Причины, приводящие к образованию доменов
Ферромагнетики в ненамагниченном состоянии самопроизвольно (спонтанно) разбиваются на множество доменов, намагниченных до насыщения. Магнитные моменты этих доменов дезориентированы друг относительно друга, поэтому суммарная (результирующая) намагниченность М образца равна или близка нулю. Спонтанное деление объема ферромагнетика на множество доменов объясняется тем, что многодоменная структура ферромагнетика наиболее устойчива и ей соответствует минимум полной свободной энергии системы, которая, в свою очередь, состоит из следующих основных видов: магнитостатической, обменной, магнитной анизотропии, магнитострикции. В образовании многодоменной структуры особенно важны первые два вида энергии.
При намагничивании ферромагнетика (например, монокристалла) до насыщения он будет представлять собой постоянный магнит, состоящий из одного домена и создающий внешнее магнитное поле (рис. 5.3,а;стрелкой обозначен магнитный момент домена). Такой образец обладает максимальной магнитостатической энергией. Если этот же монокристалл будет состоять из двух доменов с противоположной ориентацией спиновых магнитных моментов (см. рис. 5.3,б), то магнитостатическая энергия уменьшится в два раза, так как часть магнитного потока, выходящего из одной области, замкнется на другую. При возникновении в монокристалле четырех доменов (см. рис. 5.3,в) магнитостатическая энергия уменьшится в четыре раза и т.д. Еще более энергетически выгодной будет доменная структура, изображенная на рис. 5.3,г. В результате образования граничных доменов в виде трехгранных призм, называемых замыкающими доменами, магнитостатическая энергия становится равной нулю.
|
|
|
Рис. 5.3. Уменьшение магнитостатической энергии, обусловленное разделением монокристалла ферромагнетика на магнитные домены
Процесс деления монокристалла на домены имеет определенный предел. При увеличении числа доменов возрастает протяженность границы между доменами и соответственно возрастает обменная энергия, необходимая для их образования. Поэтому на каком-то этапе деление доменов становится энергетически невыгодным и прекратится в силу того, что энергия, необходимая для образования доменных границ, станет больше того выигрыша в энергии, который происходит за счет уменьшения магнитостатической энергии в результате деления доменов.
Механизм технического намагничивания и магнитный гистерезис
Процесс технического намагничивания магнитного материала сопровождается изменением его доменной структуры. В размагниченном образце направления спонтанной намагниченности доменов совпадают с осями легкого намагничивания. При приложении магнитного поля самым выгодным направлением технической намагниченности домена будет та его ось легкого намагничивания, которая составляет наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля.
|
|
|
Важнейшей характеристикой ферромагнетиков является основная кривая намагничивания, описывающая зависимость намагниченности М или магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н для предварительного размагниченного образца, а также зависимость магнитной проницаемости μ от напряженности магнитного поля Н и предельная петля магнитного гистерезиса. На рис. 5.4 представлены кривые зависимости В и μ от напряженности магнитного поля Н для образца предварительно размагниченного ферромагнетика.
Рис. 5.4. Основная кривая намагничивания (зависимость В от Н) и зависимость магнитной проницаемости μ от напряженности магнитного поля Н
На кривых этих зависимостей можно выделить четыре характерных участка.
I участок – это область самых слабых магнитных полей (Н→0) – характеризуется линейной зависимостью В от Н и постоянным значением μ. На этом участке происходит увеличение объема (рост) тех доменов, векторы намагниченности которых имеют наименьшие углы с направлением внешнего магнитного поля; их рост происходит за счет доменов, у которых эти углы наибольшие. Рост доменов происходит путем обратимого смешения их границ. Поэтому процесс намагничивания на этом участке называют процессом обратимого смещения границ доменов. На этом участке суммарная намагниченность образца становится отличной от нуля, и материал характеризуется начальной магнитной проницаемостью μн, которую экспериментально определяют в полях с Н≈0,1 А/м. Величина μн, является удобной характеристикой материала сердечников высокочастотных катушек индуктивности, работающих, как правило, в полях с невысокой напряженностью. После снятия внешнего магнитного поля границы доменов снова возвращаются в прежнее положение, поэтому остаточная намагниченность не возникает.
