Магнитные материалы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

 

1. Классификация магнитных  материалов

 

Магнитные материалы подразделяют на магнитомягкие, магнитотвердые и материалы специализированного назначения.

К магнитомягким относят материалы с малой коэрцетивной силой (Н_с < 800 А/м) и высокой магнитной проницаемостью. Они намагничиваются до насыщения в любых магнитных полях, обладают узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Их используют в качестве сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов и т.п.

К магнитотвердым относят материалы с большой  коэрцитивной силой (Н_с > 4кА/м). Они перемагничиваются в очень сильных магнитных полях и служат в основном для изготовления постоянных магнитов.

Среди материалов специализированного назначения в  радиоэлектронике применяются материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Магнитомягкие материалы для  постоянных и низкочастотных магнитных полей

 

Магнитомягкие материалы должны обладать высокой магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой, большой индукцией насыщения, малыми потерями на перемагничивание. Магнитные свойства материалов должны мало зависеть от механических напряжений, в результате действия которых сильно меняется m_нач , m_макс, Н_с. Магнитные свойства после механической обработки восстанавливают термообработкой(обжигом). В некоторых случаях важными являются температурная и временная стабильность, линейность кривой намагничивания и др.

Этим  требованием наиболее полно удовлетворяют  железо и его сплавы. Железо - это типичный магнитомягкий материал, магнитные свойства которого существенно зависят от содержания примесей, структуры (особенно величины зерна - чем крупнее зерна, тем выше магнитные свойства).

Вследствие  низкого удельного сопротивления  железо используют для изготовления изделий, которые работают в постоянных магнитных полях. Технически чистое железо применяется для получения  почти всех ферромагнитных сплавов.

Сталь электротехническая является основным магнитомягким материалом и представляет собой сплавы железа и кремния (до 4,5%). Добавки кремния повышают удельное сопротивление, увеличивают m_н и m_max, уменьшают Н_с, потери на гистерезис, константы магнитной анизотропии и магнитострикции, повышают стабильность магнитных свойств во времени, но вместе с тем увеличивают хрупкость и твердость стали. Свойства стали значительно улучшаются в результате образования магнитной текстуры при ее холодной прокатке и последующем отжиге в водороде. Вдоль направления прокатки наблюдается более высокое значение магнитной проницаемости и меньше потери на гистерезис. Текстурированные стали используются при изготовлении ленточных сердечников.

В этом случае магнитный поток полностью проходит вдоль направления легкого намагничивания. Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резанной ленты толщиной 0,05 - 1 мкм. Тонкий прокат применяется в полях повышенной частоты (до 1 кГц). С уменьшением толщины уменьшаются потери на вихревые токи, однако возрастает коэрцитивная сила и увеличиваются потери на гистерезис.

Пермаллои - железоникелевые сплавы, обладающие большой магнитной проницаемостью в области слабых полей и очень маленькой коэрцитивной силой. Высоконикелевые пермаллои содержат 72 - 80% никеля, а низконикелевые - 40 - 50% никеля. С увеличением содержания никеля возрастает магнитная проницаемость, однако повышаются удельные потери и уменьшается индукция насыщения. Низконикелевые пермаллои имеют m_н = (1.5 - 4)×10³, m_макс = (15 - 40)×10³, H_c = 8 -32 A/м, B_m = 1 - 1.5 Tл, а высоконикелевые - m_н = (1 - 4)×10⁴, m_макс = (7 - 35)×10⁴, H_c = 0.4 - 4.8 A/м, B_m = 0.5 - 1 Tл.

Большие значения m_н и m_макс пермаллоя объясняются небольшими величинами магнитной апизотропии и магнитострикции. Это облегчает поворот магнитных моментов из направления легкого намагничивания в направлении поля и не вызывает механических напряжений, которые затрудняют смещение доменных границ под воздействием слабого поля. Магнитная проницаемость пермаллоев сильно снижается с увеличением частоты(из-за влияния вихревых токов) и напряженности подмагничивающего (постоянного) поля. Для увеличения удельного сопротивления, улучшения магнитных характеристик и их стабильности в диапазоне напряженностей магнитного поля и температур, повышения механической прочности и обрабатываемости в пермаллой добавляют легирующие элементы - молибден, хром, кремний, марганец, медь.

Пермаллой очень чувствителен к механическим воздействиям, поэтому при изготовлении деталей из него необходимо избегать ударов, рихтовки и т.п. После всех механических операций производят термообработку в вакууме или в атмосфере водорода.

Пермаллой используется для изготовления магнитных  экранов, сердечников малогабаритных и импульсных трансформаторов, сердечников катушек индуктивности, головок аппаратуры магнитной записи.

