной силовой характеристикой поля, используют такую вспомогательную вектор ную величину как напряженность магнитного поля ($\overrightarrow{H}$), которая связана с $\overrightarrow{B}$ следующим соотношением:

\[\overrightarrow{B}=\mu \overrightarrow{H}\left(3\right).\]

Если формулу (3) применить к опыту с сердечником, то получим, что в отсутствии сердечника:

\[{\overrightarrow{B}}_0={\mu }_0\overrightarrow{H_0}\left(4\right),\]

где $\mu $=1. При наличии сердечника мы получаем:

\[\overrightarrow{B}=\mu {\mu }_0\overrightarrow{H}\left(5\right).\]

Но так как выполняется (2), то получается, что:

\[\mu {\mu }_0\overrightarrow{H}={\mu м}_0\overrightarrow{H_0}\to \overrightarrow{H}=\overrightarrow{H_0}\left(6\right).\]

Мы получили, что напряженность магнитного поля не зависит от того, каким однородным веществом заполнено пространство. Магнитная проницаемость большинства веществ около единицы, исключения составляют ферромагниетики.

Магнитная восприимчивость вещества

Обычно вектор намагниченности ($\overrightarrow{J}$) связывают с вектором напряженности в каждой точке магнетика :

\[\overrightarrow{J}=\varkappa \overrightarrow{H}\left(7\right),\]

где $\varkappa $ -- магнитная восприимчивость, безразмерная величина. Для неферромагнитных веществ и в не больших полях $\varkappa $ не зависит от напряженности, является скалярной величиной. В анизотропных средах $\varkappa $ является тензором и направления $\overrightarrow{J}$ и $\overrightarrow{H}$ не совпадают.

Связь между магнитной восприимчивостью и магнитной проницаемостью

\[\overrightarrow{H}=\frac{\overrightarrow{B}}{{\mu }_0}-\overrightarrow{J}\left(8\right).\]

Подставим в (8) выражение для вектора намагниченности (7), получим:

\[\overrightarrow{H}=\frac{\overrightarrow{B}}{{\mu }_0}-\overrightarrow{H}\left(9\right).\]

Выразим напряженность, получим:

\[\overrightarrow{H}=\frac{\overrightarrow{B}}{{\mu }_0\left(1+\varkappa \right)}\to \overrightarrow{B}={\mu }_0\left(1+\varkappa \right)\overrightarrow{H}\left(10\right).\]

Сравнивая выражения (5) и (10), получим:

\[\mu =1+\varkappa \left(11\right).\]

Магнитная восприимчивость может быть как положительной так и отрицательной. Из (11) следует, что магнитная проницаемость может быть как больше единицы, так и меньше нее.

Пример 1

Задание: Вычислите намагниченность в центре кругового витка радиуса R=0,1 м с током силой I=2A, если он погружен в жидкий кислород. Магнитная восприимчивость жидкого кислорода равна $\varkappa =3,4\cdot {10}^{-3}.$

За основу решения задачи примем выражение, которое отражает связь напряженности магнитного поля и намагниченности:

\[\overrightarrow{J}=\varkappa \overrightarrow{H}\left(1.1\right).\]

Найдем поле в центре витка с током, так как намагниченность нам необходимо вычислит в этой точке.

Выберем на проводнике с током элементарный участок (рис.1), в качестве основы для решения задачи используем формулу напряженности элемента витка с током:

где$\ \overrightarrow{r}$- радиус-вектор, проведенный из элемента тока в рассматриваемую точку, $\overrightarrow{dl}$- элемент проводника с током (направление задано направлением тока), $\vartheta$ -- угол между $\overrightarrow{dl}$ и $\overrightarrow{r}$. Исходя из рис. 1 $\vartheta=90{}^\circ $, следовательно (1.1) упростится, кроме того расстояние от центра окружности (точки, где мы ищем магнитное поле) элемента проводника с током постоянно и равно радиусу витка (R), следовательно имеем:

Результирующий вектор напряженности магнитного поля направлен по оси X, его можно найти как сумму отдельных векторов$\ \ \overrightarrow{dH},$ так как все элементы тока создают в центре вика магнитные поля, направленные вдоль нормали витка. Тогда по принципу суперпозиции полную напряженность магнитного поля можно получить, если перейти к интегралу:

Подставим (1.3) в (1.4), получим:

Найдем намагниченность, если подставим напряженность из (1.5) в (1.1), получим:

Все единицы даны в системе СИ, проведем вычисления:

Ответ: $J=3,4\cdot {10}^{-2}\frac{А}{м}.$

Пример 2

Задание: Вычислите долю суммарного магнитного поля в вольфрамовом стержне, который находится во внешнем однородном магнитном поле, которую определяют молекулярные токи. Магнитная проницаемость вольфрама равна $\mu =1,0176.$

Индукцию магнитного поля ($B"$), которая приходится на долю молекулярных токов, можно найти как:

где $J$ -- намагниченность. Она связана с напряженностью магнитного поля выражением:

где магнитную восприимчивость вещества можно найти как:

\[\varkappa =\mu -1\ \left(2.3\right).\]

Следовательно, магнитное поле молекулярных токов найдем как:

Полное поле в стержне вычисляется в соответствии с формулой:

Используем выражения (2.4) и (2.5) найдем искомое соотношение:

\[\frac{B"}{B}=\frac{{\mu }_0\left(\mu -1\right)H}{\mu {\mu }_0H}=\frac{\mu -1}{\mu }.\]

Проведем вычисления:

\[\frac{B"}{B}=\frac{1,0176-1}{1,0176}=0,0173.\]

Ответ:$\frac{B"}{B}=0,0173.$

Магнетики

Все вещества в магнитном поле намагничиваются (в них возникает внутреннее магнитное поле). В зависимости от величины и направления внутреннего поля вещества разделяют на:

1) диамагнетики,

2) парамагнетики,

3) ферромагнетики.

Намагниченность вещества характеризуется магнитной проницаемостью ,

Магнитная индукция в веществе,

Магнитная индукция в вакууме.

Любой атом можно характеризовать магнитным моментом .

Сила тока в контуре, - площадь контура, - вектор нормали к поверхности контура.

