Все вещества в магнитном поле намагничиваются (в них возникает внутреннее магнитное поле). В зависимости от величины и направления внутреннего поля вещества разделяют на:
1) диамагнетики,
2) парамагнетики,
3) ферромагнетики.
Намагниченность вещества характеризуется магнитной проницаемостью ,
Магнитная индукция в веществе,
Магнитная индукция в вакууме.
Любой атом можно характеризовать магнитным моментом 
.
Сила тока в контуре, - площадь контура, - вектор нормали к поверхности контура.
Микроток атома создается движением отрицательных электронов по орбите и вокруг собственной оси, а также вращением положительного ядра вокруг собственной оси.
1. Диамагнетики.
Когда нет внешнего поля , в атомах диамагнетиков токи электронов и ядра скомпенсированы. Суммарный микроток атома и его магнитный момент равны нулю.
Во внешнем магнитном поле в атомах индуцируются (наводятся) ненулевые элементарные токи. Магнитные моменты атомов при этом ориентируются противоположно .
Создается небольшое собственное поле , направленное противоположно внешнему , и ослабляющего его.
В диамагнетиках .
Т.к. < , то для диамагнетиков 1.
2. Парамагнетики
В парамагнетиках микротоки атомов и их магнитные моменты не равны нулю.
Без внешнего поля эти микротоки расположены хаотично.
Во внешнем магнитном поле микротоки атомов парамагнетика ориентируются по полю , усиливая его.
В парамагнетике магнитная индукция = + , незначительно превышает .
Для парамагнетиков, 1. Для диа- и парамагнетиков можно считать 1.
Таблица 1. Магнитная проницаемость пара- и диамагнетиков.
Намагниченность парамагнетиков зависит от температуры, т.к. тепловое движение атомов препятствует упорядоченному расположению микротоков.
Большинство веществ в природе являются парамагнетиками.
Собственное магнитное поле в диа- и парамагнетиках незначительно и разрушается, если вещество убрать из внешнего поля (атомы возвращаются в исходное состояние, происходит размагничивание вещества).
3. Ферромагнетики
Магнитная проницаемость ферромагнетиков достигает сотен тысяч и зависит от величины намагничивающего поля (сильномагнитные вещества ).
Ферромагнетики: железо, сталь, никель, кобальт, их сплавы и соединения.
В ферромагнетиках существуют области самопроизвольного намагничивания («домены»), в которых все микротоки атомов ориентированы одинаково. Размер доменов достигает 0,1 мм.
В отсутствии внешнего поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотично и компенсируются. Во внешнем поле те домены, в которых микротоки усиливают внешнее поле, увеличивают свои размеры за счет соседних. Результирующее магнитное поле = + в ферромагнетиках намного сильнее по сравнению с пара- и диамагнетиками.
Домены, включающие миллиарды атомов, обладают инерционностью и не возвращаются быстро в первоначальное беспорядочное состояние. Поэтому, если ферромагнетик удалить из внешнего поля, то его собственное поле сохраняется длительное время.
Магнит размагничивается при длительном хранении (с течением времени домены возвращаются в хаотичное состояние).
Другой способ размагничивания – нагревание. Для каждого ферромагнетика существует температура (она называется «точка Кюри»), при которой в доменах разрушаются связи между атомами. В этом случае ферромагнетик превращается в парамагнетик и происходит его размагничивание. Например, точка Кюри для железа составляет 770°С.
Магнитная проницаемость
- физическая величина , коэффициент (зависящий от свойств среды), характеризующий связь между магнитной индукцией texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): {B}
и напряжённостью магнитного поля Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): {H}
в веществе. Для разных сред этот коэффициент различен, поэтому говорят о магнитной проницаемости конкретной среды (подразумевая её состав, состояние, температуру и т. д.).
Впервые встречается в работе Вернера Сименса «Beiträge zur Theorie des Elektromagnetismus» («Вклад в теорию электромагнетизма») в 1881 году .
Обычно обозначается греческой буквой Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc
. Может быть как скаляром (у изотропных веществ), так и тензором (у анизотропных).
В общем, соотношение между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля через магнитную проницаемость вводится как
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файлtexvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \vec{B} = \mu\vec{H},
и Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mu
в общем случае здесь следует понимать как тензор, что в компонентной записи соответствует :
texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \ B_i = \mu_{ij}H_j
Для изотропных веществ соотношение:
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файлtexvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \vec{B} = \mu\vec{H}
можно понимать в смысле умножение вектора на скаляр (магнитная проницаемость сводится в этом случае к скаляру).
Нередко обозначение Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mu
используется не так, как здесь, а именно для относительной магнитной проницаемости (при этом Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mu
совпадает с таковым в СГС).
Размерность абсолютной магнитной проницаемости в СИ такая же, как размерность магнитной постоянной, то есть Гн / или / 2 .
Относительная магнитная проницаемость в СИ связана с магнитной восприимчивостью χ соотношением
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файлtexvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mu_r = 1 + \chi,
Подавляющее большинство веществ относятся либо к классу диамагнетиков (Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mu \lessapprox 1
), либо к классу парамагнетиков (Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mu \gtrapprox 1
). Но ряд веществ - (ферромагнетики), например железо , обладают более выраженными магнитными свойствами.
