Файл: Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ.pdf

является суммой векторов орбитальных и собственных (спиновых) моментов электронов. При наложении внешнего магнитного поля векторы ориентируются вдоль поля. Орбитальный момент при этом уменьшается, так как в атоме индуцируется добавочный момент, направленный против поля,

— диамагнитный эффект. Наличие некомпенсированных спинов электронов, наоборот, усиливает намагниченность атома — парамагнитный эффект. В твердых телах атомы сближены настолько, что происходит перекрытие энергетических зон электронов; атомы обмениваются электронами и в результате преобладает тот или иной эффект.

Диамагнетиками называют кристаллы, в которых преобладает диамагнитный эффект. Это металлы Сu, Ag, Аu, Be, Zn, полупроводники Ge и Si, сверхпроводники. Они слабо намагничиваются в направлении, противоположном направлению магнитного поля.

Парамагнетиками называют кристаллы, в которых преобладает парамагнитный эффект. Это Pt, Al, Mg, Ti, Zr и тугоплавкие металлы. Они намагничиваются также слабо, но в направлении намагничивающего поля.

Особую группу составляют ферромагнетики, обладающие большим собственным магнитным полем и способные создавать при намагничивании большие магнитные поля. Ими являются металлы Fe, Ni, Со, многие редкоземельные металлы, а также химические соединения в сплавах. Ферромагнетизм — результат обменного взаимодействия электронов недостроенных подуровней соседних атомов, перекрывающихся при образовании кристаллов. При этом электрон атома может временно находиться вблизи ядра соседнего атома. Такое взаимодействие приводит к изменению энергетического состояния, и его оценивают обменной энергией. При положительном значении этой энергии более выгодным у атомов кристалла становится параллельная ориентация спиновых магнитных моментов; при отрицательном — антипараллельная. Значение и знак обменной энергии зависят от отношения периметра кристаллической решетки а к диаметру d незаполненного электронного подуровня. Согласно квантовой теории все основные свойства ферромагнетиков обусловлены доменной структурой их кристаллов.

МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Магнитомягкие материалы намагничиваются в слабых магнитных полях (H ≤ 5 • 10 4 А/м) вследствие большой магнитной проницаемости ( µ,H ≤ 70 ·103 и µ,max ≤ 240 • 10 3) и малых потерь на перемагничивание.

Такие материалы применяют для изготовления сердечников катушек, электромагнитов, трансформаторов, динамомашин.

При перемагничивании ферромагнетиков в магнитном поле возникает несколько видов энергетических потерь. Потери на гистерезис или перемагничивание для магнитомягких материалов невелики, в отличие от тепловых удельных потерь, связанных с возникновением токов Фуко.

При заданной напряженности магнитного поля H тепловые потери

растут пропорционально квадратам амплитуды магнитной продукции Вт, частоты магнитного поля f, толщины сердечника d и обратно пропорционально удельному электрическому сопротивлению ρ.

В переменных полях появляется еще один вид потерь, как результат сдвига по фазе индукции В и напряженности поля H. В таком поле магнитная проницаемость выражается комплексным числом

Потери энергии характеризует tgδ = µ2/ µ1. С ростом частоты поля µ1 снижается интенсивнее, чем растет µ2.

Тепловые потери и значение tgδ определяют допустимые рабочие частоты, поэтому магнитомягкие материалы подразделяют на низко- и высокочастотные.

НИЗКОЧАСТОТНЫЕ МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Низкочастотные магнитомягкие материалы в свою очередь подразделяют на низкочастотные с высокой индукцией насыщения Bs и низкочастотные с высокой магнитной проницаемостью µ (начальной µ н и максимальной µmax ).

Материалы с высокой индукцией насыщения

К этим материалам прежде всего относят железо, нелегированные и легированные электротехнические стали. Благодаря большой магнитной индукции (Bs < 2,15 Тл), малой коэрцитивной силе (Нс < 100 А/м), достаточно высокой магнитной проницаемости (µ,max ≤ 63 • 10 3) и хорошей технологичности их применяют в электротехнике для магнитных полей напряженностью от 102 до 5 • 10 4 А/м.

Карбонильное и электролитическое железо из-за сложной технологии используют только в изделиях небольших размеров.

Нелегированные электротехнические стали изготовляют теми же металлургическими способами, что и технически чистое железо; содержание углерода и примесей в них допускается в тех же количествах. Электротехнические стали поставляют с гарантированными магнитными свойствами для электротехнической промышленности. Промышленность выпускает стали различного сортамента, в том числе тонкий лист (табл. 16.2).

Первая цифра в марке стали указывает способ изготовления: 1 — горячекатаная сталь, 2 — холоднокатаная изотропная; вторая — тип по содержанию кремния (0 - < 0,03 %); третья — определяет основное свойство, которое гарантирует завод-изготовитель, например, цифра 8 обозначает коэрцитивную силу #с, а две последние цифры — значение Нс (в А/м).

