Свойства магнитомягких материалов

Магнитные материалы

Магнитные материалы, Магнетики — материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также в других физических явлениях — изменение физических размеров, температуры, проводимости, возникновению электрического потенциала и т. д. В этом смысле к магнетикам относятся практически все вещества (поскольку ни у какого из них магнитная восприимчивость не равна нулю), большинство из них относится к классам диамагнетиков (имеющие небольшую отрицательную магнитную восприимчивость — и несколько ослабляющие магнитное поле) или парамагнетиков (имеющие небольшую положительную магнитную восприимчивость — и несколько усиливающие магнитное поле); более редко встречаются ферромагнетики (имеющие большую положительную магнитную восприимчивость — и намного усиливающие магнитное поле), о ещё более редких классах веществ по отношению к действию на них магнитного поля — см. ниже.

Магнитными материалами могут быть различные сплавы, химические соединения, жидкости.

Ферромагнетики делятся на две большие группы — Магнитотвёрдые материалы и Магнитомягкие материалы.

Также существуют другие типы магнитных материалов: магнитострикционные материалы, магнитооптические материалы, термомагнитные материалы.

Области применения магнитных материалов

Некоторые области применения полимерных магнитов:

  1. Акустические системы, реле и бесконтактные датчики
  2. Электромашины, магнитные сепараторы, холодильники
  3. Магнитные элементы кодовых замков и охранной сигнализации
  4. Тахогенераторы, датчики положения, электроизмерительные приборы
  5. Медицина ( магнитотерапия, магнитные матрацы)
  6. Автоматизированное шоссе, где в США предусматривается разместить до полутонны ферритовых магнитопластов на одну милю шоссе для автоматического управления движением автомобиля, оснащенного специальным компьютером и системой слежения
  7. Магнитное покрытие для полов офисов и промышленных помещений
  8. Магнитные компоненты для глушителей автомобилей (в Европе на эти цели уходит 23000 тонн магнитопластов)
  9. Периферийные устройства компьютеров, мобильные телефоны, фотоаппараты, кинокамеры
  10. Магнитные устройства для обработки воды, углеводородного топлива, масел; магнитные фильтры
  11. Магнитные устройства для использования в рекламе, торговле, при оснащении выставок, конференций, спортивных мероприятий и так далее
  12. Неразрушающие методы контроля ( Магнитопорошковый контроль)

> Литература

  • Магнитомягкие материалы для современной силовой электроники
  • Наиболее часто задаваемые вопросы по магнитомягким магнитным материалам

Классификация магнетиков

Магнетиками называются все вещества, способные намагничиваться во внешнем магнитном поле, т.е. создавать собственное (внутренне) магнитное поле самого вещества. Магнетики подразделяются по своим магнитным свойствам на слабомагнитные и сильномагнитные вещества. К слабомагнитным веществам относятся парамагнетики и диамагнетики. Основную группу сильномагнитных веществ составляют ферромагнетики. Слабо- и сильномагнитные вещества отличаются величиной относительной магнитной проницаемости ?.

Абсолютная магнитная проницаемость среда (?а) — величина, являющуюся коэффициентом, отражающим магнитные свойства среды:

?а=?0?,

где ?0=4р.10-7 (Ом.с)/м — магнитная постоянная, характеризующая магнитные свойства вакуума. Единицу (Ом.с) называют генри (Гн).

Величину ?, называют относительной магнитной проницаемостью среды. Она показывает, во сколько раз индукция поля, созданного током в данной среде, больше или меньше, чем в вакууме, и является безразмерной величиной. Магнитная проницаемость является важной величиной, характеризующей магнитные свойства различных веществ. Для слабо магнитных веществ ? не значительно отличается от 1: для диамагнетиков ??1, для парамагнетиков ??1. Кроме того, ? для слабомагнитных веществ не зависит от индукции В0 того магнитного поля, в котором намагничиваются вещества. Для сильномагнитных веществ ?»1 и зависит от В0.

1) Диамагнетики

Называются вещества, у которых атомы или молекулы в отсутствие внешнего магнитного поля не имеют магнитных маментов.Атомы таких веществ называются диамагнитными атомами.

При внесении диамагнитного вещества в магнитное Ii поле в каждом его атоме (или молекуле) ДРmi B0 индуцируется некоторый дополнительный атомный (или молекулярный) индукционный ток Ii, с магнитным моментом ДРmi. Вектор ДРmi направлен противоположно вектору B0 магнитной индукции внешнего магнитного поля. Вектор ДРmi и индукционный ток Ii по правилу Ленца должны иметь такое направление, чтобы магнитное поле, созданное наведенными токами, было противоположно намагничивающему внешнему полю. Суммарное магнитное поле, созданное наведенными во всех атомах (молекулах) индукционными токами, является собственным (внутренним) магнитным полем. Вектор магнитной индукции внутреннего поля направлен противоположно вектору индукции внешнего, намагничивающего поля. В этом и заключается намагничивание диамагнитного вещества. Если воздействие намагничивающего поля прекращается, то исчезают индукционные токи в атомах (молекулах) и диамагнитные свойства исчезают (размагничивание диамагнетика). На возникновение индукционных токов в атомах (молекулах) не влияет тепловое, хаотическое движение атомов (молекул). Поэтому диамагнитные свойства вещества не зависят от температуры.