У ферромагнетиков вследствие гистерезиса , понятие магнитной проницаемости, строго говоря, неприменимо. Однако в определенном диапазоне изменения намагничивающего поля (чтобы можно было пренебречь остаточной намагниченностью, но до насыщения) можно в лучшем или худшем приближении всё же представить эту зависимость как линейную (а для магнитомягких материалов ограничение снизу может быть и не слишком практически существенно), и в этом смысле величина магнитной проницаемости бывает измерена и для них.
| Medium | Восприимчивость χ m (объемная, СИ) |
Проницаемость μ [Гн/м] | Относительная проницаемость μ/μ 0 | Магнитное поле | Максимум частоты |
|---|---|---|---|---|---|
| Метглас (англ. Metglas ) | 1,25 | 1 000 000 | при 0.5 Тл | 100 kHz | |
| Наноперм (англ. Nanoperm ) | 10×10 -2 | 80 000 | при 0.5 Тл | 10 kHz | |
| Мю-металл | 2,5×10 -2 | 20 000 | при 0.002 Тл | ||
| Мю-металл | 50 000 | ||||
| Пермаллой | 1,0×10 -2 | 70 000 | при 0.002 Тл | ||
| Электротехническая сталь | 5,0×10 -3 | 4000 | при 0.002 Тл | ||
| Феррит (никель-цинк) | 2,0×10 -5 - 8,0×10 -4 | 16-640 | 100 kHz ~ 1 MHz[[К:Википедия:Статьи без источников (страна: Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. )]][[К:Википедия:Статьи без источников (страна: Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. )]] | ||
| Феррит (марганец-цинк) | >8,0×10 -4 | 640 (и более) | 100 kHz ~ 1 MHz | ||
| Сталь | 8,75×10 -4 | 100 | при 0.002 Тл | ||
| Никель | 1,25×10 -4 | 100 - 600 | при 0.002 Тл | ||
| Неодимовый магнит | 1.05 | до 1,2-1,4 Тл | |||
| Платина | 1,2569701×10 -6 | 1,000265 | |||
| Алюминий | 2,22×10 -5 | 1,2566650×10 -6 | 1,000022 | ||
| Дерево | 1,00000043 | ||||
| Воздух | 1,00000037 | ||||
| Бетон | 1 | ||||
| Вакуум | 0 | 1,2566371×10 -6 (μ 0) | 1 | ||
| Водород | -2,2×10 -9 | 1,2566371×10 -6 | 1,0000000 | ||
| Тефлон | 1,2567×10 -6 | 1,0000 | |||
| Сапфир | -2,1×10 -7 | 1,2566368×10 -6 | 0,99999976 | ||
| Медь | -6,4×10 -6
or -9,2×10 -6 |
1,2566290×10 -6 | 0,999994 | ||
| Вода | -8,0×10 -6 | 1,2566270×10 -6 | 0,999992 | ||
| Висмут | -1,66×10 -4 | 0,999834 | |||
| Сверхпроводники | −1 | 0 | 0 |
К моему величайшему удивлению, в отличие от виденного раньше, мы попали в совершенно другое время и место, которое было похожим на Францию, и по одежде напоминало восемнадцатый век. По широкой мощёной улице проезжал крытый красивый экипаж, внутри которого сидели молодые мужчина и женщина в очень дорогих костюмах, и видимо, в очень дурном настроении... Молодой человек что-то упорно доказывал девушке, а та, совершенно его не слушая, спокойно витала где-то в своих грёзах, чем молодого человека очень раздражала...
– Вот видишь – это он! Это тот же «маленький мальчик»... только уже через много, много лет, – тихонько прошептала Стелла.
– А откуда ты знаешь, что это точно он? – всё ещё не совсем понимая, спросила я.
– Ну, как же, это ведь очень просто! – удивлённо уставилась на меня малышка. – Мы все имеем сущность, а сущность имеет свой «ключик», по которому можно каждого из нас найти, только надо знать, как искать. Вот смотри...
Она опять показала мне малыша, сына Гарольда.
– Подумай о его сущности, и ты увидишь...
И я тут же увидела прозрачную, ярко светящуюся, на удивление мощную сущность, на груди которой горела необычная «бриллиантовая» энергетическая звезда. Эта «звезда» сияла и переливалась всеми цветами радуги, то уменьшаясь, то увеличиваясь, как бы медленно пульсируя, и сверкала так ярко, будто и вправду была создана из самых потрясающих бриллиантов.
– Вот видишь у него на груди эту странную перевёрнутую звезду? – Это и есть его «ключик». И если ты попробуешь проследить за ним, как по ниточке, то она приведёт тебя прямо к Акселю, у которого такая же звезда – это и есть та же самая сущность, только уже в её следующем воплощении.
Я смотрела на неё во все глаза, и видно заметив это, Стелла засмеялась и весело призналась:
– Ты не думай, что это я сама – это бабушка меня научила!..
Мне было очень стыдно чувствовать себя полной неумёхой, но желание побольше узнать было во сто крат сильнее любого стыда, поэтому я запрятала свою гордость как можно глубже и осторожно спросила:
– А как же все эти потрясающие «реальности», которые мы сейчас здесь наблюдаем? Ведь это чья-то чужая, конкретная жизнь, и ты не создаёшь их так же, как ты создаёшь все свои миры?
– О, нет! – опять обрадовалась возможности что-то мне объяснить малышка. – Конечно же, нет! Это ведь просто прошлое, в котором все эти люди когда-то жили, и я всего лишь переношу нас с тобой туда.
– А Гарольд? Как же он всё это видит?
– О, ему легко! Он ведь такой же, как я, мёртвый, вот он и может перемещаться, куда захочет. У него ведь уже нет физического тела, поэтому его сущность не знает здесь препятствий и может гулять, где ей захочется... так же, как и я... – уже печальнее закончила малышка.
