Магнитомягкие и магнитотвердые материалы, область применения

Магнитное поле в среде описывается с помощью векторов напряжённости магнитного поля и магнитной индукции , которые связаны между собой соотношением:

, (1)

где - относительная магнитная проницаемость среды;

- магнитная постоянная ( ).

Существует класс веществ, где атомные магнитные моменты ориентированы друг относительно друга в определённом порядке. В частности, к таким веществам относятся ферромагнетики. В случае ферромагнетика вид зависимости связан с исход­ным состоянием материала. Если в магнитном поле ферромагнетик не обла­дал магнитным моментом (рис.1), то зависимость имеет вид нормальной кривой намагничивания (кривая 1 первона­чального намагничивания).

Рис. 1. Качественный вид кривой намагничивания в ферромагнетике: 1 – нор­мальная кривая намагничивания; 2 – кривая технического намагничивания.

Для ферромагнетиков магнитная проницае­мость имеет нелинейную зависимость от напряженности магнитного поля. При этом зави­симость является нелинейной. При уменьшении напряженности внешнего магнит­ного поля от некоторого значения до нуля ферромагнетик уже не вернется в состояние , а будет обладать остаточной намагничен­ностью . Для того, чтобы обратить намагниченность в нуль, необ­ходимо приложить внешнее магнитное поле в направлении, противоположном первоначальному намагничиванию. Величина напряженности магнитного поля, при которой намагниченность ферромагнетика становится равной нулю, называется коэрцитивной силой . При дальнейшем увеличении (в отрицательном направлении) материал опять приобретает намагничен­ность, но в противоположном направлении. При измене­нии напряженности магнитного поля от до и обратно зависимость будет иметь гистерезис (кривая 2 на рис. 1). График такой зависимости называют кривой технического намагничивания.

Причина магнитного порядка в ферромагнетике заключается в обменном взаи­модействии между атомными электронными оболочками. Энергия этого взаимодействия определяется степенью перекрытия электронных обо­лочек и суммарным спином в каждой оболочке. Обменное взаимодействие ориентирует атомные магнитные моменты параллельно друг другу, а магнитно-дипольное стремится развернуть их по касательной к силовым линиям магнитного поля, которое создается соседними атомами. В кристаллических ферромаг­нетиках (железо, никель, кобальт и.т. д.) электронные атомные оболочки имеют разное перекрытие, в тех или иных кристаллографических на­правлениях. Анизотропия обмен­ного взаимодействия в кристаллическом ферромагнетике вместе с магнитно-дипольным взаимодействием будут приводить к разделению ма­териала на отдельные области, внутри которых атомные магнитные моменты параллельны друг другу и направлены вдоль осей "легкого'' намагничивания. Такие области принято называть доменами. Конкретный вид доменной структуры и размеры доменов определяются природой ферромагнетиков. Границы доменов называют доменными стенками. Реальные ферромагнетики всегда содержат какие-либо дефекты, препятствующие движению доменных стенок. Для их преодоления стенки должны накопить достаточно энергии от магнитного поля. В результате движение стенок становится скачкообразным, а на зависимо­сти при соответствующей методике регистрации обнаружи­ваются ступеньки – эффект Баркгаузена (рис. 2). Такое движение стенок уже не является обрати­мым, так как для обратного движения опять потребуются затраты энер­гии.

Рис. 2. Кривая намагничивания для ферромагнетика, который первоначально был в размагниченном состоянии. На вставке показаны ступеньки, соответст­вующие скачкам Баркгаузена

Основными характеристиками петли гистерезиса являются остаточная магнитная индукция и коэрцитивная сила . Обе эти величины обусловлены необратимыми процессами в ферромагнетике и определяются физическими свойствами материала. Остаточную намагниченность можно уменьшать путем леги­рования немагнитными примесями или созданием таких дефектов, кото­рые препятствуют росту выгодно ориентированных доменов (например, путем закалки). Величину можно регулировать за счет различных обработок, которые вводят или устраняют дефекты, препятствующие движению доменных стенок (отжиг с медленным охлаждением (отпуск), закалка, легирование с образованием включений других фаз и т. п.).

