Магнитные материалы

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.

Исторический  обзор развития магнитомягкихматериалов

• Основы классификации магнитных материалов
• Классификация веществ по магнитным свойствам

• Классификация веществ по магнитным свойствам

• Природа ферромагнетизма

• Доменная структура

• Намагничивание магнитных материалов. Кривая намагничивания

• Магнитный гистерезис

• Структура ферромагнетиков

• Магнитострикционная деформация

• Магнитная проницаемость

• Потери в магнитных материалах

• Электрические свойства магнитных материалов

• Классификация магнитных материалов

• Магнитотвердые материалы. Основные параметры

• Магнитомягкие материалы. Технически чистое железо

• Электротехнические  стали

• Магнитомягкие ферриты 

• Применение  магнитомягких ферритов

• Механические, магнитные и электрические свойства магнитомягких ферритов

• Специальные магнитные материалы

• Магнитодиэлектрики

• Магнитотвердые  ферриты

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ.

ИСТОРИЧЕСКИЙ  ОБЗОР РАЗВИТИЯ МАГНИТНЫХ  МАТЕРИАЛОВ 

История современных магнитомягких материалов начинается с

практического применения переменного электрического тока - изобретения

телефона. При увеличении дальности телефонной связи изучались возможности

ограничения увеличивающегося затухания телефонных токов. В 1893г Хевисайд предложил использовать катушки с сердечниками из мелких стальных опилок и воска, которые должны были ограничить

растущее  затухание на линии. В период с 1893 по 1900 г были выяснены

основные  требования к магнитомягким материалам для техники связи: малые потери, малое искажение передаваемых токов и напряжений, высокая магнитная проницаемость.   С изобретением асинхронной машины и развитием однофазной и многофазной систем переменного тока

требования  к магнитомягким материалам еще  более возросли. От них стали

требовать больших значений индукции насыщения, малых потерь на гистерезис и вихревые токи, и меньшего старения, чем у использовавшейся в то время низкоуглеродистой стали.   В конце прошлого столетия было замечено благоприятное влияние присадки кремния на магнитные свойства чистого железа. Так, например, удельные потери листовой стали снизились примерно в 3 раза. Поэтому в производстве магнитных материалов

для электротехники низкоуглеродистая сталь стала заменяться на кремнистую. Снижение индукции насыщения при введении кремния   дало толчок к поискам легирующих элементов, которые, наоборот,

увеличивали бы индукцию насыщения. Магнитные материалы, образующие большую группу пермаллойных сплавов на железо-никелевой основе, открыл и описал в 1921 г Elmen. К этой работе его побудило именно желание найти сплав с высокой магнитной индукцией. Он хотел обойтись без дефицитного кобальта, влияние которого на увеличение индукции насыщения было открыто им же. К этому периоду относится и первое применение пермаллоя в технике связи при конструировании телеграфного реле. Другой пермаллойный сплав - му-металл, который долго являлся материалом с наибольшей проницаемостью, был разработан в 1927 г в Германии. С

этого времени начинается интенсивная  и очень успешная работа над улучшением качества металлических магнитных материалов. Для высокочастотных цепей в сердечниках долгое время применялся так называемый феррокарт. Это было торговое название материала, изготовленного из прессованых слоев бумаги и слоев мелкого

железного порошка с лаком в качестве связки. В 1928 г в Германии из

пентакарбонила  железа был изготовлен железный порошок  с величиной частиц от 1 до 10 мкм, использованный для изготовления часто применяемых в виде колец и стержней карбонильных сердечников. В 1930 г, в Англии были изготовлены сердечники из порошка пермаллоя, превосходящего по свойствам карбонильные сердечники. Однако такие сердечники могла выпускать лишь страна, для которой вопрос дефицитности сырья не был решающим. Поэтому в других странах усиленно разрабатывались материалы для сердечников из доступного сырья. Такой материал был найден в 1935 г в Японии Х.Масумото и известен по   названием альсифер. Он представляет собой сплав на основе железа, легированный кремнием и алюминием.