Я грустно подумала, что то, что являлось для неё всего лишь «простым переносом в прошлое», для меня видимо ещё долго будет являться «загадкой за семью замками»... Но Стелла, как будто услышав мои мысли, тут же поспешила меня успокоить:
– Вот увидишь, это очень просто! Тебе надо только попробовать.
– А эти «ключики», они разве никогда не повторяются у других? – решила продолжить свои расспросы я.
– Нет, но иногда бывает кое-что другое...– почему-то забавно улыбаясь, ответила крошка. – Я в начале именно так и попалась, за что меня очень даже сильно «потрепали»... Ой, это было так глупо!..
– А как? – очень заинтересовавшись, спросила я.
Стелла тут же весело ответила:
– О, это было очень смешно! – и чуть подумав, добавила, – но и опасно тоже... Я искала по всем «этажам» прошлое воплощение своей бабушки, а вместо неё по её «ниточке» пришла совсем другая сущность, которая как-то сумела «скопировать» бабушкин «цветок» (видимо тоже «ключик»!) и, как только я успела обрадоваться, что наконец-то её нашла, эта незнакомая сущность меня безжалостно ударила в грудь. Да так сильно, что у меня чуть душа не улетела!..
– А как же ты от неё избавилась? – удивилась я.
– Ну, если честно, я и не избавлялась... – смутилась девочка. – Я просто бабушку позвала...
– А, что ты называешь «этажами»? – всё ещё не могла успокоиться я.
– Ну, это разные «миры» где обитают сущности умерших... В самом красивом и высоком живут те, которые были хорошими... и, наверное, самыми сильными тоже.
– Такие, как ты? – улыбнувшись, спросила я.
– О, нет, конечно! Я наверное сюда по ошибке попала. – Совершенно искренне сказала девчушка. – А знаешь, что самое интересное? Из этого «этажа» мы можем ходить везде, а из других никто не может попасть сюда... Правда – интересно?..
Да, это было очень странно и очень захватывающе интересно для моего «изголодавшегося» мозга, и мне так хотелось узнать побольше!.. Может быть потому, что до этого дня мне никогда и никто ничего толком не объяснял, а просто иногда кто-то что-то давал (как например, мои «звёздные друзья»), и поэтому, даже такое, простое детское объяснение уже делало меня необычайно счастливой и заставляло ещё яростнее копаться в своих экспериментах, выводах и ошибках... как обычно, находя во всём происходящем ещё больше непонятного. Моя проблема была в том, что делать или создавать «необычное» я могла очень легко, но вся беда была в том, что я хотела ещё и понимать, как я это всё создаю... А именно это пока мне не очень-то удавалось...
Все вещества являются магнетиками и намагничиваются во внешнем магнитном поле.
По магнитным свойствам материалы подразделяются на слабомагнитные (диамагнетики и парамагнетики ) и сильномагнитные (ферромагнетики и ферримагнетики ).
Диамагнетики μ r < 1, значение которой не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Диамагнетиками являются вещества, атомы (молекулы) которых в отсутствие намагничивающего поля имеют магнитный момент равный нулю: водород, инертные газы, большинство органических соединений и некоторые металлы (Cu , Zn , Ag , Au , Hg ), а также Вi , Gа , Sb .
Парамагнетики – вещества с магнитной проницаемостью μ r > 1, которая в слабых полях не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К парамагнетикам относятся вещества, атомы (молекулы) которых в отсутствие намагничивающего поля обладают магнитным моментом отличным от нуля: кислород, оксид азота, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов, щелочные металлы, алюминий, платина.
У диамагнетиков и парамагнетиков магнитная проницаемость μ r близка к единице. Применение в технике в качестве магнитных материалов носит ограниченный характер.
У сильномагнитных материалов магнитная проницаемость значительно больше единицы (μ r >> 1) и зависит от напряженности магнитного поля. К ним относятся: железо, никель, кобальт и их сплавы, а также сплавы хрома и марганца, гадолиний, ферриты различного состава.
6.1. Магнитные характеристики материалов
Магнитные свойства материалов оценивают физическими величинами, называемыми магнитными характеристиками.
Магнитная проницаемость
Различают относительную и абсолютную магнитные проницаемости вещества (материала), которые между собой связаны соотношением
μ a = μ o ·μ , Гн/м
μ o – магнитная постоянная, μ o = 4π ·10 -7 Гн/м;
μ – относительная магнитная проницаемость (безразмерная величина).
Для описания свойств магнитных материалов применяют относительную магнитную проницаемость μ (чаще называемую магнитная проницаемость) , а для практических расчетов используют абсолютную магнитную проницаемость μ a , вычисляемую по уравнению
μ a = В /Н ,Гн/м
Н – напряженность намагничивающего (внешнего) магнитного поля, А/м
В – магнитная индукция поля в магнетике.
Большая величина μ показывает, что материал легко намагничивается в слабых и сильных магнитных полях. Магнитная проницаемость у большинства магнетиков зависит от напряженности намагничивающего магнитного поля.
Для характеристики магнитных свойств широко используется безразмерная величина, называемая магнитной восприимчивостью χ .
μ = 1 + χ
Температурный коэффициент магнитной проницаемости
Магнитные свойства вещества зависят от температуры μ = μ (T ) .
Для описания характера изменения магнитных свойств с температурой используют температурный коэффициент магнитной проницаемости.
Зависимость магнитной восприимчивости парамагнетиков от температуры T описывается законом Кюри
где C - постоянная Кюри .
Магнитные характеристики ферромагнетиков
Зависимость магнитных свойств ферромагнетиков имеет более сложный характер, показанный на рисунке, и достигает максимума при температуре близкой к Q к .
