Лекция №8

Лекция №8 МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Магнитные материалы в электро и радиосвязи играют настолько же важную роль, как проводниковые и диэлектрические материалы. В электронных машинах, трансформаторах, дросселях, электрорадиоаппаратуре и измерительных устройствах всегда в том либо ином виде употребляют Лекция №8 магнитные материалы: в качестве магнитопровода, в виде неизменных магнитов либо для экранирования магнитных полей.

Хоть какое вещество, будучи помещенным в магнитное поле, приобретает некий магнитный момент М. Магнитный момент единицы объема Лекция №8 именуют намагниченностью Jм:


Jм=M/V. (4.1)


Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля:


Jм=kмH, (4.2)


где kм – безразмерная величина, характеризующая способность данного вещества намагничиваться в магнитном поле и именуемая магнитной восприимчивостью.

Первопричиной магнитных параметров Лекция №8 вещества являются внутренние сокрытые формы движения электронных зарядов, представляющие из себя простые радиальные токи, владеющие магнитными моментами. Такими токами являются орбитальные спины и орбитальное вращение электронов в атоме. Магнитные Лекция №8 моменты протонов и нейтронов приблизительно в 1000 раз меньше магнитного момента электрона, потому магнитные характеристики атома полностью определяются электронами, магнитным моментом ядра можно пренебречь.


4.1. Систематизация веществ по магнитным свойствам


По реакции на наружное магнитное Лекция №8 поле и по нраву внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно поделить на 5 групп:

-диамагнетики;

-парамагнетики;

-ферромагнетики;

-антиферромагнетики;

-ферримагнетики.

Диамагнетики – магнитная проницаемость  меньше единицы и не находится в зависимости от напряженности Лекция №8 наружного магнитного поля.

Диамагнетизм обоснован маленьким конфигурацией угловой скорости орбитального вращения электрона при внесении атома в магнитное поле.

Диамагнитный эффект является универсальным, присущим всем субстанциям. Но почти всегда он маскируется более сильными магнитными эффектами Лекция №8.

К диамагнетикам относят инертные газы, водород, азот, многие воды (вода, нефть), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть и др.), большая часть полупроводников и органических соединений. Диамагнетики – все вещества с ковалентной хим связью Лекция №8 и вещества в сверхпроводящем состоянии.

Наружным проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля.

Парамагнетики – вещества с  больше единицы, не зависящей от напряженности наружного магнитного поля.

Наружное магнитное Лекция №8 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 Лекция №8 и редкоземельных частей.

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

К ферромагнетикам относят вещества с большой магнитной проницаемостью (до106), очень зависящей от напряженности наружного магнитного Лекция №8 поля и температуры.

Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно нацеленными магнитными моментами атомов. Важная особенность ферромагнетиков заключается в их возможности намагничиваться до насыщения в слабеньких Лекция №8 магнитных полях.

Антиферромагнетиками являются вещества, в каких ниже некой температуры Т° спонтанно появляется антипараллельная ориентация магнитных моментов схожих атомов либо ионов кристаллической решетки

При нагревании антиферромагнетик перебегает в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм найден у хрома Лекция №8, марганца и ряда редкоземельных частей (Ce,Nd,Sm,Tm и др.)

К ферримагнетикам относят вещества, магнитные характеристики которых обоснованы нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Магнитная проницаемость у их высока и очень находится в зависимости Лекция №8 от напряженности магнитного поля и температуры.

Качествами ферримагнетиков владеют некие упорядоченные железные сплавы, но, приемущественно – разные оксидные соединения, а главный энтузиазм представляют ферриты.

Диа-, пара- и антиферромагнетики можно соединить в группу слабомагнитных веществ Лекция №8, тогда как ферро- и ферримагнетики представляют собой сильномагнитные материалы и представляют больший энтузиазм.


4.2. Магнитные свойства материалов


Поведение ферромагнитного материала в магнитном поле характеризуется исходной кривой намагничивания:



Рис. 4.1. Исходная кривая намагничивания.


Показывающей зависимость Лекция №8 магнитной индукции В в материале от напряженности магнитного поля Н.

