Magnetika

Všetky látky v magnetickom poli sú zmagnetizované (objaví sa v nich vnútorné magnetické pole). V závislosti od veľkosti a smeru vnútorného poľa sa látky delia na:

1) diamagnetické materiály,

2) paramagnety,

3) feromagnety.

Magnetizácia látky je charakterizovaná magnetickou permeabilitou,

Magnetická indukcia v hmote,

Magnetická indukcia vo vákuu.

Každý atóm môže byť charakterizovaný magnetickým momentom .

Intenzita prúdu v obvode, - oblasť obvodu, - normálny vektor k povrchu obvodu.

Mikroprúd atómu vzniká pohybom negatívnych elektrónov po obežnej dráhe a okolo vlastnej osi, ako aj rotáciou kladného jadra okolo vlastnej osi.

1. Diamagnety.

Keď nie je vonkajšie pole, v atómoch diamagnetické materiály kompenzujú sa prúdy elektrónov a jadier. Celkový mikroprúd atómu a jeho magnetický moment sa rovnajú nule.

Vo vonkajšom magnetickom poli sa v atómoch indukujú (indukujú) nenulové elementárne prúdy. Magnetické momenty atómov sú orientované v opačnom smere.

Vytvára sa malé vlastné pole, nasmerované opačne k vonkajšiemu a oslabuje ho.

V diamagnetických materiáloch.

Pretože< , то для диамагнетиков 1.

2. Paramagnetické materiály

IN paramagnety mikroprúdy atómov a ich magnetické momenty sa nerovnajú nule.

Bez vonkajšieho poľa sú tieto mikroprúdy umiestnené chaoticky.

Vo vonkajšom magnetickom poli sú mikroprúdy paramagnetických atómov orientované pozdĺž poľa, čím sa zvyšuje.

V paramagnetickom materiáli magnetická indukcia = + mierne presahuje .

Pre paramagnety 1. Pre dia- a paramagnety môžeme predpokladať 1.

Tabuľka 1. Magnetická permeabilita para- a diamagnetických materiálov.

Magnetizácia paramagnetických materiálov závisí od teploty, pretože Tepelný pohyb atómov bráni usporiadanému usporiadaniu mikroprúdov.

Väčšina látok v prírode je paramagnetická.

Vlastné magnetické pole v dia- a paramagnetoch je nepatrné a zničí sa, ak sa látka odstráni z vonkajšieho poľa (atómy sa vrátia do pôvodného stavu, látka sa demagnetizuje).

3. Feromagnety

Magnetická priepustnosť feromagnetiká dosahuje státisíce a závisí od veľkosti magnetizačného poľa ( vysoko magnetické látky).

Feromagnety: železo, oceľ, nikel, kobalt, ich zliatiny a zlúčeniny.

Vo feromagnetikách existujú oblasti spontánnej magnetizácie („domény“), v ktorých sú všetky atómové mikroprúdy orientované rovnakým spôsobom. Veľkosť domény dosahuje 0,1 mm.

Pri absencii vonkajšieho poľa sú magnetické momenty jednotlivých domén náhodne orientované a kompenzované. Vo vonkajšom poli tie domény, v ktorých mikroprúdy zosilňujú vonkajšie pole, zväčšujú svoju veľkosť na úkor susedných. Výsledné magnetické pole = + vo feromagnetikách je oveľa silnejšie v porovnaní s para- a diamagnetickými materiálmi.

Domény obsahujúce miliardy atómov majú zotrvačnosť a nevrátia sa rýchlo do pôvodného neusporiadaného stavu. Preto, ak je feromagnet odstránený z vonkajšieho poľa, potom jeho vlastné pole zostane na dlhú dobu.

Magnet sa pri dlhodobom skladovaní demagnetizuje (časom sa domény vrátia do chaotického stavu).

Ďalším spôsobom demagnetizácie je zahrievanie. Pre každé feromagnetikum existuje teplota (nazýva sa to „Curieho bod“), pri ktorej sú väzby medzi atómami v doménach zničené. V tomto prípade sa feromagnet zmení na paramagnet a dôjde k demagnetizácii. Napríklad Curieho bod pre železo je 770 °C.

Stanovenie magnetickej permeability látky. Jeho úloha pri opise magnetického poľa

Ak vykonáte experiment so solenoidom, ktorý je pripojený k balistickému galvanometru, potom, keď je prúd v elektromagnete zapnutý, môžete určiť hodnotu magnetického toku F, ktorá bude úmerná vychýleniu ihly galvanometra. Urobme experiment dvakrát a nastavíme prúd (I) v galvanometri tak, aby bol rovnaký, ale v prvom experimente bude solenoid bez jadra a v druhom experimente, pred zapnutím prúdu, zavedieme železné jadro do solenoidu. Zistilo sa, že v druhom experimente je magnetický tok výrazne väčší ako v prvom (bez jadra). Pri opakovaní experimentu s jadrami rôznych hrúbok sa ukázalo, že maximálny prietok sa dosiahne v prípade, keď je celý solenoid naplnený železom, to znamená, že vinutie je tesne navinuté okolo železného jadra. Môžete vykonať experiment s rôznymi jadrami. Výsledkom je, že:

kde $Ф$ je magnetický tok v cievke s jadrom, $Ф_0$ je magnetický tok v cievke bez jadra. Zvýšenie magnetického toku pri zavedení jadra do solenoidu sa vysvetľuje skutočnosťou, že k magnetickému toku, ktorý vytvára prúd vo vinutí solenoidu, sa pridal magnetický tok vytvorený súborom orientovaných ampérových molekulárnych prúdov. Pod vplyvom magnetického poľa sa molekulárne prúdy orientujú a ich celkový magnetický moment sa prestáva rovnať nule a vzniká ďalšie magnetické pole.

Definícia

Veličina $\mu $, ktorá charakterizuje magnetické vlastnosti média, sa nazýva magnetická permeabilita (alebo relatívna magnetická permeabilita).

Toto je bezrozmerná charakteristika látky. Zvýšenie toku Ф o $\mu $ krát (1) znamená, že magnetická indukcia $\overrightarrow(B)$ v jadre je toľkokrát väčšia ako vo vákuu s rovnakým prúdom v solenoide. Preto môžeme napísať, že:

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

kde $(\overrightarrow(B))_0$ je indukcia magnetického poľa vo vákuu.

Spolu s magnetickou indukciou, ktorá je hlavnou silovou charakteristikou poľa, sa ako sila magnetického poľa používa pomocná vektorová veličina ($\overrightarrow(H)$), ktorá súvisí s $\overrightarrow(B)$ nasledujúcim vzťahom :

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

Ak sa na experiment s jadrom použije vzorec (3), dostaneme, že v neprítomnosti jadra:

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

kde $\mu $=1. Ak existuje jadro, dostaneme:

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

Ale keďže (2) je splnené, ukazuje sa, že:

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

Zistili sme, že sila magnetického poľa nezávisí od toho, akou homogénnou látkou je priestor vyplnený. Magnetická permeabilita väčšiny látok je približne jednotná, s výnimkou feromagnetík.

Magnetická citlivosť látky

Zvyčajne je vektor magnetizácie ($\overrightarrow(J)$) spojený s vektorom intenzity v každom bode magnetu:

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

kde $\varkappa $ je magnetická susceptibilita, bezrozmerná veličina. Pre neferomagnetické látky a v malých poliach $\varkappa $ nezávisí od sily a je skalárnou veličinou. V anizotropných médiách je $\varkappa $ tenzor a smery $\overrightarrow(J)$ a $\overrightarrow(H)$ sa nezhodujú.

