Магнитные материалы

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 11 Ноября 2011 в 19:19, реферат

Краткое описание

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.

Содержание работы

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

Скачать целиком (209.53 Кб) Сколько стоит заказать работу?

Содержимое работы - 1 файл

матероловединее65.docx

— 240.58 Кб (Скачать файл)

Возрастание _нач объясняют тем, что при нагревании облегчается смещение доменных границ и поворот векторов намагниченности доменов, главным образом из-за уменьшения констант магнитострикции и магнитной анизотропии. Уменьшение _нач при высоких температурах связывается с резким уменьшением спонтанной намагниченности доменов.

Потери в магнитных материалах

В переменных полях площадь петли гистерезиса увеличивается за счет потерь на гистерезис Р_г, потерь на вихревые токи Р_в и дополнительных потерь Р_д. Такая петля называется динамической, а суммарные потери полными или суммарными. Потери на гистерезис, отнесенные к единице объема материала (удельные потери)

P_г=

, Дж/м³.

При перемагничивании с частотой f (Гц)

P_г=

, Вт/кг, где - плотность материала, кг/м³.

Потери на вихревые токи для листового образца Р_в= , где

B_max - амплитуда магнитной индукции, Тл;
f - частота переменного тока, Гц;
d - толщина листа, м;
плотность, кг/м³;
удельное электросопротивление, Ом^.м.
Потери в магнитных материалах
Дополнительные потери или потери на магнитную вязкость (магнитное последействие) обычно находят как разность между полными потерями и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи
Р_д=Р-(Р_г+Р_в).
Магнитная вязкость J_n=J_n(t) зависит от времени действия магнитного поля. J при включении магнитного поля H быстро достигает значения J₁, а затем со временем возрастает в соответствии с формулой
J_n(t)=J_no(1-exp(-t/ ),
где J_no - намагниченность при t ; - время релаксации. На рисункепоказана зависимость напряженности магнитного поля и намагниченностиот времени действия магнитного поля. В магнитотвердых магнитныхматериалах время магнитной релаксации может достигать нескольких минут. Такое явление называют сверхвязкостью.

Электрические свойства магнитных материалов

Удельное электрическое сопротивление металлических магнитных материалов зависит от состава и направления намагниченности по отношению к направлению движения электронов проводимости. Электрические свойства технических Fe, Co, Ni показаны в таблице.

материал	, мкОм^.м	температурный коэффициент электрического сопротивления, , 10^-3 К^-1
Fe	0.097 (20 ^oС)	6.2
Co	0.32 (500 ^oС)	13.8 (500 ^oС)
Ni	0.068(0-100 ^oС)	6.7

В чистых монокристаллических образцах металлов наблюдается значительная анизотропия электросопротивления. Так, в монокристаллах кобальта в направлении оси С _с=0.103 мкОм^. м, а в плоскости, перпендикулярной этой оси _р=0.055 мкОм^. м (см. рисунок).

В ферритах по сравнению с металлическими ферромагнетиками удельное электрическое сопротивление много выше, сопоставимо с полупроводников и может меняться в широких пределах в зависимости от состава, типа элементов структуры, вида примесей. Так, для феррита иттрия удельное сопротивление 10¹⁰-10¹² Ом^.м, для феррита никеля 10³-10⁵ Ом^.м, для феррита лития 1-10 Ом^.м. Энергия активации проводимости ферритов находится в пределах 0.2-2 эВ. В ферритах часто наблюдается поляронная (прыжковая) проводимость, обусловленная перескоком локализованных электронов из одного состояния в другое. Поляроны - квазичастицы, образованные локализованными на ионах электронами вместе с окружающим их полем поляризации. В случае поляронов малого радиуса энергия ионизации примесного центра 0.2-0.6 эВ.

Магнитотвердые материалы. Основные параметры.

Для характеристики магнитотвердых материалов обычно используют ту часть кривой гистерезиса, которая лежит во втором квадранте, а в первом изображают изменение удельной магнитной энергии от индукции, как показано на рисунке. Магнитная энергия в воздушном зазоре постоянного магнита будет максимальна при некоторых значениях Н_д и В_д (см. рисунок). Условие

W=(B_д^.H_д)/2=W_max, Дж/м³

определяет наилучшее использование магнита и является важнейшим параметром, характеризующим качество материала. Множитель 1/2 иногда опускается. Коэффициент выпуклости

=(В^.Н)_max/(В_r^.Н_c)

характеризует форму кривой размагничивания - степень прямоугольности. Для магнитотвердых материалов, используемых в различных областях современной техники Н_с=5^.10³-5^.10⁶ А/м, (ВН/2)_max=0.5-200кДж/м³, (ВН/2)_max=1-400кДж/м³.