Температура, при которой магнитная восприимчивость резко снижается, почти до нуля, носит название температуры Кюри - Q к . При температурах выше Q к процесс намагничивания ферромагнетика нарушается из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул и материал перестает быть ферромагнитным и становится парамагнетиком.
Для железа Q к = 768 ° C , для никеля Q к = 358 ° C , для кобальта Q к = 1131 ° C .
Выше температуры Кюри зависимость магнитной восприимчивости ферромагнетика от температуры T описывается законом Кюри-Вейса
Процесс намагничивания сильномагнитных материалов (ферромагнетиков) обладает гистерезисом . Если производить намагничивание размагниченного ферромагнетика во внешнем поле, то он намагничивается по кривой намагничивания B = B (H ) . Если затем, начиная с некоторого значения H начать уменьшать напряженность поля, то индукция B будет уменьшаться с некоторым запаздыванием (гистерезисом ) по отношению к кривой намагничивания. При увеличении поля противоположного направления ферромагнетик размагничивается, затем перемагничивается , и при новой смене направления магнитного поля может вернуться в исходную точку, откуда начинался процесс размагничивания. Получившаяся петля, изображенная на рисунке, называется петлей гистерезиса .
При некоторой максимальной напряженности Н м намагничивающего поля вещество намагничивается до состояния насыщения, индукция в котором достигает значения В Н , которое называется индукцией насыщения.
Остаточная магнитная индукция В О – наблюдается в ферромагнитном материале, намагниченном до насыщения, при его размагничивании, когда напряженность магнитного поля равна нулю. Для размагничивания образца материала надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на обратное (- Н ). Напряженность поля Н К , при которой индукция равна нулю, называется коэрцитивной силой (удерживающая сила).
Перемагничивание ферромагнетика в переменных магнитных полях всегда сопровождается тепловыми потерями энергии, которые обусловлены потерями на гистерезис и динамическими потерями . Динамические потери связаны с вихревыми токами, индуцированными в объеме материала, и зависят от электрического сопротивления материала, уменьшаясь с ростом сопротивления. Потери на гистерезис W в одном цикле перемагничивания определяются площадью петли гистерезиса
и могут быть вычислены для единицы объема вещества по эмпирической формуле
Дж/м 3
где η – коэффициент зависящий от материала, B Н – максимальная индукция, достигаемая в течение цикла, n – показатель степени, равный в зависимости от материала 1,6 ¸ 2.
Удельные потери энергии на гистерезис Р Г – потери, затраченные на перемагничивание единицы массы в единице объема материала за секунду.
где f – частота переменного тока, T – период колебаний.
Магнитострикция
Магнитострикция – явление изменения геометрических размеров и формы ферромагнетика при изменении величины магнитного поля, т.е. при намагничивании. Относительное изменение размеров материала Δ l / l может быть положительным и отрицательным. У никеля магнитострикция меньше нуля и достигает величины 0,004 %.
В соответствии с принципом Ле Шателье о противодействии системы влиянию внешних факторов, стремящихся изменить это состояние, механическая деформация ферромагнетика, приводящая к изменению его размера должна оказывать влияние на намагничивание этих материалов.
Если при намагничивании тело испытывает в данном направлении сокращение своих размеров, то приложение механического напряжения сжатия в этом направлении способствует намагничиванию, а растяжение – затрудняет намагничивание.
6.2. Классификация ферромагнитных материалов
Все ферромагнитные материалы по поведению в магнитном поле делятся на две группы.
Магнитомягкие – с большой магнитной проницаемостью μ и малой величиной коэрцитивной силы Н К < 10 А /м. Они легко намагничиваются и размагничиваются. Обладают малыми потерями на гистерезис, т.е. узкой петлей гистерезиса.
Магнитные характеристики зависят от химической чистоты и степени искажения кристаллической структуры. Чем меньше примесей (С, Р , S, О, N ) , тем выше уровень характеристик материала, поэтому необходимо при производстве ферромагнетика их и оксиды удалять, и стараться не искажать кристаллическую структуру материала.
Магнитотвердые материалы – обладают большой Н К > 0,5 · МА/м и остаточной индукцией (В О ≥ 0,1Т). Им соответствует широкая петля гистерезиса. Они с большим трудом намагничиваются, зато могут несколько лет сохранять магнитную энергию, т.е. служить источником постоянного магнитного поля. Поэтому из них изготовляются постоянные магниты.
По составу все магнитные материалы делятся на :
· металлические;
· неметаллические;
· магнитодиэлектрики .
Металлические магнитные материалы - это чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов.
К неметаллическим материалам относятся ферриты, получаемые из порошков оксидов железа и других металлов. Их прессуют и обжигают при 1300 – 1500 °С и они превращаются в твердые монолитные магнитные детали. Ферриты, как и металлические магнитные материалы, могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми.
Магнитодиэлектрики – это композиционные материалы из 60 – 80 % порошка магнитного материала и 40 – 20 % органического диэлектрика. Ферриты и магнитодиэлектрики имеют большое значение удельного электрического сопротивления (ρ = 10 ÷ 10 8 Ом·м), Высокое сопротивление этих материалов обеспечивает низкие динамические потери энергии в переменных электромагнитных полях и позволяет широко использовать их в высокочастотной технике.
6.3. Металлические магнитные материалы
6.3.1. Металлические магнитомягкие материалы
К металлическим магнитомягким материалам относятся карбонильное железо, пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремнистые стали.
Карбонильное железо – получают термическим разложением жидкости пентакарбонила железа Fе ( СО ) 5 с получением частиц чистого порошкообразного железа:
Fе ( СО ) 5 → Fе + 5 СО,
при температуре около 200 °С и давлении 15 МПа. Частицы железа имеют сферическую форму размером 1 – 10 мкм. Для освобождения от частиц углерода порошок железа подвергают термической обработке в среде Н 2 .
