Магнитные материалы

     3.1 Магнитомягкие материалы 

     Магнитомягкие материалы - магнитные материалы с малой коэрцитивной силой ( 800 А/м) и высокой магнитной проницаемостью.

     Коэрцитивная  сила — такое размагничивающее внешнее  магнитное поле напряженностью , которое  необходимо приложить к ферромагнетику предварительно намагниченному до насыщения, чтобы довести до нуля его намагниченность  или индукцию.

     При температурах ниже точки Кюри магнитомягкие  материалы спонтанно намагничены  и состоят из хаотически ориентированных  намагниченных до насыщения доменов.

     Промышленные  магнитомягкие материалы имеют  значение порядка 0,4 А/м. Поэтому они намагничиваются до индукции технического насыщения при невысоких напряженностях поля. Намагничивание происходит в основном за счет смещения доменных границ. Для таких материалов необходимо максимально облегчить движение доменных стенок при перемагничивании, уменьшить влияние магнитной анизотропии (анизотропный характер магнитного взаимодействия между атомными носителями магнитного момента в веществах) и магнитострикции  (изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании). Чтобы облегчить процесс намагничивания, необходимо уменьшить количество дефектов в сплаве (примесей внедрения, дислокаций и др.), мешающих свободному движению доменных стенок.

     В случае использования магнитомягких  материалов в переменных магнитных  полях желательно иметь большое  значение электросопротивления магнетика. Диапазон рабочих частот для различных магнитомягких материалов определяется в значительной степени величиной их удельного сопротивления. Чем больше удельное сопротивление материала, тем при более высоких частотах его можно применять.

     Магнитомягкие материалы по области применения делят на:

     - материалы для постоянных и  низкочастотных магнитных полей  и 

     - на магнитомягкие высокочастотные  материалы.

     К магнитомягким материалам специального назначения относятся магнитострикционные  материалы, с помощью которых  электромагнитная энергия преобразуется  в механическую энергию и термомагнитные сплавы, служащие для компенсации  температурных изменений магнитных  потоков в магнитных системах приборов.  

     3.1.1  Материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей 

     Помимо  высокой магнитной проницаемости  и малой коэрцитивной силы эти  магнитомягкие материалы  должны обладать большой индукцией насыщения, т.е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. В магнитном материале, используемом в переменных полях, должны быть возможно меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и на вихревые токи.

     Для уменьшения потерь на вихревые токи для  трансформаторов выбирают магнитомягкие  материалы с повышенным удельным сопротивлением или собирают магнитопроводы из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. В этом случае магнитные потери будут зависеть от толщины листа (ленты). К листовым и ленточным материалам предъявляется  требование высокой пластичности. Магнитные  свойства материалов зависят также  от частоты магнитного поля. Важным требованием к магнитомягким  материалам является обеспечение стабильности их свойств во времени, 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 и коэрцитивная сила.

     К низкочастотным магнитомягким материалам относятся железо (армко-железо), электротехнические стали, в том числе кремнистая электротехническая сталь, низкокоэрцитивные  сплавы, такие как пермаллой и  альсифер. 
 

     3.1.2 Высокочастотные магнитомягкие материалы 

     Высокочастотные магнитомягкие материалы должны выполнять функции магнетиков при  частотах свыше нескольких сотен  или тысяч герц. По частотному диапазону  их можно подразделить на материалы  для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот, для высоких радиочастот  и для СВЧ.

     По  физической природе и строению высокочастотные  магнитомягкие материалы подразделяют на магнитодиэлектрики и ферриты. При  звуковых, ультразвуковых и низких радиочастотах можно использовать тонколистовые рулонные холоднокатаные электротехнические стали и пермаллои.

     Широко  применяются в технике слабых токов смешанные ферриты (например, соединение из цинкового и никелевого ферритов), а также феррогранаты. Для них характерно исключительно  высокое электрическое сопротивление  и практическое отсутствие скин-эффекта. Феррогранаты применяются при очень  высоких частотах (если невелики диэлектрические  потери).

     Свойствами  магнитомягких материалов обладают также некоторые аморфные магнетики  и аморфные металлы.

     В электро- и радиотехнике магнитомягкие  материалы применяют для изготовления датчиков магнитного поля, считывающих  головок для чтения магнитной  записи, сердечников трансформаторов, дросселей, магнитопроводов, полюсных наконечников, телефонных мембран, магнитных  экранов и т.д. В микроэлектронике их используют как элементы интегральных схем.[3] 
 
 

     3.2 Магнитострикционные материалы 

       Магнитострикционные материалы -  магнитомягкие материалы, у которых достаточно велик эффект магнитострикции: никель, алфер, пермаллой, пермендюр, ряд ферритов и др. Применяются в качестве преобразователей электромагнитной энергии в другие виды (например в механическую), для датчиков давления и т. п.

     Металлические магнитострикционные материалы  изготавливают в виде лент толщиной 0,1—0,3 мм, из которых штампуют или навивают сердечники, ферриты-шпинели применяют в виде монолитных сердечников, ферриты-гранаты — в виде монокристаллов.[4]

     Магнитострикционные датчики уровня позволяют проводить  самые точные непрерывные измерения  уровня жидкостей бесконтактным  способом с точностью до 0,005%. Принцип  действия магнитострикционных датчиков основан на прохождении радиочастотного  импульса по волноводу из магнитострикционного материала. Благодаря отсутствию трущихся частей, датчики совершенно не подвержены механическому износу, чем гарантируется  очень надежная и стабильная их работа на протяжении очень длительного  времени. Магнитострикционные датчики  применяются в области механических тестирующих и симулирующих систем, машин контроля материала, измерительно приводной техники, систем разлива  и контроля уровня жидкости в нефтяной, химической, пищевой промышленностях  и многих других областях.

