Файл: РМ текст лекций.doc

рис. 4.1.7

4.7. Структура ферромагнетиков

Ферромагнетики в основном кристаллизуются в трех типах решеток: кубической гранецентрированной, кубической объемно-центрированной, гексагональной, показанных на рис. 4.1.8 а, б, в.

Рис. 4.1.8

Зависимости B=F(H) показывают, что кристаллы являются магнитно-анизотропными. Эта зависимость для железа показана на рис. 4.1.9 а.

Рис. 4.1.9 а

Обозначение направлений в кристалле пишут в квадратных скобках. При отсутствии внешнего поля векторы намагничивания располагаются в направлении легкого намагничивания. Площадь заштрихованных областей на рис.4.1.9 а пропорциональна энергии, которую требуется затратить для изменения направления намагничивания от легкого до трудного.

4.8. Магнитострикционная деформация

Обратимое изменение формы и размеров образца при переходе ферромагнетика через точку Кюри при отсутствии внешнего поля (самопроизвольная магнитострикция) и при воздействии внешнего поля на ферромагнетик при Т<Тк называют магнитострикционной деформацией. Сумму энергий Е кристаллографической магнитной анизотропии и магнитоупругой Е в результате магнитострикции называют энергией магнитной анизотропии.

4.9. Магнитная проницаемость

В технике используется несколько десятков видов магнитной проницаемости, используя конкретные значения В и Н. Абсолютная проницаемость _а=В/Н. Относительная проницаемость=1/μо*В/Н. Зависимость=F(H) показана на рис 4.1.9б

рис.4.1.9,б

Начальная μ.нач и максимальная μмакс проницаемости являются частными случаями нормальной проницаемости (слово “нормальная” принято опускать).

μнач=lim[В/(μоН)]; μмакс =Вмакс/(μОНмакс) (4.1.4)

При одновременном воздействии на магнитный материал постоянного Но и переменного Н_~магнитных полей и, обычно, при условии Н~<<Но, вводят понятие дифференциальной проницаемости μдиф.

Зависимость =F(T). Характер этой зависимости различен в слабых, средних и сильных полях. Для μнач при температуре Т несколько ниже Тк наблюдается четко выраженный максимум (рис. 4.1.10).

рис. 4.1.10

Н1 на рис. соответствует μнач, Н4 — области насыщения. Возрастание μнач объясняют тем, что при нагревании облегчается смещение доменных границ и поворот векторов намагниченности доменов, главным образом из-за уменьшения констант магнитострикции и магнитной анизотропии. Уменьшение μнач при высоких температурах связывается с резким уменыпением спонтанной намагниченности доменов.

4.10. Потери в магнитных материалах

В переменных полях площадь петли гистерезиса увеличивается за счет потерь гистерезис Рг, потерь на вихревые токи Рв и дополнительных потерь Рд. Такая петля гистерезиса называется динамической, а суммарные потери полными или суммарными.

Потери на гистерезис, отнесенные к единице объема материала (удельные потери)

Рг Дж/м³-fHdB. (4.1.5)

При перемагничивании с частотой f (Гц)

рг ,Вт/кг-((HdB)/Y. (4.1.6)

где у — плотность материала, кг/м³Потери на вихревые токи для листового образца

Рв, Вт/кг=1,64d²f²B²max/УР . (4.1.7)

где Bmax—амплитуда магнитной индукции, Тл; f—частота переменного тока, Гц;d—толщина листа, м; у—плотность, кг/м³; р—удельное электросопротивление, Омм.

Дополнительные потери или потери на магнитную вязкость (магнитное последействие) обычно находят как разность между полными потерями и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи

Рд=Р-(Рг+Рв). (4.1.8)

Магнитная вязкость зависит от времени действия магнитного поля. При включении поля Н она быстро достигает значения J₁, а затем со временем возрастает в соответствии с формулойJn(t)=Jn0(1-e^-t/T0) гдеJn0-намагниченность при t∞; т—время релаксации.

рис. 4.1.11

На рис. 4.1.11 показана зависимость напряженности магнитного поля и намагниченности от времени действия магнитного поля.