Магнитная проницаемость карбонильного железа достигает 20000, коэрцитивная сила составляет 4,5 ¸ 6,2 А /м. Применяют порошок железа для изготовления высокочастотных магнитодиэлектрических сердечников, в качестве наполнителя в магнитных лентах.
Пермаллои – пластичные железоникелевые сплавы. Для улучшения свойств вводят Мо, Сr , Сu , получая легированные пермаллои. Обладают высокой пластичностью, легко прокатываются в листы и ленты до 1 мкм.
Если содержание никеля в пермаллое 40 – 50 %, то он называется низконикелевым, если 60 – 80 % – высоконикелевым .
Пермаллои имеют высокий уровень магнитных характеристик, который обеспечивается не только составом и высокой химической чистотой сплава, но и специальной тепловой вакуумной обработкой. Пермаллои имеют очень высокий уровень начальной магнитной проницаемости от 2000 до 30000 (в зависимости от состава) в области слабых полей, который обусловлен низкой величиной магнитострикции и изотропностью магнитных свойств. Особенно высокие характеристики имеет супермаллой, начальная магнитная проницаемость которого имеет значение 100000, а максимальная достигает 1,5 · 10 6 при B = 0,3 Тл.
Пермаллои поставляют в виде лент, листов и прутков. Низконикелевые пермаллои применяют для изготовления сердечников дросселей, малогабаритных трансформаторов и магнитных усилителей, высоконикелевые пермаллои – для деталей аппаратуры, работающих на звуковых и сверхзвуковых частотах. Магнитные характеристики пермаллоев стабильны при –60 +60°С.
Альсиферы – нековкие хрупкие сплавы состава Al – Si – Fe , состоящие из 5,5 – 13 % Аl , 9 – 10 % Si , остальное – железо. Альсифер близок по свойствам к пермаллою, но более дешев. Из него изготовляют литые сердечники, отливают магнитные экраны и другие полые детали с толщиной стенок не менее 2 – 3 мм. Хрупкость альсифера ограничивает области его применения. Используя хрупкость альсифера , его размалывают в порошок, который используется в качестве ферромагнитного наполнителя в прессованных высочастотных магнитодиэлектриках (сердечники, кольца).
Кремнистая низкоуглеродистая сталь (электротехническая сталь) – сплав железа и кремния (0,8 – 4,8 % Si ). Основной магнитомягкий материал массового применения. Она легко прокатывается в листы и ленты 0,05 – 1 мм и является дешевым материалом. Кремний, находящийся в стали в растворенном состоянии, выполняет две функции.
· Повышая удельное сопротивление стали, кремний вызывает снижение динамических потерь, связанных с вихревыми токами. Сопротивление повышается за счет образования кремнезема SiO 2 в результате протекания реакции
2 FeO + S i → 2 Fe + SiO 2 .
· Наличие кремния, растворенного в стали , способствует распаду цементита Fе 3 С – вредной примеси, снижающей магнитные характеристики, и выделению углерода в виде графита. При этом образуется чистое железо, рост кристаллов которого повышает уровень магнитных характеристик стали .
Введение кремния в сталь в количестве, превышающем 4,8 %, не рекомендуется, так как, способствуя улучшению магнитных характеристик, кремний резко повышает хрупкость стали и снижает ее механические свойства.
6.3.2. Металлические магнитотвердые материалы
Магнитотвердые материалы - это ферромагнетики с высокой коэрцитивной силой (более 1 кА/м) и большой величиной остаточной магнитной индукции В О . Применяются для изготовления постоянных магнитов.
Подразделяются в зависимости от состава, состояния и способа получения на :
· легированные мартенситные стали;
· литые магнитотвердые сплавы.
Легированные мартенситные стали – эт о углеродистые стали и стали, легированные Сr , W, Со, Мо . Углеродистые стали быстро стареют и изменяют свои свойства, поэтому редко применяются для изготовления постоянных магнитов. Для изготовления постоянных магнитов используют легированные стали – вольфрамовую и хромистую (Н С ≈ 4800 А /м, В О ≈ 1 Т), которые изготавливаются в виде прутков с различной формой сечения. Кобальтовая сталь обладает более высокой коэрцитивной силой (Н С ≈ 12000 А /м, В О ≈ 1 Т) по сравнению с вольфрамовой и хромистой. Коэрцитивная сила Н С кобальтовой стали растет с увеличением содержания С о .
Литые магнитотвердые сплавы. Улучшенные магнитные свойства сплавов обусловлены специально подобранным составом и специальной обработкой – охлаждением магнитов после отливки в сильном магнитном поле, а также специальной многоступенчатой тепловой обработкой в виде закалки и отпуска в сочетании с магнитной обработкой, называемой дисперсионным твердением.
Для изготовления постоянных магнитов находят применение три основных группы сплавов:
· Железо – кобальт – молибденовый сплав типа ремаллой с коэрцитивной силой Н К = 12 – 18 кА/м.
· Группа сплавов:
§ медь – никель – железо;
§ медь – никель – кобальт;
§ железо – марганец, легированные алюминием или титаном;
§ железо – кобальт – ванадий (F е – Со – V ).
Сплав медь – никель – железо называется кунифе (Сu – Ni - Fе ). Сплав F е – Со – V (железо – кобальт - ванадий) называется викалой . Сплавы этой группы имеют коэрцитивную силу Н К = 24 – 40 кА/м. Выпускаются в виде проволоки и в листах.