Диамагнетизм является универсальным свойством всех веществ, так как а атомах (молекулах) любых веществ, помещенных в магнитное поле, наводятся индукционные токи. Однако диамагнетизм является очень слабым эффектом. Поэтому диамагнитные свойства наблюдаются только у тех веществ, у которых эти свойства являются единственными и не маскируются другими, более сильными магнитными свойствами.

2) Парамагнетики

Атомы (молекулы) обладающие некоторым магнитным моментом Рм называются парамагнитными, а состоящие из них вещества — парамагнетиками. Магнитные моменты атомов (молекул) парамагнетика зависят от строения атомов (молекул), постоянны для данного вещества и не зависят от внешнего магнитного поля.

В отсутствие магнитного поля тепловое движение атомов (молекул) парамагнетика и их соударения между собой препятствуют возникновению упорядоченного расположения векторов Рм магнитных моментов отдельных атомов (молекул). Поэтому в парамагнитном веществе в отсутствие внешнего магнитного поля атомные (молекулярные) токи не создают результирующего магнитного поля. Вещество не намагничивается — в нем не возникает собственного (внутреннего) магнитного поля.

Парамагнетик в отсутствие внешнего намагничивающего поля

При внесении парамагнетика во внешнее однородное магнитное поле каждый атомный (молекулярный) ток стремиться расположиться так, чтобы вектор его магнитного момента был ориентирован параллельно вектору В0 индукции внешнего поля. Этому препятствует тепловое движение атомов (молекул). Совместное действие магнитного поля и теплового движения приводит к тому, что возникает преимущественная ориентация магнитных моментов атомов (молекул) по направлению внешнего магнитного поля.

Парамагнетик в слабом магнитном поле

Парамагнетик в сильном магнитном поле

В парамагнитном веществе создается результирующее магнитное поле всех атомных (молекулярных) токов, и вещество намагничивается — в нем возникает собственное (внутреннее) магнитное поле. Вектор индукции этого поля направлен одинаково с вектором индукции внешнего намагничивающего поля. При повышении температуры парамагнетика в нем усиливается хаотическое, тепловое движение атомов (молекул). Оно препятствует ориентации магнитных моментов атомов (молекул) и уменьшает намагничивание вещества. Поэтому относительная магнитная проницаемость парамагнетиков уменьшается при нагревании.

3) Ферромагнетики

Ферромагнетиками называется группа веществ в твердом кристаллическом состоянии, обладающая совокупностью магнитных свойств, обусловленных особым взаимодействием атомных носителей магнетизма. У ферромагнитных веществ собственное (внутреннее) магнитное поле имеет индукцию в сотни и тысячи раз большую, чем индукция внешнего магнитного поля, вызвавшего явление намагничивания, т.е. образование внутреннего поля.

Для характеристики явления намагничивания вещества вводится величина I, называемая намагничиванием вещества. Намагничивание в СИ определяется формулой

I=B-B0=?B0-B0= (?-1)B0,

где ? — относительная магнитная проницаемость вещества, B0-индукция магнитного поля в вакууме, B- индукция магнитного поля в веществе: B=? B0.

Для пара- и диамагнетиков намагничивание I прямо пропорционально индукции B0 магнитного поля в вакууме.

Для ферромагнитных тел намагничивание I является сложной нелинейной функцией B0 . Зависимость I от величины B0/?0 называется технической кривой намагничивания. Кривая указывает на явление магнитного насыщения: начиная с некоторого значения намагничивание практически остается постоянным, равным Iн (намагничивание насыщения), ?0-магнитная постоянная в СИ.

Значительное увеличение магнитного потока в ферромагнитных телах объясняется тем, что такие тела под действием внешнего магнитного поля намагничиваются и создают собственное магнитное поле. Оно складывается с намагничивающим полем и результирующее поле становиться более сильным.

