Магнитные материалы

1.

Магнитные материалы
Движение электрона по круговой орбите
вокруг ядра и вокруг собственной оси,
можно рассматривать как круговой ток
(микроток).
Если ток течет по замкнутому контуру, то
такой контур обладает магнитным
моментом.
Элементарными источниками магнетизма
в атоме являются спиновые и
орбитальные магнитные моменты
электронов.

2.

Магнитные материалы
Орбитальные магнитные моменты
обусловлены вращением электрона
вокруг ядра атома.
Спиновые магнитные моменты
электронов создаваемые движением
электронов вокруг собственной оси и
направленные вдоль оси вращения
электронов вносят наибольший вклад
в магнитный момент атома.

3.

Магнитные материалы
Особенностью спина электрона
является то, что в магнитном поле
спин может быть ориентирован
только двумя способами:
•параллельно напряженности поля
•антипараллельно напряженности
поля
Суммарный магнитный момент атома
равен векторной сумме спиновых
моментов электронов.

4.

Магнитные материалы
•Спиновые моменты большинства
электронов в атоме взаимно
компенсируются.
•Магнитные свойства атома, обусловлены
тем небольшим числом электронов,
спиновые моменты которых остались
нескомпенсированными.
• Например, у атома железа таких
электронов - четыре из двадцати шести,
у атома кобальта - три, у никеля - два.

5.

Классификация материалов по
магнитным свойствам

6.

Классификация материалов по
магнитным свойствам

7.

Классификация материалов по
магнитным свойствам

8.

Классификация материалов по
магнитным свойствам
Ферромагнетики - кристаллические вещества, атомы
которых так же, как и атомы парамагнетиков,
обладают нескомпенсированными магнитными
моментами.
• В ферромагнетике спины соседних атомов
взаимодействуют между собой, ориентируясь
параллельно друг другу (обменное
взаимодействие) – доменная структура.
• Доменом называется область, в которой каждый
атом имеет магнитный момент в отсутствии
внешнего магнитного поля. Магнитные моменты
всех атомов в домене параллельны

9.

Ферромагнетики
• Энергетически наиболее выгодным является
самопроизвольное разделение образца на
большое число доменов.
• Векторы намагниченности доменов в отсутствии
внешнего магнитного поля имеют разную
ориентацию.
• Таким образом полный магнитный момент
ферромагнетика равен нулю.
• Объем домена колеблется от 10-6 до 10-1 см.
• К ферромагнетикам относятся железо, никель,
кобальт и их сплавы.

10.

Классификация материалов по
магнитным свойствам
• Антиферромагнетик — вещество, в котором
установился антиферромагнитный порядок
магнитных моментов атомов .
• В антиферромагнетиках спиновые магнитные
моменты электронов ориентированы
антипараллельно друг другу.
• Такая ориентация охватывает попарно
соседние атомы, таким образом
результирующие магнитные моменты каждого
из доменов равны нулю.

11.

Классификация материалов по
магнитным свойствам

12.

Классификация материалов по
магнитным свойствам
Ферримагнетики имеют доменную структуру
с нескомпенсированным
антиферромагнетизмом (у них магнитные
моменты атомов не скомпенсированы).
Своё название эти материалы получили от
ферритов.
У ферритов высокие магнитные свойства
сочетаются с высоким значением удельного
сопротивления.
Общая формула феррита: Fe2O3MeO или
Fe2O3Me2O3

13.

Классификация материалов по
магнитным свойствам

14.

Классификация материалов по
магнитным свойствам

15.

Основные параметры магнитных
материалов
Магнитное поле в веществе является векторной
суммой двух магнитных полей: внешнего и
внутреннего, и характеризуется вектором магнитной
индукции
B,
которая
определяет
степень
намагничивания материала во внешнем поле.
Относительная магнитная проницаемость
0 ,
0 - магнитная постоянная вакуума, равная 4π•10-7
Гн/м;
- напряженность внешнего магнитного поля.
B -магнитной индукции (Тл)
Относительная магнитная проницаемость - величина
безразмерная, для вакуума = 1.

16.