|
|
|
II участок – область слабых магнитных полей – характеризуется крутым подъемом В и при увеличении Н. В конце этого участка магнитная проницаемость проходит через максимум и представляет собой максимальную магнитную проницаемость μм. Величина μм является удобной характеристикой материала сердечников реле, дросселей, трансформаторов, работающих в полях повышенной напряженности (конец II–начало III участка). На этом участке границы доменов перемещаются на большие расстояния, а сам процесс перемещения границ доменов необратим, т.е. после снятия внешнего магнитного поля доменная структура не возвращается в исходное состояние, и образец сохраняет какую-то техническую намагниченность. Поэтому процесс намагничивания на этом участке называют процессом необратимого смещения границ доменов. Переориентация спиновых магнитных моментов внутри доменов происходит не постепенно, а скачкообразно. К концу этого участка границы доменов исчезают, и образец превращается в однодоменный, вектор намагниченности которого совпадает с направлением легкого намагничивания и составляет наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля.
|
|
|
III участок – область средних полей – характеризуется небольшим увеличением В и значительным уменьшением μ. Процесс намагничивания на этом участке заключается в постепенном повороте вектора намагниченности образца до полного совпадения с направлением внешнего магнитного поля Н, поэтому его называют процессом вращения вектора намагниченности. В конце этого участка при Н=Нs намагниченность М материала достигает значения намагниченности технического насыщения Ms (М→Ms) или, можно сказать, что магнитная индукция В материала достигает значения индукции технического насыщения BS(B→Bs). Магнитная проницаемость μ на этом участке значительно снижается, так как напряженность поля Н увеличивается, а магнитная индукция В изменяется незначительно.
IV участок – область сильных магнитных полей – характеризуется незначительным возрастанием индукции В с увеличением напряженности магнитного поля Н и приближением значения магнитной проницаемости μ к единице. Незначительное увеличение магнитной индукции В на этом участке происходит в результате парапроцесса, который заключается в гашении сильным полем дезориентирующего действия теплового поля. Абсолютно строгую ориентацию всех спиновых магнитных моментов атомов внутри домена можно получить только при температуре абсолютного нуля, когда отсутствует дезориентирующее действие теплового движения. По мере повышения температуры, дезориентация спиновых магнитных моментов атомов возрастает. Дезориентирующее действие теплового движения компенсируется ориентирующим действием внешнего магнитного поля. В этом и заключается парапроцесс. Парапроцесс имеет место и в слабых полях, но здесь он перекрывается процессами смещения и вращения. В сильных полях, когда индукция В достигла значения индукции технического насыщения Вs (В=Bs), пара-процесс проявляется более отчетливо.
В реальных ферро- и ферримагнетиках различные виды процессов намагничивания накладываются друг на друга. На процесс намагничивания, кроме того, влияют магнитострикция, механические напряжения, дефекты структуры и ряд других причин.
Магнитный гистерезис. Если предварительно размагниченный образец подвергнуть намагничиванию до состояния технического насыщения, то с увеличением напряженности магнитного поля Н магнитная индукция В будет изменяться в соответствии с кривой ОАБ рис. 5.5 и в точке А при Н=Hs достигнет значения индукции технического насыщения, или индукции насыщения Bs. Отрезок АБ является безгистерезисной частью зависимости В(Н). При уменьшении напряженности поля Н намагниченность образца уменьшается по кривой БАВr и при Н=0 индукция В не будет равна нулю. Эта индукция называется остаточной и обозначается Br; с ней связано существование постоянных магнитов.
Рис. 5.5. Предельная петля магнитного гистерезиса
Остаточная индукция (остаточная намагниченность) обусловлена тем, что при размагничивании, когда Н=0, магнитные моменты доменов оказываются ориентированными вдоль оси легкого намагничивания, направление которой близко к направлению внешнего поля.