На рисунке показано изменение магнитного поля, когда в него помещен ферромагнетик. Силовые линии втягиваются в этот предмет и в нем получается значительно более сильный магнитный поток, нежели в окружающем пространстве. Данные явления наблюдаются только у ферромагнитных веществ. При нормальных температурах они имеют кристаллическое строение. Маленькие кристаллы ферромагнитных веществ состоят из отдельных намагниченных областей, называемых доменами и имеющих размеры около 10-2-10-3 см. В каждом домене магнитные поля атомов расположены в определенном порядке, т.е. имеют одинаковые направления. В ненамагниченном теле магнитные поля доменов имеют различные направления. Под действием внешнего магнитного поля у части атомов, находящихся внутри доменов, магнитные поля поворачиваются и получают направления вдоль внешнего поля. Иначе говоря, домены, имеющие свое поле, почти совпадающее по направлению с внешним полем, увеличиваются в размерах за счет соседних доменов. Возникает сильное результирующее поле. Чем сильнее внешнее намагничивающее поле, Тем более строгий порядок наблюдается в расположении элементарных магнитных полей доменов и тем сильнее общий магнитный поток. При достаточно сильном намагничивающем поле магнитные поля всех доменов принимают одинаковые направления. Дальнейшее увеличение намагничивания становиться невозможным. Такое состояние ферромагнитного тела называется магнитным насыщением.

Процесс намагничивания ферромагнитного вещества наглядно отражает кривая намагничивания. Она показывает зависимость магнитного потока Ф или магнитной индукции В от напряженности намагничивающего поля Н. Как видно сначала при увеличении Н наблюдается быстрый рост магнитного потока (при малых значениях Н это возрастание происходит несколько медленнее).

Направления магнитных полей доменов в ферромагнитном веществе: А) в отсутствие внешнего магнитного поля; Б) при внешнем намагничивающем поле; В) при магнитном насыщении.

Но при некотором значении Н увеличение магнитного потока замедляется и далее почти Ф или В прекращается, т.е. наступает магнитное насыщение.

Кривая намагничивания ферромагнитного вещества

Небольшое увеличение магнитного потока при насыщении происходит за счет того, что растет внешнее намагничивающее поле.

Из рассмотрения кривой намагничивания 0 Н можно сделать вывод, что магнитная ферромагнитного вещества. Кривая намагничивания проницаемость у ферромагнитных веществ не является постоянной, а зависит от Н. Действительно, магнитная проницаемость ?=В/?0Н могла бы оставаться постоянной только тогда, когда величина В изменялась бы пропорционально Н, т.е. если бы кривая намагничивания представляла собой прямую линию, проходящую через начало координат. Кривая намагничивания показывает, что В изменяется не пропорционально Н, поэтому ? при возрастании Н сначала растет, а при переходе к магнитному насыщению она уменьшается.

Зависимость магнитной проницаемости от напряженности намагничивающего поля

Если ферромагнитное тело намагнитить с помощью внешнего магнитного поля, а затем уменьшить напряжённость этого поля до нуля, то тело размагничивается не полностью. В нем обнаруживается остаточный магнетизм. Это объясняется тем, что не все домены под влиянием имеющегося в каждом теле теплового движения возвращаются к беспорядочному состоянию. Остаточный магнетизм может быть показан с помощью кривой намагничивания. Если тело вначале не было намагничено, то при возрастании Н магнитный поток изменяется по кривой ОА. Пусть теперь Н уменьшается. Тогда магнитный поток Ф будет изменяться не по той же кривой ОА, а по кривой АБ, которая расположена выше ОА. Изменение магнитного потока отстает от изменений намагничивающего поля. Такое отставание называется магнитным гистерезисом.

При уменьшении Н до 0 сохраняется некоторый остаточный поток Ф0 и соответствующая ему остаточная магнитная индукция В0 (отрезок ОБ). Они характеризуют остаточный магнетизм. Чтобы полностью размагнитить тело, т.е. добиться Ф=0,нужно приложить внешнее магнитное поле обратного направления. Тогда при некотором отрицательном значении Нс получим Ф=0. Величину Нс (отрезок ОГ) называют задерживающей или коэрцитивной силой. Если продолжать намагничивать тело, то можно довести его до насыщения (точка Д), а при уменьшении Н опять наблюдается гистерезис.

Кривая намагничивания и перемагничивания ферромагнитного вещества

Кривая размагничивания ДЕ не совпадает с кривой ГД. При Н=0 снова наблюдается остаточный магнетизм (отрезок ОЕ), и для его уничтожения необходимо иметь Н, соответствующую отрезку ОЖ. Таким образом, если осуществлять перемагничивание, т.е. намагничивание и размагничивание, то оно будет проходить по кривой АБГДЕЖА, котрую принято называть петлей гистерезиса. Форма и размеры этой кривой различны для разных ферромагнитных материалов.