Магнитомягкие материалы. Технически чистое железо

Технически чистое железо (низкоуглеродистая электротехническая сталь) содержит менее 0.05% углерода и минимальное количество примесей других элементов. Получается прямым восстановлением чистых руд, а также с применением электролитического или карбонильного процессов.

Низкоуглеродистая электротехническая сталь (другое название "армко-железо") обладает высокими значениями магнитной проницаемости и индукции насыщения, низкой коэрцитивной силой. Однако из-за малого удельного электрического сопротивления имеет повышенные потери на вихревые токи и применяется поэтому только в устройствах постоянного тока - полюсных наконечниках электромагнитов, магнитопроводах реле, экранирующих корпусах и др.; является основным компонентом при изготовлении многих магнитных материалов. Промышленностью выпускается также в виде электролитического и карбонильного железа; последнее получается в виде листов и готовых изделий из порошка путем конденсации газообразного пентакарбонила железа FeCo₅. В таблице отражены основные магнитные характеристики железа.

Материал			H_c, А/м	B_s, Тл	, мкОм^.м
Материал	Начальная	Максимальная	H_c, А/м	B_s, Тл	, мкОм^.м
Технически чистое железо	250-400	3500-4500	50-100	2.18	0.1
Электролитическое железо	600	15000	30	2.18	0.1
Карбонильное железо	2000-3000	20000-21500	6.4	2.18	0.1

На магнитные свойства железа влияют:

химический состав;
структура;
размер зерна;
искажения кристаллической решетки;
механические напряжения.

Магнитные свойства железа улучшаются:

при выращивании крупного зерна;
в результате многократных переплавок в вакууме.

Внутренние напряжения в деталях снимаются отжигом.

Электротехнические стали

Электротехнические стали - сплавы железа с 0.5-5% кремния, которые образуют с железом твердый раствор.

Кремний переводит углерод из формы цементита в графит, действует как раскислитель, связывая вредные газы, прежде всего кислород; способствует росту зерен, уменьшению констант магнитной анизотропии и магнитострикции; увеличивает удельное сопротивление, то есть уменьшает потери на вихревые токи. При содержании Si>5% ухудшаются механические свойства, повышаются твердость, хрупкость. Основные вредные примеси: углерод, сера, кислород, марганец.

Свойства стали существенно улучшаются при создании магнитной текстуры, создаваемой холодной прокаткой и отжигом, при этом потери уменьшаются приблизительно в два раза.

При ребровой текстуре наилучшие магнитные свойства получаются в направлении прокатки, наихудшие - под углом 55^о к направлению прокатки.

При кубической текстуре наилучшие магнитные свойства обеспечиваются в направлении всех ребер куба элементарных

В обозначении марок электротехнических сталей используются четыре цифры, обозначающие: первая - структурное состояние и вид прокатки: 1 - горячекатанная изотропная; 2- холоднокатанная изотропная; 3 - холоднокатанная анизотропная с ребровой текстурой; вторая - содержание кремния в весовых процентах - классы 0, 1, 2, 3, 4, 5 с содержанием кремния от 0.4% для класса 0 до 3.8-4.8% для класса 5; третья, четвертая - гарантированные удельные потери и магнитная индукция.

В таблице приведены характеристики различных типов электротехнических сталей с толщиной листа 0.35 мм, применяемых в энергетическом машиностроении. Для рассматриваемых сталей большое значение имеют удельные потери.

Для оценки характеристик электротехнических сталей в сопоставлении с другими магнитными материалами приведены их удельные значения: _нач=200-600; _макс=3000-8000; Н_с=10-65 А/м; В_s=1.95-2.02 Тл; =0.25-0.6 мкОм^.м. Электротехнические стали с высоким содержанием следует применять, если требуются малые потери на гистерезис и вихревые токи и высокая проницаемость в слабых и средних полях. Холоднокатанные текстурированные стали имеют более высокую магнитную проницаемость в области слабых полей и более низкие удельные потери по сравнению с горячекатанными сталями. После резки, штамповки и других операций с электротехнической сталью, вызывающих появление налета, ухудшающего магнитные свойства, необходим отжиг в неокислительной среде при температуре 750-800^oС.