Для достижения полного размагничивания образца к нему необходимо приложить поле определенной напряженности и противоположное по знаку. Напряженность такого поля называют коэрцитивной силой Hс. При дальнейшем возрастании отрицательного поля индукция тоже становится отрицательной и в точке А' при Н=–Hs достигает значения индукции технического насыщения (В=–Вs).После уменьшения отрицательного поля, а затем увеличения положительного поля кривая перемагничивания опишет петлю, называемую предельной петлей магнитного гистерезиса, которая является важной технической характеристикой магнитных материалов.
Таким образом, предельная петля магнитного гистерезиса – это кривая изменения магнитной индукции при изменении внешнего магнитного поля от +HS до –Hs и обратно. Пользуясь предельной петлей магнитного гистерезиса, можно определить основные параметры материала: коэрцитивную силу Нс, индукцию насыщения Вs остаточную индукцию Вr и др. Площадь этой петли пропорциональна работе, затрачиваемой на перемагничивание образца за один цикл; она пропорциональна потерям на гистерезис. Из рис. 5.5 видно, что в координатах В(Н) при Н<Hs (или В<Bs) проявляется целое семейство петель магнитного гистерезиса, заключенных одна в другую.
Поскольку ферримагнетики также обладают доменной структурой, поэтому рассмотренные процессы намагничивания и размагничивания происходят в них аналогичным образом.
Коэрцитивная сила Нс является важной технической характеристикой магнитных материалов и как магнитная проницаемость μ зависит от суммарной удельной поверхности зерен, магнитной анизотропии, магнитострикции, механических напряжений, наличия примеси и других дефектов. Чем больше значения этих величин и меньше однородность структуры, тем больше Нс и меньше μ. Объясняется это тем, что поверхность зерен более дефектна, имеет более высокие внутренние напряжения кристаллической решетки, чем само зерно. Внутренние напряжения и дефекты при намагничивании препятствуют росту доменов и ориентации их магнитных моментов в направлении поля. В результате Нс возрастает, а μ снижается. С уменьшением размера зерен их суммарная удельная поверхность возрастает. Величину суммарной удельной поверхности зерен можно изменять механической и термической обработкой материалов. Материал, подвергнутый закалке или холодной деформации (прокатке, волочению), образует мелкозернистую структуру, которая обладает большой суммарной удельной поверхностью зерен и соответственно большой Нс и малой μ. Материал, подвергнутый отжигу, наоборот, образует крупнозернистую структуру с небольшой суммарной удельной поверхностью зерен и соответственно с небольшой Нс и с высокой μ.
Таким образом, если точка Кюри и индукция насыщения зависят только от химического состава магнитных материалов, то такие характеристики, как коэрцитивная сила Нс, магнитная проницаемость и площадь петли гистерезиса, являются структурночувствительными. Поэтому чем больше размер зерна (меньше суммарная удельная поверхность зерен) и более совершенна структура кристаллической решетки (меньше дислокаций, внутренних напряжении, примесей и других дефектов), тем меньше Нс и больше μ, а материал соответственно легче намагничивается и перемагничивается.
Магнитные потери. Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном поле связан с потерями части мощности магнитного поля. Эту мощность, поглощаемую единицей массы магнитного материала и рассеиваемую в виде тепла, называют удельными магнитными потерями Р, которые, в свою очередь, складываются из потерь на гистерезис и динамические потери. Динамические потери вызываются, прежде всего, вихревыми токами и частично магнитным последействием (магнитной вязкостью).
Потери на гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением доменных границ. Для каждого материала они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменного магнитного поля. Мощность потерь Р, Вт/кг, расходуемая на гистерезис единицей массы материала, определяется формулой
где η – коэффициент, зависящий от природы материала; Вм – максимальная магнитная индукция в течение цикла; п – показатель степени, имеющий значение в зависимости от В в пределах от 1,6 до 2; f – частота.
Чтобы уменьшить потери на гистерезис, используют магнитные материалы с возможно меньшей коэрцитивной силой (узкой петлей гистерезиса). Для этого путем отжига снимают внутренние напряжения, уменьшают число дислокаций и других дефектов и укрупняют зерно.
