Klasyfikacja i podstawowe charakterystyki materiałów magnetycznych

Wszystkie substancje w przyrodzie są magnetyczne w tym sensie, że mają pewne właściwości magnetyczne i oddziałują w określony sposób z zewnętrznym polem magnetycznym.

Materiały stosowane w technologii nazywane są magnetycznymi, ze względu na ich właściwości magnetyczne. Właściwości magnetyczne substancji zależą od właściwości magnetycznych mikrocząstek, struktury atomów i cząsteczek.

Klasyfikacja materiałów magnetycznych

Materiały magnetyczne dzielą się na słabo magnetyczne i silnie magnetyczne.

Do słabo magnetycznych należą diamagnetyki i paramagnesy.

Silne magnesy - ferromagnesy, które z kolei mogą być magnetycznie miękkie i magnetycznie twarde. Formalnie różnicę właściwości magnetycznych materiałów można scharakteryzować względną przenikalnością magnetyczną.

Diamagnesy odnoszą się do materiałów, których atomy (jony) nie mają wypadkowego momentu magnetycznego. Zewnętrznie diamagnetyki objawiają się odpychaniem przez pole magnetyczne. Należą do nich cynk, miedź, złoto, rtęć i inne materiały.

Paramagnesy nazywane są materiałami, których atomy (jony) powodują powstanie momentu magnetycznego niezależnego od zewnętrznego pola magnetycznego. Zewnętrznie paramagnesy manifestują się poprzez przyciąganie niejednorodne pole magnetyczne… Należą do nich aluminium, platyna, nikiel i inne materiały.

Ferromagnesy nazywane są materiałami, w których ich własne (wewnętrzne) pole magnetyczne może być setki i tysiące razy większe niż zewnętrzne pole magnetyczne, które je wywołało.

Każde ciało ferromagnetyczne jest podzielone na regiony — małe obszary spontanicznego (spontanicznego) namagnesowania. W przypadku braku zewnętrznego pola magnetycznego kierunki wektorów magnesujących różnych regionów nie pokrywają się, a wynikowe namagnesowanie całego ciała może wynosić zero.

Istnieją trzy rodzaje procesów magnesowania ferromagnetycznego:

1. Proces odwracalnego przemieszczania domen magnetycznych. W tym przypadku następuje przesunięcie granic regionów zorientowanych najbliżej kierunku pola zewnętrznego. Po usunięciu pola domeny przesuwają się w przeciwnym kierunku. Obszar odwracalnego przesunięcia domeny znajduje się w początkowej części krzywej namagnesowania.

2. Proces nieodwracalnego przemieszczania się domen magnetycznych. W tym przypadku przesunięcie granic między domenami magnetycznymi nie jest usuwane wraz ze spadkiem pola magnetycznego. Pozycje początkowe domen można uzyskać w procesie odwracania magnetyzacji.

Nieodwracalne przesunięcie granic domen prowadzi do pojawienia się histereza magnetyczna — opóźnienie indukcji magnetycznej od siła pola.

3. Procesy rotacji domen. W tym przypadku zakończenie procesów przemieszczania granic domen prowadzi do technicznego nasycenia materiału.W obszarze nasycenia wszystkie regiony obracają się w kierunku pola. Pętla histerezy, która dociera do obszaru nasycenia, nazywana jest granicą.

Obwód histerezy granicznej ma następujące charakterystyki: Bmax — indukcja nasycenia; Br — indukcja szczątkowa; Hc — siła opóźniająca (przymusowa).

Materiały o niskich wartościach Hc (wąski cykl histerezy) i wysokich przenikalność magnetyczna nazywane są miękkim magnesem.

Materiały o wysokich wartościach Hc (szeroka pętla histerezy) i niskiej przenikalności magnetycznej nazywane są materiałami magnetycznie twardymi.

Podczas magnesowania ferromagnesu w zmiennym polu magnetycznym zawsze obserwuje się straty energii cieplnej, czyli nagrzewanie się materiału. Straty te wynikają z histerezy i straty prądów wirowych… Strata histerezy jest proporcjonalna do powierzchni pętli histerezy. Straty prądów wirowych zależą od rezystancji elektrycznej ferromagnesu. Im wyższy opór, tym mniejsze straty prądów wirowych.

Materiały magnetycznie miękkie i magnetycznie twarde

Miękkie materiały magnetyczne obejmują:

1. Technicznie czyste żelazo (elektryczna stal niskowęglowa).

2. Elektrotechniczne stale krzemowe.

3. Stopy żelazowo-niklowe i żelazowo-kobaltowe.

4. Miękkie ferryty magnetyczne.

Właściwości magnetyczne stali niskowęglowej (technicznie czystego żelaza) zależą od zawartości zanieczyszczeń, odkształcenia sieci krystalicznej na skutek odkształcenia, wielkości ziaren oraz obróbki cieplnej. Ze względu na niską rezystywność, komercyjnie czyste żelazo jest dość rzadko stosowane w elektrotechnice, głównie w obwodach prądu stałego ze strumieniem magnetycznym.

Elektrotechniczna stal krzemowa jest głównym materiałem magnetycznym do masowej konsumpcji. Jest to stop żelazowo-krzemowy. Stapianie z krzemem pozwala zmniejszyć siłę koercji i zwiększyć rezystancję, czyli zmniejszyć straty prądów wirowych.

Blacha elektrotechniczna dostarczana w pojedynczych arkuszach lub zwojach oraz taśma stalowa dostarczana wyłącznie w zwojach są półproduktami przeznaczonymi do wytwarzania obwodów magnetycznych (rdzenia).

Rdzenie magnetyczne są formowane albo z pojedynczych płyt otrzymanych przez tłoczenie lub cięcie, albo przez nawijanie z pasków.

Nazywa się je stopy permaloidu niklowo-żelazowego... Mają dużą początkową przenikalność magnetyczną w obszarze słabych pól magnetycznych. Permaloy jest stosowany na rdzenie małych transformatorów mocy, dławików i przekaźników.

Ferryty to ceramika magnetyczna o dużej rezystancji, 1010 razy większej niż żelazo. Ferryty są stosowane w obwodach wysokiej częstotliwości, ponieważ ich przenikalność magnetyczna praktycznie nie maleje wraz ze wzrostem częstotliwości.

Wadą ferrytów jest niska indukcja nasycenia i mała wytrzymałość mechaniczna. Dlatego ferryty są powszechnie stosowane w elektronice niskiego napięcia.

Do materiałów magnetycznie twardych należą:

1. Materiały odlewnicze magnetycznie twarde na bazie stopów Fe-Ni-Al.

2. Sproszkowane stałe materiały magnetyczne otrzymywane przez prasowanie proszków z późniejszą obróbką cieplną.

3. Ferryty magnetyczne twarde. Magnetycznie twarde materiały są materiały na magnesy trwałestosowany w silnikach elektrycznych i innych urządzeniach elektrycznych wymagających stałego pola magnetycznego.