Ферромагнитные вещества делятся на две группы. К магнитомягким материалам, относиться железо,мягкая(незакаленная) сталь, а также ряд других материалов, которые легко намагничиваются. В них можно получить высокие значения магнитной индукции при сравнительно небольших напряженностях намагничивающего поля. Но зато они легко размагничиваются, и поэтому в них наблюдается очень небольшой остаточный магнетизм. Магнитожесткие (или магнитотвердые) материалы намагнитить труднее. К ним относиться закаленная сталь и стальные сплавы,содержпшие вольфрам, хром, молибден,алюминий, никель, кобальт и другие материалы. Для их намагничивания необходимо значительно более сильное поле, но зато они характеризуются большей коэрцитивной силой, т.е. их труднее размагнитить. В таких материалах может существовать большой остаточный магнетизм.

Петля гистерезиса: а) магнитомягкого (кривая 1), магнитотвердого (кривая 2); б)прямоугольная петля гистерезиса.

В последние годы в радиоэлектронной аппаратуре находят все более широкое применение ферромагнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса. Пример такой петли показан выше на рисунке б. Как видно, ее форма действительно приближается к прямоугольнику. Такие материалы характерны тем, что при изменении напряженности намагничивающего поля в них происходит резкий переход из одного намагниченного состояния в другое, при котором направление магнитного потока изменяется на противоположное.

Тепловое движение атомов ферромагнитных веществ способствует уменьшению величины остаточного намагничивания. Поэтому с повышением температуры остаточное намагничивание уменьшается. При достижении температуры, равной температуре (точке) Кюри, остаточное намагничивание полностью исчезает — области самопроизвольной намагниченности распадаются, и вещество теряет ферромагнитные свойства.

4) Ферромагнитная жидкость.

Ферромагнитная жидкость (ФМЖ, магнитная жидкость, феррофлюид) — жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля.

Ферромагнитные жидкости представляют собой коллоидные системы, состоящие из ферромагнитных или ферримагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода. Для обеспечения устойчивости такой жидкости ферромагнитные частицы связываются с поверхностно-активным веществом (ПАВ), образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующем их слипанию из-за Ван-дер-Ваальсовых или магнитных сил.

Ферромагнитная жидкость на стекле под воздействием магнита под стеклом

Ферромагнитная жидкость под воздействием магнита (крупный план)

Ферромагнитные жидкости состоят из частиц нанометровых размеров (обычный размер 10 нм или меньше) магнетита, гематита или другого материала, содержащего железо, взвешенных в несущей жидкости. Они достаточно малы, чтобы тепловое движение распределило их равномерно по несущей жидкости, чтобы они давали вклад в реакцию жидкости в целом на магнитное поле. Аналогичным образом ионы в водных растворах парамагнитных солей (например, водный раствор сульфата меди (II) или хлорида марганца (II)) придают раствору парамагнитные свойства.

Ферромагнитные жидкости это коллоидные растворы — вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния это твердый металл и жидкость, в которой он содержится. Эта способность изменять состояние под воздействием магнитного поля позволяет использовать ферромагнитные жидкости в качестве уплотнителей, смазки, а также может открыть другие применения в будущих наноэлектромеханических системах.

Ферромагнитные жидкости устойчивы: их твердые частицы не слипаются и не выделяются в отдельную фазу даже в очень сильном магнитном поле. Тем не менее, ПАВ в составе жидкости имеют свойство распадаться со временем (примерно несколько лет), и в конце концов частицы слипнутся, выделятся из жидкости и перестанут влиять на реакцию жидкости на магнитное поле. Также ферромагнитные жидкости теряют свои магнитные свойства при своей температуре Кюри, которая для них зависит от конкретного материала ферромагнитных частиц, ПАВ и несущей жидкости.

Ферромагнитная жидкость проявляет нестабильность в нормально направленном поле магнита под поверхностью

Чтобы обволакивать частицы в ферромагнитной жидкости используются, в частности, следующие ПАВ:

§ олеиновая кислота

§ гидроксид тетраметиламмония

§ полиакриловая кислота

§ полиакрилат натрия

§ лимонная кислота

§ cоевый лецитин

ПАВ препятствуют слипанию частиц, мешая им образовать слишком тяжелые кластеры, которые не смогут удерживаться во взвешенном состоянии за счет броуновского движения. В идеальной ферромагнитной жидкости магнитные частицы не оседают даже в очень сильном магнитном или гравитационном поле. Молекулы ПАВ имеют полярную»головку» и неполярный «хвост» (или наоборот); один из концов адсорбируется к частице, а другой прикрепляется к молекулам жидкости-носителя, образуя, соответственно, обычную или обратную мицеллу вокруг частицы. В результате пространственные эффекты препятствуют слипанию частиц. Полиакриловая, лимонная кислоты и их соли формируют на поверхности частиц двойной электрический слой в результате адсорбции полианионов, что приводит к возникновению кулоновских сил отталкивания между частицами, повышающей стабильность жидкости на водной основе.

