XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Приводятся основные сведения и свойства магнитомягких материалов. Магнитомягкие материалы, обладают высокой магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис, используются в качестве сердечников трансформаторов, электромагнитов, в измерительных приборах. Рассматриваются магнитомягкие высокочастотные материалы, монолитные металлические материалы, порошковые металлические материалы. Дается основная классификация магнитомягких материалов, область применения магнитомягких материалов. Уделяется внимание широко применяемым в микроволновой технике оксидным магнитным материалам – ферритам

Ключевые слова: магнитомягкие материалы, намагничивание, магнитодиэлектрики, ферриты, ферромагнетики

Basic information and properties of soft magnetic materials are presented. Soft magnetic materials with high magnetic permeability, low coercive force and low hysteresis losses, are used as cores of transformers, electromagnets, in measuring instruments. Magnetically soft high-frequency materials, monolithic metal materials, powder metal materials are considered. The main classification of soft magnetic materials, the field of application of soft magnetic materials are given. Attention is paid to oxide magnetic materials widely used in microwave technology - ferrites.

Key words: soft magnetic materials, magnetization, magnetodielectrics, ferrites, ferromagnets

Введение.

Магнитные материалы классифицируют на магнитомягкие и магнитотвердые. Материалы с малым значением коэрцитивной силы H_c и большой магнитной проницаемостью называются магнитомягкими материалами. Магнитомягкие материалы, обладают высокой магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис, используются в качестве сердечников трансформаторов, электромагнитов, в измерительных приборах и в других случаях где необходимо при минимальных затратах энергии достигнуть наибольшей индукции. Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах используют магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением, обычно применяют магнитопроводы собранные из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. [5]

Процесс намагничивания материала протекает так: на первом этапе происходит смещение границ доменов, на втором - вращение магнитных моментов доменов в направлении намагничивающего поля, на третьем - парапроцесс (завершающий этап процесса намагничивания, когда сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия несориентированные магнитные моменты доменов ферромагнетика). Согласно кривой намагничивания смещение границ доменов требует меньших энергетических затрат, чем процессы вращения магнитных моментов и парапроцесс. В магнитомягких материалах намагничивание происходит в основном за счет смещения границ доменов. Магнитотвердые материалы намагничиваются преимущественно за счет вращения векторов намагничивания и парапроцесса.

Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электроизмерительных приборов и т.п. Применяются для получения больших значений магнитного потока. Величина магнитного потока ограничена магнитным насыщением материала, а потому основным требованием к магнитным материалам сильно точной электротехники и электроники является высокая индукция насыщения (рис.1). Свойства магнитных материалов зависят от их химического состава, от чистоты используемого исходного сырья и технологии производства (табл). В зависимости от исходного сырья и технологии производства магнитомягкие материалы делятся на три группы: монолитные металлические материалы, порошковые металлические материалы (магнитодиэлектрические) и оксидные магнитные материалы, кратко называемые ферритами.

Рис.1. Магнитная проницаемость и кривые магнитного материала в зависимости

от температуры: 1. особо чистое железо,2-железо чистое 99,98 % Fe, 3-железо технически

чистое 99,92 % Fe, 4-пермаллой (78% Ni), 5-никель, 6 –сплав железо-никель [12]

Состав и свойства некоторых магнитно-мягких материалов

Состав материала, %	Удельное электросопротивление ρ, мкОм⋅см	Магнитные свойства в статических полях
		Остаточная магнитная индукция В800, Тл	Коэрцитивная сила ,Нс, А/М	Максимальная магнитная проницаемость μmax·103
99 Fe	10,0	1,30	76,0	3,80
99 Fe, 1P	41,0	1,35	75,0	5,00
97 Fe, 2Si	44,6	1,00	120,0	1,90
96 Fe, 4Si	70,5	1,00	128,0	2,10
94 Fe, 6Si	146,9	0,90	72,0	4,40
88 Fe, 12Al	95,0	1,30	36,0	8,20
50 Fe, 50 Ni	40,0	1,55	5,8	40,20
14 Fe, 72 Ni, 14 Cu	29,0	0,62	4,0	48,00
22 Fe, 78 Ni	–	0,90	4,8	72,50

 

Свойства магнитомягких материалов:

1. Узкая петля гистерезиса (рис.2) небольшой площади при высоких значениях индукции и небольшой коэрцитивной силой Нс<4 кА/м

2. однородность структуры;

3. минимальные механические напряжения;

4. минимальное количество примесей и включений;

5. незначительная кристаллографическая анизотропия.

Рис.2. Петля гистерезиса.