Классификация материалов по
магнитным свойствам
• Диамагнетики - вещества, в которых спиновые
моменты всех атомов попарно скомпенсированы ( < 1)
.( цинк, медь, золото, ртуть )
• Парамагнетики - вещества, атомы которых обладают
магнитными моментами, которые имеют хаотичную
ориентацию . ( >1). ( алюминий, платина)
• Ферромагнетики - вещества, атомы которых обладают
магнитными моментами (железо, никель, кобальт и их
сплавы). ( ≫1)
• Антиферромагнетики вещества, атомы которых
обладают магнитными моментами ( >1) (хром,
марганец и их окислы)
• Ферримагнетики - вещества, атомы которых обладают
магнитными моментами ( ≫1) (Fe2O3MeO или
Fe2O3Me2O3)

17.

Магнитная анизотропия
а) Железо
б) Никель в) Кобальт

18.

Магнитная анизотропия

19.

Основная кривая намагничивания

20.

Основная кривая намагничивания
•В зависимости от величины внешнего
магнитного поля различают три стадии
процесса намагничивания.
•1. Смещение границ доменов (участок 1).
Происходит увеличение объема доменов,
вектор намагниченности которых образует
наименьший угол с направлением
внешнего поля, за счет соответствующего
уменьшения неблагоприятно
ориентированных доменов. В слабых
полях (участок «I») этот процесс носит
обратимый характер.

21.

Основная кривая намагничивания
•2. В полях средней величины (участок
II)происходит необратимое смещение
границ доменов и структура становиться
однодоменной, а образец
намагниченным в направлении,
наиболее благоприятном по отношению
к внешнему полю.
•3. На участке III происходит вращение
вектора намагниченности до совпадения
с внешним полем и происходит
техническое насыщение образца.

22.

Основная кривая намагничивания

23.

Основная кривая намагничивания

24.

Основные параметры магнитных
материалов
• Величина для феромагнитных материалов зависит
от величины внешнего поля.
• Магнитная проницаемость определяется как
отношение индукции В к напряженности магнитного
поля Н в данной точке кривой намагничивания по
основной кривой намагничивания с учетом
магнитной постоянной μо.
• Магнитную проницаемость μнач (при Н = 0,1 А/м)
называют начальной магнитной проницаемостью.
• Наибольшее значение магнитной проницаемости
носит наименование максимальной магнитной
проницаемости и обозначается μмак.

25.

Зависимость μ от напряженности
внешнего магнитного поля

26.

Зависимость магнитной проницаемости от
температуры
• Зависимость магнитной проницаемости
ферромагнетика от температуры характеризуется
точкой Кюри.
• При температурах ниже точки Кюри µ растет за счет
увеличения подвижности границ доменов
магнитного материала. Выше точки Кюри
ферромагнетик переходит в парамагнитное
состояние в результате значительного теплового
движения, разрушающего упорядоченную
ориентацию спиновых моментов.
• Температура Кюри для железа равна 768°С, никеля 358°С, кобальта 1130°С, ферритов - 7÷4000С.

27.

Зависимость магнитной проницаемости от
температуры
•Изменение магнитной проницаемости с
изменением температуры (температурная
нестабильность) характеризуется
температурным коэффициентом магнитной
проницаемости TKµ, который для заданного
диапазона температур (Т2 – Т1) определяется по
формуле
TKµ=(µТ1-µТ2)/µТ1 (Т2 – Т1) [1/оК]

28.

Зависимость магнитной
проницаемости от температуры

29.

Магнитный гистерезис

30.

Магнитный гистерезис
Ход кривой не повторяется в обратном
направлении.
При том же значении напряженности
внешнего поля значение индукции выше
соответствующих значений основной кривой
намагничивания, т.е. наблюдается отставание
индукции от напряженности поля.
Т.е. энергия, необходимая для
размагничивания материала, превышает
энергию, необходимую для его
намагничивания.

31.

Магнитный гистерезис
•При изменении направления внешнего
магнитного поля в кристалле должны
заново создаваться границы доменов.
Однако дефекты кристаллов, различные
включения, внутренние механические
напряжения препятствуют этому
процессу.
•Для их преодоления требуется
дополнительная энергия поля, которая и
составляет потери на гистерезис.