5) Ферримагнетики

Ферримагнетики — материалы, у которых магнитные моменты атомов различных подрешёток ориентируются антипараллельно, как и в антиферромагнетиках, но моменты различных подрешёток не равны, и, тем самым, результирующий момент не равен нулю. Ферримагнетики характеризуются спонтанной намагниченностью. Различные подрешётки в них состоят из различных атомов или ионов, например, ими могут быть различные ионы железа, Fe2+ и Fe3+. Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом, различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты.

Ферримагнитное упорядочивание

Ферримагнетики имеют доменную структуру, состоящую из двух или более подрешеток, связанных антиферромагнитно (антипараллельно). Поскольку подрешетки образованы атомами (ионами) различных химических элементов или неодинаковым их количеством, они имеют различные по величине магнитные моменты, направленные антипараллельно. В результате появляется отличная от нуля разность магнитных моментов подрешеток, приводящая к спонтанному намагничиванию кристалла. Таким образом, ферримагнетики можно рассматривать как нескомпенсированные антиферромагнетики (у них магнитные моменты атомов не компенсированы). Свое название эти материалы получили от ферритов — первых некомпенсированных антиферромагнетиков, а магнетизм ферритов назвали ферримагнетизмом. У ферритов доменная структура, как и у ферромагнетиков, образуется при температурах ниже точки Кюри. К ферритам применимы все магнитные характеристики, введенные для ферромагнетиков. В отличие от ферромагнетиков, они имеют высокое значение удельного сопротивления, меньшую величину индукции насыщения, более сложную температурную зависимость индукции. Ферромагнетизм в металлах объясняется наличием обменного взаимодействия, которое образуется между соприкасающимися атомами, а также взаимной ориентацией спиновых магнитных моментов. В ферримагнетиках магнитные моменты ионов ориентированы антипараллельно, и обменное взаимодействие происходит не непосредственно, а через ион кислорода О2-. Такое обменное взаимодействие называют косвенным обменом или сверхобменом. Оно усиливается по мере приближения промежуточного угла от 0° к 180°.

Классификация магнетиков

В то время как диэлектрическая проницаемость ε у всех веществ всегда больше единицы (диэлектрическая восприимчивость κ>0), магнитная проницаемость μ может быть как больше единицы, так и меньше единицы (соответственно магнитная восприимчивость χ >0 и χ<0). Поэтому магнитные свойства веществ отличаются гораздо большим разнообразием, чем электрические свойства.

По классификации В.Л.Гинзбурга (Нобелевская премия по физике, 2004г.) можно выделить шесть типов магнетиков. Они перечислены в приводимой ниже таблице.

Таблица.Современная классификация магнетиков.

Тип магнетика Магнитная восприимчивость, χ
Диамагнетик — (10-9 – 10-4), μ<1
Парамагнетик 10-6 – 10-3, μ>1
Ферромагнетик 103 – 105 , μ(Н)>>1
Ферримагнетик 101 – 103 , μ(Н)>>1
Антиферромагнетик 10-4 – 10-6, μ>1
Сверхдиамагнетик — 1 , μ=0

Дадим краткую характеристику каждого типа магнетика.

Диамагнетики – вещества, характеризуемые отрицательным значением магнитной восприимчивости χ. Вследствие этого вектор намагничивания в этих веществах направлен противоположно внешнему намагничивающему полю . Диамагнетиками являются, например, вода (χ = — 9∙10-6), серебро (χ = — 2,6∙10-5), висмут (χ = — 1,7∙10-4).

Парамагнетики – характеризуются положительным значение χ , ведут они себя подобно диэлектрикам с диэлектрической проницаемостью ε>1, то есть вектор в этих веществах параллелен намагничивающему полю . К парамагнетикам относятся алюминий (χ = 2,1∙10-6), платина (χ = 3∙10-4), хлористое железо (χ = 2,5∙10-3).

Ферромагнетики – особый вид магнетиков, отличающийся от других магнетиков следующими характерными признаками: 1) высоким значением магнитной восприимчивости (см. таблицу); 2) зависимостью магнитной проницаемости μ от напряженности магнитного поля, вследствие чегозависимость от для этих веществ является нелинейной; 3) наличием петли гистерезиса на кривой намагничивания; 4) существованием температуры, называемой точкой Кюри, выше которой ферромагнетик ведет себя как обычный парамагнетик. Из чистых металлов ферромагнетиками являются железо, никель, кобальт, а также некоторые редкоземельные металлы (например, гадолиний). К числу ферромагнетиков относятся сплавы и соединения этих металлов, а также сплавы и соединения марганца и хрома с неферромагнитными элементами (например, MnAlCu, CrTe и другие).

