Магнитные материалы

 Теорию Вебера  продолжили развивать F.Bitter и P.Weiss. По их мнению группы большого числа атомов образуют домены (области), согласно ориентированным атомам, размером нескольких микронов. Это прямая аналогия магнитных стрелок Ewing'а. Домены полностью самопроизвольно намагничены до полного насыщения. Оно стационарно.. Самопроизвольная намагниченность и напряженность магнитного поля для каждого вида магнитного материала разные. При такой намагниченности домены взаимодействуют между собой так, что изменяется направление вектора спонтанной намагниченности, т. е., чем больше спонтанная намагниченность, тем больше индукция насыщения материала. Для перевода векторов намагничивания доменов из хаотического неупорядоченного состояния в положение, когда они совпадают с направлением этого поля необходима тем меньшая напряженность поля, чем легче осуществляется действие внешнего поля на домены, в итоге, тем больше будет магнитная проницаемость материала, величина, служащая выражением пропорциональности между индукцией и напряженностью поля.            

 Основываясь  на этом, можно хорошо понять  современные взгляды на процесс  намагничивания магнитных материалов, изображенный на рис. 1. Домены  ориентированы полностью хаотически  в ненамагниченном материале. Вне материала не ощущается магнитного эффекта, по причине того, что отдельные домены образуют друг с другом замкнутые магнитные цепи. За счет доменов с менее выгодной ориентацией, при воздействии небольшого внешнего поля, домены с более выгодной ориентацией относительно направления внешнего магнитного поля увеличивают свои размеры. Направление, при котором ориентированные домены имеют минимальную энергию называется выгодным, легким направлением намагничивания. Т. е., это направление, при котором домены под влиянием внутреннего размещения атомов в кристаллах, внешних и внутренних механических сил и направляющего действия внешнего магнитного поля имеют минимальное взаимодействие. На этой стадии намагничивания домены меняют свои размеры, это происходит смещением их взаимных границ. Название граничной зоны - стенка Блоха, по имени открывшего это явление F.Bloch. При исчезновении внешнего магнитного поля наступает обратное распадение доменов, т. е. эти изменения обратимы.            

 Рост доменов  путем смещения стенок при  дальнейшем увеличении внешнего  магнитного поля до определенного  значения происходит скачком.  У поликристаллических материалов  в этой фазе при изменении  магнитного поля 

Рис.1 Стадии цикла  намагничивания ( Формы петель гистерезиса при различных напряженностях максимального поля). Справа показаны границы доменов и направление векторов их спонтанного намагничивания в том же месте образца в различных стадиях намагничивания.

1-направление  внешнего поля; 2-область вращения  стенок; 3-область необратимых смещений  стенок; 4-область обратимых смещений  стенок; 5-размагниченный образец. 

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 размеров доменов в этой стадии намагничивания необратимы. Смещениям стрелок скачком соответствуют 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.

1. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 

1.1. Классификация веществ  по магнитным свойствам 

По реакции  на внешнее магнитное поле и характеру  внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно  подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Перечисленным  видам магнетиков соответствуют  пять различных видов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм.            

 К диамагнетикам  относят вещества, у которых магнитная  восприимчивость отрицательна и  не зависит от напряженности  внешнего магнитного поля. К диамагнетикам  относятся инертные газы, водород,  азот, многие жидкости (вода, нефть  и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть,  галлий и др.), большинство полупроводников  ( кремний, германий, соединения А3В5, А2В6) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.            

 К парамагнетикам  относят вещества с положительной  магнитной восприимчивостью, не  зависящей от напряженности внешнего  магнитного поля.К числу парамагнетиков относят кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.            

 К ферромагнетикам  относят вещества с большой  положительной магнитной восприимчивостью (до 10 ⁶ ), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.            

 Антиферромагнетиками  являются вещества, в которых  ниже некоторой температуры спонтанно  возникает антипараллельная ориентация  элементарных магнитных моментов  одинаковых атомов или ионов  кристаллической решетки. При  нагревании антиферромагнетик испытывает  фазовый переход в парамагнитное  состояние. Антиферромагнетизм обнаружен  у хрома, марганца и ряда  редкоземельных элементов (Ce, Nd, Sm, Tm и др.). Типичными антиферромагнетиками являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т.п.            