Потери на вихревые токи обусловлены электрическими токами, которые индуцируют в материале магнитный поток. Эти потери зависят от электрического сопротивления магнитного материала и формы сердечника. Чем больше удельное электрическое сопротивление магнитного материала, тем меньше потери на вихревые токи. Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты, поэтому на высоких частотах магнитные материалы с низким электрическим сопротивлением не применяют. Мощность потерь РВТ, Вт/кг, расходуемая на вихревые токи единицей массы, в общем виде определяется формулой
где ζ – коэффициент, зависящий от природы магнитного материала (в частности, от его удельного сопротивления), а также его формы.
Для листовых образцов магнитного материала РВТ равна, кг/Вт:
где Вм – максимальная магнитная индукция в течение цикла, Тл; f – частота переменного тока, Гц; h – толщина листа, м; – удельное электрическое сопротивление, Ом·м; d – плотность материала, кг/м3.
Поскольку величина РВТ зависит от квадрата частоты, на высоких частотах в первую очередь необходимо учитывать потери на вихревые токи. Для борьбы с вихревыми токами увеличивают электрическое сопротивление сердечников (магнитопроводов). Для этого их собирают из отдельных, электроизолированных друг от друга листов ферромагнетика с относительно высоким удельным сопротивлением или прессуют магнитный материал, находящийся в порошкообразном виде, с диэлектриком так, чтобы отдельные частицы ферромагнетика были разделены друг от друга прослойкой из диэлектрика (магнитодиэлектрики), или используют ферриты – ферримагнитную керамику, имеющую высокое удельное сопротивление (того же порядка, что у полупроводников и диэлектриков).
При уменьшении толщины листового металлического магнитного материала потери на вихревые токи снижаются, однако возрастают потери на гистерезис, так как при уменьшении толщины листа измельчается зерно и, следовательно, увеличивается коэрцитивная сила. С увеличением частоты потери на вихревые токи возрастают более интенсивно, чем потери на гистерезис, и при какой-то частоте начнут преобладать над потерями, вызванными гистерезисом.
Таким образом, толщина листового магнитного материала непосредственно зависит от частоты переменного тока, при которой работает изделие, и каждой частоте соответствует определенная толщина листа, при которой полные магнитные потери минимальны.
Потери, вызванные магнитным последействием (магнитной вязкостью), – это свойство магнитных материалов проявлять зависимость запаздывания изменения индукции, происходящее под действием изменяющегося магнитного поля, от длительности воздействия этого поля. Эти потери обусловлены в первую очередь инерционностью процессов перемагничивания доменов. С уменьшением длительности приложения магнитного поля запаздывание и, следовательно, магнитные потери, вызванные магнитным последействием, увеличиваются, поэтому их необходимо учитывать при использовании магнитных материалов в импульсном режиме работы.
Мощность потерь Рмп, вызванную магнитным последействием, нельзя рассчитать аналитически. Она определяется как разность между удельными магнитными потерями Р и суммой потерь на гистерезис Р и вихревые токи РВТ:
При перемагничивании в переменном поле имеет место отставание по фазе магнитной индукции от напряженности магнитного поля. Происходит это в результате действия вихревых токов, препятствующих изменению магнитной индукции, а также из-за гистерезисных явлений и магнитного последействия. Угол отставания называют углом магнитных потерь и обозначают δМ.
Для характеристики динамических свойств магнитных материалов используют тангенс угла магнитных потерь tgδM. На рис. 5.6 представлена эквивалентная последовательная схема замещения и 
Рис. 5.6 Эквивалентная схема замещения и векторная диаграмма катушки индуктивности с магнитным сердечником
векторная диаграмма тороидальной катушки индуктивности с сердечником из магнитного материала. Активное сопротивление r1, эквивалентно всем видам магнитных потерь, потерям в обмотке и электрической изоляции.
Если пренебречь сопротивлением обмотки катушки и ее собственной емкостью, то из векторной диаграммы получим
где ω – угловая частота; L – индуктивность катушки; Q – добротность катушки с испытуемым магнитным материалом.