     Широкое применение в магнитострикционных  устройствах находит ферритовая керамика. По сравнению с никелем  и металлическими сплавами, магнитострикционные  свойства которых также выражены довольно сильно, магнитострикционные  ферриты имеют ряд преимуществ. Благодаря высокому удельному сопротивлению  в них пренебрежимо малы потери на вихревые токи, поэтому отпадает необходимость  расслаивать материал на отдельные пластины. В отличие от металлических сплавов ферриты не подвержены действию химически агрессивных сред. С помощью керамической технологии можно изготовить преобразователи практически любых форм и размеров.

     По  составу магнитострикционная керамика представляет собой либо чистый феррит никеля (Ni), либо твердые растворы на его основе.

     Из  магнитострикционных материалов изготавливают  сердечники электромеханических преобразователей (излучателей и приемников) для  электроакустики и ультразвуковой техники, сердечники электромеханических  и магнитострикционных фильтров и резонаторов, линий задержки. Их используют также в качестве чувствительных элементов магнитоупругих преобразователей, применяемых в устройствах автоматики и измерительной техники.[5] 

     3.3 Термомагнитные материалы 

     Эти материалы обладают сильной зависимостью магнитной индукции (точнее намагниченности) от температуры вблизи точки Кюри в полях, близких к полю технического насыщения материала. Термомагнитные материалы применяют главным  образом в качестве магнитных  шунтов или добавочных сопротивлений. Будучи включенными в магнитные  цепи, они позволяют осуществить  компенсацию температурной погрешности  или обеспечить изменение магнитной  индукции в воздушном зазоре по заданному  закону. Для этих ферромагнетиков  точка Кюри лежит между 0 и 100°С в  зависимости от легирующих элементов. Сплав Ni - Сu при содержании Сu 30% компенсирует погрешность в интервале температур от 20 до 80°С, а при содержании Сu 40%  -  от -50 до + 10°С. Наибольшее техническое применение получили сплавы Fe – Ni - Cr, преимуществом которых является полная обратимость свойств в температурном интервале от -70 до +70°С и высокая воспроизводимость характеристик, а также хорошая механическая обрабатываемость.

     Основная  область применения - термокомпенсаторы и терморегуляторы магнитного потока в измерительных приборах (гальванометров, счётчиков электроэнергии, спидометров и т. п.), выполняемые 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, вследствие чего увеличивается поток в зазоре магнита.

     Применяются также в реле, момент срабатывания которых зависит от температуры. 

     3.4 Магнитные жидкости 

     Магнитные жидкости — это высокодисперсные суспензии (коллоидные растворы) ферромагнитных материалов в обычных жидкостях, таких  как вода, жидкие углеводороды, кремний- и фторорганические жидкости. В середине 60-х годов они были одновременно синтезированы в США  и России.

     Магнитные жидкости уникальны тем, что высокая  текучесть сочетается в них с  высокой намагниченностью - в десятки тысяч раз большей, чем у обычных жидкостей. Секрет такой высокой намагниченности заключается в том, что в обычную жидкость, например в жидкий углеводород, внедряется огромное количество мелких сферических частиц (размер их около 10 нм), которые представляют собой миниатюрные постоянные магниты. Каждая такая частица покрыта тонким слоем защитной оболочки, что предотвращает слипание частиц, а тепловое движение разбрасывает их по всему объему жидкости. Поэтому в отличие от обычных суспензий частицы в магнитных жидкостях не оседают на дно, и последние могут сохранять свои рабочие характеристики в течение многих лет.

     Высокая чувствительность свойств раствора к внешнему полю позволяет управлять  поведением магнитных жидкостей  и использовать их в прикладных задачах.

     Очень интересна гидродинамика магнитной  жидкости в переменном магнитном  поле. С его помощью можно заставить  вращаться коллоидные частицы, каждая из которых будет генерировать вокруг себя микроскопический гидродинамический  вихрь. Взаимодействие множества таких  вихрей приводит к ряду новых явлений, специфичных только для магнитных  жидкостей. В первую очередь это  так называемый ротационный эффект — генерация крупномасштабных гидродинамических  течений в магнитной жидкости, помещенной во вращающееся магнитное  поле.

     Магнитные жидкости не относятся к материалам массового спроса. Как правило, их производят небольшими партиями и используют в высокотехнологичных устройствах  и приборах: в системах герметизации ввода вращающихся валов, антифрикционных  узлах и демпферах, в ультразвуковой дефектоскопии и высококачественных громкоговорителях, магнитных сепараторах  редких элементов, датчиках наклона  и высокочувствительных измерителях  ускорений, микроманометрах и исполнительных механизмах роботов.                

     Хотя  в изучении магнитных жидкостей  американские и российские ученые стартовали одновременно, на Западе научные разработки нашли более широкое практическое применение. В США, например, существует специализированная корпорация, которая  производит магнитные жидкости и  устройства на их основе.[ 6] 

     Рисунок 5 - Вихревое течение магнитной