Классификация веществ по магнитным свойствам

 Таким образом, во всех случаях фазовых переходов II рода (типа точки Кюри) при T = Q в веществе происходит исчезновение того или иного вида атомного «порядка» (упорядоченной ориентации магнитных или электрических моментов, дальнего порядка в распределении атомов по узлам кристаллической решётки в сплавах и т. п.). Вблизи точки Кюри в веществе происходят специфические изменения многих физических свойств (например, теплоёмкости, магнитной восприимчивости и др.), достигающие максимума при T = Q, что обычно и используется для точного определения температуры фазового перехода. 

 Магнитные поля отдельных областей не обнаруживаются во внешнем пространстве, т.к. все они намагничены в разных направлениях. Интенсивность самопроизвольного намагничивания доменов J зависит от температуры и при абсолютном нуле равна интенсивности полного насыщения. Тепловое движение разрушает упорядоченную структуру и при некоторой температуре q , характерной для данного вещества, упорядоченное расположение полностью разрушается. Эта температура называется точкой Кюри. Выше точки Кюри вещество обладает свойствами парамагнетика. 
 
 
 

Магнитодиэлектрики 

  Магнитодиэлектрики, магнитные материалы, представляющие собой связанную в единый конгломерат смесь ферромагнитного порошка и связки — диэлектрика (например, бакелита, полистирола, резины); в макрообъёмах обладают высоким электрическим сопротивлением, зависящим от количества и типа связки. Магнитодиэлектрики могут быть как магнитно-твёрдыми материалами, так и магнитно-мягкими материалами. Магнитно-мягкие магнитодиэлектрики вырабатывают в основном из тонких порошков карбонильного железа, молибденового пермаллоя и альсифера с различной связкой. Магнитно-мягкие магнитодиэлектрики применяют для изготовления сердечников катушек индуктивности, фильтров, дросселей, радиотехнических броневых сердечников, работающих при частотах 104—108 гц. 

  Магнитно-твёрдые  магнитодиэлектрики. изготовляют на основе порошков из ални сплавов, Fe — Ni — Al — Со сплавов (альнико), ферритов. Коэрцитивная сила этих магнитодиэлектрики ниже, чем массивных материалов, на несколько десятков %, а остаточная индукция меньше почти в 2 раза. Однако они всё больше применяются в телефонии и приборостроении (постоянные магниты, эластичные герметизаторы для разъёмных соединений и др.).

магнитодиэлектрик – диэлектрик с частицами магниттвердого материала,  его  наносят например на ленту  для записи информации. 
 

Магнитный гистерезис 
 

 Магнитный гистерезис — явление зависимости вектора намагничивания и вектора напряженности магнитного поля в веществе не только от приложенного внешнего поля, но и от предыстории данного образца. Магнитный гистерезис обычно проявляется в ферромагнетиках — Fe, Co, Ni и сплавах на их основе. Именно магнитным гистерезисом объясняется существование постоянных магнитов. 

 Явление магнитного гистерезиса наблюдается не только при изменении поля H по величине и знаку, но также и при его вращении (гистерезис магнитного вращения), что соответствует отставанию (задержке) в изменении направления M с изменением направления H. Гистерезис магнитного вращения возникает также при вращении образца относительно фиксированного направления H. 

 Теория явления гистерезиса учитывает конкретную магнитную доменную структуру образца и её изменения в ходе намагничивания и перемагничивания. Эти изменения обусловлены смещением доменных границ и ростом одних доменов за счёт других, а также вращением вектора намагниченности в доменах под действием внешнего магнитного поля. Всё, что задерживает эти процессы и способствует попаданию магнетиков в метастабильные состояния, может служить причиной магнитного гистерезиса.

В однодоменных ферромагнитных частицах (в частицах малых размеров, в которых образование доменов энергетически невыгодно) могут идти только процессы вращения M. Этим процессам препятствует магнитная анизотропия различного происхождения (анизотропия самого кристалла, анизотропия формы частиц и анизотропия упругих напряжений). Благодаря анизотропии, M как бы удерживается некоторым внутренним полем HA (эффективным полем магнитной анизотропии) вдоль одной из осей лёгкого намагничивания, соответствующей минимуму энергии. Магнитный гистерезис возникает из-за того, что два направления M (по и против) этой оси в магнитоодноосном образце или несколько эквивалентных (по энергии) направлений М в магнитомногоосном образце соответствуют состояниям, отделённым друг от друга потенциальным барьером (пропорциональным HA). При перемагничивании однодоменных частиц вектор M рядом последовательных необратимых скачков поворачивается в направлении H, Такие повороты могут происходить как однородно, так и неоднородно по объёму. При однородном вращении M коэрцитивная сила . Более универсальным является механизм неоднородного вращения M. Однако наибольшее влияние на Hc он оказывает в случае, когда основную роль играет анизотропия формы частиц. При этом Hc может быть существенно меньше эффективного поля анизотропии формы. 