Нелегированную сталь применяют в электротехнической промышленности. Однако низкое удельное электрическое сопротивление (р < < 0,1 мкОм • м) увеличивает тепловые потери при перемагничивании, а это ограничивает ее применение устройствами с постоянным магнитным полем.

Магнитные свойства легированной электротехнической стали приведены в табл. 16.3.

Первая цифра в марке определяет вид проката и структуру: 1 — горячекатаная изотропная, 2 — холоднокатаная изотропная, 3 — холоднокатаная анизотропная с кристаллографической текстурой направления

[100]; вторая — процентное содержание Si: 0- < 0,4%, 1 - 0,4 - 0,8 %, 2- > 0,8- 1,8 %,3- > 1,8-2,8 %,4- > 2,8-3,8 %, 5-3,8-4,8 %; третья — потери на гистерезис и тепловые потери при определенном значении В и f (например, 1

—удельные потери при В — 1,5 Тл и / < 50 Гц p1.5/50)); четвертая — тип стали и уровень основной нормируемой характеристики: 1 — нормальный; 2

—повышенный; 3 — высокий и т.д.

Стальную продукцию изготовляют с защищенной и незащищенной покрытиями поверхностью. Термостойкие покрытия обозначают буквой Т, нетермостойкие — буквой Н. Дополнительно ставится буква Ш, если сталь улучшенной штампуемости. В состоянии поставки стальная продукция разделяется на отожженную и неотожженную (полуготовую). Детали магнитных систем из полуготовой стали отжигают после штамповки и вырубки, при этом снимается краевой наклеп и магнитные характеристики улучшаются. Основную массу продукции (~ 95 %) составляет тонколистовая сталь, используемая при промышленной частоте 50 Гц. Доля тончайшей (0,05 - 0,15 мм) анизотропной стали составляет ~ 1 %.

Качество электротехнических сталей характеризуется не только магнитными и механическими свойствами, но также точностью листов, лент и свойствами электроизоляционных покрытий.

Согласно ГОСТ 12119.0-98 магнитные свойства сталей характеризуются потерями на перемагничивание, магнитной индукцией при определенной напряженности магнитного поля, коэрцитивной силой, анизотропией

(для холоднокатаной изотропной стали) и допустимым их изменением в процессе эксплуатации (из-за старения).

Материалы с высокой магнитной проницаемостью

Для достижения больших значений индукций в очень слабых магнитных полях (H < 102 А/м) применяют сплавы, отличающиеся большой начальной проницаемостью. Это сплавы систем Fe - Ni (пермаллои), Fe - Со, Fe - А1 (альсиферы).

Для маркировки магнитомягких сплавов используют буквенно-циф- ровую систему. Буквами обозначают элементы так, как это принято для маркировки сталей. Дополнительно введены обозначения железа — Ж, рения

— И, бериллия — Л, редкоземельных металлов — Ч. Марка сплава содержит число, указывающее среднее содержание в процентах основного элемента (кроме железа), и букву, обозначающую этот элемент. В отличие от сталей, массовые доли других легирующих элементов, как правило, не указывают, а приводят лишь их буквенные обозначения. В конце марки могут стоять буквы А или П, обозначающие повышенное качество сплава и прямоугольность петли гистерезиса соответственно. Например: 79НМ — пермаллой, содержащий 79 % Ni, легированный молибденом; 8Ю — железоалюминиевый сплав, содержащий 8 % А1; 50НП — пермаллой, содержащий 50 % Ni и имеющий прямоугольную петлю гистерезиса.

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Общая характеристика ферритов

К этой группе материалов относятся ферриты. Они представляют собой магнитную керамику, получаемую спеканием оксида железа с оксидами других металлов. Характерная особенность свойств ферритов — высокое, как у полупроводников, удельное электрическое сопротивление (103 - 1011 Ом • м). Вследствие низкой (в 108 - 1014 раз меньшей, чем у металлических ферромагнетиков) электропроводности потери на вихревые токи у ферритов минимальны, что обусловило их широкое применение в технике высоких и сверхвысоких частот. По магнитным свойствам ферриты уступают металлическим ферромагнетикам и не могут с ними конкурировать в области низких частот. Ферриты имеют невысокую индукцию насыщения (Bs < 0,4 Тл), относительно большую коэрцитивную силу (Нс < 180 А/и) и невысокую температуру точки Кюри (θ < 300 ° С), что ограничивает их рабочую температуру и ухудшает температурную стабильность свойств. Ферриты — твердые и хрупкие материалы, обрабатывать которые можно только алмазным инструментом.

МАГНИТОТВЕРДЫЕ ЛИТЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Сплав системы Fe - Ni - А1 содержат 12 - 35 % Ni и 6,5 - 16 % Al.

Применяют сплавы, дополнительно легированные Сu, Со, Ti, Nb. Все они улучшают магнитные свойства, а медь снижает разброс их значений при