Ферримагнетики (ферриты) – вещества, в которых магнитные моменты атомов кристаллической решетки образуют несколько магнитных подрешеток с магнитными моментами, направленными навстречу друг другу. Имея меньшую величину магнитной восприимчивости по сравнению с ферромагнетиками, в остальном ферримагнетики характеризуются теми же признаками, что и ферромагнетики. Типичными ферритами являются соединения оксидов железа с оксидами других металлов — шпинели (MnFe2O4), гранаты Gd3Fe5O12), гексаферриты (PbFe12O19). Другую группу ферритов образуют двойные фториды типа RbNiF3, а также соединения типа RFe2 (R – редкоземельный металл).

Антиферромагнетики– частный случай ферримагнетиков, в которых магнитные моменты подрешеток с противоположно направленными магнитными моментами полностью компенсируют друг друга (скомпенсированный ферримагнетик). Существование антиферромагнетиков было предсказано Л.Д.Ландау в 1933г. В настоящее время известен широкий спектр веществ, обладающих антиферромагнитными свойствами: редкоземельные элементы (Er, Dy, Ho), оксиды и дифториды некоторых металлов (FeO, MnO, CoF2, NiF2), соли угольной и серной кислот (MnCO3, NiSO4) и другие.

Сверхдиамагнетики (идеальные диамагнетики) – вещества, магнитная прони-цаемость μ которых равна нулю. Благодаря этой особенности для сверхдиамагнетиков имеет место эффект Мейсснера-Оксенфельда (Meissner W., 1882-1974; Ocksenfeld C.) – полное выталкивание магнитного поля из объема сверхдиамагнетика (магнитная индукция =0). Сверхдиамагнетиками являются все вещества, находящиеся в сверхпроводящем состоянии — низкотемпературные сверхпроводники (металлы) и высокотемпературные сверхпроводники (керамики). Из несверхпроводящих материалов, обладающих сверхдиамагнитными свойствами, известен пока только один пример – хлорид меди (CuCl), открытый в 1986г. (Русаков А.П., МИСиС).

.. 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 ..

РАЗДЕЛ III МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
Гл а в а 5 МАГНИТНЫЕ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
5.1. Магнитные свойства
Все вещества в разной степени обладают магнитными свойствами, так как электроны, протоны и нейтроны, из которых построены атомы, имеют магнитное взаимодействие (магнитный момент). По значению и знаку магнитной восприимчивости все вещества можно разделить на три основных группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.
Диамагнетики — вещества, у которых при внесении их в магнитное поле во всем объеме индуктируются незатухающие вихревые микротоки, создающие собственное магнитное поле, направленное навстречу внешнему. Диамагнетизм присущ всем веществам, но у некоторых он перекрывается более сильными эффектами. К диамагнитным металлам относятся медь, серебро, золото, ртуть, цинк, кадмий, сурьма, бериллий, висмут и др.
Парамагнетики — вещества, которые, находясь во внешнем магнитном поле, приобретают намагниченность, совпадающую по направлению с напряженностью этого поля. Парамагнетизм обусловлен ориентацией во внешнем магнитном поле постоянных магнитных моментов атомов парамагнитного вещества, которыми они обладают независимо от напряженности намагничивающего поля.
К парамагнитным металлам относятся молибден, вольфрам, алюминий, кальций, барий и др.
Ферромагнетики — вещества, которые самопроизвольно намагничиваются, обладают высокими значениями магнитной проницаемости (до 105… 106), изменяют форму и размеры под действием магнитного поля (магнитострикция). Характерными представителями ферромагнетиков являются железо, никель, кобальт и их сплавы, а также ряд редкоземельных металлов — гадолиний, тербий и их сплавы.
Ферромагнетики широко используются в электронике, электротехнике, радиотехнике и приборостроении. При нагреве никель, железо и кобальт теряют свои магнитные свойства соответственно при температуре 350; 759 и 1 110 °С и переходят в парамагнитное состояние.
Магнитные свойства материалов можно оценить, например, по магнитной проницаемости, которая для воздуха принята за единицу. Исходя из этого для меди магнитная проницаемость 0,99; для алюминия — 1; железа — 2 000…3 ООО; никеля — 300; пермаллоя — 100 000 и самую большую магнитную проницаемость имеют ферромагнитные металлы, у которых этот показатель выражается многими сотнями тысяч.
Свойства сплавов существенно отличаются от свойств компонентов, из которых они состоят. Железо сильно намагничивается, никель меньше, но сплав на основе железа с 25% никеля, 2% хрома и 18% марганца немагнитен, как и сплав железа с 25% никеля. Однако бывает наоборот, и немагнитные металлы — медь (66,5%), алюминий (11,1%) и марганец (22,4%) образуют магнитный сплав.
Магнитотвердые (магнитожесткие) материалы — ферромагнитные материалы, которые намагничиваются и перемагничиваются в сильных магнитных полях, характеризующихся высокой коэрцитивной силой и остаточной магнитной индукцией. В технике используют литье и порошковые магнитные материалы на основе железа и кобальта с добавлением других веществ (в том числе и редкоземельных). Из магнитотвердых материалов делают постоянные магниты, используемые в измерительных приборах, электродвигателях и других устройствах.
Мни — общее название группы магнитотвердых сплавов на основе железа, образованное от первых букв главных компонентов: алюминия (II… 18%) и никеля (20…34%) соответственно. Лег ирующими элементами этих сплавов могут быть кобальт, медь, кремний, титан.
Кроме того, известен магнитотвердый материал магнико на основе железа, содержащий кобальт (24%), никель (14%), алюминий (8%) и медь (3%). Этот сплав имеет высокое значение остаточной магнитной индукции и коэрцитивной силы. Анизотропию магнитных свойств магнико получают термической обработке й в магнитном поле.
Постоянные магниты изготовляют из материалов, которые способны намагничиваться и сохранять намагничиваемоегь. Для сердечников электромагнитов применяют металл, который намагничивается во включенном состоянии и размагничивается в выключенном. Мощные магниты отливают из сплавов железо —никель—кобальт и алюминий —никель—кобальт(алышко), содержащий 10… 12 % алюминия, 20…21 % никеля и 5… 10% кобальта. Поскольку этот материал хрупок, обработку отливки выполняют Шлифованием.
Магнитомягкие материалы — это ферромагнитные материалы, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в