Петля гистерезиса для  триггера Шмитта имеет прямоугольный вид.  

Пермаллои 

 Пермаллой  — сплав железа и никеля (45—82 % Ni). Может быть дополнительно  легирован несколькими другими  компонентами. Сплав обладает высокой  магнитной проницаемостью, малой  коэрцитивной силой, почти нулевой магнитострикцией и значительным магниторезистивным эффектом. Благодаря низкой магнитострикции сплав применяется в прецизионных магнито-механических устройствах и других устройствах, где требуется стабильность размеров в меняющемся магнитном поле. Электрическое сопротивление пермаллоя меняется обычно в пределе 5 % в зависимости от силы и направления действующего магнитного поля. 

Пермаллой используется для изготовления трансформаторных пластинок, для элементов магнитных  записывающих головок. Первоначально, пермаллой использовался для уменьшения искажения сигнала в телекоммуникационных кабелях как компенсатор их распределённой ёмкости. 
 

Высоконикелевые и низконикилевые пермолои 

 Различают две основные группы пермаллоев: низконикелевые (40-50% Ni; типичный представитель — перменорм) и высоконикелевые (70-83% Ni). Термическая обработка высоконикелевых пермаллоев сложнее, чем низконикелевых.

Индукция насыщения  высоконикелевых пермаллоев почти  в два раза ниже, чем у электротехнической стали, и в полтора раза ниже, чем у низконикелевых пермаллоев. Магнитные проницаемости высоконикелевых пермаллоев в несколько раз выше, чем у низконикелевых и намного превосходит проницаемости электротехнических сталей. Удельное сопротивление высоконикелевых пермаллоев почти в три раза меньше, чем у низконикелевых, поэтому при повышенных частотах предпочтительнее использовать низконикелевые пермаллои. Для достижения высокой m и низкой Hc высоконикелевые пермаллои подвергают резкому охлаждению. Магнитная проницаемость пермаллоев сильно снижается с увеличением частоты, причем тем резче, чем больше ее первоначальное значение. Это объясняется возникновением в материале заметных вихревых токов из-за небольшого удельного сопротивления.

 Для придания сплавам необходимых свойств в состав пермаллоев вводят рад добавок. Молибден и хром повышает удельное сопротивление и начальную магнитную проницаемость пермаллоев и уменьшают чувствительность к механическим деформациям. Однако одновременно с этим снижается индукция насыщения. Медь увеличивает постоянство m в узких интервалах напряженности магнитного поля, повышает термостабильность и удельное сопротивление, а также делает сплав легко поддающимся механической обработке. Кремний и марганец увеличивают удельное сопротивление пермаллоев. Высоконикелевые пермаллои для уменьшения скорости охлаждения и повышения электросопротивления обычно легируют Mo, Cr, Cu, Si и др. элементами. Типичный представитель высоконикелевых пермаллоев — молибденовый пермаллой — содержит примерно 79% Ni, 17% Fe, 4% Mo и характеризуется начальной 22000, максимальной mmax 150000, HC 0,012 А/см, точкой Кюри 400оС.

Сплав супермаллой (англ. super — превосходный), содержащий примерно 79% Ni, 16% Fe, 5% Mo обладает очень  высокими магнитными свойствами в слабых полях.

 Благодаря применению чистейших шихтовых материалов и особой тщательности в проведении термической обработки в супермаллое достигается наивысшая среди известных магнитно-мягких материалов начальной m: 100000, mmax 1000000.

Сплавы типа пермаллой производятся в основном в виде лент толщиной 0,003-0,5 мм; используются в радиотехнике, технике связи и других областях применения слабых токов. Вследствие различия свойств низконикелевые и высоконикелевые пермаллои имеют несколько различные применения.