Характеристики магнитных материалов оценивают магнитными чертами. Разглядим главные из их.


4.2.1. Абсолютная магнитная проницаемость


Абсолютная магнитная проницаемость а материала представляет собой отношение магнитной индукции В к Лекция №8 напряженности магнитного поля Н в данной точке кривой намагничивания для данного материала и выражается в Гн/м:

а=В/Н (4.3)


Относительная магнитная проницаемость материала  есть отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной Лекция №8 неизменной:


=а/о (4.4)

μ0 – охарактеризовывает магнитное поле в вакууме (0=1.256637·10-6 Гн/м).

Абсолютная магнитная проницаемость применяется только для расчетов. Для оценки же параметров магнитных материалов употребляют , не зависящую от избранной системы единиц. Ее Лекция №8 именуют магнитной проницаемостью. Магнитная проницаемость находится в зависимости от напряженности магнитного поля:



Рис. 4.2. Зависимость магнитной проницаемости

от напряженности магнитного поля.


Различают исходную н и наивысшую магнитную проницаемость м. Исходную определяют при напряженностях магнитного поля Лекция №8, близких к нулю.

Огромные значения н и м демонстрируют, что данный материал просто намагничивается в слабеньких и сильных магнитных полях.


4.2.2. Температурный коэффициент магнитной проницаемости


Температурный коэффициент магнитной проницаемости ТК позволяет Лекция №8 оценить нрав конфигурации  в зависимости


ТКμ= ( μ2 - μ1)/ μ1(Т2 – Т1) [1/°]

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




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


Т°, при которой μ падает практически до нуля именуется температурой Кюри Лекция №8 Тк. При Т > Тк процесс намагничивания расстраивается из-за насыщенного термического движения атомов и молекул материала, как следует, материал перестает быть ферромагнитным.

Так, для незапятнанного железа Тк = 768°C

для никеля Тк = 358°C

для кобальта Тк = 1131°C


4.2.3. Индукция Лекция №8 насыщения


Индукция Вs, соответствующая для всех магнитных материалов, именуется индукцией насыщения (см.рис.4.4). Чем больше Вs при данной Н, тем лучше магнитный материал.

Если эталон магнитного материала намагничивать, безпрерывно повышая Лекция №8 напряженность магнитного поля Н, магнитная индукция В тоже будет безпрерывно возрастать по кривой исходного намагничивания 1:





Рис.4.4.Петля гистерезиса магнитного материала


Эта кривая завершается в точке, соответственной индукции насыщения Вs. При уменьшении Н индукция тоже будет Лекция №8 уменьшаться, но начиная с величины Вm значения В не будут совпадать с исходной кривой намагничивания.


4.2.4. Остаточная магнитная индукция


Остаточная магнитная индукция Вr наблюдается в ферромагнитном материале, когда Н=0. Для размагничивания эталона нужно, чтоб напряженность Лекция №8 магнитного поля изменила свое направление на обратное – Н. Напряженность поля, при которой индукция становится равной нулю, именуется коэрцитивной силой Нс. Чем больше Нс, тем в наименьшей степени материал способен размагничиваться.

Если после Лекция №8 размагничивания материала намагничивать его в обратном направлении, появляется замкнутая петля, которую именуют предельной петлей гистерезиса – петля, снятая при плавном изменении напряженности магнитного поля от +Н до –Н, когда магнитная индукция Лекция №8 становится равной индукции насыщения Вs.


4.2.5. Удельные утраты на гистерезис


Это утраты Pг, затрачиваемые на перемагничивание единицы массы материала за один цикл [Вт/кг]. Их величина находится в зависимости от частоты перемагничивания и Лекция №8 значения наибольшей индукции. Они определяются (за один цикл) площадью петли гистерезиса.


4.2.6. Динамическая петля гистерезиса


Она появляется при перемагничивании материала переменным магнитным полем и имеет огромную площадь, чем статическая, т.к. при действии переменного магнитного поля не Лекция №8 считая утрат на гистерезис появляются утраты на вихревые токи и магнитное последействие (отставание по времени характеристик от Н), которое определяется магнитной вязкостью материала.