Vzťah medzi magnetickou susceptibilitou a magnetickou permeabilitou

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

Dosadíme výraz pre vektor magnetizácie (7) do (8) a získame:

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

Vyjadrením napätia dostaneme:

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

Porovnaním výrazov (5) a (10) dostaneme:

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

Magnetická susceptibilita môže byť pozitívna alebo negatívna. Z (11) vyplýva, že magnetická permeabilita môže byť buď väčšia ako jednota, alebo menšia ako jedna.

Príklad 1

Úloha: Vypočítajte magnetizáciu v strede kruhovej cievky s polomerom R=0,1 m s prúdom o sile I=2A, ak je ponorená v kvapalnom kyslíku. Magnetická susceptibilita kvapalného kyslíka sa rovná $\varkappa =3,4\cdot (10)^(-3).$

Ako základ pre riešenie problému použijeme výraz, ktorý odráža vzťah medzi silou magnetického poľa a magnetizáciou:

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

Nájdite pole v strede cievky s prúdom, pretože v tomto bode musíme vypočítať magnetizáciu.

Ako základ pre riešenie úlohy vyberieme elementárny rez na vodiči s prúdom (obr. 1), použijeme vzorec pre pevnosť prvku cievky s prúdom:

kde $\ \overrightarrow(r)$ je vektor polomeru ťahaný od aktuálneho prvku k uvažovanému bodu, $\overrightarrow(dl)$ je prvok vodiča s prúdom (smer je určený smerom prúdu ), $\vartheta$ je uhol medzi $ \overrightarrow(dl)$ a $\overrightarrow(r)$. Na základe obr. 1 $\vartheta=90()^\circ $, preto (1.1) bude zjednodušené, navyše vzdialenosť od stredu kruhu (bod, kde hľadáme magnetické pole) vodičového prvku s prúdom je konštantná a rovná sa polomeru otáčania (R), preto máme:

Výsledný vektor intenzity magnetického poľa je nasmerovaný pozdĺž osi X, možno ho nájsť ako súčet jednotlivých vektorov $\ \ \overrightarrow(dH),$ keďže všetky prúdové prvky vytvárajú magnetické polia v strede zákruty smerujúce pozdĺž normálna zákruta. Potom, podľa princípu superpozície, celkovú intenzitu magnetického poľa možno získať prechodom na integrál:

Nahradením (1.3) za (1.4) dostaneme:

Nájdite magnetizáciu, ak dosadíme intenzitu z (1.5) do (1.1), dostaneme:

Všetky jednotky sú uvedené v sústave SI, vykonajte výpočty:

Odpoveď: $J=3,4\cdot (10)^(-2)\frac(A)(m).$

Príklad 2

Úloha: Vypočítajte podiel celkového magnetického poľa vo volfrámovej tyči, ktorá je vo vonkajšom rovnomernom magnetickom poli, ktoré je určené molekulárnymi prúdmi. Magnetická permeabilita volfrámu je $\mu =1,0176,$

Indukciu magnetického poľa ($B"$), ktorá zodpovedá za molekulárne prúdy, možno nájsť ako:

kde $J$ je magnetizácia. Súvisí so silou magnetického poľa výrazom:

kde magnetickú susceptibilitu látky možno nájsť ako:

\[\varkappa =\mu -1\ \left(2,3\right).\]

Preto nájdeme magnetické pole molekulárnych prúdov ako:

Celkové pole v tyči sa vypočíta podľa vzorca:

Na nájdenie požadovaného vzťahu používame výrazy (2.4) a (2.5):

\[\frac(B")(B)=\frac((\mu )_0\vľavo (\mu-1\vpravo)H)(\mu (\mu)_0H)=\frac(\mu-1) (\mu).\]

Urobme výpočty:

\[\frac(B")(B)=\frac(1,0176-1)(1,0176)=0,0173.\]

Odpoveď: $\frac(B")(B)=0,0173,$

Magnetická priepustnosť. Magnetické vlastnosti látok

Magnetické vlastnosti látok

Tak ako sú elektrické vlastnosti látky charakterizované dielektrickou konštantou, magnetické vlastnosti látky sú charakterizované magnetická permeabilita.

Vzhľadom na to, že všetky látky nachádzajúce sa v magnetickom poli vytvárajú svoje vlastné magnetické pole, vektor magnetickej indukcie sa v homogénnom prostredí líši od vektora v rovnakom bode priestoru v neprítomnosti prostredia, teda vo vákuu.

Vzťah je tzv magnetická permeabilita média.

Takže v homogénnom médiu sa magnetická indukcia rovná:

Hodnota m pre železo je veľmi veľká. Dá sa to overiť skúsenosťami. Ak vložíte železné jadro do dlhej cievky, potom sa magnetická indukcia podľa vzorca (12.1) zvýši m-krát. V dôsledku toho sa tok magnetickej indukcie zvýši o rovnakú hodnotu. Po otvorení obvodu napájajúceho magnetizačnú cievku jednosmerným prúdom sa v druhej, malej cievke navinutej na hlavnej cievke objaví indukčný prúd, ktorý je zaznamenaný galvanometrom (obr. 12.1).

Ak je do cievky vložené železné jadro, potom bude výchylka ihly galvanometra pri otvorení okruhu m-krát väčšia. Merania ukazujú, že magnetický tok, keď sa do cievky vloží železné jadro, sa môže tisíckrát zvýšiť. V dôsledku toho je magnetická permeabilita železa obrovská.

Existujú tri hlavné triedy látok s výrazne odlišnými magnetickými vlastnosťami: feromagnety, paramagnety a diamagnetické materiály.

Feromagnety

Látky, pre ktoré, podobne ako železo, m >> 1, sa nazývajú feromagnety. Okrem železa sú feromagnetické aj kobalt a nikel, ako aj množstvo prvkov vzácnych zemín a mnohé zliatiny. Najdôležitejšou vlastnosťou feromagnetík je existencia zvyškového magnetizmu. Feromagnetická látka môže byť v zmagnetizovanom stave bez vonkajšieho magnetizačného poľa.

Železný predmet (napríklad tyč), ako je známe, je vtiahnutý do magnetického poľa, to znamená, že sa pohybuje do oblasti, kde je magnetická indukcia väčšia. V súlade s tým je priťahovaný magnetom alebo elektromagnetom. Deje sa tak preto, lebo elementárne prúdy v železe sú orientované tak, že smer magnetickej indukcie ich poľa sa zhoduje so smerom indukcie magnetizačného poľa. V dôsledku toho sa železná tyč zmení na magnet, ktorého najbližší pól je opačný k pólu elektromagnetu. Opačné póly magnetov sa priťahujú (obr. 12.2).

Ryža. 12.2

STOP! Rozhodnite sa sami: A1–A3, B1, B3.

Paramagnety

Existujú látky, ktoré sa správajú ako železo, to znamená, že sú vťahované do magnetického poľa. Tieto látky sú tzv paramagnetické. Patria sem niektoré kovy (hliník, sodík, draslík, mangán, platina atď.), kyslík a mnohé ďalšie prvky, ako aj rôzne roztoky elektrolytov.

Keďže paramagnety sú vťahované do poľa, indukčné čiary vlastného magnetického poľa, ktoré vytvárajú, a magnetizačné pole sú nasmerované rovnakým spôsobom, takže pole je zosilnené. Majú teda m > 1. Ale m sa od jednoty líši extrémne málo, len o rádovo 10 –5 ...10 –6. Preto sú na pozorovanie paramagnetických javov potrebné silné magnetické polia.

Diamagnety

Špeciálnou triedou látok sú diamagnetické materiály, ktorú objavil Faraday. Sú vytlačené z magnetického poľa. Ak zavesíte diamagnetickú tyč blízko pólu silného elektromagnetu, bude od neho odpudzovaná. V dôsledku toho sú indukčné čiary ním vytvoreného poľa smerované opačne ako indukčné čiary magnetizačného poľa, teda pole je oslabené (obr. 12.3). V súlade s tým pre diamagnetické materiály m< 1, причем отличается от единицы на вели­чину порядка 10 –6 . Магнитные свойства у диамагнетиков вы­ражены слабее, чем у парамагнетиков.