Новые высокие требования электротехники могут быть выполнены только

новыми  видами магнитных материалов. Систематические  экспериментальные исследования металлических материалов, начатые 50-60 лет назад, почти исчерпали свои возможности. Из простых, двойных и более сложных сплавов были использованы самые лучшие. Совершенствовались технологические процессы, были применены плавка и отжиг. Новые свойства материалы получили при термомагнитной обработке, действие   которой известно со времени, когда отыскивали средства увеличения индукции насыщения кремнистой стали.   В настоящее время наибольшее внимание

уделяется ферритам. В 1936 г научные исследования начала лаборатория фирмы Philips. Практический опыт и теоретические знания в области ферромагнетизма, полученные в предыдущих 7 десятилетиях дали возможность вести работу по исследованию ферритов и технологии их производства на совершенно иной основе. Ферриты ведут свое происхождение от магнитного железняка - естественного постоянного магнита, известного на протяжении всей истории культуры человечества. Несмотря на это, в начале развития техники связи отыскивали

новые виды магнитных материалов искусственного состава, хотя магнитный железняк благодаря своей малой электропроводности, а следовательно, малым потерям в переменных магнитных полях и казался пригодным для применения. Однако магнитные свойства магнитного железняка в его природном виде не совсем пригодны для технического применения.   Чтобы понять, почему идея применения магнитного железняка была отодвинута почти на 30 лет, приведем краткий обзор прежних взглядов и их использования при разработке новых видов магнитных материалов. 

Большинство необъяснимых природных явлений в т.ч. и ферромагнетизм, объяснялось прежде проявлением "флюидов". Такое объяснение магнитных явлений в начале XVII столетия давал В.Гильберт. Под влиянием открытия магнитного действия электрического тока, сделанного в 1820 г Эрстедом, А.Ампер в 1822 г для объяснения причины магнетизма предложил теорию молекулярных токов. Однако Ампер не мог объяснить, почему молекулярные токи не нагревают магнитный материал и где возникает напряжение, вызывающее   эти токи. Поэтому эта теория потеряла значение. На исходе 19 ст Ewing подтверждает представления Вебера о молекулярных магнитах,   по которым каждая молекула и каждый атом имеют собственные магнитные поля. Из большого числа магнитных стрелок, размещенных в пространстве и легко вращающихся вокруг своей оси, он построил модель, на которой можно было снять кривую намагничивания. Этим была подтверждена связь молекулярных магнитов с магнетизмом. При намагничивании модели Ewing наблюдал взаимное влияние магнитных стрелок. В это время он высказывал предположение о взаимодействии молекулярных

магнитов. F.Bitter и P.Weiss развили теорию Вебера дальше. Они считали, что

группы  большого числа согласно ориентированных  атомов образуют домены (области) размером нескольких микронов, являющиеся аналогией магнитных стрелок Ewing'а. Эти домены самопроизвольно намагничены до полного насыщения,   которое нельзя ни увеличить, ни уменьшить. Для каждого вида магнитного материала имеется определенная величина

самопроизвольной (спонтанной) намагниченности и напряженности магнитного поля, при которой домены

взаимодействуют между собой так, что изменяется направление вектора спонтанной намагниченности. Чем больше спонтанная намагниченность, тем больше индукция насыщения материала. Чем легче осуществляется действие внешнего поля на домены, тем меньшая напряженность поля необходима для перевода векторов намагничивания доменов из хаотического неупорядоченного состояния в положение,   когда они совпадают с направлением этого поля, а следовательно, тем больше будет магнитная проницаемость материала, т.е. величина, выражающая пропорциональность между индукцией и напряженностью поля. На основе этих представлений можно хорошо понять современные взгляды на процесс намагничивания магнитных материалов.   В ненамагниченном материале домены ориентированы совершенно хаотически.   Отдельные домены образуют друг с другом замкнутые магнитные цепи, так что вне материала не ощущается магнитного эффекта. При воздействии небольшого внешнего поля домены с более выгодной ориентацией относительно направления внешнего магнитного поля увеличивают свои размеры за счет доменов с менее выгодной ориентацией. Выгодным, легким направлением намагничивания является такое направление, при котором ориентированные домены имеют минимальную энергию.   Следовательно, это такое направление, при котором домены подвлиянием внутреннего размещения атомов в кристаллах, внешних и внутренних механических сил и направляющего действия внешнего магнитного поля имеют минимальное взаимодействие. Изменение размеров доменов на этой стадии намагничивания происходит путем смещения их взаимных границ. Граничная зона носит название стенки Блоха по имени открывшего это явление F.Bloch. Эти изменения обратимы,   т.е. при исчезновении внешнего магнитного поля наступает обратное распадение доменов. 