Уравнение (5.15) показывает, что тангенс угла магнитных потерь является величиной, обратной добротности катушки.
Индукцию, возникающую в магнитном материале под действием магнитного поля, можно представить в виде двух составляющих: одна совпадает по фазе с напряженностью поля
Вм1=ВM.cosδ,
другая отстает на 90° от напряженности поля и равна
Вм2=Вм·sinδ
При этом Вм1 связана с обратимыми процессами превращения энергии при перемагничивании, а Вм2 – с необратимыми.
Тема19. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы.
По величине коэрцитивной силы магнитные материалы разделяют на магнитомягкие и магнитотвердые. Граница этого раздела по значению Нс условная. Материалы, у которых Нс<4 кА/м, относят к магнитомягким, у которых Нс>4 кА/м – к магнитотвердым.
Для магнитомягкихматериалов характерным является малое значение коэрцитивной силы. Поэтому они намагничиваются до индукции технического насыщения при невысоких напряженностях поля. Намагничивание происходит в основном за счет смещения доменных границ. У магнитомягких материалов высокая магнитная проницаемость, малые потери на перемагничивание и узкая петля гистерезиса при высоких значениях магнитной индукции. Это легконамагничивающиеся материалы. Магнитомягкие материалы применяют в производстве сердечников катушек индуктивности, реле, трансформаторов, электрических машин, работающих в постоянном и переменном магнитных полях.
Рассмотрим основные магнитомягкие материалы.
Низкоуглеродистые кремнистые стали представляют собой сплавы железа, включающие 0,8–4,8% кремния. Введение кремния повышает удельное электрическое сопротивление стали, и снижает потери на вихревые токи. Чем больше содержание кремния, тем лучше магнитные характеристики, однако при этом повышается хрупкость материала. Кремнистая сталь прокатывается в виде тонких листов толщиной 0,05–1,0 мм. Она характеризуется следующими основными параметрами: µн=300...900, µм=(2...35)·103, Нс=10...30 А/м.
Карбонильное железо получают путем термического разложения пентакарбонила железа Fe(CO)5, результатом чего является порошок, состоящий из частиц чистого железа и оксида углерода, имеющих сферическую форму диаметром от 1 до 8 мкм. Из этого порошка путем прессования изготовляют высокочастотные сердечники, характеризуемые следующими основными параметрами: µн=(2,5...3)·103, µм=20·103, Нс=4,5…6,2 А/м.
Пермаллои представляют собой пластичные железоникелевые сплавы с содержанием никеля 45–80%.Чем выше содержание никеля, тем больше µи меньше Нс. Пермаллои обладают высокой пластичностью, поэтому они легко прокатываются в тонкие листы толщиной до 1 мкм. Для улучшения магнитных характеристик в пермаллои добавляют молибден, хром, кремний или медь. Пермаллои характеризуются следующими основными параметрами: µн=(2...14)·103, µм=(50...270)·103, Нс=2...16 А/м.
Альсиферы представляют собой хрупкие нековкие сплавы, содержащие от 5 до 15%алюминия, от 9 до 10% кремния, остальное – железо. Из этих сплавов изготовляют литые сердечники, работающие на частотах до 50 кГц. Альсиферы имеют следующие основные параметры: µн=(6…7)·103, µм=(30...35)·103, Нс=2 А/м.
Ферриты представляют собой соединения оксида железа (Fe2O3) с оксидами других металлов (ZnO, NiO). Ферриты получают из порошкообразной смеси оксидов этих металлов. Основным достоинством ферритов является сочетание высоких магнитных параметров с большим электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются потери в области высоких частот. Марганцево-цинковые ферриты имеют параметры µн=(1...6)·103, Нс=12...80 А/м и граничную частоту до 1,6 МГц, никель-цинковые – µн=10...150, Нс=560...800 А/м и граничную частоту до 250 МГц.
Магнитодиэлектрики представляют собой композиционные материалы, состоящие из мелкодисперсных частиц магнитомягкого материала, соединенных друг с другом каким-либо органическим или неорганическим диэлектриком. В качестве мелкодисперсных магнитомягких материалов применяют карбонильное железо, альсифер и некоторые сорта пермаллоев, измельченные до порошкообразного состояния. В качестве диэлектриков применяют эпоксидные и бакелитовые смолы, полистирол, жидкое стекло. Диэлектрик соединяет частицы магнитомягкого материала, одновременно изолируя их друг от друга, благодаря чему повышается удельное электрическое сопротивление магнитодиэлектрика, что резко снижает потери на вихревые токи и позволяет использовать магнитодиэлектрики на частотах до 100 МГц.
Магнитные характеристики магнитодиэлектриков несколько хуже, чем у ферритов, но зато эти характеристики более стабильны. Кроме того, производство изделий из магнитодиэлектриков значительно проще, чем из ферритов.
Длямагнитотвердыхматериалов характерным является широкая петля гистерезиса с большой коэрцитивной силой. Магнитная проницаемость μ у них меньше, чем у магнитомягких материалов. У магнитотвердых материалов большая максимальная удельная магнитная энергия WM, которая пропорциональна произведению наибольших значений В и Н на кривой размагничивания. Намагничиваются они с трудом, но зато длительное время сохраняют сообщенную энергию. Намагничивание происходит в основном за счет вращения вектора намагниченности. Применяют магнитотвердые материалы для производства постоянных магнитов, в электрических машинах малой мощности, для записи и хранения цифровой, звуковой и видеоинформации.
Магнитотвердые материалы по составу и способу получения подразделяют на пять групп:
· литые высококоэрцитивные сплавы;
· металлокерамические и металлопластические магниты;
· магнитотвердые ферриты;
· сплавы на основе редкоземельных металлов;
· материалы для магнитной записи информации.
К группе литых высококоэрцитивных сплавов относятся железо-никель-алюминевые и железо-никель-кобальт-алюминевые сплавы, легируемые медью, никелем, титаном и ниобием. Магнитная энергия таких сплавов достигает 36 кДж/м, коэрцитивная сила – 110 кА/м.
Металлокерамические и металлопластические магниты создаются методами порошковой металлургии. Металлокерамические магниты получают путем прессования порошка, состоящего из измельченных тонкодисперсных магнитных сплавов, и последующего спекания при высокой температуре. Из-за пористости материалов их магнитная энергия на 10–20%ниже, чем у литых сплавов. Металлопластические магниты получают из порошка магнитного сплава, смешанного с порошком диэлектрика. Процесс изготовления магнитов состоит в прессовании и нагреве заготовок до 120–180°С для полимеризации диэлектрика. Из-за того, что около 30% объема занимает неферромагнитный связующий диэлектрический материал, их магнитная энергия на 40–60%меньше, чем у литых сплавов.
Из магнитотвердых ферритов наибольшее распространение получили бариевый феррит и кобальтовый феррит. Магнитная энергия этих ферритов достигает 12 кДж/м.
Магнитотвердые материалы из сплавов на основе редкоземельных металлов весьма перспективны, но еще недостаточно изучены и освоены в техническом отношении. Практически известны сплавы самария и празеодима с кобальтом, магнитная энергия которых достигает 80 кДж/м. Недостатками этих сплавов являются их высокая хрупкость и значительная стоимость.
В качестве материалов для магнитной записи информации применяют тонкие металлические ленты из нержавеющих сплавов и ленты на пластмассовой основе с порошковым рабочим слоем. В технике магнитной записи наибольшее распространение получили полимерные ленты с нанесенным слоем магнитного лака, состоящего из магнитного порошка, связующего вещества, летучего растворителя и различных добавок, уменьшающих абразивность рабочего слоя.
Термины «магнитомягкие» и «магнитотвердые» не являются характеристикой механических свойств материалов. Существуют механически мягкие, но магнитотвердые материалы и, наоборот, механически твердые, но магнитомягкие материалы.
Примеры решения контрольных задач
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 1094; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!