Магнитные свойства конструкционных материалов РЭА

1. Терминология

Плотность магнитного потока, или магнитная индукция, В — это величина потока, проходящего через единицу площади; мерой его служит плотность магнитных силовых линий. Напряженность магнитного поля H — это подведенная к системе энергия, которая создает магнитный поток. Её определяют как

H=NI/L

где N — число витков соленоида, по которому проходит ток I, и L — длина пути магнитного потока, созданного в соленоиде. В вакууме

В = μoH,

где μo — магнитная проницаемость свободного пространства (вакуума), или магнитная постоянная. Она имеет значение 4π·10-7 Гн/м. Когда какой-либо материал находится на пути потока,

В = μrμoH,

где μr — относительная магнитная проницаемость среды. Относительная магнитная проницаемость, таким образом, определяет, во сколько раз увеличится плотность магнитного потока в материале по сравнению с магнитным потоком в вакууме. Для большинства немагнитных материалов μr не зависит от Н и равна примерно 1. Произведение μrμo называется абсолютной магнитной проницаемостью и и измеряется в Гн/м. У разных материалов под действием внешнего магнитного поля магнитный момент атомов, их составляющих, является суммой векторов орбитальных и собственных (спиновых) моментов электронов. Когда накладывается внешнее магнитное поле, они по-разному ориентируются вдоль поля. Существуют вещества с диамагнитным эффектом — диамагнетики, у которых в атомах индуцируется магнитный момент, направленный против поля. В парамагнитных веществах — парамагнетиках, некомпенсированные спины электронов, наоборот, усиливают намагниченность атомов и возникает парамагнитный эффект. Ферромагнетики обладают большим собственным магнитным полем и при намагничивании способны создавать большие магнитные поля. В отсутствии внешнего магнитного поля каждый домен (область кристалла размером 10-4-10-6 м, где магнитные моменты атомов ориентированы параллельно определенному кристаллографическому направлению) намагничен до насыщения, но магнитные моменты отдельных доменов направлены хаотично и полный магнитный момент ферромагнетика равен 0. Имеются также антиферромагнетики, у которых магнитные моменты ориентируются антипараллельно, результирующий момент также равен 0. Когда магнитные моменты нескомпенсированы, возникает результирующий магнитный момент, а материал с таким эффектом называется ферромагнетиком. Диамагнитные материалы имеют относительную магнитную проницаемость немного меньше 1, у парамагнитных материалов она немного больше 1, а у ферромагнитных и ферримагнитных (так обозначаются намагничиваемые материалы) она значительно больше 1. Ферромагнитные материалы — это металлы, а ферримагнитные материалы — керамики. Для намагничиваемых материалов относительная магнитная проницаемость зависит от материала и в основном не одинакова для разных значений Н. Отсюда следует, что зависимость В от Н т.е. кривая намагничивания, не является прямолинейной, а похожа на ту, что показана на рисунке 1 для литейной стали.

Зависимость B-H для литейной стали

Рисунок 1 - Зависимость B-H для холоднокатаных изотропных сталей

1 - марки 2421 (кремния 2,8-3,8 %) (ГОСТ 21427.2-83); 2 - марки 2011 (кремния до 0,5 %) (ГОСТ 21427.2-83)

На рисунке 2 показано, как изменяется магнитная индукция В в намагничиваемом материале, начиная с напряженности магнитного поля Н = 0. При увеличении Н магнитная индукция В возрастает и достигает максимального значения Bмакс. Далее, когда Н уменьшается и становится равной 0, В также уменьшается до некоторой величины, называемой остаточной индукцией. При дальнейшем изменении Н в отрицательном направлении оси магнитная индукция В становится равной 0, при этом Н≠0 и определяется величиной, называемой коэрцитивной силой. Следуя за изменениями отрицательных значений Н, получаем отрицательный максимум магнитной индукции В. Затем Н начинает возрастать, проходя через 0. С увеличением Н магнитная индукция В увеличивается, проходит через 0 и достигает величины Bмакс. Таким образом, при перемагничивании от +HS до -HS и обратно кривые не совпадают, и мы получаем В—H-петлю, показанную на рисунке 2. Она называется петлей гистерезиса. Площадь, заключенная внутри петли, равна энергии, рассеянной в единице объема в намагничиваемом материале за один цикл перемагничивания. Она определяет потери на гистерезис или перемагничивание.

Петля гистерезиса

Рисунок 2 - Петля гистерезиса

Термин «магнитомягкий» применяется для таких магнитных материалов, которые обладают низкой коэрцитивной силой, большой магнитной проницаемостью μmax < 240·103 Гн/м, для их намагничивания или размагничивания требуется слабое магнитное поле, они имеют малую остаточную намагничиваемость. Следовательно, сохраняется лишь незначительный магнитный поток в отсутствие намагничивающего поля и под петлей гистерезиса заключена маленькая площадь, так что за один цикл намагничивания теряется малая энергия. Магнитомягкие материалы употребляются для таких деталей, как сердечники трансформаторов, электромагнитов, катушек и т.д. и, таким образом, эксплуатируются в условиях циклического режима. Термин «магнитотвердый» используется для магнитных материалов, имеющих высокую остаточную намагничиваемость, поэтому в отсутствие магнитного поля у них сохраняется высокий суммарный магнитный поток, высокая коэрцитивная сила. Вот почему этот материал трудно размагнитить, и площадь, заключенная под петлей гистерезиса, велика, а следовательно, для размагничивания необходима большая суммарная энергия. Магнитная проницаемость магнитомягких материалов составляет обычно лишь часть максимального значения относительной магнитной проницаемости. Это максимальный градиент линии, которую можно провести к кривой намагничивания. У магнитотвердых материалов, применяемых для постоянных магнитов, нет обычного цикла замкнутой петли гистерезиса при периодических магнитных полях. О пригодности материала для постоянного магнита судят по максимальной величине произведения ВН. Подходят только магнитожесткие материалы. Наилучшими характеристиками обладают соединения кобальта с редкоземельными элементами (самарием, празеодимом, иттрием).