Микроток атома создается движением отрицательных электронов по орбите и вокруг собственной оси, а также вращением положительного ядра вокруг собственной оси.

1. Диамагнетики.

Когда нет внешнего поля , в атомах диамагнетиков токи электронов и ядра скомпенсированы. Суммарный микроток атома и его магнитный момент равны нулю.

Во внешнем магнитном поле в атомах индуцируются (наводятся) ненулевые элементарные токи. Магнитные моменты атомов при этом ориентируются противоположно .

Создается небольшое собственное поле , направленное противоположно внешнему , и ослабляющего его.

В диамагнетиках .

Т.к. < , то для диамагнетиков 1.

2. Парамагнетики

В парамагнетиках микротоки атомов и их магнитные моменты не равны нулю.

Без внешнего поля эти микротоки расположены хаотично.

Во внешнем магнитном поле микротоки атомов парамагнетика ориентируются по полю , усиливая его.

В парамагнетике магнитная индукция = + , незначительно превышает .

Для парамагнетиков, 1. Для диа- и парамагнетиков можно считать 1.

Таблица 1. Магнитная проницаемость пара- и диамагнетиков.

Намагниченность парамагнетиков зависит от температуры, т.к. тепловое движение атомов препятствует упорядоченному расположению микротоков.

Большинство веществ в природе являются парамагнетиками.

Собственное магнитное поле в диа- и парамагнетиках незначительно и разрушается, если вещество убрать из внешнего поля (атомы возвращаются в исходное состояние, происходит размагничивание вещества).

3. Ферромагнетики

Магнитная проницаемость ферромагнетиков достигает сотен тысяч и зависит от величины намагничивающего поля (сильномагнитные вещества ).

Ферромагнетики: железо, сталь, никель, кобальт, их сплавы и соединения.

В ферромагнетиках существуют области самопроизвольного намагничивания («домены»), в которых все микротоки атомов ориентированы одинаково. Размер доменов достигает 0,1 мм.

В отсутствии внешнего поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотично и компенсируются. Во внешнем поле те домены, в которых микротоки усиливают внешнее поле, увеличивают свои размеры за счет соседних. Результирующее магнитное поле = + в ферромагнетиках намного сильнее по сравнению с пара- и диамагнетиками.

Домены, включающие миллиарды атомов, обладают инерционностью и не возвращаются быстро в первоначальное беспорядочное состояние. Поэтому, если ферромагнетик удалить из внешнего поля, то его собственное поле сохраняется длительное время.

Магнит размагничивается при длительном хранении (с течением времени домены возвращаются в хаотичное состояние).

Другой способ размагничивания – нагревание. Для каждого ферромагнетика существует температура (она называется «точка Кюри»), при которой в доменах разрушаются связи между атомами. В этом случае ферромагнетик превращается в парамагнетик и происходит его размагничивание. Например, точка Кюри для железа составляет 770°С.

Магнитный момент- это основная векторная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Поскольку источником магнетизма является замкнутый ток, то значение магнитного момента М определяется как произведение силы тока I на площадь, охватываемую контуром токаS:

М = I×S А×м 2 .

Магнитными моментами обладают электронные оболочки атомов и молекул. Электроны и другие элементарные частицы имеют спиновый магнитный момент, определяемый существованием собственного механического момента – спина. Спиновый магнитный момент электрона может ориентироваться во внешнем магнитном поле так, что возможны только две равные и противоположно направленные проекции момента на направление вектора напряженности магнитного поля, равные магнетону Бора – 9,274×10 -24 А×м 2 .

1. Определите понятие «намагниченность» вещества.

Намагниченность – J – это суммарный магнитный момент единицы объема вещества:

1. Определите понятие «магнитная восприимчивость».

Магнитная восприимчивость вещества, א v – отношение намагниченности вещества к напряженности магнитного поля, относящаяся к единице объема:

א v = , безразмерная величина.

Удельная магнитная восприимчивость, א– отношение магнитной восприимчивости к плотности вещества,т.е. магнитная восприимчивость единицы массы, измеряемая в м 3 /кг.

1. Определите понятие «магнитная проницаемость».

Магнитная проницаемость, μ – это физическая величина, характеризующая изменение магнитной индукции при воздействии магнитного поля. Для изотропных сред магнитная проницаемость равна отношению индукции в среде В к напряженности внешнего магнитного поля Н и к магнитной постоянной μ 0 :

Магнитная проницаемость – величина безразмерная. Её значение для конкретной среды на 1 больше магнитной восприимчивости той же среды:

μ = א v + 1, так какВ = μ 0 (Н+J).

1. Дайте классификацию материалов по магнитным свойствам.

По магнитному строению и значению магнитной проницаемости (восприимчивости) материалы подразделяются на:

Диамагнетики μ< 1 (материал «сопротивляется» магнитному полю);

Парамагнетики μ > 1 (материал слабо воспринимает магнитное поле);

Ферромагнетики μ >> 1 (магнитное поле в материале усиливается);

Ферримагнетики μ >> 1 (магнитное поле в материале усиливается, но магнитная структура материала отличается от структуры ферромагнетиков);

Антиферромагнетики μ ≈ 1 (материал слабо реагирует на магнитное поле, хотя по магнитной структуре схож с ферримагнетиками).

1. Опишите природу диамагнетизма.

Диамагнетизм – это свойство вещества намагничиваться навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля (в соответствии с законом электромагнитной индукции и правилом Ленца). Диамагнетизм свойственен всем веществам, но в «чистом виде» он проявляется у диамагнетиков. Диамагнетики – вещества, молекулы которых не имеют собственных магнитных моментов (их суммарный магнитный момент равен нулю), поэтому других свойств, кроме диамагнетизма у них нет. Примеры диамагнетиков:

Водород, א= - 2×10 -9 м 3 /кг.

Вода, א= - 0,7×10 -9 м 3 /кг.

Алмаз, א= - 0,5×10 -9 м 3 /кг.

Графит, א= - 3×10 -9 м 3 /кг.

Медь, א= - 0,09×10 -9 м 3 /кг.

Цинк, א= - 0,17×10 -9 м 3 /кг.