Magnetické materiály: vlastnosti a charakteristiky. Vlastnosti rôznych typov magnetizmu. Magnetizačné procesy. Vlastnosti vysoko magnetických materiálov. Reverzné straty magnetizácie.

Mäkké magnetické materiály: klasifikácia, vlastnosti, účel.

Tvrdé magnetické materiály: klasifikácia, vlastnosti, účel. Magnetické materiály na špeciálne účely: klasifikácia, vlastnosti, účel.

Literatúra

Všetky látky v prírode interagujú s vonkajším magnetickým poľom, ale každá látka je iná.

Magnetické vlastnosti látok závisia od magnetických vlastností elementárnych častíc, štruktúry atómov a molekúl, ako aj ich skupín, ale hlavný určujúci vplyv majú elektróny a ich magnetické momenty.

Všetky látky vo vzťahu k magnetickému poľu a správaniu sa v ňom sú rozdelené do nasledujúcich skupín:

Diamagnety– materiály, ktoré nemajú permanentný magnetický dipólový moment a majú relatívnu magnetickú permeabilitu (μ≤1) o niečo menšiu ako jedna. Relatívna dielektrická konštanta μ diamagnetických materiálov je takmer nezávislá od intenzity magnetického poľa (H) a nezávisí od teploty. Patria sem: inertné plyny (Ne, Ar, Kr, Xe), vodík (H 2); meď (Cu), zinok (Zn), striebro (Ag), zlato (Au), antimón (Sb) atď.

Paramagnety– materiály, ktoré majú trvalé dipólové momenty, ale sú usporiadané náhodne, takže interakcia medzi nimi je veľmi slabá. Relatívna magnetická permeabilita paramagnetických materiálov je o niečo väčšia ako jednotka (μ≥1) a slabo závisí od intenzity magnetického poľa a teploty.

Medzi paramagnetické materiály patria nasledujúce materiály: kyslík (O2), hliník (Al), platina (Pt), alkalické kovy, soli železa, nikel, kobalt atď.

Feromagnety– materiály s permanentnými magnetickými dipólovými momentmi a doménovou štruktúrou. V každej doméne sú navzájom rovnobežné a v rovnakom smere, takže interakcia medzi nimi je veľmi silná. Relatívna magnetická permeabilita feromagnetík je vysoká (μ >> 1), u niektorých zliatin dosahuje 1 500 000 Závisí od intenzity magnetického poľa a teploty.

Patria sem: železo (Fe), nikel (Ni), kobalt (Co), mnohé zliatiny, prvky vzácnych zemín: samárium (Sm), gadolínium (Gd) atď.

Antiferomagnetiká– materiály, ktoré majú permanentné dipólové magnetické momenty, ktoré sú umiestnené navzájom antiparalelne. Ich relatívna magnetická permeabilita je o niečo väčšia ako jedna (μ ≥ 1), veľmi slabo závisí od intenzity magnetického poľa a teploty. Patria sem: oxidy kobaltu (CoO), mangánu (MnO), fluoridu niklu (NiF 2) atď.

Ferrimagnety– materiály, ktoré majú antiparalelné permanentné dipólové magnetické momenty, ktoré sa navzájom úplne nekompenzujú. Čím menšia je takáto kompenzácia, tým vyššie sú ich feromagnetické vlastnosti. Relatívna magnetická permeabilita ferimagnetov sa môže blížiť k jednotke (s takmer úplnou kompenzáciou momentov), ​​alebo môže dosiahnuť desiatky tisíc (s nízkou kompenzáciou).

Ferimagnety zahŕňajú ferity, možno ich nazývať oxyferiká, pretože sú to oxidy dvojmocných kovov s Fe203. Všeobecný vzorec feritu, kde Me je dvojmocný kov.

Magnetická permeabilita feritov závisí od teploty a intenzity magnetického poľa, ale v menšej miere ako u feromagnetík.

Ferity sú keramické feromagnetické materiály s nízkou elektrickou vodivosťou, v dôsledku čoho ich možno klasifikovať ako elektronické polovodiče s vysokou magnetickou (μ ≈ 10 4) a vysokou dielektrickou (ε ≈ 10 3) permeabilitou.

Dia-, para- a antiferomagnety možno kombinovať do skupiny slabo magnetických látok a fero- a ferimagnety - do skupiny silne magnetických látok.

Pre technické aplikácie v oblasti rádiovej elektroniky sú najzaujímavejšie vysoko magnetické látky (obr. 6.1).

Ryža. 6.1. Štrukturálny diagram magnetických materiálov

Magnetické vlastnosti materiálov sú určené vnútornými skrytými formami pohybu elektrických nábojov, ktorými sú elementárne kruhové prúdy. Kruhový prúd je charakterizovaný magnetickým momentom a môže byť nahradený ekvivalentným magnetickým dipólom. Magnetické dipóly sú tvorené najmä rotáciou elektrónov, pričom orbitálna rotácia elektrónov sa na tomto procese slabo podieľa, ako aj jadrová rotácia.

Vo väčšine materiálov sa spinové momenty elektrónov navzájom rušia. Preto feromagnetizmus nie je pozorovaný vo všetkých látkach v periodickej tabuľke.

Podmienky, ktoré sú potrebné na to, aby bol materiál feromagnetický:

1. Existencia elementárnych kruhových prúdov v atómoch.

2. Prítomnosť nekompenzovaných spinových momentov, elektrónov.

3. Vzťah medzi priemerom elektrónovej dráhy (D), ktorá má nekompenzovaný spinový moment, a konštantou kryštálovej mriežky látky (a) by mal byť

. (6.1)

4. Prítomnosť doménovej štruktúry, t.j. také kryštalické oblasti, v ktorých sú dipólové magnetické momenty paralelne orientované.

5. Teplota materiálu (látky) musí byť pod Curieovým bodom, keďže pri vyššej teplote doménová štruktúra zaniká, materiál prechádza z feromagnetického stavu do paramagnetického.

Charakteristickou vlastnosťou feromagnetického stavu látky je prítomnosť spontánnej magnetizácie bez aplikácie vonkajšieho magnetického poľa. Magnetický tok takéhoto telesa však bude nulový, keďže smer magnetických momentov jednotlivých domén je odlišný (doménová štruktúra s uzavretým magnetickým obvodom).

Stupeň magnetizácie látky je charakterizovaný veľkosťou magnetizácie, alebo intenzitou magnetizácie (J), ktorá je definovaná ako hranica pomeru výsledného magnetického momentu Σm vo vzťahu k objemu látky (V), keď objem má tendenciu k nule

. (6.2)

Ak umiestnite látku do vonkajšieho magnetického poľa s intenzitou H, potom pomer medzi J a H bude

J = 4 πχH, (6.3)

Kde χ (kapa) sa nazýva magnetická viskozita.

Relatívna magnetická permeabilita μ závisí od χ:

μ = 1 +4 πχ . (6.4)

Intenzitu magnetizácie možno určiť poznaním μ

μ = 1+. (6.5)

Vo všeobecnosti magnetické pole vo feromagnetiku vzniká ako súčet dvoch zložiek: vonkajšej, vytvorenej silou vonkajšieho magnetického poľa H, a vnútornej, vytvorenej magnetizáciou (J).

