Магнитные материалы

а) магнитодиэлектрические сердечники;

б) материалы  со специальными свойствами.            

 В зависимости  от исходного сырья магнитодиэлектрические сердечники делятся на сердечники из железных порошковых материалов и сердечники из легированного железа. Основу железных порошковых материалов составляет железо, получаемое обычно карбонильным способом. Легированные материалы представляют собой сплавы железа, и алюминия (альсифер) и сплавы железа и никеля или железа, никеля и молибдена (пермаллой и молибденовый пермаллой).            

 К специальным  порошковым металлическим материалам  относятся, например, магнитный порошок  для магнитофоной ленты и других магнитных носителей информации.

3.Оксидные  материалы - ферриты.            

 Ферриты представляют  собой химические соединения, в  общем случае имеющие формулу  МFe ₂ O ₄ , где М - чаще всего двухвалентный ион металла, например, Cu, Zn, Mg, Ni, Fe, Co и Mn. В отличие от порошковых сердечников ферриты представляют собой монолитные материалы. Магнитомягкие ферриты кристаллизуются в кубической системе и имеют структуру шпинели - минерала состава MgAl ₂ O ₄ . Чаще всего применяются ферриты следующих типов:

MnO*ZnO x 2Fe ₂ O ₃ - марганцево-цинковый феррит;

Nio*ZnO x 2Fe ₂ O ₃ - никель-цинковый феррит;

MgO*MnO*2Fe ₂ O ₃ - магний-марганцевый феррит.            

 Ферриты имеют  высокое удельное электрическое  сопротивление порядка 10-10 ⁹ Ом*см и благодаря этому низкие потери на вихревые токи. Индукция насыщения составляет приблизительно 20-25% от индукции насыщения железа.            

 Ферриты делятся  на три подгруппы: 

а) ферриты с  гарантированными потерями и проницаемостью;

б) ферриты с  прямоугольной петлей гистерезиса;

в) ферриты со специальными свойствами.            

 Марганец-цинковые  ферриты по сравнению с никель-цинковыми имеют меньшие потери. Оба эти вида ферритов относятся к первой подгруппе. Т.к. никель-цинковые ферриты имеют более высокое электрическое сопротивление, то их целесообразно применять в области частот от 500 кГц до 200 МГц и выше, т.е. для цепей высокочастотной техники. Магний-цинковые ферриты предназначены для применения в диапазоне от звуковых частот до нескольких МГц.            

 Ферриты с  прямоугольной петлей гистерезиса  бывают никель-цинковыми или магний-марганцевыми. В технике УКВ также применяются магний-марганцевые ферриты, однако соотношение отдельных составных частей в тройной системе отличается от состава магний-марганцевых ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса. Эти ферриты вместе с магнитострикционными материалами относятся к группе материалов со специальными свойствами.            

 Благодаря  своим свойствам, ферриты имеют  очень широкий диапазон применения. В настоящее время ферриты  применяются в производстве реле,сетевых трансформаторов устройств связи, дросселей, электромеханических преобразователей и резонаторов и т.п. Однако наибольшее распространение ферриты получили в производстве сердечников для катушек (феррокатушек), запоминающих и переключающих цепей и т.п.

1.3. Особенности ферримагнетиков 

Строение  ферримагнетиков. Ферримагнетики получили свое название от ферритов, под которыми понимают химические соединения окисла железа Fe ₂ O ₃ с окислами других металлов. В настоящее время используют сотни различных марок ферритов, отличающихся по химическому составу, кристаллической структуре, магнитным, электрическим и другим свойствам.            

 Наиболее  широкое применение нашли ферриты  со структурой природного минерала  шпинели. Химический состав ферритов-шпинелей отвечает формуле МеFe ₂ O ₄ , где под Ме понимают какой-либо двухвалентный катион. На примере этих соединений рассмотрим наиболее характерные особенности магнитных свойств ферримагнетиков.            

 Исследования  показывают, что наличие или отсутствие  магнитных свойств определяется  кристаллической структурой материалов  и, в частности, расположением  ионов двухвалентных металлов  и железа между ионами кислорода.  Элементарная ячейка шпинели  представляет собой куб, в состав  которого входит восемь структурных  единиц типа МеFe ₂ O ₄ , т.е. 32 иона кислорода, 16 ионов трехвалентного железа и 8 ионов двухвалентного металла. Кислородные ионы расположены по принципу плотной кубической упаковки шаров. При этом возникают междуузлия двух типов: тетраэдрические, образованные окружением четырех ионов, и октаэдрические, образованные окружением шести ионов кислорода. В этих кислородных междуузлиях находятся катионы металлов. Всего в элементарной ячейке шпинели может быть заполнено 8 тетраэдрических промежутков (назовем их позициями типа А) и 16 октаэдрических мест ( позиции типа В).            