4.2.7. Энергопотери на вихревые токи


Энергопотери на вихревые токи Лекция №8 Рв зависят от удельного электронного сопротивления материала ρ.

Рв=(1,64*h2Bm2f2)/dρ

h – толщина листа, м;

Bm – наибольшее значение магнитной индукции, Тл;

f – частота, Гц;

d – плотность материала, кг/м3;

ρ – удельное сопротивление материала, Ом Лекция №8 м.


Чем больше ρ, тем меньше утраты. Рв также зависят от плотности материала и его толщины. Они пропорциональны квадрату амплитуды магнитной индукции Вm и частоты f переменного поля.


4.2.8. Коэффициент прямоугольности Лекция №8 петли гистерезиса


Для оценки формы гистерезисной петли пользуются коэффициентом прямоугольности петли гистерезиса:


Кп = Вr /Вm (4.6)


Чем больше Кп, тем прямоугольнее петля. Для магнитных материалов, используемых в автоматике и ЗУ ЭВМ, Кп = 0.7-0.9.


4.2.9. Удельная большая энергия


Это черта Лекция №8 , используемая толика оценки параметров магнитно-твердых материалов, выражается формулой:


Wм = 1/2(Bd·Hd), (4.7)


г
де Bd и Hd соответственно индукция и напряженность магнитного поля, надлежащие наибольшему значению удельной большой энергии


Рис.4.5. Кривые Лекция №8 размагничивания и магнитной энергии


Чем больше большая энергия, тем лучше магнитный материал и неизменный магнит, из него сделанный.


4.3. Систематизация магнитных материалов


Согласно поведению в магнитном поле все магнитные материалы делятся на две главные группы Лекция №8 – магнитно-мягкие (МММ) и магнитно-твердые (МТМ). МММ характеризуются большенными значениями исходной и наибольшей магнитной проницаемостью и малыми значениями коэрцитивной силы (меньше 4000 А/м). Они просто намагничиваются и размагничиваются, отличаются малыми потерями Лекция №8 на гистерезис.

Чем чище МММ, тем лучше его магнитные свойства.

 МТМ владеют большой коэрцитивной силой (больше 4000А/м) и остаточной индукцией (больше 0.1 Тл). Они с огромным трудом намагничиваются, но зато могут длительно сохранять Лекция №8 магнитную энергию, т.е. служить источниками неизменного магнитного поля.

По составу все магнитные материалы делятся на

1.железные

2.неметаллические

3.магнитодиэлектрики.

Железные магнитные материалы это незапятнанные металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы неких металлов.

Неметаллические магнитные материалы – ферриты Лекция №8, получаемые из пылеобразной консистенции окислов железа и окислов других металлов. Опрессованные ферритовые изделия подвергаются отжигу, в итоге чего они преобразуются в твердые цельные детали.

Магнитодиэлектрики представляют собой композиционные материалы, состоящие из Лекция №8 60-80% пылеобразного магнитного материала и 40-20% диэлектрика.

Ферриты и магнитодиэлектрики отличаются от железных магнитных материалов большенными ρ(102-108 Ом·м), от чего утраты на вихревые токи малы. Это позволяет использовать их в частотной технике Лекция №8. Не считая того, ферриты владеют большой стабильностью магнитных характеристик в широком спектре частот (включая СВЧ).


4.4. Железные магнитно-мягкие материалы


Основными магнитно-мягкими материалами, используемыми в радиоэлектронной аппаратуре, являются карбонильное железо, пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые Лекция №8 кремнистые стали.


4.4.1. Карбонильное железо


Представляет собой мелкозернистый порошок, состоящий из частиц сферической формы поперечником 1 – 8 мкм.

μн = 2500 – 3000

μм = 20000 – 21000

Нс = 4.5 – 6.2 А/м

Его используют при изготовлении высокочастотных магнитодиэлектрических сердечников.


4.4.2. Пермаллои


Пластичные железоникелевые сплавы с содержанием никеля 45 – 80%, просто Лекция №8 прокатываются в тонкие листы и ленты, шириной до 1 мкм. При содержании никеля 45 – 50% именуются низконикелевыми, 60 – 80% - высоконикелевыми.

μн = 2000 – 14000

μм = 50000 – 270000

Нс = 2 – 10 А/м

ρ = 0.25 – 0.45 мкОм·м

Для улучшения магнитных черт в пермаллои вводят молибден, хром, кремний либо медь, отжигают Лекция №8 в водороде либо вакууме.

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


4.4.3. Альсиферы


Представляют собой нековкие, хрупкие сплавы, состоящие из 5.5 – 13% алюминия, 9 – 10% кремния Лекция №8, остальное – железо.

μн = 6000 – 7000

μм = 30000 – 35000

Нс = 2.2 А/м

ρ = 0.8 мкОм·м

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


4.4.4. Низкоуглеродистые кремнистые стали


Представляют собой сплавы железа с 0.8 – 4.8% кремния, содержание углерода менее Лекция №8 0.08%. Это сравнимо дешевенький материал. Введение огромного количества кремния улучшает магнитные характеристики материала, но увеличивает его хрупкость (потому кремния менее 4.8%).

Листы кремнистой стали изготавливают прокаткой заготовок в нагретом и ненагретом состояниях, потому различают горячекатанную Лекция №8 и холоднокатанную сталь.

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

Таблица 4.1.




μн

μм

Нс, А/м

Горячекатанная

300 - 400

6000 - 8000

31 – 33

холоднокатанная

600 - 900

2000 - 35000

9.5 – 14


Стали используют в наименее ответственных узлах Лекция №8 РЭА.


4.5. Железные магнитно-твердые материалы


По составу, состоянию и методу получения магнитно-твердые материалы разделяются на:

1.легированные стали, закаливаемые на мартенсит;

2.литые магнитно-твердые сплавы;

3.магниты из порошков;

4.магнитно-твердые Лекция №8 ферриты;

5.пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты.

Чертами материалов для неизменных магнитов служат коэрцитивная сила, остаточная индукция и наибольшая энергия, отдаваемая магнитом во наружное место. Магнитная проницаемость материалов для неизменных магнитов ниже Лекция №8, чем МММ, при этом чем выше коэрцитивная сила, тем меньше магнитная проницаемость.


4.5.1. Легированные стали, закаливаемые на мартенсит


Данные стали являются более обычным и легкодоступным материалом для неизменных магнитов. Они легируются вольфрамом, колченогом, молибденом и кобальтом. Величина Лекция №8 Wм для мартенситных сталей составляет 1 –4 кДж/м3. В текущее время мартенситные стали имеют ограниченное применение из-за низких магнитных параметров, но вполне от их не отрешаются, т.к. они дешевы и Лекция №8 допускают механическую обработку на металлорежущих станках.


4.5.2. Литые магнитно-твердые сплавы


Огромную магнитную энергию имеют тройные сплавы Al-Ni-Fe, которые ранее называли сплавами альни. При добавлении кобальта либо кремния в эти сплавы их магнитные Лекция №8 характеристики увеличиваются. Недочетом этих сплавов является трудность производства из их изделий четких размеров вследствие хрупкости и твердости их, допускающих обработку только методом шлифовки.


4.5.3. Магниты из порошков


Необходимость получения в особенности Лекция №8 маленьких изделий со строго выдержанными размерами определила вербование способов порошковой металлургии для получения неизменных магнитов. При всем этом различают металлокерамические магниты и магниты из зернышек порошка, скрепленных тем либо другим связывающим (металлопластические магниты).


4.5.4. Пластически деформируемые Лекция №8 сплавы и магнитные ленты


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


Таблица 4.2.

Марка сплава

Хим. Состав

%, ост. Fe

Вr,

Тл

Нс,

кА/м

Wм,

КДж Лекция №8/м3

Викаллой I

51-54 Со

10-11.5 V

0.9

24

4

Викаллой II

51-54 Со

11.5-13 V

0.9-0.95

30-28

8-14

Кунифе I

60Cu,20Ni

0.54-0.6

27-28

4-7.4

Кунифе II

50Cu,20Ni

2.5Co

0.73

21

2.8-3.2

Кунико I

50Cu,21Ni,

29Co

0.34

53-57

3.2-4

Кунико II

35Cu,41Co

0.53

36

4


4.6. Ферриты

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

Заглавие ферритов Лекция №8 определяется заглавием одно-, двухвалентного металла, оксид которого заходит в состав феррита:

Если ZnO – феррит цинка

NiO – феррит никеля.