Серебро, א= - 0,18×10 -9 м 3 /кг.

Золото, א= - 0,14×10 -9 м 3 /кг.

43. Опишите природу парамагнетизма.

Парамагнетизм – это свойство веществ, называемых парамагнетиками, которые, будучи помещены во внешнее магнитное поле, приобретают магнитный момент, совпадающий с направлением этого поля. Атомы и молекулы парамагнетиков в отличие от диамагнетиков имеют собственные магнитные моменты. При отсутствии поля ориентация этих моментов хаотична (из-за теплового движения) и суммарный магнитный момент вещества равен нулю. При наложении внешнего поля происходит частичная ориентация магнитных моментов частиц в направлении поля, и к напряженности внешнего поля Н добавляется намагниченность J: В = μ 0 (Н+J). Индукция в веществе усиливается. Примеры парамагнетиков:

Кислород, א= 108×10 -9 м 3 /кг.

Титан, א= 3×10 -9 м 3 /кг.

Алюминий, א= 0,6×10 -9 м 3 /кг.

Платина, א= 0,97×10 -9 м 3 /кг.

44.Опишите природу ферромагнетизма.

Ферромагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, при котором все магнитные моменты атомов в определенном объеме вещества (домене) параллельны, что обусловливает самопроизвольную намагниченность домена. Появление магнитного порядка связано с обменным взаимодействием электронов, имеющим электростатическую природу (закон Кулона). В отсутствии внешнего магнитного поля ориентация магнитных моментов различных доменов может быть произвольной, и рассматриваемый объем вещества может иметь в целом слабую или нулевую намагниченность. При приложении магнитного поля магнитные моменты доменов ориентируются по полю тем больше, чем выше напряженность поля. При этом изменяется значение магнитной проницаемости ферромагнетика и усиливается индукция в веществе. Примеры ферромагнетиков:

Железо, никель, кобальт, гадолиний

и сплавы этих металлов между собой и другими металлами (Al, Au, Cr, Si и др.). μ ≈ 100…100000.

45. Опишите природу ферримагнетизма.

Ферримагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, в котором магнитные моменты атомов или ионов образуют в определенном объеме вещества (домене) магнитные подрешетки атомов или ионов с суммарными магнитными моментами не равными друг другу и направленными антипараллельно. Ферримагнетизм можно рассматривать как наиболее общий случай магнитоупорядоченного состояния, а ферромагнетизм как случай с одной подрешеткой. В состав ферримагнетиков обязательно входят атомы ферромагнетиков. Примеры ферримагнетиков:

Fe 3 O 4 ; MgFe 2 O 4 ; CuFe 2 O 4 ; MnFe 2 O 4 ; NiFe 2 O 4 ; CoFe 2 O 4 …

Магнитная проницаемость ферримагнетиков имеет тот же порядок, что и у ферромагнетиков: μ ≈ 100…100000.

46.Опишите природу антиферромагнетизма.

Антиферромагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, характеризующееся тем, что магнитные моменты соседних частиц вещества ориентированы антипараллельно, и в отсутствии внешнего магнитного поля суммарная намагниченность вещества равна нулю. Антиферромагнетик в отношении магнитного строения можно рассматривать как частный случай ферримагнетика, в котором магнитные моменты подрешеток равны по модулю и антипараллельны. Магнитная проницаемость антиферромагнетиков близка к 1. Примеры антиферромагнетиков:

Cr 2 O 3 ; марганец; FeSi; Fe 2 O 3 ; NiO……… μ ≈ 1.

47.Какое значение магнитной проницаемости у материалов в сверхпроводящем состоянии?

Сверхпроводники ниже температуры сверхперехода являются идеальными диамагнетиками:

א= - 1; μ = 0.

Магнитные материалы: свойства и характеристики. Особенности различных видов магнетизма. Процессы намагничивания. Особенности сильномагнитных материалов. Потери на перемагничивание.

Магнитомягкие материалы: классификация, свойства, назначение.

Магнитотвердые материалы: классификация, свойства, назначение. Магнитные материалы специального назначения: классификация, свойства, назначение.

Литература

Все вещества в природе взаимодействуют с внешниммагнитным полем, но каждое вещество по-разному.

Магнитные свойства веществ зависят от магнитных свойств элементарных частиц, структуры атомов и молекул, а также их групп, но основное определяющее влияние оказывают электроны, их магнитные моменты.

Все вещества, по отношению к магнитному полю, поведению в нем, разделяются на следующие группы:

Диамагнетики – материалы, не имеющие постоянного магнитного дипольного момента, обладающие относительной магнитной проницаемостью (μ≤1) чуть меньше единицы. Относительная диэлектри-ческая проницаемость μ диамагнетиков почти не зависит от величины магнитного поля (Н) и не зависит от температуры. К ним относятся: инертные газы (Nе, Аr, Кr, Хе), водород (H 2); медь (Сu), цинк (Zn), серебро (Аg), золото (Au), сурьма (Sb) и др.

Парамагнетики – материалы, имеющие постоянные дипольные моменты, но расположены они беспорядочно, поэтому взаимодействие между ними очень слабое. Относительная магнитная проницаемость парамагнетиков чуть больше единицы (μ≥1), слабо зависит от напряженности магнитного поля и от температуры.

К парамагнетикам относятся следующие материалы: кислород (О 2), алюминий (Al), платина (Рt), щелочные металлы, соли железа, никеля, кобальта и др.

Ферромагнетики – материалы, имеющие постоянные магнитные дипольные моменты, доменную структуру. В каждом домене они параллельны друг другу и одинаково направлены, поэтому взаимодействие между ними очень сильное. Относительная магнитная проницаемость ферромагнетиков велика (μ >> 1), у некоторых сплавов доходит до 1500000. зависит от напряженности магнитного поля и от температуры.

К ним относятся: железо (Fe), никель (Ni), кобальт (Со), многие сплавы, редкоземельные элементы: самарий (Sm), гадолиний (Gd) и др.

Антиферромагнетики – материалы, имеющие постоянные дипольные магнитные моменты, которые расположены антипараллельно друг другу. Относительная магнитная проницаемость их чуть больше единицы (μ ≥ 1), очень слабо зависит от напряженности магнитного поля и от температуры. К ним относятся: окиси кобальта (CoO), марганца (MnO), фтористый никель (NiF 2) и др.