Магнитомягкие высокочастотные материалы

Под высокочастотными магнитомягкими материалами понимают вещества, которые должны выполнять функции магнетиков при частотах свыше нескольких сотен или тысяч герц. По частотному диапазону применения их в свою очередь можно подразделить на материалы для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот, для высоких радиочастот и для сверхвысокой частоты. К высокочастотным магнитомягким материалам относятся магнитодиэлектрики и ферриты. На высоких частотах магнитные потери обусловлены, главным образом, релаксационными и резонансными явлениями. Для оценки допустимого частотного диапазона материала вводят понятие критической частоты f_кр, при которой tgδ = 0,1. [6]

Частотные диапазоны:

низкие радиочастоты НЧ (fкр = 0,1…20 МГц);

высокие радиочастоты ВЧ (fкр = 30…300 МГц);

высокие (< 800 МГц) и сверхвысокие (≥ 800 МГц) частоты.

В диапазоне звуковых и ультразвуковых частот в средних и сильных полях и μн = 400…2000 применяют рулонные холоднокатные кремнистые стали (h = 25…30 мкм) и пермаллои (h = 2…3 мкм).

Магнитодиэлектрики - это композиции из порошков высокопроницаемого магнитного материала (альсифера, карбонильного железа, пермаллоя) с диэлектрической связкой (фенолформальдегидной смолой, полистиролом, стеклом и т.д.). Для них характерна невысокая магнитная проницаемость μн = 10…250, верхний предел рабочих температур составляет 100…120°С, ρ = 102…104 Ом.м. Однако высокая стабильность магнитных свойств во времени (снижение μ_н за год на 0,2…2%) является важным преимуществом магнитодиэлектриков перед другими магнитомягкими материалами.

Диэлектрик образует между зернами ферромагнетика сплошную пленку и прочно связывает зерна между собой. Суммарные потери в магнитодиэлектрике складываются из магнитных и диэлектрических потерь. Для уменьшения потерь, особенно от вихревых токов, нужно применять мелкий порошок ферромагнетика с тщательной изоляцией отдельных зерен. Средний размер зерен карбонильного железа 1…5 мкм. Сердечники на основе карбонильного железа отличаются достаточно высокой стабильностью, малыми потерями, положительным температурным коэффициентом магнитной проницаемости и используется в широком диапазоне частот. Альсифер в зависимости от содержания кремния и алюминия может иметь температурный коэффициент магнитной проницаемости αμ от положительных до отрицательных значений и можно создавать сердечники с термостабильными свойствами.

Магнитодиэлектрики на основе суперпермаллоя 79НМ имеют наибольшую начальную магнитную проницаемость, магнитные потери у них меньше, чем у альсиферовых (при равных μ), а стабильность параметров выше.

Магнитодиэлектрики применяют при изготовлении прессованных сердечников в индуктивных катушках фильтров, частотомеров, контуров радиоаппаратуры и т.д.

Монолитные металлические материалы.

Основными компонентами монолитных металлических магнитомягких материалов является железо с низким содержанием углерода, никель или кобальт. Для цепей техники связи важнейшими из этой группы материалов являются:

сплавы с гарантированной индукцией насыщения,

сплавы и стали с гарантированной высокой проницаемостью,

сплавы и стали с гарантированной малой коэрцитивной силой,

материалы со специальными свойствами,

листовая сталь с гарантированными потерями при высоких значениях магнитной индукции. [7]

Материалы первой подгруппы предназначены, например, для стали с минимальным содержанием углерода, низколегированной кремнистой стали и сплавы железа с никелем.

Вторую подгруппу материалов образует кремнистая сталь, применяемая для сердечников сетевых трансформаторов.

Материалы третьей подгруппы включают в себя сплавы железа с кобальтом.

Материалами с гарантированной проницаемостью являются низкоуглеродистые стали с присадкой 3-4,5% кремния и сплавы на основе никеля.

К подгруппе специальных материалов относятся материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, магнитострикционные материалы и т.п.

Порошковые металлические материалы

Применение порошковых материалов, т.е. так называемых магнитодиэлектриков, основывается на технических и экономических соображениях. Магнитодиэлектрические сердечники имеют некоторые свойства, которых нельзя достичь у материалов первой группы. Они пригодны для высокочастотной техники. Прокатка листовых материалов толщиной менее 0,05 мм обходится очень дорого, а при толщине 0,03 мм цена таких материалов превышает цену золота.

Для уменьшения потерь на вихревые токи и увеличения стабильности магнитных свойств применяются порошковые магнитные материалы. Увеличение удельного электрического сопротивления достигается здесь изоляцией магнитных зерен друг от друга. Окончательная форма придается изделию прессованием. К этой группе относятся:

магнитодиэлектрические сердечники,

материалы со специальными свойствами.