Celkové magnetické pole je charakterizované magnetickou indukciou B:

B = μ 0 (H + J), (6.6)

Kde μ 0 - magnetická konštanta (magnetická permeabilita vákua)

μ 0 = 4 π ∙10 -7 , G/m. (6.7)

Vyjadrením hodnoty J až χ a potom μ dostaneme:

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

Absolútna hodnota magnetickej permeability

μ abs = μ 0 ∙ μ . (6.9)

Konečný vzorec pre magnetickú indukciu B

B = μ abs H. (6.10)

Proces magnetizácie feromagnetického materiálu pod vplyvom vonkajšieho magnetického poľa je nasledovný:

rast domén, ktorých magnetické momenty sú blízko k vonkajšiemu poľu, a pokles iných domén;

orientácia magnetických momentov všetkých domén v smere vonkajšieho poľa.

Magnetizačný proces je pre každý feromagnet charakterizovaný jeho hlavnou magnetizačnou krivkou B = f(H).

Pri magnetizácii sa mení aj magnetická permeabilita μ.

Toto je znázornené na obr. 6.2.

Ryža. 6.2. Magnetizačné krivky (B = f(H)) a magnetická permeabilita (μ = f(H))

Magnetická permeabilita μ pri napätí H blízkom nule sa nazýva počiatočná (časť 1) a keď materiál prechádza do nasýtenia, nadobudne maximálnu hodnotu (2), s ďalším zvýšením H sa magnetická permeabilita μ znižuje (časť 3 a 4).

Pri cyklickej magnetizácii feromagnetika tvoria krivky magnetizácie a demagnetizácie hysteréznu slučku. Hysterézna slučka získaná za podmienky nasýtenia materiálu sa nazýva limitná slučka. Z hysteréznej slučky získanej napríklad na obrazovke osciloskopu môžete získať pomerne úplné informácie o hlavných magnetických parametroch materiálu (obr. 6.3).

Ryža. 6.3. Hysterézna slučka

Hlavné parametre sú:

1) zvyšková indukcia, po odstránení intenzity poľa – Br;

2) koercitívna sila Hc - napätie, ktoré musí byť aplikované na vzorku, aby sa odstránila zvyšková indukcia;

3) maximálna indukcia B max, ktorá sa dosiahne, keď je vzorka úplne nasýtená;

4) špecifické hysterézne straty na cyklus obrátenia magnetizácie, ktoré sú charakterizované oblasťou pokrytou hysteréznou slučkou.

Zostávajúce magnetické parametre materiálu, ako aj straty spôsobené reverzáciou magnetizácie (hysterézia), vírivými prúdmi a energiou v medzere (pre permanentný magnet) možno vypočítať pomocou vzorcov, ktoré boli uvedené vyššie a budú uvedené v budúcnosti.

Straty vo feromagnetikemateriálov - Ide o náklady na energiu, ktoré idú na obrátenie magnetizácie feromagnetík, výskyt vírivých prúdov v striedavom magnetickom poli a magnetickú viskozitu materiálu – vytvárajúce takzvané straty, ktoré možno rozdeliť do nasledujúcich typov:

a) hysterézne straty Pr, úmerné ploche hysteréznej slučky

Рг = η∙f∙
∙ V, W (6,11)

Kde η – hysterézny koeficient pre daný materiál;

f– frekvencia poľa, Hz;

IN max– maximálna indukcia, T;

V– objem vzorky, m3;

n≈ 1,6...2 – hodnota exponentu;

b) straty vírivými prúdmi

Rv.t. = ξ∙f 2 ∙B max ∙ V, W (6,12)

kde ξ je koeficient závislý od elektrického odporu materiálu a tvaru vzorky;

c) straty následkom Рп.с., (straty v dôsledku magnetickej viskozity), ktoré sa nedajú vypočítať analyticky a sú určené na základe celkových strát Р, Рг a Рв.т. podľa vzorca

Rp.s. = Р – Рг – Рв.т. (6.13)

Straty vírivými prúdmi je možné znížiť zvýšením elektrického odporu feromagnetika. Na tento účel je magnetický obvod, napríklad pre transformátory, zostavený zo samostatných tenkých feromagnetických dosiek izolovaných od seba.

V praxi sa to niekedy používa feromagnetiká s otvoreným magnetickým obvodom, t.j. ktoré majú napríklad vzduchovú medzeru s vysokým magnetickým odporom. V telese, ktoré má vzduchovú medzeru, sa objavujú voľné póly, ktoré vytvárajú demagnetizačné pole smerujúce k vonkajšiemu magnetizačnému poľu. Čím väčšia je vzduchová medzera, tým väčší je pokles indukcie. To sa prejavuje v elektrických strojoch, magnetických zdvíhacích zariadeniach atď.

Energia v medzere (W L), napríklad permanentného magnetu, je vyjadrená vzorcom

, J/m3, (6,14)

Kde IN L A N L– skutočná intenzita indukcie a poľa pre danú dĺžku vzduchovej medzery.

Zmenou privedeného napätia na feromagnetiku možno v danej medzere získať maximálnu energiu.

Na nájdenie W max použite diagram, v ktorom na základe demagnetizačnej krivky pre magnetický materiál umiestnený v druhom kvadrante (časť hysteréznej slučky) zostrojia energetickú krivku v medzere, špecifikujúcu rôzne hodnoty B ( alebo H). Závislosť W L od B L a H L je znázornená na obr. 6.4.

Ryža. 6.4. Energia vo vzduchovej medzere feromagnetika

Na určenie intenzity poľa H, pri ktorej bude maximálna energia v magnetickej medzere, musíte nakresliť dotyčnicu k maximálnej energii (v bode A) a z nej nakresliť vodorovnú čiaru, kým sa nepretína s hysteréznou slučkou v druhý kvadrant. Potom znížte kolmicu, kým sa nepretne so súradnicou H. Bod H L 2 určí požadovanú intenzitu magnetického poľa.

Podľa hlavných magnetických parametrov môžu byť feromagnetické materiály zaradené do nasledujúcich skupín;

Magneticky mäkké - materiály s nízkou koercitívnou silou Hc (do 100 A/m), veľkou magnetickou permeabilitou a nízkymi hysteréznymi stratami. Používajú sa ako jednosmerné magnetické jadrá (jadrá transformátorov, meracích prístrojov, tlmiviek a pod.)

TOmagneticky mäkké materiály týkať sa:

komerčne čisté železo, karbonylové železo;

elektrická oceľ;

permalloy;

alsifera;

ferity (meď-mangán);

termomagnetické zliatiny (Ni-Cr-Fe) atď.

2. Magneticky tvrdé – materiály s vysokou koercitivitou (Hc > 100 A/m) (pozri obr. 4.5, G).

Na výrobu permanentných magnetov sa používajú tvrdé magnetické materiály, ktoré využívajú magnetickú energiu vo vzduchovej medzere medzi pólmi magnetu.

TO tvrdé magnetické materiály týkať sa:

Liate zliatiny hliníka (Al-Ni-Fe);

Alnico (Al-Ni-Co-Fe);

Magnico;

Legované ocele, kalené na martenzit atď.

Obzvlášť zaujímavé sú zliatiny na báze materiálov vzácnych zemín (YCo, CeCo, SmCo atď.), ktoré majú vysoké hodnoty Hc a w max.

3. Ferity – materiály predstavujúce podvojné oxidy železa s oxidmi dvojmocných kovov (MeO∙Fe 2 O 3). Ferity môžu byť magneticky mäkké a magneticky tvrdé, v závislosti od ich kryštálovej štruktúry, napr. typ spinelu - (MgAl 3 O 4), haus magnet (Mn 3 O 4), granát Ga 3 Al 2 (SiO 4) 3, atď. Ich elektrický odpor je vysoký (od 10 -1 do 10 10 Ohm∙m), preto sú straty vírivými prúdmi, najmä pri vysokých frekvenciách, malé.