Ферримагнетики – материалы, обладающие антипараллельными постоянными дипольными магнитными моментами, которые не полностью компенсируют друг друга. Чем меньше такая компенсация, тем выше их ферромагнитные свойства. Относительная магнитная проницаемость ферримагнетиков может быть близка к единице (при почти полной компенсации моментов), а может доходить до десятков тысяч (при малой компенсации).

К ферримагнетикам относятся ферриты, их можно назвать оксиферрами, так как они представляют собой, окислы двухвалентных металлов с Fe 2 O 3 . Общая формула феррита , где Ме – двухвалентный металл.

Магнитная проницаемость ферритов зависит от температуры и напряженности магнитного поля, но в меньшей степени, чем у ферромагнетиков.

Ферриты представляют собой керамические ферромагнитные материалы с малой электропроводностью, вследствие чего могут быть отнесены к электронным полупроводникам с высокой магнитной (μ ≈ 10 4) и высокой диэлектрической (ε ≈ 10 3) проницаемостями.

Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, а ферро- и ферримагнетики – в группу сильномагнитных веществ.

Для технического применения в области радиоэлектроники наибольший интерес представляют сильномагнитные вещества.(рис. 6.1)

Рис. 6.1. Структурная схема магнитных материалов

Магнитные свойства материалов определяются внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи. Круговой ток характеризуется магнитным моментом и может быть заменен эквивалентным магнитным диполем. Магнитные диполи образуются, в основном, спиновым вращением электронов, орбитальное же вращение электронов принимает в этом процессе слабое участие, так же как и ядерное вращение.

У большинства материалов спиновые моменты электронов компенсируют друг друга. Поэтому ферромагнетизм наблюдается далеко не у всех веществ таблицы Менделеева.

Условия, которые необходимы, чтобы материал был ферромагнитным :

1. Существование элементарных круговых токов в атомах.

2. Наличие нескомпенсированных спиновых моментов, электронов.

3. Соотношение между диаметром электронной орбиты (D), имеющей нескомпенсированный спиновый момент, и постоянной кристаллической решетки вещества (а) должно быть

. (6.1)

4. Наличие доменной структуры, т.е. таких кристаллических областей, в которых дипольные магнитные моменты оказываются параллельно ориентированы.

5. Температура материала (вещества) должна быть ниже точки Кюри, так как при более высокой температуре происходит исчезновение доменной структуры, материал переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное.

Характерным свойством ферромагнитного состояния вещества является наличие спонтанной намагниченности без приложения внешнего магнитного поля. Однако магнитный поток такого тела будет равен нулю, так как направление магнитных моментов отдельных доменов различно (доменная структура с замкнутой магнитной цепью).

Степень намагничивания вещества характеризуют величиной намагниченности, или интенсивности намагничивания (J), которая определяется как предел отношения результирующего магнитного момента Σm, отнесенного к объему вещества (V), когда, объем стремиться к нулю

. (6.2)

Если поместить вещество во внешнее магнитное поле с напряженностью Н, то соотношение между J и Н будет

J = 4 πχH , (6.3)

где χ (каппа) называется магнитной вязкостью.

Относительная магнитная проницаемость μ зависит от χ:

μ = 1 + 4 πχ . (6.4)

Интенсивность, намагничивания можно определить, зная μ

μ= 1+. (6.5)

В общем, магнитное поле в ферромагнетике создается как сумма двух составляющих: внешней, создаваемой напряженностью внешнего магнитного поля Н, и внутренней, создаваемой намагниченностью (J).

Суммарное магнитное поле характеризуется магнитной индукцией В:

B = μ 0 (H + J ), (6.6)

где μ 0 – магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума)

μ 0 = 4 π ∙10 -7 , Г/м. (6.7)

Выражая значение J через χ, а затем и μ, получим:

B = μ 0 H (1 + 4 πχ ) или B = μ 0 μH . (6.8)

Абсолютная величина магнитной проницаемости

μ абс = μ 0 ∙ μ . (6.9)

Окончательная формула для магнитной индукции В

B = μ абс H . (6.10)

Процесс намагничивания ферромагнитного материала под влиянием внешнего магнитного поля заключается в следующем:

рост доменов, магнитные моменты которых близки по направлению с внешним полем, и уменьшением других доменов;

ориентация магнитных моментов всех доменов в направлении внешнего поля.

Процесс намагничивания характеризуется для каждого ферромагнетика своей основной кривой намагничивания В = f(Н).

Магнитная проницаемость μ в процессе намагничивания тоже изменяется.

Это показано на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Кривые намагниченности (В = f(Н)) и магнитной проницаемости (μ = f(Н))

Магнитная проницаемость μ при напряженности Н, близкой к нулю, называется начальной (участок 1), а при переходе материала к насыщению она будет принимать максимальное значение (2), с дальнейшим увеличением Н магнитная проницаемость μ – уменьшается (участки 3 и 4).

При циклическом намагничивании ферромагнетика кривые намагничивания и размагничивания образуют петлю гистерезиса. Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения материала, называют предельной. По петле гистерезиса, полученной, например, на экране осциллографа можно получить довольно полную информацию об основных магнитных параметрах материала (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Петля гистерезиса

Основными параметрами являются:

1) остаточная индукция, после снятия напряженности поля – Вr;

2) коэрцитивная сила Нс – напряженность, которую нужно приложить к образцу, чтобы снять остаточную индукцию;

3) максимальная индукция B max , которая достигается при полном насыщении образца;

4) удельные потери на гистерезис за один цикл перемагничивания, которые характеризуются площадью, охватываемой петлей гистерезиса.

Остальные магнитные параметры материала, а также потери на перемагничивание (гистерезис), на вихревые токи, энергию в зазоре (для постоянного магнита) можно рассчитать по формулам, которые были приведены выше и будут приведены в дальнейшем.