· Сплавы системы железо – никель – алюминий (F е – Ni – Аl ), известные ранее под названием сплав альни . Сплавсодержит 20 - 33 % Ni + 11 – 17 % Al , остальное железо. Добавление в сплавы кобальта, меди, титана, кремния, ниобия улучшает их магнитные свойства, облегчает технологию изготовления, обеспечивает повторяемость параметров, улучшает механические свойства. Современная маркировка марки содержит буквы, обозначающие добавляемые металлы (Ю – алюминий, Н – никель, Д – медь, К - кобальт, Т – титан, Б – ниобий, С – кремний), цифры - содержание элемента, буква которого стоит перед цифрой, например, ЮНДК15.
Сплавы обладают высоким значением коэрцитивной силы Н К = 40 – 140 кА/м и большой запасенной магнитной энергией.
6.4. Неметаллические магнитные материалы. Ферриты
Ферриты представляют собой керамические ферромагнитные материалы с малой электронной электропроводностью. Низкая электропроводность в сочетании с высокими магнитными характеристиками позволяет широко использовать ферриты на высоких частотах.
Изготовляют ферриты из порошкообразной смеси, состоящей из окиси железа и специально подобранных окислов других металлов. Их прессуют, а затем спекают при высоких температурах. Общая химическая формула имеет вид:
МеО ·Fе 2 О 3 или МеFе 2 О 4 ,
где Ме символ двухвалентного металла.
Например,
ZnO · Fe 2 O 3 или
NiO · Fe 2 O 3 или NiFe 2 O 4
Ферриты обладают кубической решеткой типа шпинели MgOAl 2 O 3 - алюмината магния. Не все ферриты обладают магнитными свойствами. Наличие магнитных свойств св язано с расположением ионов металловв кубической решетке шпинели. Так система ZnFe 2 O 4 не обладает ферромагнитными свойствами.
Ферриты изготовляют по керамической технологии. Исходные порошкообразные окислы металлов измельчают в шаровых мельницах, прессуют и обжигают в печах. Спекшиеся брикеты размалывают в тонкодисперсный порошок, вводят пластификатор, например раствор поливинилового спирта. Из полученной массы прессуют ферритовые изделия – сердечники, кольца, которые обжигают на воздухе при 1000 – 1400 °С. Полученные твердые хрупкие изделия в основном черного цвета можно обрабатывать только шлифованием и полированием.
Магнитомягкие ферриты
Магнитомягкие ферриты широко применяют в области высоких частот электронной техники и приборостроении для изготовления фильтров, трансформаторов усилителей низких и высоких частот, антенн радиопередающих и радиоприемных устройств, импульсных трансформаторов, магнитных модуляторов. Промышленностью выпускаются следующие виды магнитомягких ферритов с широким спектром магнитных и электрических свойств: никель – цинковые, марганец – цинковые и литий – цинковые. Верхняя граничная частота применения феррита зависит от их состава и изменяется у разных марок ферритов от 100 кГц до 600 МГц, коэрцитивная сила составляет около 16 А /м.
Достоинством ферритов является стабильность магнитных характеристик, относительнаяпростота изготовления радиодеталей. Как все ферромагнитные материалы ферриты сохраняют свои магнитные свойства только до температуры Кюри, которая зависит от состава ферритов и колеблется в пределах от 45 ° до 950 °С.
Магнитотвердые ферриты
Для изготовления постоянных магнитов используют магнитотвердые ферриты, наибольшее применение имеют ферриты бария (ВаО ·6 Fе 2 О 3 ). Они имеют гексагональную кристаллическую структуру с большой Н К . Ферриты бария представляют собой поликристаллический материал. Могут быть изотропными - одинаковость свойств феррита во всех направлениях обусловлена тем, что кристаллические частицы ориентированы произвольно. Если в процессе прессования магнитов порошкообразную массу подвергнуть воздействию внешнего магнитного поля большой напряженности, то кристаллические частицы феррита будут ориентированы в одном направлении, и магнит будет являться анизотропным.
Бариевые ферриты отличаются хорошей стабильностью своих характеристик, но чувствительны к изменению температуры и механическим воздействиям. Магниты из бариевых ферритов дешевы.
6.5. Магнитодиэлектрики
Магнитодиэлектрики - это композиционные материалы, состоящие из мелкодисперсных частиц магнитомягкого материала, связанных друг с другом органическим или неорганическим диэлектриком. В качестве магнитомягких материалов применяют карбонильное железо, альсифер и некоторые сорта пермаллоев, измельченные до порошкообразного состояния.
В качестве диэлектриков применяют полистирол, бакелитовые смолы, жидкое стекло и др.
Назначение диэлектрика не только в том, чтобы соединить частицы магнитного материала, но и изолировать их друг от друга, а, следовательно, резко повысить величину удельного электрического сопротивления магнитодиэлектрика . Удельное электрическое сопротивление r магнитодиэлектриков составляет10 3 – 10 4 Ом × м
Магнитодиэлектрики применяют для изготовления сердечников высокочастотных узлов радиоаппаратуры. Процесс производства изделий проще, чем из ферритов, т.к. они не нуждаются в высокотемпературной тепловой обработке. Изделия из магнитодиэлектриков отличаются высокой стабильностью магнитных свойств, высоким классом чистоты поверхности и точностью размеров.
Наиболее высокими магнитными характеристиками обладают магнитодиэлектрики, наполнителем в которых служит молибденовый пермаллой или карбонильное железо.
Абсолютная магнитная проницаемость – это коэффициент пропорциональности, учитывающий влияние среды, в которой находятся провода.