Магнитомягкие ферриты

Магнитомягкие ферриты - химические соединения окисла железа Fe₂O₃ с окислами других металлов. Наиболее широко применяются ферриты со структурой шпинели, отвечающими формуле MeFe₂O₄, где Me - какой-либо двухвалентный катион.

Самопроизвольная намагниченность ферритов обусловлена спиновыми магнитными моментами трехвалентных ионов железа и двухвалентных ионов металла, между которыми существует косвенное обменное взаимодействие через ионы кислорода. Синтез ферритов производится по керамической технологии и может быть осуществлен по трем различным технологическим схемам: 1 - из механической смеси оксидов или карбонатов; 2 - термическим разложением твердой смеси солей, полученной выпариванием из водного раствора; 3 - из совместно сочетаемых гидроксидов, карбонатов, оксилатов.

Наиболее распространенный - первый способ.

Применение магнитомягких ферритов

Магнитомягкие ферриты применяются:

- для магнитопроводов, работающих в слабых, сильных магнитных полях до 100 МГц и в импульсном режиме;

- для изготовления магнитных усилителей, сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, статоров и роторов высокочастотных двигателей, термомагнитных компенсаторов и так далее.

Механические, магнитные и электрические свойства магнитомягких ферритов

Механические свойства как и у керамики - твердость, хрупкость, недопустимость обработки резанием. При спекании - усадка от 10 до 20%. Хорошо шлифуются и полируются абразивными материалами, режутся алмазным инструментом.

Наиболее широко в качестве магнитомягких ферритов применяют никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты, представляющие собой твердые растворы замещения, образованные простыми ферритами NiFe₂O₄ и MnFe₂O₄, являющиеся ферромагнетиками, с немагнитным ZnFe₂O₄.

В переменных полях для оценки допустимого частотного диапазона ферриты кроме характеризуются tgб- тангенсом угла магнитных потерь. Для ферритов потерями на вихревые токи и гистерезис в области слабых полей можно пренебречь.

При повышении частоты, начиная с некоторой, характерной для данной марки феррита значения, tgб возрастает более резко, при этом уменьшается . Эту частоту называют критической f_кр. Частоту, при которой _нач уменьшается до 0.7 от ее значения f=0 называют граничной - f_гр.

Причина уменьшения и роста tgб связывается со сложными резонансными и релаксационными процессами. Зависимости и tgб от частоты в логарифмическом масштабе для разных марок никель-цинкового феррита показана на рисунке. Цифра в обозначении марки феррита означает величину начальной магнитной проницаемости _нач.

Магнитные и электрические свойства трех марок никель-цинковых ферритов приведены в таблице.

ферритов в зависимости от химического состава и термической обработки изменяется от 10 до 10⁸ Ом^.м. Основной недостаток ферритов по сравнению с металлическими магнитными материалами - малое значение их магнитной проницаемости. Некоторые типы изделий из магнитомягких ферритов показаны на рисунке.

Специальные магнитные материалы

Материалы с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД), применяемые для изготовления запоминающих устройств (ЗУ). Емкость отдельного устройства (чипа) на ЦМД может составлять 10⁵ бит. Чем меньше Нс, тем выше быстродействие ЦМД-устройства. Обычно Нс должна быть не больше 10 А/м. Основные материалы для ЦМД устройств приведены в таблице.

Материал	Свойства, oсобенности технологии или применения
Ортоферриты RFeO₃ R - редкоземельный элемент (Y, Sm , Eu , Er , Yb)	Высокая подвижность доменных границ , прозрачность в красном свете ( = 0.6 мкм ). Плотность информации не велика. 10³ - 10⁴ бит/см²
Ферриты гранаты R₃Fe₅O₁₂	Плотность информации выше 10⁵ - 10⁶ бит/см², но подвижность доменных границ ниже, чем у ортоферритов. Применяются в виде монокристаллических пленок.
Аморфные магнитные пленки сплавов Cd-Co и CdFe	Плотность информации до 10⁹ бит/см² . Относительно низкая стоимость. Низкая термостабильность и низкое электрическое сопротивление - недостатки.
Гексагональные ферриты BaFe₁₂O₁₉ и др.	Высокая намагниченность насыщения. Субмикронное ЦМД , однако низкая подвижность ограничевает применение.

Магнитодиэлектрики

Как и ферриты являются высокочастотными магнитными материалами. По сравнению с ферритами имеют более стабильные свойства, но по ряду электромагнитных параметров уступают ферритам. Получаются по технологии аналогичной технологии пластмасс.

Информация о работе Магнитные материалы