При дальнейшем увеличении внешнего магнитного поля до определенного значения рост доменов путем смещения стенок происходит скачком. У поликристаллических Материалов при изменении магнитного поля в этой фазе образуются вторичные домены, границы которых, так же, как и в исходном состоянии, образуются загрязнениями,   включениями и т.п., но объем которых и их размещение совершенно иные, чем в исходном состоянии. Изменения размеровдоменов в этой стадии намагничивания необратимы. Смещениям стрелок скачкомсоответствуют самые крутые части кривой намагничивания. В результате этих изменений кривая намагничивания не получается плавной. Если ее можно было бы подробно снять, то под микроскопом она казалась бы ступенчатой. Под влиянием возрастающего внешнего поля векторы намагничивания доменов поворачиваются в направлении внешнего поля. Эти изменения также обратимы. При уменьшении магнитного поля прежде всего векторы намагничивания доменов поворачиваются в первоначальном направлении. Потом происходят обратимые смещения стенок и, наконец, необратимые смещения стенок, которые наступают уже при изменении направления поля. 
 

Экспериментальная проверка этих идей основывалась на двух предположениях.   ступенчастость кривых намагничивания в самой крутой части, возникающая при смещении стенок скачком, при достаточном усилении дожна сопровождаться шумом.   Это доказал в 1919 г H.Barkhausen. Другой вывод, который можно экспериментально проверить, подтвердили через 11 лет в 1930 г Н.С. Акулов и F.Bitter. Они исходили из

предположения, что на границе доменов, где одно направление намагничивания переходит в другое, возникает магнитное поле рассеяния, в которое должны втягиваться мелкие частицы ферромагнитного материала. Опыт удался на тщательно отшлифованных и специально полированных образцах. При помощи суспензии окиси железа стали видимыми домены и границы между ними. Идея Weiss'a была подтверждена. Однако не были выяснены причины, которые вызывают ориентацию атомов в эти домены. 

Электронная теория, возникшая в начале XX ст, была использована Н.Бором для построения модели атома. Вращающиеся электроны в модели атома 1912 г соединяют теорию молекулярных токов Ампера с электронной теорией. Различие между фактическим магнитным моментом магнитных атомов и магнитным моментом, который могли бы вызвать вращающиеся электроны, было объяснено введением спинового магнитного момента самого электрона. Предположение о внутриатомных обменных силах, введенное W.Heisenbеrg'ом, объясняет возникновение доменов. Только те атомы,

которые, кроме известных гравитационных, магнитных и электрических сил,

связаны этой предполагаемой силой, могут быть магнитными. Интересно, что эти обменные силы могут возникать и у сплавов из немагнитных элементов.   Возвратимся опять к магнитному железняку. В то время, когда делались попытки найти хороший магнитный материал для сердечников цепей переменных токов, не были ясны представления о магнетизме элементов и сплавов, а тем более соединений каким является магнитный железняк. Магнетизм связывался с хорошей электропроводностью металлов. Кроме того, работа с металлическими элементами была более удобной. Магнитный железняк был забыт более чем на 20 лет. В то время изучалась атомная структура магнитных элементов и сплавов. При этих работах было объяснено

влияние различных легирующих элементов  и влияние загрязнений. Изучался

магнетизм монокристаллов. 

Классификация веществ по магнитным  свойствам 

Диамагнетики - вещества, в которых в "чистом" виде проявляется диамагнитный эффект, являющийся результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи. Магнитный момент, возникающий при этом эффекте, направлен навстречу внешнему полю. Для диамагнетиков