Потери в ферромагнитных материалах - это затраты энергии, которые идут на перемагничивание ферромагнетиков, на возникновение вихревых токов в переменном магнитном поле, на магнитную вязкость материала – создают так называемые потери, которые можно разделить на следующие виды:

а) потери на гистерезис Рг, пропорциональны площади петли гистерезиса

Рг = η∙ f ∙
∙ V , Вт (6.11)

где η – коэффициент гистерезиса для данного материала;

f – частота поля, Гц;

В max – максимальная индукция, Тл;

V – объем образца, м 3 ;

n ≈ 1,6...2 – значение показателя степени;

б) потери на вихревые токи

Рв.т. = ξ∙ f 2 ∙В max ∙ V , Вт (6.12)

где ξ – коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления материала и от формы образца;

в) потери на последействие Рп.с., (потери на магнитную вязкость), которые не поддаются аналитическому расчету и определяются исходя из полных потерь Р, Рг и Рв.т. по формуле

Рп.с. = Р – Рг – Рв.т. (6.13)

Потери на вихревые токи можно уменьшить, увеличивая электрическое сопротивление ферромагнетика. Для этого магнитопровод, например для трансформаторов, набирают из отдельных тонких, изолированных друг от друга пластин ферромагнетика.

На практике иногда применяют ферромагнетики с разомкнутой магнитной цепью , т.е. имеющие, например, воздушный зазор, обладающий большим магнитным сопротивлением. В теле, имеющем воздушный зазор, возникают свободные полюса, создающие размагничивающее поле, направленное навстречу внешнему намагничивающему полю. Происходит снижение индукции тем большее, чем шире воздушный зазор. Это проявляется в электромашинах, магнитных подъемных устройствах и др.

Энергия в зазоре (W L), например, постоянного магнита, выражается формулой

, Дж/м 3 , (6.14)

где В L и Н L – собственно индукция и напряженность поля при данной длине воздушного зазора.

Изменяя подаваемую напряженность на ферромагнетик, можно получить в данном зазоре максимальную энергию.

Для нахождения W max пользуются диаграммой, на которой по кривой размагничивания для магнитного материала, расположенной во втором квадранте (участок петли гистерезиса), строят кривую энергии в зазоре, задаваясь различными значениями В (или Н). Зависимость W L от В L и Н L показана на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Энергия в воздушном зазоре ферромагнетика

Чтобы определить напряженность поля Н, при которой будет максимальная энергия в зазоре магнита, нужно провести касательную к максимальной энергии (в точке А), а от нее провести горизонтальную линию до пересечения с петлей гистерезиса во втором квадранте. Затем опустить перпендикуляр до пересечения с координатой Н. Точка Н L 2 будет определять искомую напряженность магнитного поля.

По основным магнитным параметрам ферромагнитные материалы можно классифицировать на следующие группы ;

Магнитно-мягкие – материалы с малым значением коэрцитивной силы Нc (до 100 А/м), большой величиной магнитной проницаемости и малыми потерями на гистерезис. Они используются в качестве магнитопроводов постоянного тока (сердечники трансформаторов, измерительных приборов, катушек индуктивности и т.п.)

К магнитно-мягким материалам относятся:

технически чистое железо, карбонильное железо;

электротехническая сталь;

пермаллои;

альсиферы;

ферриты (медномарганцевые);

термомагнитные сплавы (Ni-Сr-Fе) и др.

2. Магнитно-твердые – материалы, имеющие большую коэрцитивную силу (Нс > 100 А/м) (см. рис. 4.5, г ).

Магнитотвердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов, в которых используется магнитная энергия в воздушном зазоре между полюсами магнита.

К магнитно-твердым материалам относятся:

Литые сплавы альни (Аl-Ni-Fе);

Альнико (Al-Ni-Со-Fе);

Магнико;

Легированные стали, закаливаемые на мартенсит и др.

Особый интерес представляют сплавы на основе редкоземельных материалов (YCo, CeCo, SmCo и др.), обладающие высоким значением Н с и w max .

3. Ферриты – материалы представляющие собой двойные окислы железа с окислами двухвалентных металлов (МеО∙Fe 2 O 3). Ферриты могут быть магнитно-мягкими и магнитно-твердым, в зависимости от их кристаллического строения, например, типа шпинели – (MgAl 3 O 4), гаусмагнита (Мn 3 O 4), граната Ga 3 Al 2 (SiO 4) 3 и др. Электрическое удельное сопротивление их велико (от 10 -1 до 10 10 Ом∙м), следовательно потери на вихревые токи, особенно при высоких частотах, малы.

4. Магнитодиэлектрики – материалы, состоящие из ферромагнитного порошка с диэлектрической связкой. Порошок берется обычно на основе магнитно-мягкого материала – карбонильное железо, альсифер, а связующим диэлектриком служит материал с малыми диэлектрическими потерями – полистирол, бакелит и др.

Вопросы для самопроверки:

Классификация веществ по магнитным свойствам.

Особенности сильномагнитных веществ (домены, анизотропия, кривая намагничивания, магнитострикция, магнитная проницаемость, гистерезис, и т.п.)

Факторы, влияющие на магнитные свойства

Потери в магнитных материалах

Классификация сильномагнитных материалов

Низкочастотные магнитомягкие материалы

Высокочастотные магнитомягкие материалы

Магнитотвердые материалы

Магнитные материалы спецназначения

Приложения

Проводниковые материалы Таблица П.1

проводника		Ом∙мм 2 /м	удельного сопротив-		теплопро- водности Вт/м∙град	тельно меди,	Работа выхода электрона	Темпе- ратура правле-ния,
Чистые металлы
Алюминий
Молибден
Вольфрам
поли- кристалл
Манганин			(5…30)∙10 -6
Константан			(5…20)∙10 -6
Нейзильбер
Термопары
Медь-константан				Тизм до 350 °С
Хромель-алюмель				Тизм до 1000 °С
Платина-платинородий				Тизм до 1600 °С

Полупроводниковые материалы Таблица П.2

	Наименование полупроводни- кового материала			собствен. носителей	Подвижность носителей U,
Неорганические Кристалл. элементарные (атомарные)
	Германий
Кристалл. соединения
	Карбид кремния						возгонка
	Сурьмянистый индий
	Арсенид галлия
	Фосфид галлия
	Арсенид индия
	Теллурид висмута
	Сульфид свинца
Стеклообразные
	Халькогениды	As 2 Te 2 Se, As 2 Se 3 ∙Al 2 Se 3
Органические
	Антрацен
	Нафталин
	Красители и пигменты Фталоцианин меди
	Молекулярные комплексы Иод-пирен
	Полимеры Полиакрилонитрил