В зависимости от исходного сырья магнитодиэлектрические сердечники делятся на сердечники из железных порошковых материалов и сердечники из легированного железа. Основу железных порошковых материалов составляет железо, получаемое обычно карбонильным способом. Легированные материалы представляют собой сплавы железа, и алюминия (альсифер) и сплавы железа и никеля или железа, никеля и молибдена (пермаллой и молибденовый пермаллой). [8]

К специальным порошковым металлическим материалам относятся, например, магнитный порошок для магнитофоной ленты и других магнитных носителей информации.

Недостатками порошковых магнитных материалов являются:

1. ограниченная величина магнитной проницаемости,

2. относительно высокие потери,

3. изменение величины проницаемости с изменением магнитного потока.

Преимуществами порошковых магнитных материалов является:

1. низкая стоимость на единицу запасаемой энергии,

2. высокая плотность энергии на единицу объёма,

3. температурная стабильность,

4. возможность получения изделий различной формы.

Классификация магнитомягких материалов

Область применения магнитомягких материалов

Область применения магнитомягких материалов разделяют на две части: для переменного и постоянного тока. В устройствах с магнитной системой, работающих от постоянного тока, при включении материал намагничивается и остается в этом состоянии, передавая магнитный поток для выполнения какого либо действия, а при выключении - переходит в состояние остаточной намагниченности, которая либо пренебрежимо мала, либо стремится к нулю, например в электромагните. В устройствах, работающих от переменного тока, магнитомягкий материал непрерывно циклически перемагничивается в течение всего периода работы устройства, например в трансформаторе.

Значимость основных магнитных параметров магнитомягких материалов определяется областью их применения. В случае применения материала для работы в магнитном поле постоянного тока основным параметром, влияющим на выбор материала, скорее всего, будет магнитная проницаемость. Например, при экранировании устройств от проникновения в них магнитного поля или его ослабления магнитомягкий материал локализует в себе магнитную энергию в пределах определенного пространства. Если магнитомягкий материал используется для создания магнитного поля в рабочем зазоре, то на его выбор может оказывать влияние намагниченность насыщения.

Когда магнитомягкий материал требуется применить в магнитных системах, работающих от переменного тока, важно учитывать, какое количество энергии будет поглощаться материалом при его циклическом перемагничивании по петле гистерезиса. В переменном магнитном поле изменяются размеры доменов, вследствие движения доменных границ, и ориентация вектора намагниченности, вследствие вращения намагниченности. Эти процессы сопровождаются вихревыми токами, процессами спиновой релаксации (релаксации намагниченности), упругой деформацией и переходом части энергии колебания атомов в теплоту. При этом стоит отметить, что в металлических материалах преобладают магнитные потери на вихревые токи, а в диэлектриках - магнитные потери, связанные со спиновой релаксацией.

Потери энергии при работе магнитомягкого материала по способу измерения можно разделить на:

потери на гистерезис, которые появляются при периодическом перемагничивании с частотой f, и равны площади динамической петли магнитного гистерезиса, умноженной на частоту,

потери на вихревые токи, которые связаны с генерацией вихревых токов, индуцированные изменением магнитной индукции в магнитомягком материале и определяются как P_c=π²·B_m² ·f²·h²/6·ρ,

потери, связанные с изменением размеров доменов, вследствие движения доменных границ, и вращения вектора намагниченности.

Потери на гистерезис могут быть сокращены за счет уменьшения внутренней коэрцитивности магнитомягкого материала, что приведет к уменьшению площади петли гистерезиса. [9]

Потери на вихревые токи сильно зависят от отношения ширины доменов к толщине пластины D/h, поскольку изменение магнитной индукции в магнитном материале происходит вследствие движения доменных границ, и от проводимости магнитомягкого материала. Уменьшение потерь на вихревые токи достигается применением магнитомягкого материала с более низкой проводимостью и нанесением изоляционного покрытия на материал, которое оказывает существенное влияние на потери с повышением частоты перемагничивания.

Потери, связанные с изменением размеров доменов могут быть уменьшены за счет применения абсолютно однородного материала, внутри которого не будет никаких помех движению доменных стенок.

Оксидные магнитные материалы – ферриты

Ферриты или сложные окислы железа, представляют собой оксидные магнитные материалы, у которых спонтанная намагниченность доменов обусловлена нескомпенсированным антиферромагнетизмом.

Большое удельное сопротивление, превышающее удельное сопротивление железа в 103-1013 раз, а следовательно, и относительно незначительные потери энергии в области повышенных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронике. В состав ферритов входят анионы кислорода О^2- образующие основу кристаллической решетки, в промежутках между которыми располагаются катионы Fe³⁺ и катионы переходных металлов. Большинство ферритов являются ферримагнетиками.