Для получения представления о магнитных свойствах среды сравнивали магнитное поле вокруг провода с током в данной среде с магнитным полем вокруг того же провода, но находящегося в вакууме. Было установлено, что в одних случаях поле получается более интенсивным, чем в вакууме, в других – менее.
Различают:
v Парамагнитные материалы и среды, в которых получается более сильное МП (натрий, калий, алюминий, платина, марганец, воздух);
v Диамагнитные материалы и среды, в которых МП слабее (серебро, ртуть, вода, стекло, медь);
v Ферромагнитные материалы, в которых создается самое сильное магнитное поле (железо, никель, кобальт, чугун и их сплавы).
Абсолютная магнитная проницаемость для разных веществ имеет различную величину.
Магнитная постоянная – это абсолютная магнитная проницаемость вакуума.
Относительная магнитная проницаемость среды - безразмерная величина, показывающая во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость какого-либо вещества больше или меньше магнитной постоянной:
Для диамагнитных веществ - , для парамагнитных - (для технических расчетовдиамагнитных и парамагнитных тел принимается равной единице),у ферромагнитных материалов - .
Напряженность МП Н характеризует условия возбуждения МП. Напряженность в однородной среде не зависит от магнитных свойств вещества, в котором создается поле, но учитывает влияние величины тока и формы проводников на интенсивность МП в данной точке.
Напряженность МП – векторная величина. Направление вектора Н для изотропных сред (сред с одинаковыми магнитными свойствами во всех направлениях), совпадает с направлением магнитного поля или вектором в данной точке.
Напряженность магнитного поля, создаваемого различными источниками, приведена на рис. 13.
Магнитный поток – это общее число магнитных линий, проходящих через всю рассматриваемую поверхность. Магнитный поток Ф или поток МИ через площадь S , перпендикулярную магнитным линиям равен произведению величины магнитной индукции В на величину площади, которая пронизывается этим магнитным потоком.
42)
При внесении железного сердечника в катушку, магнитное поле возрастает, а сердечник намагничивается. Этот эффект был обнаружен Ампером. Им было так же обнаружено, что индукция магнитного поля в веществе может быть больше или меньше индукции самого поля. Такие вещества стали называть магнетиками.
Магнетики – это вещества, способные менять свойства внешнего магнитного поля.
Магнитная проницаемость веществаопределяется соотношением:
В 0 - индукция внешнего магнитного поля, В - индукция внутри вещества.
В зависимости от соотношения В и В 0 вещества делятся на три типа:
1) Диамагнетики (m<1), к ним относятся химические элементы: Cu, Ag, Au, Hg. Магнитная проницаемость m=1-(10 -5 - 10 -6) очень незначительно отличается от единицы.
Этот класс веществ был открыт Фарадеем. Эти вещества «выталкиваются» из магнитного поля. Если подвесить диамагнитный стержень возле полюса сильного электромагнита, то он будет отталкиваться от него. Линии индукции поля и магнита, следовательно, направлены в разные стороны.
2) Парамагнетики имеют магнитную проницаемость m>1, причем в данном случае она также незначительно превышает единицу: m=1+(10 -5 - 10 -6). К этому виду магнетиков относятся химические элементы Na, Mg, K, Al.
Магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры и уменьшается при ее увеличении. Без намагничивающего поля парамагнетики не создают собственного магнитного поля. Постоянных парамагнетиков в природе нет.
3) Ферромагнетики (m>>1): Fe, Co, Ni, Cd.
Эти вещества могут находиться в намагниченном состоянии и без внешнего поля. Существование остаточного магнетизма одно из важных свойств ферромагнетиков. При нагревании до высокой температуры ферромагнитные свойства вещества исчезают. Температура, при которой пропадают эти свойства, называют температурой Кюри (например, для железа T Кюри =1043 К).
При температуре ниже точки Кюри ферромагнетик состоит из доменов. Домены – это области самопроизвольного спонтанного намагничивания (рис.9.21). Размер домена составляет примерно 10 -4 -10 -7 м. Возникновением в веществе областей спонтанного намагничивания обусловлено существование магнетиков. Магнит из железа может долго сохранять свои магнитные свойства, так как в нем домены выстраиваются упорядоченно (преобладает одно направление). Магнитные свойства пропадут, если по магниту сильно ударить или сильно нагреть. В результате этих воздействий домены «разупорядочиваются».
Рис.9.21. Форма доменов: а) в отсутствии магнитного поля, б) при наличии внешнего магнитного поля.
Домены можно представить как замкнутые токи в микрообъемах магнетиков. Домен хорошо иллюстрирует рис.9.21, откуда видно, что ток в домене движется по ломаному замкнутому контуру. Замкнутые токи электронов приводят к возникновению магнитного поля перпендикулярно плоскости орбиты электронов. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитное поле доменов направлено хаотично. Это магнитное поле под действием внешнего магнитного поля меняет направление. Магнетики, как уже отмечалось, делятся на группы в зависимости от того, как реагирует магнитное поле домена на действие внешнего магнитного поля. В диамагнетиках магнитное поле большего числа доменов направлено в сторону, противоположную действию внешнего магнитного поля, а в парамагнетиках, наоборот, в сторону действия внешнего магнитного поля. Однако число доменов, магнитные поля которых направлены в противоположные стороны, отличается на очень маленькую величину. Поэтому магнитная проницаемость m в диа- и парамагнетиках отличается от единицы на величину порядка 10 -5 - 10 -6 . В ферромагнетиках число доменов с магнитным полем по направлению внешнего поля во много раз превышает число доменов с противоположным направлением магнитного поля.