Диэлектрические материалы Таблица П.3

Агре-гатное сос-тояние	Наиме-нование матери- алов (диэлек-триков)	Диэлект-рическая прони-цаемость, относи-тельная Е	ное объем- ное сопро-тивление , Ом·м	угла ди-электрических потерь	Проч-ность (элект-ричес-кая) Е пр, МВ/м	Удель-ная тепло- ность λ, Вт/м·ºК
	Элегаз (SF 6)
Жид-кости	Масло трансфор-маторное
Твер-дые мате-риалы	Органи-ческие а) Парафин Головакс
	б) Смола бакели-товая Канифоль Поливинил- Полистирол Полиэтелен Полиметил-метакрилат Смола эпоксидная
	Компаунд
	г) Фенол-пласт (ФАС)
	д) Лако-ткань
	Электро-картон (ЭВТ)
	ж) Каучук бутади-еновый
	Резина изоляц.
	з) Фторо-пласт-4 фторо-пласт-3
	Неоргани-ческие а) Стекла электротех.
	б) Стеатит (керам.) фарфор электротех.
	в) Слюда мусковит Микалекс
	г) Сегнето-керамика ВК-1 Пьезокварц
	д) Фторид-ная изоляция (AlF 3)
	е) Асбест
	Элементо-орган. а) Кремний орг. смола
	б) Кремний орган. каучук

Магнитные материалы Таблица П.4

Наиме- нование магнитного материала	Хими-ческий состав или марка	Относительная магнитная проницаемость, μ		Магнитная индукция В, Т		Коэр-цитив- ная сила Нс, А/м	Удельн. эл. сопро-тивле- ние ρ, мкОм∙м	Энергия в зазоре , Дж/м 3
		нача-льная, μ н	макси-маль-ная, μ max	оста-точ-ная, В	макси-маль-ная, В max
Магнитно-мягкие
Электро- техн. сталь
Пермаллой низко-никелевый
Пермаллой высоко-никелевый
Супермаллой
Альсифер
Ферриты
Феррит никель-цинковый
Феррит марганец-цинковый
Магнитно-твердые
бариевый
бариевый
Магнитодиэлектрики
На основе карбонильного железа

Библиографический список

1. Пасынков, В.В. Материалы электронной техники: учеб.для вузов/ В.В.Пасынков, В.С.Сорокин -СПб.: Лань, 2003. – 367с.

2. Радиоматериалы и радиокомпоненты: метод. указания/ сост. А.М. Хадыкин А.М.- Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. – 44 с.

3. Радиоматериалы и радиокомпоненты: конспект лекций/ авт.-сост. А. М. Хадыкин. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. – 91 с.

4. Материалы и элементы электронной техники: метод. указания / сост. А. М. Хадыкин. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005.-34с.

5. Кликушин Ю.Н. Материаловедение в приборостроении. Электротехнические материалы: Учеб. пособие для вузов / Ю. Н. Кликушин, А. И. Чередов, И. Л. Захаров; ОмГТУ. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. - 79 с.

6. Сорокин В. С. Материалы и элементы электронной техники. В 2-х т.: учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров, магистров и специалистов 210100"Электроника и микроэлектроника" / В. С. Сорокин, Б. Л. Антипов, Н. П. Лазарева. Т.1: Проводники, полупроводники, диэлектрики. - М. : Издательский центр "Академия", 2006. - 448 с.

7. Сорокин В. С. Материалы и элементы электронной техники. В 2 т.: учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки и специальностям "Электроника и микроэлектроника" / В. С. Сорокин, Б. Л. Антипов, Н. П. Лазарева. Т.2. - М. : Издательский центр "Академия", 2006. - 384 с.

8. Алиев И.И. Электротехничесике материалы и изделия. Справочник. – М.: ИП РадиоСофт, 2007. – 352 с.

9. А.И. Сидоров, Н.В. Никоноров «Материалы и технологии интегральной

оптики». Учебное пособие, курс лекций. СПб: СПбГУ ИТМО, 2009 г. - 107

10. Бондаренко И.Б., Гатчин Ю.А., Иванова Н.Ю., Шилкин Д.А. Соединители и коммутационные устройства. Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. 151 с.

11. Рощин В.М. Технология материалов микро-, опто- и наноэлектроники: учебное пособие. Ч 2/ В.М. Рощин, М.В. Силибин. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. – 180 с.

12. Садченков Д.А. Маркировка радиодеталей отечественных и зарубежных. Справочное пособие. Том 1. – М.: СОЛОН-Р, 2002. – 208 с.

13. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника. Учебное пособие для вузов. - Санкт- Петербург.: Питер, 2006 г. - 522 с.

14. Ульянина И.Ю. Строение материалов: учеб. пособие / И. Ю. Ульянина, Т. Ю. Скакова. - М. : МГИУ, 2006. - 55 с.

15. Ульянина И.Ю. Материаловедение в схемах-конспектах: учеб. пособие / И. Ю. Ульянина. - М. : Изд-во МГИУ, 2006. - 139 с.

16. Мишин Д.Д. Магнитные материалы. – М.:Высш.шк., 1991. – 384 с.

17. Харламова Т.Е. Электроматериаловедение. Электротехнические материалы: Учеб. Пособие. – СПб.: СЗПИ, 1998. – 82 с.

18. Шкаруба М.В., Тихонов С.А. Материалы и элементы электронной техники: Учеб пособие. – Омск: Изд-во Омгту, 2006. – 120 с.

19. Компоненты и технологии: Ежемес. всерос. журн.– М.:Ред.журн. «Издательство Файнстрит», – Выходит ежемесячно.