На рис. 3 приведена классификация ферромагнитных материалов. Магнитомягкие материалы намагничиваются в слабых магнитных полях (Н £ 5 × 104), вследствие большой магнитной проницаемости (m’н £ 70 × 103 и m’max £ 240 × 103) и малых потерь на перемагничивание. Они обладают относительно малыми площадями гистерезисных петель. Их применяют во всех устройствах, которые работают или могут работать при периодически изменяющемся магнитном потоке (трансформаторах, электрических двигателях и генераторах, индуктивных катушках и т.п.). В группу магнитомягких материалов входят аморфные металлические сплавы, ферриты, электротехническая сталь и другие. Низкочастотные магнитомягкие материалы подразделяют на материалы с высокой индукцией насыщения , такие как железо, нелегированные и легированные электротехнические стали, и низкочастотные с высокой магнитной проницаемостью (начальной и максимальной ), такие как железоникелевые сплавы Fe-Ni (пермаллои), Fe-Co, Fe-Al (альсиферы). К высокочастотным магнитмягким материалам относятся ферриты, которые в свою очередь подразделяются на ферриты для устройств, применяемых на радиочастотах (Mn-Zn и Ni-Zn ферриты), ферриты для устройств, применяемых на высоких (до 800 МГц) и сверхвысоких (свыше 800 МГц) частотах (изготавливаются из трёх и более оксидов) и ферриты с прямоугольной петлёй гистерезиса. Также в отдельную группу выделяют материалы со специальными магнитными свойствами. К ним относятся сплавы с большой магнитострикцией и термомагнитные сплавы.

Рис. 3. Классификация ферромагнетиков

Широкое промышленное применение имеют магнитомягкие сплавы системы «металл – неметалл». Их получают на основе ферромагнитных металлов - железа, никеля, кобальта, используя в качестве аморфизаторов различные сочетания неметаллов. Структура аморфных сплавов подобна структуре замороженной жидкости. Затвердевание происходит настолько быстро, что атомы вещества оказываются замороженными в тех положениях, которые они занимали, будучи в жидком состоянии. Аморфная структура характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении атомов, благодаря чему в ней нет кристаллической анизотропии, отсутствуют границы блоков, зерен и другие дефекты структуры, типичные для поликристаллических сплавов. Следствием такой аморфной структуры являются необычные магнитные, механические, электрические свойства и коррозионная стойкость аморфных металлических сплавов. Наряду с высокой магнитной мягкостью, уровень электромагнитных потерь в аморфных сплавах с высокой магнитной индукцией оказывается существенно ниже, чем во всех известных кристаллических сплавах. Эти материалы проявляют исключительно высокие механическую твердость и прочность при растяжении, в ряде случаев имеют близкий к нулю коэффициент теплового расширения, а их удельное электросопротивление в три - четыре раза выше его значения для железа и его сплавов. Некоторые из аморфных сплавов характеризуются высокой коррозионной стойкостью. Затвердевание с образованием аморфной структуры принципиально возможно для всех металлов и сплавов. Для практического применения обычно используют сплавы переходных металлов, в которые для образования аморфной структуры добавляют аморфообразующие элементы. Такие аморфные сплавы обычно содержат около 80 % одного или нескольких переходных металлов и 20 % металлоидов, добавляемых для образования и стабилизации аморфной структуры.

К группе высокочастотных магнитных материалов относятся ферриты. Они представляют собой магнитную керамику, получаемую спеканием оксида железа с оксидами других металлов. Характерная особенность свойств ферритов – высокое, как у полупроводников, удельное электрическое сопротивление (103 – 1011 Ом × м). Вследствие низкой (в 106 – 1014 раз меньше, чем у металлических ферромагнетиков) электропроводности потери на вихревые токи минимальны, что обусловило их широкое применение в техники высоких и сверхвысоких частот. По магнитным свойствам ферриты уступают металлическим ферромагнетикам и не могут с ним конкурировать в области низких частот. Ферриты имеют невысокую индукцию насыщения (Bs < 0,4 Тл), относительно большую коэрцитивную силу (Нс £ 180 А/м). Ферриты твёрдые и хрупкие материалы, обрабатывать которые можно только алмазным инструментом. Особенность свойств ферритов состоит в том, что при нагреве начальная магнитная проницаемость сначала возрастает, а затем резко падает при температуре точки Кюри, которая и определяет допустимую рабочую температуру феррита. Важной характеристикой ферритов, влияющих на область их применения, является критическая частота fкр, при которой начинает резко возрастать тангенс угла потерь. Граничной частотой принято считать частоту, при которой tg d £ 1.

Магнитотвёрдые материалы используются для изготовления постоянных магнитов. Они намагничиваются в сильных полях Н > 1000 кА/м, имеют большие потери при перемагничивании, остаточную индукцию Вr = 0,1…1 Тл и коэрцитивную силу Нс £ 560 кА/м. Они обладают полого поднимающейся основной кривой намагничивания и большей площадью гистерезисной петли. Преимущественное применение имеют сплавы, а не чистые металлы.