32.

Магнитный гистерезис

33.

Зависимость магнитной проницаемости от
частоты магнитного поля

34.

Зависимость магнитной проницаемости
от частоты магнитного поля

35.

Потери в магнитных материалах
•Переменное магнитное поле индуцирует
вихревые токи внутри перемагничиваемого
материала. Вихревые токи также вызывают
необратимые потери.
•Потери на вихревые токи зависят от
электрического сопротивления
перемагничиваемого материала. Чем больше
удельное сопротивление магнитного
материала, тем меньше потери, вызываемые
вихревыми токами.

36.

Потери в магнитных материалах

37.

Потери в магнитных материалах
•Потери на вихревые токи
пропорциональны квадрату частоты
магнитного поля, поэтому в устройствах
работающих на высоких частотах
неприменимы магнитные материалы с
высокой электрической проводимостью.
•С увеличением сопротивления материала,
соответственно уменьшаются потери на
вихревые токи. Но одновременно растут
потери связанные с гистерезисом.
РΣ = Pг+ Pf

38.

Классификация магнитных материалов

39.

Классификация магнитных материалов

40.

Магнитотвердые и магнитомягкие
материалы

41.

Классификация магнитных материалов
Основные свойства магнитомягких
материалов:
•Способность намагничиваться до
насыщения даже в слабых полях
(высокая магнитная проницаемость).
•Малые потери на перемагничивание.
•Для промышленных магнитомягких
материалов наименьшая Нs = 0,4 А/м \

42.

Классификация магнитных
материалов
Основные свойства магнитотвердых
материалов:
•большая остаточная индукция Bост
•большая коэрцитивная сила Нs
•а для промышленных
магнитотвердых материалов
наибольшая Нs = 800 КА/м

43.

Магнитомягкие материалы

44.

Магнитомягкие материалы
Технически чистое железо – количество
примесей менее 0,05%.
Электротехнические стали – сплав железа с
кремнием Si = (0,5 – 5)%
Пермалои – сплав железа с никелем:
•высоконикелевые пермалои 72-80% Ni
•низконикелевые пермалои 40-50% Ni - меньше
стоимость, но магнитные характеристики хуже.
Альсиферы – сплав Fe, Si, Al.
Оптимальный состав: Si – 9,5%, Al – 5,6%,
остальное Fe.

45.

Магнитомягкие материалы
Магнитодиэлектрики – материалы, состоящие
из ферромагнитной основы (наполнитель) и
связующего вещества.
•Наполнитель - карбонильное железо, альсифер
•(порошок с размерами частиц 0,5 – 500 мкм)
•Связующие - фенолформальдегидная или
эпоксидная смола, полистирол.
•Магнитомягкие ферриты
Никель-цинковые ферриты – (NiO + ZnO) Fe2O3
Марганец-цинковые ферриты (MnO + ZnO) Fe2O3

46.

Магнитотвердые магнитные
материалы

47.

Магнитотвердые магнитные материалы
Основные параметры
1. Коэрцитивная сила (Hs > 4000 A/м).
2. Максимальная удельная энергия Wmax = 0,5(BН)max.
От показателя Wmax зависит объем магнита,
необходимого для создания магнитного поля в
заданном воздушном зазоре. Чем больше магнитная
энергия, тем меньше объем, а следовательно и масса
магнита.
1. Иногда используют понятие «энергетическое
произведение» (BН)max>103Дж/м3
2. Коэффициент выпуклости (оценивает форму кривой
размагничивания γ = (BН)max/(BН)ост

48.

Магнитотвердые магнитные
материалы
•Параметр магнитной проницаемости у
магнитотвердых материалов не имеет
реального смысла.
•Чтобы получить высокую коэрцитивную
силу в магнитном материале необходимо
затруднить процесс перемагничивания за
счет введения примесей или создания
дефектов.

49.

Магнитные материалы специального
назначения

50.