4. Magnetodielektrika – materiály pozostávajúce z feromagnetického prášku s dielektrickou väzbou. Prášok sa zvyčajne odoberá na báze mäkkého magnetického materiálu - karbonylové železo, alsifer a spojovacím dielektrikom je materiál s nízkymi dielektrickými stratami - polystyrén, bakelit atď.

Otázky na autotest:

Klasifikácia látok podľa magnetických vlastností.

Vlastnosti vysoko magnetických látok (domény, anizotropia, magnetizačná krivka, magnetostrikcia, magnetická permeabilita, hysterézia atď.)

Faktory ovplyvňujúce magnetické vlastnosti

Straty v magnetických materiáloch

Klasifikácia vysoko magnetických materiálov

Nízkofrekvenčné mäkké magnetické materiály

Vysokofrekvenčné mäkké magnetické materiály

Tvrdé magnetické materiály

Magnetické materiály na špeciálne účely

Aplikácie

Materiály vodičov Tabuľka A.1

vodič		Ohm∙mm2/m	špecifické odpor		prenos tepla obsah vody W/m∙deg	najmä meď,	Funkcia práce elektrónov	Ovládanie teploty,
Čisté kovy
hliník
molybdén
Volfrám
polykryštál
manganín			(5…30)∙10 -6
Constantan			(5…20)∙10 -6
Niklové striebro
Termočlánok
Meď-konštantant				Teplota do 350 °C
Chromel-alumel				Teplota do 1000 °C
Platina-platinaródium				Teplota do 1600 °C

Polovodičové materiály Tabuľka A.2

	názov polovodič materiál z tepaného železa			vlastné dopravcov	Mobilita dopravcov u,
Anorganické Crystal. elementárny (atómový)
	Germánium
Crystal. spojenia
	Silikónový karbid						sublimácia
	antimón indium
	Arzenid gália
	Fosfid gália
	Arzenid india
	Telurid bizmutu
	Sulfid olovnatý
Sklovitý
	Chalkogenidy	As 2 Te 2 Se, As 2 Se 3 ∙Al 2 Se 3
Organické
	antracén
	naftalén
	Farbivá a pigmenty Ftalocyanín medi
	Molekulárne komplexy Jód-pyrén
	Polyméry Polyakrylonitril

Dielektrické materiály Tabuľka A.3

Stav agregácie	Matkine meno als (dielektrika)	Dielektrická konštanta, relatívna E	noe objem- odpor , Ohm m	uhol dielektrickej straty	Pevnosť (elektrická) E pr, MV/m	Špecifické teplo výkon λ, W/mºK
	plyn SF6 (SF 6)
Tekuté kosti	Transformátorový olej
Pevné materiály	Organické a) Parafín Holovax
	b) Bakelitová živica Kolofónia Polyvinyl- Polystyrén Polyetylén Polymetylmetakrylát Epoxidová živica
	Zlúčenina
	d) Fenolplast (FAS)
	e) Lakovacia látka
	Elektrický kartón (EVC)
	g) Butadiénový kaučuk
	Gumená izolácia
	h) Fluoroplast-4 fluoro-plast-3
	Anorganické a) Elektrické sklo.
	b) mydlový kameň (keramický) porcelánová elektrotechnika
	c) Sľudový muskovit Micalex
	d) Feroelektrická keramika VK-1 Piezoquartz
	e) Fluoridová izolácia (AlF 3)
	f) Azbest
	Elemento-organ. a) Kremíkový org. živice
	b) Kremíkový orgán. guma

Magnetické materiály Tabuľka A.4

Názov magnetického materiálu	Chemické zloženie alebo značka	Relatívna magnetická permeabilita, μ		Magnetická indukcia V, T		Koer-citiv- sila Ns, A/m	Špecifické email odpor ρ, µOhm∙m	Energia v medzere , J/m3
		počiatočné, μ n	maximum, μ max	zvyšková presnosť, V	maximum, V max
Magneticky mäkké
Elektrotechnika oceľ
Permalloy s nízkym obsahom niklu
Permalloy s vysokým obsahom niklu
Supermalloy
Alsifer
Ferity
Nikel-zinkový ferit
Ferit mangán-zinok
Magneticky tvrdé
bárium
bárium
Magnetodielektrika
Na báze karbonylového železa

Bibliografia

1. Pasynkov, V.V. Materiály elektronickej techniky: učebnica pre vysoké školy / V.V Pasynkov, V.S. Sorokin - Petrohrad: Lan, 2003. – 367 s.

2. Rádiové materiály a rádiové komponenty: metóda. inštrukcie/stat. A.M. Khadykin A.M. - Omsk: Vydavateľstvo Štátnej technickej univerzity v Omsku, 2007. - 44 s.

3. Rozhlasové materiály a rozhlasové komponenty: poznámky z prednášok / autorská kompilácia. A. M. Khadykin. - Omsk: Vydavateľstvo Štátnej technickej univerzity v Omsku, 2008. – 91 s.

4. Materiály a prvky elektronických zariadení: metóda. návod / komp. A. M. Khadykin. - Omsk: Vydavateľstvo Štátnej technickej univerzity v Omsku, 2005.-34 s.

5. Klikushin Yu.N. Náuka o materiáloch v prístrojovom inžinierstve. Elektromateriály: Učebnica. príručka pre univerzity / Yu N. Klikushin, A. I. Cheredov, I. L. Zacharov; Štátna technická univerzita v Omsku. - Omsk: Vydavateľstvo Štátnej technickej univerzity v Omsku, 2005. - 79 s.

6. Sorokin V. S. Materiály a prvky elektronickej techniky. V 2 zväzkoch: učebnica pre vysokoškolákov študujúcich v odbore príprava bakalárov, magistrov a špecialistov 210100 “Elektronika a mikroelektronika” / V. S. Sorokin, B. L. Antipov, N. P. Lazareva. T.1: Vodiče, polovodiče, dielektrika. - M.: Edičné stredisko "Akadémia", 2006. - 448 s.

7. Sorokin V. S. Materiály a prvky elektronickej techniky. V 2 zväzkoch: učebnica pre vysokoškolákov študujúcich v študijnom odbore a odboroch „Elektronika a mikroelektronika“ / V. S. Sorokin, B. L. Antipov, N. P. Lazareva. T.2. - M.: Edičné stredisko "Akadémia", 2006. - 384 s.

8. Aliev I.I. Elektrotechnické materiály a výrobky. Adresár. – M.: IP RadioSoft, 2007. – 352 s.

9. A.I. Sidorov, N.V. Nikonorov „Materiály a integrované technológie

optika“. Učebnica, priebeh prednášok. Petrohrad: Petrohradská štátna univerzita ITMO, 2009 - 107

10. Bondarenko I.B., Gatchin Yu.A., Ivanova N.Yu., Shilkin D.A. Konektory a spínacie zariadenia. Návod. Petrohrad: Petrohradská štátna univerzita ITMO, 2007. 151 s.

11. Roshchin V.M. Technológia materiálov mikro-, opto- a nanoelektroniky: učebnica. 2. časť/ V.M. Roshchin, M.V. Silybin. – M.: BINOM. Vedomostné laboratórium, 2010. – 180 s.

12. Sadčenkov D.A. Značenie rádiových komponentov, domácich a zahraničných. Referenčný manuál. Zväzok 1. – M.: SOLON-R, 2002. – 208 s.

13. Petrov K.S. Rádiové materiály, rádiové komponenty a elektronika. Učebnica pre vysoké školy. - Petrohrad: Peter, 2006 - 522 s.

14. Ulyanina I.Yu. Štruktúra materiálov: učebnica. príspevok / I. Yu Ulyanina, T. Yu Skakova. - M.: MGIU, 2006. - 55 s.

15. Ulyanina I.Yu. Náuka o materiáloch v obrysových diagramoch: učebnica. príspevok / I. Yu. - M.: Vydavateľstvo MGIU, 2006. - 139 s.