 К ферримагнетикам  относят вещества, магнитные свойства  которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Наряду с этим ферримагнетики характеризуются и рядом существенных отличий от ферромагнитных материалов.            

 Свойствами  ферримагнетиков обладают некоторые  упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом,- различные оксидные  соединения, среди которых наибольший  практический интерес представляют  ферриты. 

1.2. Классификация магнитных  материалов            

 Применяемые  в электронной технике магнитные  материалы подразделяют на две  основные группы: магнитотвердые и магнитомягкие .В отдельную группу выделяют материалы специального назначения .            

 К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой Н _с . Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат для изготовления постоянных магнитов.            

 К магнитомягким относят материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов , магнитных систем электроизмерительных приборов и т. п.            

 Условно магнитомягкими считают материалы, у которых Н _с < 800 А/м, а магнитотвердыми - с Н _с > 4 кА/м. Необходимо, однако, отметить, что у лучших магнитомягких материалов коэрцитивная сила может составлять менее 1 А/м, а лучших магнитотвердых материалах ее значение превышает 500 кА/м. По масштабам применения в электронной технике среди материалов специального назначения следует выделить материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы.            

 Внутри каждой  группы деление магнитных материалов  по родам и видам отражает  различия в их строении и  химическом составе, учитывает  технологические особенности и  некоторые специфические свойства.

Рис.2 Классификация  магнитных материалов            

 Свойства  магнитных материалов определяются  формой кривой намагничивания  и петли гистерезиса. Магнитомягкие материалы применяются для получения больших значений магнитного потока. Величина магнитного потока ограничена магнитным насыщением материала, а потому основным требованием к магнитным материалам сильноточной электротехники и электроники является высокая индукция насыщения. Свойства магнитных материалов зависят от их химического состава, от чистоты используемого исходного сырья и технологии производства. В зависимости от исходного сырья и технологии производства магнитомягкие материалы делятся на три группы: монолитные металлические материалы, порошковые металлические материалы (магнитодиэлектрические) и оксидные магнитные материалы, кратко называемые ферритами.

1.Монолитные  металлические материалы .            

 Основными  компонентами монолитных металлических  магнитомягких материалов является железо с низким содержанием углерода, никель или кобальт. Для цепей техники связи важнейшими из этой группы материалов являются:

а) сплавы и стали  с гарантированной малой коэрцитивной силой;

б) листовая сталь  с гарантированными потерями при  высоких значениях магнитной

индукции;

в) сплавы с гарантированной  индукцией насыщения;

г) сплавы и стали  с гарантированной высокой проницаемостью;

д) материалы  со специальнымы свойствами.            

 Материалы  первой подгруппы предназначены,  например, для реле. К ним относятся  сталь с минимальным содержанием  углерода, низколегированная кремнистая  сталь и сплавы железа с  никелем.            

 Вторую подгруппу  материалов образует кремнистая  сталь, применяемая для сердечников  сетевых трансформаторов.            

 Материалы  третьей подгруппы включают в  себя сплавы железа с кобальтом.             

 Материалами  с гарантированной проницаемостью  являются низкоуглеродистые стали  с присадкой 3-4,5% кремния и сплавы  на основе никеля.            

 К подгруппе  специальных материалов относятся  материалы с прямоугольной петлей  гистерезиса, магнитострикционные  материалы и т.п. 

2.Порошковые  металлические материалы .            

 Применение  порошковых материалов, т.е. так  называемых магнитодиэлектриков, основывается на технических и экономических соображениях. Магнитодиэлектрические сердечники имеют некоторые свойства, которых нельзя достичь у материалов первой группы. Они пригодны для высокочастотной техники. Прокатка листовых материалов толщиной менее 0,05 мм обходится очень дорого, а при толщине 0,03 мм цена таких материалов превышает цену золота.            

 Для уменьшения  потерь на вихревые токи и  увеличения стабильности магнитных  свойств применяются порошковые магнитные материалы. Увеличение удельного электрического сопротивления достигается здесь изоляцией магнитных зерен друг от друга. Окончательная форма придается изделию прессованием. К этой группе относятся: