Магнитные материалы

91. Какими параметрами характеризуются магнитные материалы?

К магнитным материалам относятся материалы с упорядоченной магнитной структурой и большой магнитной восприимчивостью: ферромагнетики и ферримагнетики. Комплекс магнитных свойств магнитного материала описывается кривыми намагничивания-размагничивания (зависимостью индукции в материале от напряженности переменного магнитного поля) – петлями гистерезиса (hysteresis – отставание, запаздывание). Наиболее информативной является предельная петля гистерезиса, когда индукция в материале достигает максимально возможного значения для взятого образца (материал полностью намагничен). Предельная петля гистерезиса определяет следующие параметры магнитного материала:

- начальная магнитная проницаемость, μ_нач (при напряженности магнитного поля на начальной кривой намагничивания близкой к нулю);

- максимальная магнитная проницаемость, μ_макс (в точке кривой намагничивания с максимальным значением производной);

- индукция насыщения, В_нас (индукция полного намагничивания образца);

- остаточная индукция, В_ост ( индукция на кривой размагничивания при напряженности магнитного поля, равной нулю);

- коэрцитивная сила, Н_с (напряженность магнитного поля на кривой размагничивания при индукции в образце равной нулю);

- магнитные потери на гистерезис – потери энергии на перемагничивание, пропорциональные площади, охватываемой петлей гистерезиса.

Петля гистерезиса представлена на рисунке:

92. От чего зависит значение магнитной проницаемости магнитных материалов?

Магнитная проницаемость – это производная индукции в материале по напряженности внешнего магнитного поля, и её значение зависит от этих параметров. При напряженности внешнего магнитного поля близкой к нулю магнитные моменты доменов материала образуют замкнутые магнитные цепи, что является причиной малых значений магнитной проницаемости (порядка 10²), называемой начальной – μ_нач. При росте напряженности внешнего магнитного поля домены материала перестраиваются, направление суммарного магнитного момента все больше соответствует направлению внешнего поля. Магнитная проницаемость достигает максимального значения - μ_макс. При дальнейшем увеличении внешнего магнитного поля перестройка доменов постепенно заканчивается и магнитная проницаемость снижается до 1.

93. Что такое «индукция насыщения»?

Индукция насыщения, В_нас – значение индукции магнитного материала, определяемое экстраполяцией из области напряженности магнитных полей, соответствующих намагниченности технического насыщения, к нулевому значению напряженности магнитного поля.

При намагниченности технического насыщения магнитная перестройка материала завершилась, и его магнитная проницаемость приблизилась к 1.

94. Что такое «остаточная индукция»?

Остаточная индукция – индукция, сохраняющаяся в магнитном материале после намагничивания его до намагниченности технического насыщения и уменьшения напряженности поля в нем до нуля.

95. Что такое «коэрцитивная сила»?

Коэрцитивная сила по индукции – величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения магнитной индукции от остаточной до нуля.

Коэрцитивная сила по намагниченности – величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения намагниченности от остаточной до нуля.

96. По какому параметру различают магнитомягкие и магнитотвердые материалы?

Магнитомягкие и магнитотвердые материалы различают по значению коэрцитивной силы. Условная граница – 4000 А/м.

У магнитомягких материалов коэрцитивная сила, как правило, ниже 800 А/м. Эти материалы используются, например, для магнитопроводов электрических машин переменного тока, и малая коэрцитивная сила обусловливает малые потери на перемагничивание.

Магнитотвердые материалы имеют коэрцитивную силу более 4000 А/м. Они имеют также большую остаточную индукцию и используются как материалы для постоянных магнитов.

Магнитомягкие материалы имеют малую площадь петли гистерезиса, а магнитотвердые – большую.

97. Назовите виды магнитных потерь.

Потери на перемагничивание (на гистерезис) – потери энергии, нагревающие магнитный материал и связанные с перестройкой доменов в переменном магнитном поле. Удельная мощность потерь, расходуемых на гистерезис, пропорциональна максимальному значению индукции В_макс (возникающей материале при перемагничивании) в степени 1,6…2,0 и частоте, f:

P_гист ~ B^(1,6…2)f.

Потери на вихревые токи – потери энергии, нагревающие магнитный материал и обусловленные индуктированными в нем переменным магнитным полем вихревыми токами, бǒльшими при бǒльшей электропроводности материала. Удельная мощность потерь, расходуемых на вихревые токи, пропорциональна квадрату максимального значения индукции В_макс (возникающей материале при перемагничивании) и квадрату частоты, f:

P_вихр ~ B²f².

98. Перечислите известные Вам виды магнитных материалов.

- Электротехническая сталь;

- магнитомягкие сплавы;

- магнитомягкие ферриты;

- магнитодиэлектрики;

- магнитотвердые закаливаемые стали;

- магнитотвердые сплавы;

- магнитотвердые ферриты;

- магнитные материалы специального назначения (термомагнитные, магнитострикционные, с прямоугольной петлёй гистерезиса и т.д.).

99. Что такое «электротехническая сталь»?

Электротехническая сталь – это магнитомягкий материал, представляющий собой сплав железа с кремнием (0,3…4,8%), углеродом (0,035…0,040%) и марганцем (< 0,3%). Электротехнические стали бывают сортовыми (кованная, калиброванная) и тонколистовыми (горячекатаная и холоднокатаная). Из электротехнической стали выполняются магнитопроводы всех видов для приборов, аппаратов и электрических машин постоянного и переменного (промышленной частоты) тока. В электрических машинах переменного тока для снижения потерь на вихревые токи магнитопровод выполняется из изолированных друг от друга тонких листов электротехнической стали.

Начальная магнитная проницаемость электротехнической стали лежит в пределах 200…300; максимальная магнитная проницаемость может достигать десятка тысяч; индукция насыщения не превышает 2 Тл.

100. Что такое «феррит»?

Феррит – это керамический магнитный материал, кристаллическая решетка которого состоит из окисла железа (Fe₂O₃) и окислов других (одного-трех) металлов. Начальная магнитная проницаемость ферритов лежит в пределах от 10 до нескольких тысяч; максимальная магнитная проницаемость может достигать десятка тысяч; индукция насыщения не превышает 1 Тл.

101. По какому параметру ферриты принципиально отличаются от электротехнических сталей?

Основное отличие ферритов от электротехнических сталей состоит в том, что ферриты – это слабопроводящие материалы. Удельное электрическое сопротивление ферритов лежит в пределах от 0,02 до 10¹² Ом×м, а у электротехнических сталей – (0,14…0,6)10^-6 Ом×м. В результате потери на вихревые токи в ферритах практически отсутствуют, поскольку мощность потерь обратно пропорциональна удельному электрическому сопротивлению материала. Это позволяет использовать магнитомягкие ферриты для магнитопроводов высокочастотных устройств.