16. Mishin D.D. Magnetické materiály. – M.: Vyššia škola, 1991. – 384 s.

17. Kharlamová T.E. Veda o elektrických materiáloch. Elektromateriály: Učebnica. úžitok. – Petrohrad: SZPI, 1998. – 82 s.

18. Shkaruba M.V., Tikhonov S.A. Materiály a prvky elektronických zariadení: Učebnica. – Omsk: Vydavateľstvo Omgtu, 2006. – 120 s.

19. Komponenty a technológie: Mesačne. Všeruský časopis – M.: Redakčný časopis. „Fine Street Publishing“ – Vychádza mesačne.

20. Internet: www.wieland– electric.com

21. Internet: www.platan.ru

22. Internet: www.promelec.ru

23. Internet: www.chipdip.ru

6. MAGNETICKÉ MATERIÁLY

Všetky látky sú magnetické a sú zmagnetizované vo vonkajšom magnetickom poli.

Na základe magnetických vlastností sa materiály delia na slabo magnetické ( diamagnetické materiály A paramagnety) a vysoko magnetické ( feromagnetiká A ferrimagnety).

Diamagnetyμ r < 1, значение которой не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Диамагнетиками являются вещества, атомы (молекулы) которых в отсутствие намагничивающего поля имеют магнитный момент равный нулю: водород, инертные газы, большинство органических соединений и некоторые металлы ( Cu, Zn, Ag, Au, Hg), ako aj IN i, Ga, Sb.

Paramagnety– látky s magnetickou permeabilitouμ r> 1, čo pri slabých poliach nezávisí od sily vonkajšieho magnetického poľa. Medzi paramagnetické látky patria látky, ktorých atómy (molekuly) majú v neprítomnosti magnetizačného poľa magnetický moment odlišný od nuly: kyslík, oxid dusíka, soli železa, kobaltu, niklu a prvky vzácnych zemín, alkalické kovy, hliník, platina.

Diamagnetické a paramagnetické materiály majú magnetickú permeabilituμ rje blízko k jednote. Použitie v technológii ako magnetických materiálov je obmedzené.

Vo vysoko magnetických materiáloch je magnetická permeabilita výrazne väčšia ako jednota (μ r >> 1) a závisí od intenzity magnetického poľa. Patria sem: železo, nikel, kobalt a ich zliatiny, ako aj zliatiny chrómu a mangánu, gadolínium, ferity rôzneho zloženia.

6.1. Magnetické vlastnosti materiálov

Magnetické vlastnosti materiálov sú hodnotené fyzikálnymi veličinami nazývanými magnetické charakteristiky.

Magnetická priepustnosť

Rozlišovať príbuzný A absolútne magnetickej permeability látky (materiály), ktoré sú vzájomne prepojené vzťahom

μa = μ o ·μ, Gn/m

μ o- magnetická konštanta,μ o = 4π ·10-7 H/m;

μ – relatívna magnetická permeabilita (bezrozmerná veličina).

Relatívna magnetická permeabilita sa používa na opis vlastností magnetických materiálov.μ (častejšie nazývaná magnetická permeabilita), a pre praktické výpočty sa používa absolútna magnetická permeabilitaμavypočítané podľa rovnice

μa = IN /N,Gn/m

N– intenzita magnetizačného (vonkajšieho) magnetického poľa, A/m

IN – indukcia magnetického poľa v magnete.

Veľká hodnotaμ ukazuje, že materiál sa ľahko magnetizuje v slabých a silných magnetických poliach. Magnetická permeabilita väčšiny magnetov závisí od sily magnetizačného magnetického poľa.

Na charakterizáciu magnetických vlastností sa používa bezrozmerná veličina tzv magnetická susceptibilita χ .

μ = 1 + χ

Teplotný koeficient magnetickej permeability

Magnetické vlastnosti látky závisia od teplotyμ = μ (T) .

Opísať povahu zmenymagnetické vlastnosti s teplotoupoužite teplotný koeficient magnetickej permeability.

Závislosť magnetickej susceptibility paramagnetických materiálov od teplotyTpopísané Curieho zákonom

Kde C - Curie konštanta .

Magnetické charakteristiky feromagnetík

Závislosť magnetických vlastností feromagnetík má zložitejší charakter, znázornený na obrázku a dosahuje maximum pri teplote blízkejQ Komu.

Teplota, pri ktorej magnetická susceptibilita prudko klesá, takmer na nulu, sa nazýva Curieova teplota -Q Komu. Pri vyšších teplotáchQ Komu proces magnetizácie feromagnetika sa v dôsledku intenzívneho tepelného pohybu atómov a molekúl naruší a materiál prestáva byť feromagnetický a stáva sa paramagnetickým.

Pre železo Q k = 768 ° C, pre nikel Q k = 358 ° C, pre kobalt Q k = 1131 ° C.

Nad Curieho teplotou závislosť magnetickej susceptibility feromagnetika od teplotyTopísaný Curie-Weissovým zákonom

Proces magnetizácie vysoko magnetických materiálov (feromagnetov) má hysteréza. Ak sa demagnetizovaný feromagnet zmagnetizuje vo vonkajšom poli, zmagnetizuje sa podľa magnetizačná krivka B = B(H) . Ak potom, počnúc od nejakej hodnotyHzačnite znižovať intenzitu poľa, potom indukciuBs určitým oneskorením sa zníži ( hysteréza) vo vzťahu k magnetizačnej krivke. Keď sa pole v opačnom smere zvyšuje, feromagnet sa demagnetizuje remagnetizuje, a s novou zmenou smeru magnetického poľa sa môže vrátiť do východiskového bodu, odkiaľ sa začal proces demagnetizácie. Výsledná slučka znázornená na obrázku sa nazýva hysterézna slučka.

Pri maximálnom napätíN m magnetizačného poľa sa látka zmagnetizuje do stavu nasýtenia, v ktorom indukcia dosiahne hodnotuIN N, ktorá sa voláindukcia saturácie.

Zvyšková magnetická indukcia IN O – pozorované vo feromagnetickom materiáli, zmagnetizovanom do nasýtenia, počas jeho demagnetizácie, keď je intenzita magnetického poľa nulová. Na demagnetizáciu vzorky materiálu musí sila magnetického poľa zmeniť svoj smer na opačný smer (-N). Sila poľaN TO , pri ktorej sa indukcia rovná nule, sa nazýva donucovacia sila(prídržná sila) .

Obrátenie magnetizácie feromagnetika v striedavých magnetických poliach je vždy sprevádzané stratami tepelnej energie, ktoré sú spôsobené napr. hysterézne straty A dynamické straty. Dynamické straty sú spojené s vírivými prúdmi indukovanými v objeme materiálu a závisia od elektrického odporu materiálu, ktorý sa znižuje so zvyšujúcim sa odporom. Hysterézne stratyW v jednom cykle obrátenia magnetizácie určená plochou hysteréznej slučky

a môže sa vypočítať pre jednotkový objem látky pomocou empirického vzorca

J/m3

Kde η - koeficient v závislosti od materiálu,B N – maximálna indukcia dosiahnutá počas cyklu,n– exponent rovný 1,6 v závislosti od materiálu¸ 2.

Špecifické straty energie v dôsledku hysterézie R G – straty vynaložené na obrátenie magnetizácie jednotky hmotnosti na jednotku objemu materiálu za sekundu.

Kde f - frekvencia striedavého prúdu,T– perióda oscilácie.

Magnetostrikcia

Magnetostrikcia – jav zmien geometrických rozmerov a tvaru feromagnetika pri zmene veľkosti magnetického poľa, t.j. pri magnetizovaní. Relatívna zmena rozmerov materiáluΔ l/ lmôže byť pozitívny a negatívny. Pre nikel je magnetostrikcia menšia ako nula a dosahuje hodnotu 0,004 %.