Кривая намагниченности. Петля гистерезиса. Явление намагниченности обусловлено существованием остаточного магнетизма при действии внешнего магнитного поля на вещество.
Магнитным гистерезисом называется явление запаздывания изменения магнитной индукции в ферромагнетике относительно изменения напряженности внешнего магнитного поля.
На рис.9.22, представлена зависимость магнитного поля в веществе от внешнего магнитного поля B=B(B 0). Причем по оси Оx откладывают внешнее поле , по оси Оy – намагниченность вещества. Увеличение внешнего магнитного поля приводит к возрастанию магнитного поля в веществе вдоль линии до значения . Уменьшение внешнего магнитного поля до нуля приводит к уменьшению магнитного поля в веществе (в точке с ) до величины В ост (остаточной намагниченности, значение которой больше нуля). Этот эффект является следствием запаздывания в намагниченности образца.
Значение индукции внешнего магнитного поля, необходимое для полного размагничивания вещества (точка d на рис.9.21) называют коэрцетивной силой . Нулевое значение намагниченности образца получают, изменяя направление внешнего магнитного поля до значения . Продолжая увеличивать внешнего магнитного поля в противоположном направлении до максимального значения, доводим его до величины . Затем, меняем направление магнитного поля, увеличивая его обратно, до значения . В этом случае у нас вещество остается намагниченным. Только величина индукции магнитного поля имеет противоположное направление по сравнению со значением в точке . Продолжая увеличивать значение магнитной индукции в том же направлении, достигаем полной размагниченности вещества в точке , и далее, оказываемся вновь в точке . Таким образом, получаем замкнутую функцию, которая описывает цикл полного перемагничивания. Такая зависимость за цикл полного перемагничивания индукции магнитного поля образца от величины внешнего магнитного поля называется петлей гистерезиса . Форма петли гистерезиса является одной из основных характеристик любого ферромагнитного вещества. Однако в точку , таким способом попасть невозможно.
В настоящее время достаточно просто получают сильные магнитные поля. Большое количество установок и устройств работают на постоянных магнитах. В них достигаются поя 1 – 2 Тл при комнатной температуре. В небольших объемах физики научились получать постоянные магнитные поля до 4 Тл, используя для этой цели специальные сплавы. При низких температурах, порядка температуры жидкого гелия получают магнитные поля выше 10 Тл.
43) Закон электромагнитной индукции (з.Фарадея-Максвелла). Правила Ленца
Обобщая результат опытов, Фарадей сформулировал закон электромагнитной индукции. Он показал, что при всяком изменении магнитного потока в замкнутом проводящем контуре возбуждается индукционный ток. Следовательно, в контуре возникает ЭДС индукции.
ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока во времени . Математическую запись этого закона оформил Максвелл и поэтому он называется законом Фарадея-Максвелла (законом электромагнитной индукции).
Конечно, в железе создалось поле с индукцией вместо которые получились бы в воздухе. Поэтому можно сказать, что по сравнению с воздухом железо в 2400 раз более «проницаемо» для магнитного поля.
Относительной магнитной проницаемостью железа можно назвать отношение магнитных индукций в железе и в воздухе
если магнитное поле наблюдается внутри одинаковых кольцевых катушек, одна из которых намотана на железном кольце, а другая не содержит никаких ферромагнитных тел.
При этом, конечно, значения индукции и Вв определяются при одном и том же значении удельного полного тока.
Магнитная проницаемость одного и того же ферромагнитного материала при различных значениях индукции различна. В самом деле, представим магнитную характеристику, показанную на рис. 3.4, в виде таблицы: в первой строке поставлены значения удельного полного тока , во второй - значения магнитной индукции, наблюдаемой в железе (замкнутое кольцо внутри катушки), в третьей - значения магнитной индукции в такой же кольцевой катушке без ферромагнитных тел, увеличенная в 10 000 раз.
Первая строка таблицы соответствует опытам, по которым построена магнитная характеристика рис. 3.4. Вторая строка вычислена по формуле
Значения относительной магнитной проницаемости для разных индукций вычислены по формуле
Как видно из таблицы, магнитная проницаемость сначала растет, а затем уменьшается. Полученные результаты могут быть изображены графиком, показанным на рис. 3.5.
Рис. 3.5. Относительная магнитная проницаемость чистого железа в зависимости от удельного полного тока
Первые исследования магнитных свойств материалов на замкнутых кольцевых образцах и установление характера и зменения проницаемости с полем принадлежат профессору Московского университета А. Г. Столетову. Он подчеркивал, что для развивающейся электротехники знать магнитные свойства стали так же важно, как для строителей паровых машин знать свойства пара.
Уменьшение относительной магнитной проницаемости с ростом индукции представляет вторую характерную особенность ферромагнитных тел. Сначала они легко намагничиваются; магнитная индукция достигает больших значений при достаточно слабых намагничивающих токах. Однако дальнейшее увеличение магнитной индукции требует все более значительного увеличения тока - создать индукцию выше приблизительно 2,0-2,2 Тл в железе очень трудно. На это указывает пологий ход магнитной характеристики, изображенной на рис. 3.4, в области больших индукций.
Чтобы увеличить индукцию от 1,65 до нужно увеличить удельный полный ток от 100 до 1000 А. Но для того чтобы увеличить индукцию еще на требуется увеличить намагничивающий ток до 2000 А/см (см. табл. 3.1). При индукции порядка наступает, как говорят, магнитное насыщение.
Пример 1. В кольцевой катушке с числом витков при средней длине стального сердечника 25 см протекает ток I = 1 А. Магнитный поток в стальном сердечнике, имеющем поперечное сечение оказывается равным