слабых магнитных полях. Эти материалы характеризуются высокими значениями магнитной проницаемости (102… 105) и небольшой коэрцитивной силой (напряженность магнитного поля для полного размагничивания). К ним относятся широко известные сплавы — железоникелевые (пермаллой), железокобальтовые (пер-мендюр), смешанные ферриты, а также электротехнические стали для электрических машин и специального назначения термомагнитные сплавы и магнитострикционные материалы.
Подробнее ознакомимся с магнитострикцией и ее применением в технике. Магнитострикция — это явление, связанное с изменением размеров и формы тела при его намагничивании. По своему значению магнитострикция значительна у ферромагнитных материалов и может быть продольной, когда удлинение образца происходит в направлении магнитного поля, и поперечной, когда это явление происходит перпендикулярно направлению магнитного поля. Кроме того, этот эффект может быть обратимым, т.е. магнитоупругим (эффект Виллари), когда происходит изменение намагниченности образца при его деформации.
К магнитомягким материалам, кроме названных, относятся также никель, алфер, ряд ферритов и некоторые редкоземельные металлы, их сплавы и соединения. Из указанных материалов изготовляют магнитострикционные преобразователи, в которых энергия переменного электрического и магнитного полей преобразуется в энергию механических УЗ-колебаний или, наоборот, благодаря обратимому эффекту магпитострикции — в магнитное поле при механическом воздействии на преобразователь. Устройства с магнитострикционными преобразователями используются в УЗ-установках для очистки электронных блоков, разделения твердых и хрупких материалов, для измерения вибрации разных сооружений, в фильтрах и стабилизаторах электрических и радиотехнических устройств.
Электротехническая сталь относится к магнитомягким материалам. Ее разделяют на два вида: динамную (изотропную) и трансформаторную (анизотропную). Эта сталь кроме железа и 0,1 % углерода содержит 0,3… 6,0 % кремния и 0,1… 0,3 % марганца. После термической обработки сталь прокатывают в тонкие листы и используют для производства сердечников трансформаторов и генераторов постоянного тока.

Электрические и магнитные свойства материалов

Экзменационные билеты по дисциплине

Материаловедение

Достижения в области получения новых электротехнических и конструкционных материалов.

Поверхности деталей отделывают со снятием или без снятия слоя материала (стружки). Отделку со снятием слоя осуществялют тонким точением, шлифованием, хонингованием, суперфинишированием, доводкой, полированием. Отделку без снятия стружки выполняют чистовой обработкой пластическим деформированием – обкатывание и раскатывание валов и отверстий, дорнование, волочение, калибрование. Применение инструмента из синтетических и природных алмазов позволяет повысить чистоту и точность обработки.

Тонкое (алмазное) точение, шлифование. Процесс тонкого наружного точения алмазными и твердосплавными резцами характеризуется высокой скоростью резания (v>100 об/мин), небольшой глубиной резания (0.05-0,3 мм), и подачей (0,02-0,5 мм/об). Обрабатываемая при таких режимах деталь практически не имеет деформаций от усилий резания и зажима и тепловыделения, дефектный слой при этом небольшой. Обработку ведут на станках повышенной и высокой скорости. Станки должны быть высокоскоростными и иметь малые значения продольной и поперечной подач.