Магнитные материалы с ППГ
• Сердечники из материала с ППГ имеют два
устойчивых состояния, соответствующих различным
направлениям остаточной индукции.
• Поэтому их можно использовать как элементы для
хранения и переработки двоичной информации.
Запись и считывание информации осуществляется
переключением сердечника из одного состояния в
другое с помощью импульсов тока.
• Основной параметр – коэффициент прямоугольности
гистерезиса
• КПР = Вr/Внас, где
• Вr - остаточная индукция,
• Внас – индукция насыщения.

51.

Магнитные материалы с ППГ

52.

Магнитные материалы с ППГ
• Применение:
• В устройствах автоматики, вычислительной техники, в
аппаратуре телеграфной связи.
• Элементы на магнитных сердечниках с ППГ
характеризуются:
• Высокой надежностью
• Малыми габаритами
• Низкой стоимостью
• Стабильностью характеристик
• Обладают практически неограниченным сроком службы
• Сохраняют информацию при отключенных источниках
питания

53.

Магнитострикционные материалы
Это материалы, заметно изменяющие
свои размеры при намагничивании, т.е.
имеющие большую линейную
магнитострикцию
λ = ∆ℓ/ ℓ = 10-5 – 10-3
λ может быть положительной и
отрицательной.

54.

Магнитострикционные материалы
Применение:
• Генераторы звуковых и ультразвуковых
колебаний
• Магнитострикционные вибраторы используют в
технологических установках по обработке
ультразвуком хрупких и твердых материалов
• Магнитные вибраторы используются вместо
кварца для стабилизации частоты, в
электромеханических фильтрах, в
магнитострикционных линиях задержки,
применяемых в вычислительной технике.

55.

Магнитострикционные материалы
Обычно используют магнитомягкие материалы с
сильной анизотропией магнитных свойств, у которых
процесс намагничивания сопровождается значительной
деформацией кристаллической решетки.
• Сплав платины с железом самая высокая
магнитострикция. Применение ограничено из-за
высокой стоимости.
• Никель
• Никель-кобальтовые ферриты в СВЧ устройствах
(Недостаток: невысокая механическая прочность.)
• Железоаллюминиевый сплав - алфер – используется
реже. (Недостаток: трудность прокатки, хрупкость,
коррозионность).

56.

Термомагнитные материалы

57.

Термомагнитные материалы
Это магнитные материалы (ферромагнитные сплавы), с
резкой зависимостью магнитной индукции насыщения Внас
от температуры.
Это свойство проявляется в определённом интервале
температур вблизи точек Кюри: свойство ферромагнетиков
снижать индукцию с ростом температуры около точки Кюри.
В качестве термомагнитных материалов применяют сплавы
с точкой Кюри от 00С до 1000С
Обратимость свойств.
• кальмаллой (система Ni–Cu) области температур от –50 до
80 °С.,
• термаллой (система Fe–Ni) от 20 до 80°С.
• компенсатор (система Fe–Ni–Cr). узкая (от –20 до 35 °С) ,
широкая (от –60 до 170 °С)

58.

Термомагнитные материалы
Применяются для компенсации температурной
погрешности в виде шунтов или добавочных
магнитных сопротивлений.
в измерительных приборах (гальванометров,
счётчиков электроэнергии, спидометров и т. п.).
Выполняют в виде шунтов, ответвляющих на
себя часть потока постоянного магнита.
Принцип действия такого шунта основан на том,
что с повышением температуры резко
уменьшается его намагниченность.

59.

Сплавы с постоянной магнитной
проницаемостью
В измерительных устройствах, в устройствах
автоматики необходимо обеспечить
постоянство μ в широком диапазоне
изменения внешнего магнитного поля.
Применяются сплавы сложной структуры, в
которых ферромагнитные домены
разделены труднонамагничивающимися
прослойками.

60.

Сплавы с постоянной магнитной
проницаемостью
Перминвар – сплав железа 25%, никеля 45%,
кобальта 30%. Сохраняют значение µ=300 до
напряженности поля 240А/м.
• Недостаток: высокая чувствительность к
температурным и механическим воздействиям.
Изоперм – сплав железа – 40%, никеля – 40%,
меди – 15%, алюминия 5%. µ=const до Н=300400А/м.
• Недостаток: µ=30-80.
Достоинство:
• высокая стабильность свойств при изменении
температуры.