Альсиферы - тройные сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав альсифера 9.5% Si, 5.6 % Al, остальное Fe. Такой сплав отличается твердостью и хрупкостью. Свойства альсифера (m_н = 3500, m_макс = 117000, H_c = 1.8 A/м) не уступают свойствам высоконикелевого пермаллоя. Изделия из альсифера - магнитные экраны, корпуса приборов и т.п. изготавливаются методом литья с толщиной стенок не менее 2 - 3 мм в виду хрупкости сплава. Его можно размалывать в порошок и использовать для изготовления высокочастотных прессованных сердечников.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Ферриты и магнитодиэлектрики

 

Ферриты - химические соединения окиси железа Fe₂О₃ с оксидами одного или нескольких двухвалентных металлов, имеющих общую формулу МеО×Fe₂O₃, где Ме - двухвалентный металл. Феррит может быть магнитным, если на месте Ме стоит ион марганца, никеля, магния, меди и некоторые другие металлы, и немагнитным - если стоит ион цинка.

Ферриты получают в виде керамики и монокристаллов. Ферритовая керамика не содержит стекловидной фазы. Изделия из ферритов получают методом спекания спрессованной массы порошкообразных окислов металлов. Ферриты являются твердыми и хрупкими материалами и допускают только шлифовку и полировку.

Технические ферриты представляют собой раствор  магнитного и немагнитного ферритов. Ферриты для радиочастот делятся на две группы: никель-цинковые (NiO-ZnO-Fe₂O₃) и марганец-цинковый (MnO-ZnO-Fe₂O₃). Цинковые ферриты добавляют в магнитные ферриты для увеличения магнитной проницаемости и уменьшения коэрцитивной силы, но это приводит к снижению температурной стабильности магнитных свойств.

Значения  величин m_н и H_c определяется составом и структурой материала. Микроскопические поры, участки с дефектной кристаллической решеткой и др. мешают свободному перемещению доменных границ и являются причиной уменьшения магнитной проницаемости. С увеличением размера кристаллических зерен возрастает m_н.

В слабых переменных магнитных полях ферриты  обладают незначительными потерями на вихревые токи и гистерезис. Поэтому значение тангенса угла потерь tgd на высоких частотах в основном определяется магнитными потерями, обусловленными релаксационными и резонансными явлениями. Частота, при которой начинается резкое возрастание tgd называется критической f_кр. Обычно f_кр - это частота, при которой tgd = 0.1.

Инерционность смещения доменных границ, которая  проявляется на высоких частотах приводит также к снижению магнитной проницаемости ферритов. Частоту f_гр , при которой m_н уменьшается до 0.7 от ее значения в постоянном магнитном поле называют граничной. Как правило, f_кр < f_гр.

Марганец - цинковые ферриты в области частот до 1 МГц обладают лучшими магнитными свойствами, чем никель - цинковые. У  них меньший относительный тангенс  угла потерь - tgd/m_н, более высокая индукция насыщения и температура Кюри. Однако никель-цинковые ферриты обладают более высоким удельным сопротивлением и лучшими частотными свойствами. Чем больше m_н, тем при более низких частотах наблюдается ее снижение. Ферриты с большим значением m_эфф обладают большим значением tgd и меньшим f_кр .

Во избежание  ухудшения магнитных характеристик, ферриты следует оберегать от механических нагрузок.

Маркировка  магнито-мягких ферритов следующая. На первом месте стоит численное значение m_н, следующее за ним буквы Н и В означают соответственно низкочастотный (f_кр = 0.1-50МГц) или высокочастотный (f_кр = 50 - 600МГц) материал, стоящая далее буква М означает марганец-цинковый, большая Н - никель-цинковый, литий - цинковый и т.д. ферриты. Буква С означает, что феррит применяется в области сильных полей, Н - контурах, перестраиваемых подмагничиванием.

По электрическим  свойствам ферриты относятся к полупроводникам с электронной проводимостью. Их электропроводность обусловлена слабосвязанными электронами, которые принадлежат ионам железа или другим катионам переменной валентности. Такие электроны под влиянием теплового движения могут переходить от иона Fe²⁺ к иону Fe³⁺, который превращается в двухвалентный ион Fe²⁺ и сохраняет это свойство некоторое время. С увеличением концентрации ионов Fe²⁺ возрастает удельная проводимость и уменьшается энергия активации Э₀. Рост температуры сопровождается резким повышением проводимости из-за увеличения числа перемещающихся электронов.

 

s=s₀ exp [-Э₀/кТ],

 

где s₀ - постоянная величина для данного материала;

Э₀ - энергия активации электропроводности (Э₀ = 0.1 - 0.5 ЭВ).

Концентрация  двухвалентных ионов Fe²⁺ зависит от состава феррита и режима его обжига. Для снижения концентрации Fe²⁺ вводят различные добавки .

Процессы  поляризации ферритов и диэлектрические потери определяются дрейфом слабосвязанных электронов под действием электрического поля. С ростом частоты поля уменьшается число электронов, которые участвует в дрейфе, и уменьшается расстояние, на которое они смещаются, и соответственно снижается поляризованность. Например на частотах ниже 1000 Гц у марганец-цинковых ферритов величина e ~ 100000, а с увеличением частоты e резко падает до значения порядка 100. Частотные характеристики диэлектрических потерь имеют максимум.