 Структуру,  в которой все катионы двухвалентного  железа занимают позиции типа А, а катионы трехвалентного железа распределяются в междуузлиях типа В, называют нормальной шпинелью. Учитывая такой характер распределения катионов по кислородным междуузлиям, формулу феррита со структурой нормальной шпинели можно представить в следующем виде:

(Мe ²⁺ )[Fe ³⁺ Fe ³⁺ ]O ₄

где в круглых  скобках указаны ионы, занимающие позиции типа А, а в квадратных - ионы в позициях типа В. Стрелками условно показано направление магнитных моментов катионов. В структуре нормальной шпинели кристаллизуются ферриты цинка (ZnFe ₂ O ₄ ) и кадмия (CdFe ₂ O ₄ ). Как будет показано далее, ферриты со структурой нормальной шпинели немагнитны.            

 Чаще встречаются  ферриты с иным характером  распределения катионов по кислородным междуузлиям. Структура, в которой катионы Ме ²⁺ находятся в позициях типа В, а катионы трехвалентного железа поровну распределяются между позициями А и В, получила название обращенной шпинели. Формулу обращенной шпинели с учетом распределения катионов можно записать в виде:

(Fe ³⁺ )[Me ²⁺ Fe ³⁺ ]O ₄

Структуру обращенной шпинели имеют ферриты никеля, кобальта, меди и некоторых других элементов.            

 Большинство  реальных ферритов характеризуется  некоторым промежуточным распределением  катионов, когда и ионы Ме ²⁺ , и ионы трехвалентного железа Fe ³⁺ занимают позиции того и другого типов. Такие структуры называют амфотерной шпинелью. Промежуточному распределению катионов соответствует структурная формула

(Me ²⁺ _1-x Fe ³⁺ _x )[Me ²⁺ _x Fe ³⁺ _1-x ]O ₄

где параметр х  характеризует степень обращенности шпинели. Структуре нормальной и  обращенной шпинели отвечают значения х, равные, соответственно, нулю и единице.

Природа магнитного упорядочения. В ферритах магнитоактивные катионы находятся достаточно далеко друг от друга, поскольку разделены анионами кислорода, не обладающими магнитным моментом. Поэтому прямое обменное взаимодействие между катионами оказывается очень слабым или отсутствует вообще. Их электронные оболочки практически не перекрываются.

2. МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ 

2.1. Магнитомягкие материалы для постоянных и

низкочастотных  магнитных полей 

Основные  требования к материалам. Помимо высокой магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силы магнитомягкие материалы должны обладать большой индукцией насыщения, т.е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. Выполнение этого требования позволяет уменьшить габаритные размеры и массу магнитной системы.            

 Магнитный  материал, используемый в переменных  полях, должен иметь возможно меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и вихревые токи.            

 Для уменьшения  потерь на вихревые токи в  трансформаторах выбирают магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением. Обычно магнитопроводы собирают из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. Широкое применение получили ленточные сердечники, навиваемые из тонкой ленты с межвитковой изоляцией из диэлектрического лака. К листовым и ленточным материалам предъявляется требование высокой пластичности, благодаря которой облегчается процесс изготовления изделий из них.            

 Важным требованием  к магнитомягким материалам является обеспечение стабильности их свойств как во времени, так и по отношению к внешним воздействиям, таким, как температура и механические напряжения. Из всех магнитных характеристик наибольшим изменениям в процессе эксплуатации материала подвержены магнитная проницаемость (особенно в слабыз полях) и коэрцитивная сила.

Железо  и низкоуглеродистые  стали. Основным компонентом большинства магнитных материалов является железо. Само по себе железо в элементарном виде представляет собой типичный магнитомягкий материал, магнитные свойства которого существенно зависят от содержания примесей. Среди элементарных ферромагнетиков железо обладает наибольшей индукцией насыщения ( около 2,2 Тл).            

 Особо чистое  железо (электролитическое, карбонильное), содержащее малое количество  примесей (менее 0,05%), получают двумя  сложными способами. 

Электролитическое железо изготавливают путем электролиза раствора сернокислого или хлористого железа, причем анодом служит чистое железо, а катодом - пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина слоя 4-6 мм) после тщательной промывки снимают и измельчают в порошок в шаровых мельницах; подвергают вакуумному отжигу или переплавляют в вакууме.

Карбонильное  железо получают посредством термического разложения пентакарбонила железа согласно уравнению

Fe(CO) ₅ = Fe + 5CO            

 Пентакарбонил железа представляет собой продукт воздействия окиси углерода на железо при температуре около 200 ° С и давлении примерно 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид тонкого порошка, что делает его удобным для изготовления прессованных магнитных сердечников. В карбонильном железе отсутствуют кремний, фосфор и сера, но содержится углерод.            

 Магнитные  свойства различных видов чистого  железа приведены в табл.1 ). Примеси относительно слабо влияют на магнитные свойства железа, если их концентрация ниже предела растворимости. Низким пределом растворимости в железе обладают углерод, кислород, азот и сера. Соответственно, эти примеси оказываются и наиболее вредными. При охлаждении металла после термообработки такие примеси из-за ограниченной растворимости выделяются в виде микровключений побочных фаз, которые затрудняют смещение доменных границ в слабом магнитном поле.            

 Свойства  железа зависят не только от  содержания примесей, но и от  структуры материала, размера  зерен, наличия механических напряжений. Из табл.1 видно, что магнитные  свойства даже лучших промышленных  разновидностей железа далеки  от того, чего можно добиться, используя современные технологические  методы получения чистых и  однородных по структуре материалов.