20. Internet: www.wieland – electric.com

21. Internet: www.platan.ru

22. Internet: www.promelec.ru

23. Internet: www.chipdip.ru

4. Магнитные материалы. Химия радиоматериалов

4. Магнитные материалы

Магнитные материалы в электро и радиосвязи играют столь же важную роль, как проводниковые и диэлектрические материалы. В электрических машинах, трансформаторах, дросселях, электрорадиоаппаратуре и измерительных приборах всегда в том или ином виде используют магнитные материалы: в качестве магнитопровода, в виде постоянных магнитов или для экранирования магнитных полей.

Любое вещество, будучи помещенным в магнитное поле, приобретает некоторый магнитный момент М. Магнитный момент единицы объема называют намагниченностью J м:

J м =M/V. (4.1)

Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля:

J м =k м H, (4.2)

где k м – безразмерная величина, характеризующая способность данного вещества намагничиваться в магнитном поле и называемая магнитной восприимчивостью .

Первопричиной магнитных свойств вещества являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов, представляющие собой элементарные круговые токи, обладающие магнитными моментами. Такими токами являются орбитальные спины и орбитальное вращение электронов в атоме. Магнитные моменты протонов и нейтронов примерно в 1000 раз меньше магнитного момента электрона, поэтому магнитные свойства атома целиком определяются электронами, магнитным моментом ядра можно пренебречь.

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 (до10 6), 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.

4.2. Магнитные характеристики материалов

Поведение ферромагнитного материала в магнитном поле характеризуется начальной кривой намагничивания:

Рис. 4.1. Начальная кривая намагничивания.

Показывающей зависимость магнитной индукции В в материале от напряженности магнитного поля Н.

Свойства магнитных материалов оценивают магнитными характеристиками. Рассмотрим основные из них.

4.2.1. Абсолютная магнитная проницаемость

Абсолютная магнитная проницаемость m а материала представляет собой отношение магнитной индукции В к напряженности магнитного поля Н в заданной точке кривой намагничивания для данного материала и выражается в Гн/м:

m а =В/Н (4.3)

Относительная магнитная проницаемость материала m есть отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной:

m =m а /m о (4.4)

μ 0 – характеризует магнитное поле в вакууме (m 0 =1.256637·10 -6 Гн/м).

Абсолютная магнитная проницаемость применяется только для расчетов. Для оценки же свойств магнитных материалов используют m, не зависящую от выбранной системы единиц. Ее называют магнитной проницаемостью. Магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля:

Рис. 4.2. Зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля.

Различают начальную m н и максимальную магнитную проницаемость m м. Начальную измеряют при напряженностях магнитного поля, близких к нулю.

Большие значения m н и m м показывают, что данный материал легко намагничивается в слабых и сильных магнитных полях.

4.2.2. Температурный коэффициент магнитной проницаемости

Температурный коэффициент магнитной проницаемости ТКm позволяет оценить характер изменения m в зависимости

ТК μ = (μ 2 - μ 1)/ μ 1 (Т 2 – Т 1)

Типичная зависимость μ от Т° приведена на рис.4.3.

Рис.4.3. Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от температуры

Т°, при которой μ падает почти до нуля называется температурой Кюри Т к. При Т > Т к процесс намагничивания расстраивается из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул материала, следовательно, материал перестает быть ферромагнитным.

Так, для чистого железа Т к = 768°C
для никеля Т к = 358°C
для кобальта Т к = 1131°C

4.2.3. Индукция насыщения

Индукция В s , характерная для всех магнитных материалов, называется индукцией насыщения (см.рис.4.4). Чем больше В s при заданной Н, тем лучше магнитный материал.

Если образец магнитного материала намагничивать, непрерывно повышая напряженность магнитного поля Н, магнитная индукция В тоже будет непрерывно возрастать по кривой начального намагничивания 1:

Рис.4.4. Петля гистерезиса магнитного материала

Эта кривая заканчивается в точке, соответствующей индукции насыщения В s . При уменьшении Н индукция тоже будет уменьшаться, но начиная с величины В m значения В не будут совпадать с начальной кривой намагничивания.

4.2.4. Остаточная магнитная индукция

Остаточная магнитная индукция В r наблюдается в ферромагнитном материале, когда Н=0. Для размагничивания образца надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на противоположное – Н. Напряженность поля, при которой индукция становится равной нулю, называется коэрцитивной силой Н с. Чем больше Н с, тем в меньшей степени материал способен размагничиваться.

Если после размагничивания материала намагничивать его в противоположном направлении, образуется замкнутая петля, которую называют предельной петлей гистерезиса – петля, снятая при плавном изменении напряженности магнитного поля от +Н до –Н, когда магнитная индукция становится равной индукции насыщения В s .

4.2.5. Удельные потери на гистерезис

Это потери P г, затрачиваемые на перемагничивание единицы массы материала за один цикл [Вт/кг]. Их величина зависит от частоты перемагничивания и значения максимальной индукции. Они определяются (за один цикл) площадью петли гистерезиса.

4.2.6. Динамическая петля гистерезиса

Она образуется при перемагничивании материала переменным магнитным полем и имеет большую площадь, чем статическая, т.к. при действии переменного магнитного поля кроме потерь на гистерезис возникают потери на вихревые токи и магнитное последействие (отставание по времени параметров от Н), которое определяется магнитной вязкостью материала.

4.2.7. Потери энергии на вихревые токи

Потери энергии на вихревые токи Р в зависят от удельного электрического сопротивления материала ρ. Чем больше ρ, тем меньше потери. Р в также зависят от плотности материала и его толщины. Они пропорциональны квадрату амплитуды магнитной индукции В m и частоты f переменного поля.

4.2.8. Коэффициент прямоугольности петли гистерезиса

Для оценки формы гистерезисной петли пользуются коэффициентом прямоугольности петли гистерезиса:

К п = В r /В m (4.6)

Чем больше К п, тем прямоугольнее петля. Для магнитных материалов, применяемых в автоматике и ЗУ ЭВМ, К п = 0.7-0.9.

4.2.9. Удельная объемная энергия

Это характеристика, применяемая доля оценки свойств магнитно-твердых материалов, выражается формулой:

W м = 1/2(B d ·H d), (4.7)

где B d и H d соответственно индукция и напряженность магнитного поля, соответствующие максимальному значению удельной объемной энергии (рис.4.5).