V súlade s Le Chatelierovým princípom odolnosti systému voči vplyvom vonkajších faktorov, ktoré sa snažia tento stav zmeniť, by mala na magnetizáciu týchto materiálov pôsobiť mechanická deformácia feromagnetika, ktorá vedie k zmene jeho veľkosti.

Ak počas magnetizácie dôjde k zmenšeniu veľkosti telesa v danom smere, potom aplikácia mechanického tlakového napätia v tomto smere podporuje magnetizáciu a naťahovanie sťažuje magnetizáciu.

6.2. Klasifikácia feromagnetických materiálov

Všetky feromagnetické materiály sú rozdelené do dvoch skupín na základe ich správania v magnetickom poli.

Mäkké magnetické – s vysokou magnetickou permeabilitouμ a nízka donucovacia silaN TO< 10A/m Ľahko sa magnetizujú a demagnetizujú. Majú nízke hysterézne straty, t.j. úzka hysterézna slučka.

Magnetické charakteristiky závisia od chemickej čistoty a stupňa narušenia kryštálovej štruktúry. Čím menej nečistôt(S, R, S, O, N) , čím vyššia je úroveň charakteristík materiálu, preto je potrebné ich a oxidy pri výrobe feromagnetika odstraňovať a snažiť sa nenarušiť kryštalickú štruktúru materiálu.

Tvrdé magnetické materiály - maj sa skveleN K > 0,5 MA/ma zvyšková indukcia (IN O ≥ 0,1T). Zodpovedajú širokej hysteréznej slučke. Magnetizujú sa veľmi ťažko, no dokážu si udržať magnetickú energiu aj niekoľko rokov, t.j. slúži ako zdroj konštantného magnetického poľa. Preto sa z nich vyrábajú permanentné magnety.

Na základe zloženia sa všetky magnetické materiály delia na:

· kov;

· nekovový;

· magnetodielektrika.

Kovové magnetické materiály - ide o čisté kovy (železo, kobalt, nikel) a magnetické zliatiny niektorých kovov.

Na nekovové materiály zahŕňajú ferity, získané z práškov oxidov železa a iných kovov. Lisujú sa a vypaľujú pri 1300 - 1500 °C a menia sa na pevné monolitické magnetické diely. Ferity, podobne ako kovové magnetické materiály, môžu byť mäkké magnetické alebo tvrdé magnetické.

Magnetodielektrika – ide o kompozitné materiály zo 60–80 % práškového magnetického materiálu a 40–20 % organického dielektrika. Ferity a magnetodielektrika majú vysoký elektrický odpor (ρ = 10 ÷ 10 8 Ohm m), vysoká odolnosť týchto materiálov zabezpečuje nízke dynamické straty energie v striedavých elektromagnetických poliach a umožňuje ich široké využitie vo vysokofrekvenčnej technike.

6.3. Kovové magnetické materiály

6.3.1. Kovové mäkké magnetické materiálov

Kovové mäkké magnetické materiály zahŕňajú karbonylové železo, permalloy, alsifer a nízkouhlíkovú kremíkovú oceľ.

Karbonylové železo – získaný tepelným rozkladom pentakarbonylu železa v kvapalnom skupenstveF e( CO) 5 získať častice čistého práškového železa:

F e( CO) 5 → Fe+ 5 СО,

pri teplote okolo 200 st°Ca tlaku 15 MPa. Častice železa majú guľovitý tvar s veľkosťou 1 – 10 mikrónov. Na odstránenie uhlíkových častíc sa železný prášok podrobí tepelnému spracovaniu v prostredí N 2 .

Magnetická permeabilita karbonylového železa dosahuje 20 000, koercitívna sila je 4,5¸ 6,2A/m Železný prášok sa používa na výrobu vysokofrekvenčných magnetodielektrikum jadrá, ako výplň do magnetických pások.

Permalloi –zliatiny tvárneho železa a niklu. Ak chcete zlepšiť vlastnosti, pridajte Mo, S r, Cu, výrobu dopovaných permalloyí. Vyznačujú sa vysokou ťažnosťou a ľahko sa zvinú do plechov a pásov až do 1 mikrónu.

Ak je obsah niklu v permalloy 40 - 50%, potom sa nazýva s nízkym obsahom niklu, ak je 60 - 80% - s vysokým obsahom niklu.

Permalloye majú vysokú úroveň magnetických charakteristík, čo je zabezpečené nielen zložením a vysokou chemickou čistotou zliatiny, ale aj špeciálnou tepelnou vákuovou úpravou. Permalloye majú veľmi vysokú úroveň počiatočnej magnetickej permeability od 2000 do 30000 (v závislosti od zloženia) v oblasti slabých polí, čo je spôsobené nízkou veľkosťou magnetostrikcie a izotropie magnetických vlastností. Supermalloy má obzvlášť vysoké vlastnosti, ktorých počiatočná magnetická permeabilita je 100 000 a maximálna dosahuje 1,5· 10 6 o B= 0,3 T.

Permalloy sa dodáva vo forme pásov, plechov a tyčí. Permalloy s nízkym obsahom niklu sa používajú na výrobu jadier induktorov, transformátorov malých rozmerov a magnetických zosilňovačov, s vysokým obsahom niklu permalloi – pre časti zariadení pracujúce na zvukových a nadzvukových frekvenciách. Magnetické charakteristiky permalloy sú stabilné pri –60 + 60 °С.

Alsifera – nepoddajný krehký zliatiny zloženia Al – Si– Fe , pozostávajúce z 5,5 – 13 %Al, 9 – 10 % Si, zvyšok je železo. Alsifer má podobné vlastnosti ako permalloy, ale je lacnejší. Vyrábajú sa z neho liate jadrá, odlievajú sa magnetické sitá a iné duté diely s hrúbkou steny minimálne 2 - 3 mm. Krehkosť alsifer obmedzuje jeho oblasti použitia. Využitím krehkosti alsifer sa melie na prášok, ktorý sa používa ako feromagnetické plnivo v lisovanom vysokofrekvenčnom magnetodielektrika(jadrá, krúžky).

Silikónová nízkouhlíková oceľ (elektrooceľ) – zliatina železa a kremíka (0,8 - 4,8 %Si). Hlavný mäkký magnetický materiál pre hromadné použitie. Ľahko sa zvinie do plátov a pásov 0,05 - 1 mm a je to lacný materiál. Kremík, ktorý sa nachádza v oceli v rozpustenom stave, plní dve funkcie.

· Zvyšovaním merného odporu ocele spôsobuje kremík zníženie dynamických strát spojených s vírivými prúdmi. Odpor sa zvyšuje v dôsledku tvorba oxidu kremičitého SiO 2 ako výsledok reakcie

2 FeO + S i→ 2Fe+ SiO 2 .

· Prítomnosť kremíka rozpusteného v oceli podporuje rozklad cementitu Fe 3 C – škodlivé nečistoty, ktoré znižujú magnetické vlastnosti, a uvoľňovanie uhlíka vo forme grafitu. V tomto prípade vzniká čisté železo, ktorého rast kryštálov zvyšuje úroveň magnetických charakteristík ocele.

Zavedenie kremíka do ocele v množstve presahujúcom 4,8 % sa neodporúča, pretože kremík, ktorý pomáha zlepšovať magnetické vlastnosti, prudko zvyšuje krehkosť ocele a znižuje jej mechanické vlastnosti.

6.3.2. Kovové tvrdé magnetické materiály

Tvrdé magnetické materiály - sú to feromagnety s vysokou koercitívnou silou (viac ako 1 kA/m) a veľkou hodnotou zvyškovej magnetickej indukcieIN O. Používa sa na výrobu permanentných magnetov.