Наиболее характерны с точки зрения практических применений ферритысо структурой шпинели с общей химической формулой МеОFe₂О_3, где Ме -двухвалентный металл (Ni, Co, Mn, Mg) и ферриты со структурой граната собщей химической формулой Мe₃Fe₅O₁₂, где Me - трехвалентный ионщелочноземельной и редкоземельной групп таблицы Менделеева (Y,Cd,Sm). Некоторые ферриты относятся к ферромагнетикам и антиферромагнетикам

Магнитные свойства ферритов зависят от механических напряжений, которые могут возникать при нанесении обмотки, креплении изделий и по другим причинам. Чтобы не было ухудшения магнитных характеристик, ферриты следует оберегать от механических нагрузок.

По электрическим свойствам ферриты относятся к классу полупроводников или даже диэлектриков. Их электропроводность обусловлена процессами электронного обмена между ионами переменной валентности ("прыжковый" механизм). Электроны, учавствующие в обмене, можно рассматривать как носители заряда, концентрация которых практически не зависит от температуры.

Для ферритов характерна относительно большая диэлектрическая проницаемость, которая зависит от частоты и состава материала. С повышением частоты диэлектрическая проницаемость ферритов падает. Так, никель-цинковый феррит с начальной проницаемостью 200 на частоте 1 кГц имеет ε = 400, а на частоте 10 МГц ε = 15. Наиболее высокое значение e присуще марганец-цинковым ферритам, у которых она достигает сотен или тысяч.

Магнитомягкие ферриты широко применяются в качестве сердечников контурных катушек постоянной и переменной индуктивности; фильтров в аппаратуре радио- и проводной связи, сердечников импульсных и широкополосных трансформаторов, трансформаторов развертки телевизоров, магнитных модуляторов и усилителей. Из них изготавливают также стержневые магнитные антенны, индуктивные линии задержки и другие детали и узлы электронной аппаратуры. Частотный диапазон применения различных марок ферритов определяется значениями критической f_кр и граничной f_гp частот. На частотах до 106 Гц применяют марганец-цинковые ферриты (НМ), а на частотах от 105 до 108 Гц - никель-цинковые (НН и ВЧ). На сверхвысоких частотах применяют магний-марганцевые ферриты с большим содержанием окиси магния, литий-цинковые ферриты и ферриты сложного состава (полиферриты), а в инфракрасном диапазоне - феррогранаты иттрия (Y₃Fe₅O₁₂) с частичным замещением ионов иттрия и железа ионами лантанидов и других металлов. [10]

Марганец-цинковые ферриты с начальной магнитной проницаемостью 5000-15000 в слабых полях во многих случаях эффективно заменяют листовые ферромагнитные материалы - пермаллои и электротехническую сталь (рис.3). В средних и сильных магнитных полях замена листовых ферромагнетиков ферритами нецелесообразна, поскольку у ферритов меньше индукция насыщения.

Рис.3. Зависимость индукции насыщения (при Е=20°С), зависимость начальной магнитной

и температуры Кюри твердых растворов проницаемости в системе NiO-ZnO-Fe₂ O₃

Ni_1-x Zn_x Fe₂ O₄ от состава от состава (температура обжига 1380°С)

(температура обжига 1320°С) [11]

Список литературы

Фактор З. и др. Магнитомягкие материалы. М.: Энергия, 1964. – 312 с.

Журавлева Л.В. Электроматериаловедение/ Л.В. Журавлева; - М.: Проф. Обр. Издат., 2001. – 312 с.

https://studwood.ru/1641518/matematika_himiya_fizika/vysokochastotnye_magnitomyagkie_materialy

https://ozlib.com/863358/tehnika/magnitomyagkie_materialy

https://studopedia.ru/27_59791_magnitomyagkie-materiali.html

http://studik.net/vysokochastotnye-magnitomyagkie-materialy/

http://www.physics-guide.ru/phygs-1330-1.html

https://ronl.org/doklady/fizika/304185/

http://www.magnetlab.ru/index.php?name=pages&op=view&id=12

https://lms.kgeu.ru/pluginfile.php?file=%2F10929%2Fmod_resource%2Fcontent%2F0%2FЛекция%2018.pdf

https://vk.com/away.php?to=https%3A%2F%2Ffindout.su%2F7x3312.html&cc_key=

https://vk.com/away.php?utf=1&to=https%3A%2F%2Ftextarchive.ru%2Fc-2254040-p4.html

Код для цитирования: Скопировать