 Низконикелевые сплавы применяются для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при повышенных индукциях без домагничивания или с небольшим подмагничиванием. Высоконикелевые сплавы используют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов, сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и бесконтактных реле. Практическое применение в ряде устройств автоматики и вычислительной техники получили также пермаллои. с 65-68% Ni (как правило, легированные 2-3% Mo), характеризующиеся прямоугольной петлей гистерезиса. 

Электротехническая сталь. Влияние кремния на ее свойства 

 Электротехническая сталь — это тонколистовая магнитно-мягкая сталь с особыми свойствами, используемая для изготовления сердечников электротехнического оборудования (трансформаторов, генераторов, электродвигателей, дросселей, стабилизаторов, реле и т.д.). В зависимости от требуемого уровня магнитных свойств электротехническая сталь содержит различное количество кремния. 

В соответствии с технологией производства электротехническую сталь подразделяют на холоднокатаную и горячекатаную. Иногда электротехническую сталь условно разделяют на динамную и трансформаторную. 

 Листовая электротехническая сталь является сплавом железа с кремнием, содержание которого в различных марках колеблется от 0,8 до 4,8%. Дальнейшее увеличение процента кремния (свыше 5%) делает сталь очень твердой, хрупкой и практически непригодной для штамповки.

Легирование стали  кремнием повышает удельное сопротивление (уменьшает потери на вихревые токи). Введение в состав стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, раскисляет сталь, что, в свою очередь, приводит к увеличению начальной магнитной проницаемости и уменьшению коэрцитивной силы.

Листовая электротехническая сталь в соответствии с ГОСТ 802—58 выпускается следующих марок: Э11, Э12, Э13, Э21, Э22...

Первая цифра  марки обозначает процент кремния  в стали (с округлением). Чем больше первая цифра в марке, тем больше удельное сопротивление, тем жестче сталь.

Часто группы сталей с первыми цифрами 1 и 2 (Э1, Э2) называют динамными сталями, а третью и  четвертую группы (ЭЗ, Э4)—трансформаторными. Вторая цифра марки характеризует  сталь в отношении электрических  и магнитных свойств. Так, при вторых цифрах 1, 2, 3 гарантируются определенные потери при частоте 50 гц и магнитная индукция в средних и сильных полях. Вторая цифра 4 свидетельствует, что в этой стали нормируются потери при частоте 400 гц и магнитная индукция в полях средней напряженности.

Стали со вторыми  цифрами 5 и 6 предназначены для работы в слабых полях порядка 0,002 до 0,01 э, в них гарантируется начальная  магнитная проницаемость. Цифры 7 и 8 указывают, что для этих марок  стали определяющим параметром является магнитная проницаемость в полях средней напряженности (от 0,03 до 1,2 э). Буква А в марке обозначает, что сталь имеет особенно низкие потери (для данной марки).

Электротехническая  сталь выплавляется в мартеновских печах. Листы изготовляют путем  прокатки стального слитка в горячем или холодном состоянии. Холоднокатаная листовая сталь в слабых полях имеет более высокую магнитную проницаемость, чем горячекатаная. 

Магнитотвердые  материалы

Магнитотвердые материалы - – материалы, характеризующиеся большой коэрцитивной силой и остаточной индукцией. Используются для изготовления постоянных магнитов различного назначения.

К ним относятся: углеродистые, вольфрамовые, хромистые, кобальтовые стали, коэрцитивная сила которых равна 5000...13000 А/м, а остаточная индукция – 0,7...1,0 Т.

Обладают ковкостью, поддаются прокатке и механической обработке.

Магнитотвердыми материалами являются также сплавы с различным содержанием железа, алюминия, никеля, кремния, кобальта.

Они называются альни, альниси, альнико, магнико и  др.

Обладают прекрасными  магнитными свойствами. Их коэрцитивная сила равна 20000...60000 А/м, а остаточная индукция – 0,2...2,25 Т.

Магниты из этих сплавов изготавливаются отливкой и обрабатываются только шлифованием. Для получения высокой коэрцитивной силы в магнитных материалах кроме выбора химического состава используют технологии, оптимизирующие кристаллическую структуру и затрудняющие процесс перемагничивания. Это закалка сталей на мартенсит, дисперсионное твердение сплавов, создание высоких внутренних механических напряжений и др. В результате затрудняются процессы смещения доменных границ. У высококоэрцитивных сплавов магнитная текстура создается путем их охлаждения в сильном магнитном поле.