Podľa zloženia, stavu a spôsobu výroby sa delia na:

· legované martenzitické ocele;

· liate tvrdé magnetické zliatiny.

Legované martenzitické ocele – ide o uhlíkové ocele a legované oceleCr, W, Co, Mo . Uhlík oceľ rýchlo starne a menia svoje vlastnosti, preto sa na výrobu permanentných magnetov používajú len zriedka. Na výrobu permanentných magnetov sa používajú legované ocele - volfrám a chróm (N C ≈ 4800 A/m,IN O ≈ 1 T), ktoré sa vyrábajú vo forme tyčí s rôznymi tvarmi prierezu. Kobaltová oceľ má vyššiu koercitivitu (N C ≈ 12 000 A/m,IN O ≈ 1 T) v porovnaní s volfrámom a chrómom. Donucovacia sila N S kobaltovej ocele sa zvyšuje so zvyšujúcim sa obsahom S O .

Odlievané tvrdé magnetické zliatiny. Vylepšené magnetické vlastnosti zliatin sú dané špeciálne vybraným zložením a špeciálnou úpravou - ochladzovanie magnetov po odliatí v silnom magnetickom poli, ako aj špeciálne viacstupňové tepelné spracovanie vo forme kalenia a temperovania v kombinácii s magnetickým úprava, nazývaná disperzné vytvrdzovanie.

Na výrobu permanentných magnetov sa používajú tri hlavné skupiny zliatin:

· Zliatina železo – kobalt – molybdén typu remalloy s donucovacou silouN K = 12 – 18 kA/m.

· Skupina zliatin:

§ meď – nikel – železo;

§ meď – nikel – kobalt;

§ železo - mangán, legovanéhliník alebo titán;

§ železo – kobalt – vanád (F e– Co – V).

Zliatina meď – nikel – železo je tzv kunife (S u– Ni - Fe). Zliatina F e– Co – V (železo – kobalt – vanád) je tzv vikala . Zliatiny tejto skupiny majú donucovaciu silu N TO = 24 – 40 kA/m. Dostupné vo forme drôtu a listu.

· Systém zliatin železo – nikel – hliník(F e – Ni– Al), predtým známy ako zliatina alni. Zliatina obsahuje 20 - 33 % Ni + 11 – 17 % Al, zvyšok je železo. Pridanie kobaltu, medi, titánu, kremíka a nióbu do zliatin zlepšuje ich magnetické vlastnosti, uľahčuje technológiu výroby, zabezpečuje opakovateľnosť parametrov a zlepšuje mechanické vlastnosti. Moderné označenie značky obsahuje písmená označujúce pridané kovy (Y - hliník, N - nikel, D - meď, K - kobalt, T - titán, B - niób, C - kremík), čísla - obsah prvku, písmeno, ktoré sa nachádza pred číslom, napríklad UNDC15.

Zliatiny majú vysokú koercitívnu hodnotu N TO = 40 – 140 kA/m a veľká uložená magnetická energia.

6.4. Nekovové magnetické materiály. Ferity

Ferity sú keramické feromagnetické materiály s nízkou elektrónovou vodivosťou. Nízka elektrická vodivosť v kombinácii s vysokými magnetickými charakteristikami umožňuje široké použitie feritov pri vysokých frekvenciách.

Ferity sú vyrobené z práškovej zmesi pozostávajúcej z oxidu železa a špeciálne vybraných oxidov iných kovov. Sú lisované a následne spekané pri vysokých teplotách. Všeobecný chemický vzorec je:

MeO Fe203 alebo MeFe204,

Kde Mehsymbol dvojmocného kovu.

Napríklad,

ZnO Fe 2 O 3 alebo

NiO Fe 2 O 3 alebo NiFe 204

Ferity majú kubickú mriežku spinelového typuMgOAl 203 - hlinitan horečnatý.Nie všetky ferity sú magnetické. Prítomnosť magnetických vlastností je spojená s usporiadaním kovových iónov v kubickej spinelovej mriežke. Takže systémZnFe 204 nemá feromagnetické vlastnosti.

Ferity sa vyrábajú keramickou technológiou. Pôvodné práškové oxidy kovov sa melú v guľových mlynoch, lisujú a vypaľujú v peciach. Spekané brikety sa rozomelú na jemný prášok a pridá sa zmäkčovadlo, napríklad roztok polyvinylalkoholu. Z výslednej hmoty sa lisujú feritové produkty - jadrá, krúžky, ktoré sa vypaľujú na vzduchu pri teplote 1000 - 1400 °C. Výsledné tvrdé, krehké, väčšinou čierne výrobky je možné spracovať iba brúsením a leštením.

Mäkké magnetické ferity

Mäkké magnetickéFerity sa široko používajú v oblasti vysokofrekvenčnej elektroniky a výroby nástrojov na výrobu filtrov, transformátorov pre nízkofrekvenčné a vysokofrekvenčné zosilňovače, antén pre rádiové vysielacie a prijímacie zariadenia, pulzných transformátorov a magnetických modulátorov. Priemysel vyrába tieto typy mäkkých magnetických feritov so širokým rozsahom magnetických a elektrických vlastností: nikel - zinok, mangán - zinok a lítium - zinok. Horná medzná frekvencia použitia feritov závisí od ich zloženia a mení sa pre rôzne typy feritov od 100 kHz do 600 MHz, koercitívna sila je asi 16 A/m.

Výhodou feritov je stabilita magnetických charakteristík a relatívna jednoduchosť výroby rádiových komponentov. Ako všetky feromagnetické materiály, aj ferity si zachovávajú svoje magnetické vlastnosti len do Curieovej teploty, ktorá závisí od zloženia feritov a pohybuje sa od 45° do 950°C.

Tvrdé magnetické ferity

Na výrobu permanentných magnetov sa najčastejšie používajú tvrdé magnetické ferity (;VaO 6 Fe203 ). Majú šesťhrannú kryštálovú štruktúru s veľN TO . Ferity bária sú polykryštalický materiál. Môžu byť izotropné - rovnaké vlastnosti feritu vo všetkých smeroch sú spôsobené tým, že kryštalické častice sú orientované ľubovoľne. Ak je počas procesu lisovania magnetov prášková hmota vystavená vonkajšiemu magnetickému poľu vysokej intenzity, potom kryštalické feritové častice budú orientované v jednom smere a magnet bude anizotropný.

Ferity bária sa vyznačujú dobrou stabilitou svojich vlastností, sú však citlivé na zmeny teploty a mechanické namáhanie. Báriové feritové magnety sú lacné.

6.5. Magnetodielektrika

Magnetodielektrika - sú to kompozitné materiály pozostávajúce z jemných častíc mäkkého magnetického materiálu, ktoré sú navzájom spojené organickým alebo anorganickým dielektrikom. Ako mäkké magnetické materiály sa používa karbonylové železo, alsifer a niektoré druhy permalloy, rozdrvené na prášok.

Ako dielektrikum sa používa polystyrén, bakelitové živice, tekuté sklo atď.

Účelom dielektrika nie je len spojiť častice magnetického materiálu, ale tiež ich od seba izolovať a následne výrazne zvýšiť hodnotu elektrického odporu. magnetodielektrikum. Elektrický odporrmagnetodielektrikaje 10 3 – 10 4 Ohm× m

Magnetodielektrikapoužívané na výrobu jadier pre komponenty vysokofrekvenčných rádiových zariadení. Proces výroby produktov je jednoduchší ako z feritov, pretože nevyžadujú vysokoteplotné tepelné spracovanie. Produkty z magnetodielektrika Vyznačujú sa vysokou stálosťou magnetických vlastností, vysokou triedou čistoty povrchu a rozmerovou presnosťou.

Magnetodielektriká plnené molybdénovou permalloy alebo karbonylovým železom majú najvyššie magnetické charakteristiky.