Рис.4.5. Кривые размагничивания и магнитной энергии

Чем больше объемная энергия, тем лучше магнитный материал и постоянный магнит, из него изготовленный.

4.3. Классификация магнитных материалов

Согласно поведению в магнитном поле все магнитные материалы делятся на две основные группы – магнитно-мягкие (МММ) и магнитно-твердые (МТМ). МММ характеризуются большими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемостью и малыми значениями коэрцитивной силы (меньше 4000 А/м). Они легко намагничиваются и размагничиваются, отличаются малыми потерями на гистерезис.

Чем чище МММ, тем лучше его магнитные характеристики.

МТМ обладают большой коэрцитивной силой (больше 4000А/м) и остаточной индукцией (больше 0.1 Тл). Они с большим трудом намагничиваются, но зато могут долго сохранять магнитную энергию, т.е. служить источниками постоянного магнитного поля.

По составу все магнитные материалы делятся на

1. металлические
2. неметаллические
3. магнитодиэлектрики.

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

Неметаллические магнитные материалы – ферриты, получаемые из порошкообразной смеси окислов железа и окислов других металлов. Опрессованные ферритовые изделия подвергаются отжигу, в результате чего они превращаются в твердые монолитные детали.

Магнитодиэлектрики представляют собой композиционные материалы, состоящие из 60-80% порошкообразного магнитного материала и 40-20% диэлектрика.

Ферриты и магнитодиэлектрики отличаются от металлических магнитных материалов большими ρ(10 2 -10 8 Ом·м), от чего потери на вихревые токи малы. Это позволяет использовать их в высокочастотной технике. Кроме того, ферриты обладают большой стабильностью магнитных параметров в широком диапазоне частот (включая СВЧ).

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.

μ н = 2500 – 3000
μ м = 20000 – 21000
Н с = 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.

μ н = 2000 – 14000
μ м = 50000 – 270000
Н с = 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.

μ н = 6000 – 7000
μ м = 30000 – 35000
Н с = 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.

Горячекатанная
холоднокатанная

4.5. Металлические магнитно-твердые материалы

По составу, состоянию и способу получения магнитно-твердые материалы подразделяются на:

1. легированные стали, закаливаемые на мартенсит;
2. литые магнитно-твердые сплавы;
3. магниты из порошков;
4. магнитно-твердые ферриты;
5. пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты.

Характеристиками материалов для постоянных магнитов служат коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная энергия, отдаваемая магнитом во внешнее пространство. Магнитная проницаемость материалов для постоянных магнитов ниже, чем МММ, причем чем выше коэрцитивная сила, тем меньше магнитная проницаемость.

4.5.1. Легированные стали, закаливаемые на мартенсит

Данные стали являются наиболее простым и доступным материалом для постоянных магнитов. Они легируются вольфрамом, хромом, молибденом и кобальтом. Величина W м для мартенситных сталей составляет 1–4 кДж/м 3 . В настоящее время мартенситные стали имеют ограниченное применение из-за невысоких магнитных свойств, но полностью от них не отказываются, т.к. они дешевы и допускают механическую обработку на металлорежущих станках.

4.5.2. Литые магнитно-твердые сплавы

Большую магнитную энергию имеют тройные сплавы Al-Ni-Fe, которые раньше называли сплавами альни . При добавлении кобальта или кремния в эти сплавы их магнитные свойства повышаются. Недостатком этих сплавов является трудность изготовления из них изделий точных размеров вследствие хрупкости и твердости их, допускающих обработку только путем шлифовки.

4.5.3. Магниты из порошков

Необходимость получения особенно мелких изделий со строго выдержанными размерами обусловила привлечение методов порошковой металлургии для получения постоянных магнитов. При этом различают металлокерамические магниты и магниты из зерен порошка, скрепленных тем или иным связующим (металлопластические магниты).

4.5.4. Пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты

К таким сплавам относятся викаллой, кунифе, кунико и некоторые другие. Основные представления об этих сплавах приведены в табл.4.2.

Таблица 4.2.

Марка сплава	Хим. Состав %, ост. Fe		Н с, кА/м	W м, КДж/м 3
Викаллой I	51-54 Со 10-11.5 V
Викаллой II	51-54 Со 11.5-13 V
Кунифе II	50Cu,20Ni 2.5Co
	50Cu,21Ni, 29Co
Кунико II

4.6. Ферриты

Это соединения оксида железа Fe 2 O 3 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·Al 2 O 3 . Большинство соединений указанного типа, как и природный магнитный железняк FeO·Fe 2 O 3 , 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:

MeO x Fe 2 O 3 или MeFe 2 O 4

Феррит цинка – ZnFe 2 O 4 , феррит никеля – NiFe 2 O 4 .

Не все простые ферриты обладают магнитными свойствами. Так CdFe 2 O 4 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·Fe 2 O 3 + nZnO·Fe 2 O 3 + pFeO·Fe 2 O 3 , (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.

4.7. Магнитодиэлектрики

Это композиционные материалы, состоящие из мелкодисперсных частиц магнитно-мягкого материала, соединенных каким-либо органическим или неорганическим диэлектриком. В качестве мелкодисперсных МММ применяют карбонильное железо, альсиферы и некоторые сорта пермаллоев. В качестве диэлектрика – эпоксидные или бакелитовые смолы, полистирол, жидкое стекло и др.

Назначение диэлектриков не только в том, чтобы соединять частицы магнитного материала, но и создать между ними электроизоляционные прослойки и тем самым повысить электрическое сопротивление магнитодиэлектрика. Это резко снижает потери на вихревые токи и дает возможность работать на частотах 10–100 МГц (в зависимости от состава).

Магнитные характеристики магнитодиэлектриков несколько ниже исходных ферромагнитных наполнителей. Несмотря на это магнитодиэлектрики применяют для изготовления сердечников ВЧ узлов РЭА. Это обусловлено большой стабильностью магнитных характеристик и возможностью изготовления из них сердечников сложной формы. Кроме того, изделия из диэлектриков отличаются высокой чистотой поверхности и точностью размеров.

Лучшие магнитодиэлектрики – с наполнителями: молибденовым пермаллоем или карбонильным железом.