Ферриты имеют кубическую кристаллическую решетку, схожую решетке шпинели, встречающейся в природе: MgO·Al Лекция №82O3. Большая часть соединений обозначенного типа, как и природный магнитный железняк FeO·Fe2O3, обладает магнитными качествами. Но феррит цинка и феррит кадмия являются немагнитными. Исследования проявили, что наличие либо отсутствие магнитных Лекция №8 параметров определяется кристаллической структурой этих материалов, и а именно расположением ионов двухвалентных металлов и железа меж ионами кислорода. В случае структуры обыкновенной шпинели, когда в центре кислородных тетраэдров размещены ионы Zn++ либо Cd++, магнитные Лекция №8 характеристики отсутствуют. При структуре так именуемой обращенной шпинели, когда в центре кислородных тетраэдров размещены ионы Fe+++, материал обладает магнитными качествами. Ферриты, в состав которых не считая оксида железа заходит только один Лекция №8 оксид, именуется обычным. Хим формула обычного феррита:

MeOxFe2O3 либо MeFe2O4

Феррит цинка – ZnFe2O4, феррит никеля– NiFe2O4.

Не все обыкновенные ферриты владеют магнитными качествами. Так CdFe2O4 является Лекция №8 немагнитным веществом.

Лучшими магнитными чертами владеют сложные либо смешанные ферриты, представляющие твердые смеси 1-го в другом. В данном случае употребляются и немагнитные ферриты в купе с ординарными магнитными ферритами. Общая формула обширно всераспространенных Лекция №8 никель-цинковых ферритов имеет последующий вид:


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


где коэффициенты m, n и p определяют количественные соотношения меж компонентами. Процентный состав компонент играет существенную Лекция №8 роль в получении тех либо других магнитных параметров материала.

Более обширно в РЭА используют смешанные магнитно-мягкие ферриты: никель-цинковые, марганец-цинковые и литий-цинковые.

Плюсы ферритов – стабильность магнитных черт в широком Лекция №8 спектре частот, малые утраты на вихревые токи, малый коэффициент затухания магнитной волны, также простота производства ферритовых деталей.

Недочеты всех ферритов – хрупкость и резко выраженная зависимость магнитных параметров от температуры и механических воздействий.


4.7. Магнитодиэлектрики


Это Лекция №8 композиционные материалы, состоящие из мелкодисперсных частиц магнитно-мягкого материала, соединенных любым органическим либо неорганическим диэлектриком. В качестве мелкодисперсных МММ используют карбонильное железо, альсиферы и некие сорта пермаллоев. В качестве диэлектрика – эпоксидные либо Лекция №8 бакелитовые смолы, полистирол, жидкое стекло и др.

Предназначение диэлектриков не только лишь в том, чтоб соединять частички магнитного материала, да и сделать меж ними электроизоляционные прослойки и тем повысить электронное сопротивление магнитодиэлектрика. Это Лекция №8 резко понижает утраты на вихревые токи и дает возможность работать на частотах 10 – 100 МГц (зависимо от состава).

Магнитные свойства магнитодиэлектриков несколько ниже начальных ферромагнитных заполнителей. Невзирая на это магнитодиэлектрики используют для Лекция №8 производства сердечников ВЧ узлов РЭА. Это обосновано большой стабильностью магнитных черт и возможностью производства из их сердечников сложной формы. Не считая того, изделия из диэлектриков отличаются высочайшей чистотой поверхности и точностью Лекция №8 размеров.

Наилучшие магнитодиэлектрики – с наполнителями: молибденовым пермаллоем либо карбонильным железом.






lekciya-5-modelirovanie-tehnologicheskih-processov-v-mathcad.html
lekciya-5-neotlozhnie-sostoyaniya-v-pulmonologii.html
lekciya-5-obshie-principi-postroeniya-sistemi-vvoda-vivoda.html