Низкочастотные магнитные материалы

Введение

Магнитные материалы — это материалы, которые вступают во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также в других физических явлениях (изменение температуры, проводимости, физических размеров, возникновение электрического потенциала и т. д.)[1]. Следовательно, к магнетикам относятся почти все вещества, т.к. ни у какого из них магнитная восприимчивость не равняется нулю. Большинство магнитных материалов относится к группе ферромагнетиков и делятся на две группы: магнитотвердые и магнитомягкие материалы. В то же время благодаря успешной работе исследователей, изучающих магнетизм, и развитию больших научных работ в области изучения магнитных материалов, появляются новые магнитные материалы, такие как магнитострикционные, магнитооптические материалы и термомагнитные материалы.
Магнитомягкие материалы (или низкочастотные) применяются для получения больших значений магнитного потока. О них и пойдет речь в настоящей работе.
Цель работы: изучение низкочастотных магнитных материалов, описание их свойств и видов, а также современных областей применения.
Актуальность работы: данная группа материалов широко используется настоящее время. К примеру, они необходимы при изготовлении магнитопроводов различных приборов. Подробнее области применения будут раскрыты в работе.


Низкочастотные магнитные материалы: понятие и свойства
Магнитомягкие материалы – материалы, обладающие высокой магнитной проницаемостью, большой индукцией насыщения, малыми потерями на перемагничивание. После механической обработки магнитные свойства восстанавливают термообработкой. В некоторых областях применения важными являются температурная и временная стабильность и линейность кривой намагничивания[2].
Диапазон рабочих частот для различных магнитомягких материалов определяется в значительной степени величиной их удельного сопротивления. Чем его значение больше, тем на более высоких частотах его можно применять. В области радиочастот применяют магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением того же порядка, что у полупроводников и диэлектриков.
В постоянных и низкочастотных магнитных полях применяют металлические магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением порядка 107 Ом·м; их называют низкочастотными.
Существуют общие требования, предъявляемые к низкочастотным магнитным материалам:
-высокая индукция насыщения (BS ≈1 Тл);
- относительно невысокие потери на перемагничивание при работе в переменных электромагнитных полях и достаточно высокое электросопротивление (ρ≈0,6×10-6 Ом·м);
- высокая пластичность, позволяющая осуществлять механическую обработку, и малая зависимость магнитных свойств от механических напряжений, возникающих при деформировании листовых ферромагнитных материалов;
- важным требованием к магнитомягким материалам является обеспечение стабильности их свойств, как во времени, так 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 (особенно в слабых полях) и коэрцитивная сила.
Свойства магнитомягких материалов. Намагничиваются в слабых полях (H≤5·104 A/м), имеют большие значения магнитной проницаемости (μнач ~ 102…105, μmax~ 103…106) и малые потери на перемагничивание. Магнитная проницаемость — это отношение величины индукции В к соответствующему значению напряженности магнитного поля Н в данной точке основной кривой намагничивания (рис. 1). Кривой намагничивания называется зависимость намагниченности от величины приложенного магнитного поля. На рис. 1 показана такая зависимость для технически чистого железа. 

Рис. 1. Зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н (основная кривая намагничивания) технически чистого железа (99,92% Fe)
Существует зависимость магнитной проницаемости от температуры (рис

. 2).

Рис. 2. Зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от температуры
Магнитную проницаемость н при Н0 называют начальной, определяя ее величину при очень слабых полях—порядка 0,1 А/м. Наибольшее значение магнитной проницаемости называют максимальной магнитной проницаемостью mах. При сильных полях в области насыщения магнитная проницаемость стремится к единице.
Магнитные материалы обладают большой индукцией насыщения, т.е. пропускают максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. Благодаря такому свойству можно уменьшить габаритные размеры и массу магнитной системы. График зависимости магнитной индукции от напряжённости магнитного поля показан на рис. 3.

Рис. 3. Зависимости магнитной индукции от напряжённости магнитного поля
Индукция насыщения – точка, в которой все домены ориентированы по полю. Её величина показывает, какой магнитный поток может протекать через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. Чем больше B, тем больше магнитный поток и тем меньше геометрические размеры магнитной системы. Наличие петли гистерезиса определяет величину потерь энергии при перемагничивании. Таким образом, магнитомягкие материалы – материалы, способные пропускать большой магнитный поток через малую площадь с относительно небольшими потерями при перемагничивании.


Виды низкочастотных магнитных материалов
Низкочастотные магнитные материалы предназначены для работы в различных полях: в постоянном и низкочастотном магнитных полях. Их классификация представлена на рис. 3.

Рис. 3. Классификация низкочастотных магнитомягких материалов
К низкочастотным магнитным материалам относятся: сталь низкоуглеродистая электротехническая нелегированная, железо, кремнистая электротехническая сталь, пермаллои, альсиферы[2]. Эти материалы обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Их основные свойства представлены в таблице 1.
Таблица 1. Свойства низкочастотных магнитных материалов
Название Магнитная проницаемость, mнач
Магнитная проницаемость, mmax
Коэрцитивная сила, НС, А/м Индукция насыщения, Bs, Тл Удельное сопротивлениеr, мкОм·м
Техническое железо 250-400 3500-4500 50–100 2,2 0,1
Электролитическое железо 600 15000 30 2,2 0,1
Карбонильное железо 2000-3000 20000-21500 6,4 2,2 0,1
Электротехническая сталь 200–600 3000-8000 10–65 2,0 0,2–0,6
Низконикелевый пермаллой 1500-4000 15000-60000 1,8 0,65-1,05 0,8
Железо и низкоуглеродистые стали. Основным компонентом большинства магнитных материалов является железо. Железо – магнитомягкий материал, магнитные свойства которого существенно зависят от содержания примесей. Электролитическое железо получают с помощью электролиза раствора сернокислого или хлористого железа, при этом анодом является чистое железо, а катодом – пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина слоя 4 – 6 мм) после тщательной промывки снимают и измельчают в порошок в шаровых мельницах; подвергают вакуумному отжигу или переплавляют в вакууме. Карбонильное железо получают термическим разложением пентакарбонила железа, который представляет собой продукт воздействия оксида углерода на железо при температуре около 200°С и давлении 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид тонкого порошка, что делает его удобным для изготовления прессованных магнитных сердечников. В нем нет кремния, фосфора и серы, но содержится углерод. Технически чистое железо содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его магнитные свойства