Рис.4.1.12

В магнитотвердых магнитных материалах время магнитной релаксации может достигать нескольких минут. Такое явление называют сверхвязкостью. Тангенс угла магнитных потерь часто используют для характеристики работы магнитных материалов в переменных полях. Его можно выразить через параметры эквивалентной схемы, показанной на рис. 4.1.12

Эквивалентную схему замещения катушки с сердечником из магнитного материала можно представить в виде последовательной схемы из индуктивности и активного сопротивления. Пренебрегая собственной емкостью и согпротивлением обмотки катушки получим

tg6=r/(wL). (4.1.10)

В этом случае активную мощность можно подсчитать по формуле

Pa=I²wLtg6,. (4.1.11)

Величину, обратную tg, называют добротностью сердечника.

4.11. Электрические свойства магнитных материалов

Удельное электрическое сопротивление р металлических магнитных материалов зависит от вида примесных элементов и направления намагниченности по отношению к направлению движения электронов проводимости. Электрические свойства технических Fe, Co, Ni показаны в табл. 4.11.

Таблица 4.11

В чистых монокристаллических образцах металлов наблюдается значительная анизотропия электросопротивления. Так, в монокристаллическом кобальте в направлении оси С рр=0,103 мк0мм, а в плоскости перпендикулярной этой оси рр=0,055 мк0мм.

В ферритах по сравнению с металлическими ферромагнетиками удельное электрическое сопротивление много выше, сопоставимо с р полупроводников и может меняться в широких пределах в зависимости от состава, типа дефектов структуры, вида примесей. Так для феррита иттрия удельное сопротивление составляет 10¹⁰—10¹²Омм, для феррита никеля 10³—10⁵Омм, для феррита лития 1—10 Омм. Энергия активации проводимости ферритов находится в пределах 0,2—2 эВ.

В ферритах часто наблюдается прыжковая проводимость, обусловленная перескоком локализованных электронов из одного состояния в другое, или поляронная проводимость. Поляроны—частицы (вернее квазичастицы), образованные локализованными на ионах электронами вместе с окружающим их полем поляризации. В случае поляронов малого радиуса (меньше постоянной решетки) энергия ионизации примесного центра равна 0,2—0,6 эВ.

4.12. Классификация магнитных материалов

Магнитомягкие материалы способны намагничиваться до насыщения в слабых полях, обладают высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на перемагничивание. Условно к магнитомягким относят материалы с Нс<800А/м.

Применяются магнитомягкие материалы в основном в качестве магнитопроводов дросселей, трансформаторов, электромагнитов, электрических машин и т. п.

Магнитотвердые материалы отличаются большой удельной энергией, которая тем больше, чем больше остаточная индукция Вг и коэрцитивная сила Нс материала. К магнитотвердым относят материалы с коэрцитивной силой Нс>4 кА/м. Применяются главным образом для изготовления постоянных магнитов.

Намагничивание магнитомягких материалов происходит в основном за счет смещения междоменных границ, а в магнитотвердых — за счет вращения вектора намагниченности (в магнитотвердых материалах на основе редкоземельных элементов преобладают процессы смещения).

Магнитные материалы специального назначения. Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса магнитострикционные, термомагнитные, ферриты СВЧ и др. (детальная классификация приведена в книге “Материалы электронной техники” В. В. Пасынкова и В. С. Сорокина).

4.13. Основные параметры магнитотвердых материалов

Для характеристики магнитотвердых материалов обычно используют ту часть кривой гистерезиса, которая лежит во втором квадранте, а в первом изображают изменение удельной магнитной энергии от индукции, как показано на рис. 4.1.13.

рис. 4.1.13

Магнитная энергия в воздушном зазоре постоянного магнита будет максимальна при некоторых значениях Нд и Вд. Условие

W=B_DH_D/2=Wмax, ДЖ/М³

определяет наилучшее использование магнита, и является важнейшим параметром, характеризующим качество материала. Множитель 1/2 иногда опускается.

Коэффициент выпуклости в=(ВН)мах/(ВсНс) характеризует форму кривой размагничивания — степень прямоугольности.

Для магнитотвердых материалов, используемых в различных областях

современной техники Hc=5·10³—5·10⁶А/м, (ВН/2)тах=0,5—200 кДж/м³,

(ВН)мах=1—400кДж/м³