При алмазном точении достигают высокой точности обработки. В радиоприборостроении алмазное точение применяют при обработке деталей из алюминиевых сплавов, меди, латуни, бронзы, баббита, резины, эбонита. В виду хрупкости алмазов обработку ведут на станках с повышенной жесткостью.

Тонкое шлифование в отличие от обычного шлифования ведут при малой глубине резания, что обеспечивает получение точности размеров. Глубина резания при тонком шлифовании не превышает 5 мкм, а подача – не более 0,03-0,17 м/с, скорость резания увеличивают до 40 м/с и более. Тонким шлифованием обрабатывают детали диаметорм от 7 до 1500 мм при длине 200-300 мм.

Хонингование применяют главным образом для отделочной обработки сквозных и глухих цилиндрических отверстий после протягивания, развертывания, чистового растачивания деталей из стали, цветных металлов и трудно обрабатываемых сплавов. Хонингование ведут на горизонтальных и вертикальных хонинговальных станках и полуавтоматах при давлении брусков на обрабатываемую поверхность 0,5-20 кгс/см2 и скорости резания в 20-40 раз меньшей, чем при шлифовании.


Суперфиниширование – это особо тонкая отделочная обработка поверхностей при помощи мелкозернистых абразивных или алмазных брусков, совершающих сложное рабочее движение. Особенностью сепрфиниширования является возвратно-поступательное движение (осциллирующее) движение брусков с амплитудой колебания 1,5-6 мм при частоте колбаний 250-1000 двойных ходов/мин. Сложное движение брусков относительно обрабатываемой поверхности детали способствует лучшему использованию режущей способности алмазных (абразивных) зерен. Его чаще всего применяют для обработки наружных цилиндрических, конических и торцовых поверхностей.

Доводка – это процесс отделочной обработки деталей при помощи свободного абразива в среде смазки, нанесенного на поверхность инструмента (притира). Доводка осуществляется при малых скоростях и переменном направлении рабочего движения притира или обрабатываемой детали. Она является заключительной операцией при обработке наружных, внутренних, цилиндрических, сферических, плоских поверхностей высокоточных деталей, изготовленных из твердых сплавов, кварца, кремния, ситаллов, керамики.

Электрические и магнитные свойства материалов.

В зависимости от электрических свойств все вещества относят к диэлектрикам, проводникам и полупроводникам. Различие между диэлектриками, проводниками и полупроводниками наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел.

По магнитным свойствам материалы подразделяются на слабомагнитные (диамагнетики и парамагнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики).

Энергетические диаграммы диэлектриков, полупроводников и проводников различны (рисунок 1).

Диэлектриками являются материалы, у которых запрещенная зона настолько велика, что электронной электропроводности в обычных случаях не наблюдается.

Полупроводниками являются материалы с более узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена за счет внешних энергетических воздействий. Так как при отсутствии в полупроводнике свободных электронов (при нуле Кельвина) приложенная к нему разность электрических потенциалов не вызовет тока. Если при внешнем энергетическом воздействии энергия достаточна для переброса электронов через запрещенную зону, то электроны, став свободными, смогут перемещаться под действием электрического поля, создавая электронную электропроводность полупроводника.

Проводниками будут материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею.

Вследствие этого электроны в металле свободны, то есть могут переходить с уровней заполненной зоны на незанятые уровни свободной зоны под влиянием слабой напряженности приложенного к проводнику электрического поля.

Ферромагнетики.

Самые сильные магнитные свойства проявляют ферромагнетики. Магнитные поля, которые создаваются ферромагнетиками, гораздо сильнее внешнего намагничивающего по­ля. Правда, магнитные поля ферромагнетиков создаются не вследствие обращения электронов вокруг ядер — орбитального магнитного момента, а вследствие собственного вращения электрона — собственного магнитного момента, называемого спином.

Температура Кюри (Тс) — это температура, выше которой ферромагнитные материалы те­ряют свои магнитные свойства. Для каждого ферромагнетика она своя. Например, для железа Тс= 753 °С, для никеля Тс = 365 °С, для кобальта Тс = 1000 °С. Существуют ферромагнитные спла­вы, у которых Тс < 100 °С.

Первые детальные исследования магнитных свойств ферромагнетиков были выполнены выдающимся русским физиком А. Г. Столетовым (1839-1896).

Ферромагнетики применяются довольно широко: в качестве постоянных магнитов (в электроизмерительных приборах, громкоговорителях, телефонах и так далее), стальных сердечников в транс­форматорах, генераторах, электродвигателях (для усиления магнитного поля и экономии элек­троэнергии). На магнитных лентах, которые изготовлены из ферромагнетиков, осуществляется запись звука и изображения для магнитофонов и видеомагнитофонов. На тонкие магнитные пленки про­изводится запись информации для запоминающих устройств в электронно-вычислительных ма­шинах.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *