Магнитные свойства материалов

Содержание

1. Магнитные свойства материалов. Ферро- и ферримагнетики.

Поведение сильномагнитных материалов в постоянных и

переменных полях. Петля гистерезиса ……………………………………...3

2. Тип производства. Коэффициент закрепления операций.

Организационно-технические особенности  различных типов 

производства……………………………………………………………………11

3. Задача ………………………………………………………………………… 19

Список  литературы ………………………………………………………………23

1. Магнитные свойства материалов. Ферро- и ферримагнетики. Поведение сильномагнитных материалов в постоянных и переменных полях. Петля гистерезиса.

Материалы, помещенные во внешнее магнитное  поле, намагничиваются. Намагничивание связано с наличием у атомов (ионов) собственного магнитного поля, которое и определяет степень намагниченности материала. Магнитный момент атома является суммой векторов орбитальных и собственных (спиновых) моментов электронов.

По реакции на внешнее  магнитное поле и характеру внутреннего  магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и  ферримагнетики. Перечисленным видам магнетиков соответствуют пять различных видов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм.

1. Диамагнетики – кристаллы, в которых преобладает диамагнитный эффект, при котором составляющие магнитных полей атомов складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. То есть, диамагнитные материалы к магнитам не притягиваются, а, наоборот, отталкиваются. К ним относят медь, серебро, золото, свинец, цинк, смолу, воду, большую часть газов, воздух и пр. Относительная магнитная проницаемость у них несколько меньше единицы.
2. Парамагнетики – кристаллы, в которых преобладает парамагнитный эффект, возникающий в веществах с наличием нескомпенсированных магнитных моментов и отсутствием магнитного атомного порядка. Это проявляется в том, что в отсутствие внешнего поля векторы магнитных моментов под действием тепловой энергии располагаются равновероятно, в результате чего магнитный момент парамагнетика равен нулю. Такие материалы обладают слабыми магнитными свойствами, т. е., они практически не притягиваются магнитами. Хотя нельзя сказать, что притяжения нет совсем, просто она во много раз слабее, чем у ферромагнетиков, поэтому, притягивание не заметно. К парамагнитным материалам относят алюминий, олово, хром, марганец, платину, вольфрам, растворы солей железа и др. Относительная магнитная проницаемость у них несколько больше единицы.
3. Ферромагнетики – материалы, обладающие большим собственным магнитным полем и способные создавать при намагничивании большие магнитные поля. К ферромагнитным материалам относят железо, кобальт, никель и их сплавы. Они обладают высокой магнитной проницаемостью, в тысячи и даже десятки тысяч раз большей магнитной проницаемости неферромагнитных веществ, и хорошо притягиваются к магнитам и электромагнитам.
4. Антиферромагнетики – вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов.
5. Ферримагнетики – вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

На рисунке 1 изображена ориентация магнитных моментов в слабо- и сильномагнитных материалах.

Рисунок 1 – Ориентация магнитных моментов в слабо- и

сильномагнитных материалах.

Характеристикой намагничивания материалов является намагниченность, равная сумме  магнитных моментов атомов единице  объёма:

                                                                                                         (1)

Магнитная восприимчивость дает связь  намагниченности с напряженностью внешнего магнитного поля: χ = J/H. Магнитная восприимчивость характеризует способность данного вещества, намагничиваться в магнитном поле. Магнитная восприимчивость численно равна намагниченности при единичной напряженности поля.

Намагниченное тело, находящееся во внешнем поле, создает собственное магнитное поле, которое в изотропных материалах направлено параллельно или антипараллельно внешнему полю. Поэтому суммарная магнитная индукция в веществе определяется алгебраической суммой индукции внешнего (В₀)и собственного (В_i) полей:

                                      ₍₂₎

где Гн/м- магнитная постоянная;

      χ – магнитная проницаемость, характеризующая интенсивность роста магнитной индукции  при увеличении напряженности намагничивающего поля.

1. Ферро- и ферримагнетики.

Вещества, способные сильно намагничиваться  в магнитном поле, называются ферромагнетиками. Магнитная проницаемость ферромагнетиков  по порядку величины лежит в пределах 102–105. Например, у стали μ ≈ 8000, у сплава железа с никелем магнитная проницаемость достигает значений 250000.

Для каждого ферромагнетика существует определенная температура (так называемая температура или точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком. У железа, например, температура Кюри равна 770 °C, у кобальта 1130 °C, у никеля 360 °C.

Ферромагнетиками могут быть различные  сплавы, содержащие ферромагнитные элементы. Широкое применение в технике получили керамические ферромагнитные материалы – ферриты. У ферритов доменная структура, как и у ферромагнетиков, образуется при температурах ниже точки Кюри. К ферритам применимы все магнитные характеристики, введенные для ферромагнетиков. В отличие от ферромагнетиков, они имеют высокое значение удельного сопротивления, меньшую величину индукции насыщения, более сложную температурную зависимость индукции. Ферромагнетизм в металлах объясняется наличием обменного взаимодействия, которое образуется между соприкасающимися атомами, а также взаимной ориентацией спиновых магнитных моментов. В ферримагнетиках магнитные моменты ионов ориентированы антипараллельно, и обменное взаимодействие происходит не непосредственно, а через ион кислорода О₂. Такое обменное взаимодействие называют косвенным обменом или сверхобменом. Оно усиливается по мере приближения промежуточного угла от 0° к 180°.

Ферромагнитные материалы делятся на две большие группы – на магнито-мягкие и магнито-жесткие материалы. Магнито-мягкие ферромагнитные материалы почти полностью размагничиваются, когда внешнее магнитное поле становится равным нулю. К магнито-мягким материалам относится, например, чистое железо, электротехническая сталь и некоторые сплавы. Эти материалы применяются в приборах переменного тока, в которых происходит непрерывное перемагничивание, то есть изменение направления магнитного поля (трансформаторы, электродвигатели и т. п.).

Магнито-жесткие материалы в значительной мере сохраняют свою намагниченность и после удаления их из магнитного поля. Примерами магнито-жестких материалов могут служить углеродистая сталь и ряд специальных сплавов. Магнито-жесткие метериалы используются в основном для изготовления постоянных магнитов.

Любое ферромагнитное тело разбито на домены – малые области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. В отсутствие внешнего магнитного поля, направления векторов намагниченности различных доменов не совпадают, и результирующая намагниченность всего тела может быть равна нулю.

Основными характеристиками ферромагнитных материалов являются: кривая намагничивания, ширина петли гистерезиса и потери мощности при перемагничивании.

Кривая намагничивания - процесс намагничивания ферромагнитного материала.  Она представляет собой зависимость индукции В от напряженности Н магнитного поля. Так как напряженность магнитного поля определяется силой тока, посредством которого намагничивается ферромагнитный материал, эту кривую можно рассматривать как зависимость индукции от намагничивающего тока I. Кривая намагничивания изображена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Кривая намагничивания

Кривую намагничивания можно разбить  на три участка: О-а, на котором магнитная индукция возрастает почти пропорционально намагничивающему току (напряженности поля); а-б, на котором рост магнитной индукции замедляется («колено» кривой намагничивания), и участок магнитного насыщения за точкой б, где зависимость В от H становится опять прямолинейной, но характеризуется медленным нарастанием магнитной индукции при увеличении напряженности поля по сравнению с первым и вторым участками кривой.

Следовательно, при большом насыщении  ферромагнитные вещества по способности пропускать магнитный поток приближаются к неферромагнитным материалам (магнитная проницаемость их резко уменьшается). Магнитная индукция, при которой происходит насыщение, зависит от рода ферромагнитного материала. Чем больше индукция насыщения ферромагнитного материала, тем меньший намагничивающий ток требуется для создания в нем заданной индукции и, следовательно, тем лучше он пропускает магнитный поток.

Большое практическое значение, особенно в электрических машинах и  установках переменного тока, имеет  процесс перемагничивания ферромагнитных материалов. Характерной особенностью процесса намагничивания ферромагнетиков является так называемый гистерезис, отставание изменения индукции от напряженности магнитного поля. Кривая намагничивания ферромагнитного образца представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлей гистерезиса (рис. 3).

Рисунок 3 – Петля гистерезиса  ферромагнетика.

Изменение индукции с ростом напряженности  внешнего магнитного поля (1-ое намагничивание) описывается кривой 0-а. Сначала индукция быстро возрастает за счет того, что магнитные диполи ориентируются по силовым линиям поля, добавляя свой магнитный поток к внешнему. Затем ее рост замедляется по мере того, как количество неориентированных диполей уменьшается и, наконец, когда практически все они ориентируются по внешнему полю рост индукции прекращается и наступает режим насыщения (точка а). Если теперь уменьшать напряженность, индукция будет уменьшатся с запозданием по кривой а-в за счет возникновения и роста магнитных диполей, ориентируемым против силовых линий внешнего поля. При Н = 0 в образце сохранится остаточная намагниченность, поле внутри образца будет равно B_r. Остаточная намагниченность образцов позволяет создавать постоянные магниты. Для того чтобы полностью размагнитить образец, необходимо, изменив знак внешнего поля, довести напряженность до значения в точке в, которое принято называть коэрцитивной силой H_c. Коэрцитивная (удерживающая) сила показывает, какую напряженность внешнего поля следует приложить к веществу, чтобы уменьшить остаточную индукцию до нуля.

При дальнейшем увеличении напряженности  размагничивающего поля образец  перемагничивается, т.е. намагничивается до отрицательной индукции насыщения (точка г). Перемагничиванию образца соответствует кривая г-д-а.

У магнито-мягких материалов значения коэрцитивной силы H_c невелико – петля гистерезиса таких материалов достаточно узкая. Материалы с большим значением коэрцитивной силы, то есть имеющие широкую петлю гистерезиса, относятся к магнито-жестким.

2. Поведение сильномагнитных материалов в магнитных полях.

Перемагничивание ферромагнетиков  в переменных полях сопровождается потерями энергии, вызывающими нагрев материала. В общем случае потери на перемагничивание складываются из потерь на гистерезис, на вихревые токи и магнитное последействие. Вкладом последнего механизма в разогрев ферромагнетика обычно пренебрегают.

Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания (т. е. за один период изменения поля), отнесенные к единице объема вещества, определяют площадью статической петли гистерезиса, т.е. петли, полученной при медленном изменении магнитного поля. Потери на гистерезис обусловлены необратимыми процессами перемагничивания.

Вихревые токи возникают в проводящей среде за счет ЭДС самоиндукции, пропорциональной скорости изменения магнитного потока. Отсюда отличие статических петель гистерезиса от динамических: если статические характеризуют лишь потери на гистерезис, то динамические включают суммарные потери на гистерезис и вихревые токи, т.е. при намагничивании ферромагнетика переменным полем петля гистерезиса расширяется.

Вихревые токи всегда возникают  в плоскости, расположенной перпендикулярно  магнитному полю. Под действием переменного магнитного потока в любом цилиндрическом контуре, ориентированном вдоль оси сердечника, возникает ЭДС самоиндукции, пропорциональная частоте изменения поля. Для уменьшения потерь на вихревые токи используют магнитный материал с повышенным удельным сопротивлением, либо собирают сердечник из тонких листов, изолированных друг от друга.

Потери на магнитное последействие  обусловлены отставанием магнитной  индукции от изменения напряженности магнитного поля. Исследования показывают, что спад намагниченности ферромагнетиков после отключения внешнего поля происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени – от долей миллисекунды, до нескольких минут. Время установления стабильного магнитного состояния существенно возрастает с понижением температуры. Одной из основных причин магнитного последействия является тепловая энергия, которая помогает слабо закрепленным доменным границам преодолевать энергетические препятствия (барьеры), мешающие их свободному смещению при изменении поля. Рассмотренное явление называют магнитной вязкостью. Физическая природа потерь на магнитное последействие аналогична релаксационной поляризации диэлектриков.

В соответствии с законом Ленца  вихревые токи, индуцируемые в ферромагнетике, стремятся воспрепятствовать тем изменениям, которые их вызывают. Поэтому собственное магнитное поле вихревых токов всегда стремится ослабить изменение основного магнитного потока, т. е. вихревые токи оказывают размагничивающее действие на сердечник, что проявляется в уменьшении индукции и эффективной магнитной проницаемости.

Размагничивающее действие вихревых токов неодинаково в разных частях сечения и наиболее резко выражено в центральных его частях, так как они охватываются наибольшим числом контуров вихревых токов.

В центре сечения магнитодвижущая  сила, обусловленная вихревыми токами, равна сумме магнитодвижущих сил, создаваемых всеми контурами вихревых токов, а на поверхности сердечника она равна нулю. Вытеснение магнитного поля на поверхность проявляется тем сильнее, чем больше частота его изменения, а также магнитная проницаемость и удельная проводимость намагничиваемой среды. Поскольку индукция неравномерно распределяется по сечению, для характеристики в переменных магнитных полях вводят усредненную характеристику – эффективную магнитную проницаемость μ_эф. С ростом частоты возрастает э. д. с. самоиндукции. Соответственно усиливается размагничивающее влияние вихревых токов, что приводит к уменьшению эффективной магнитной проницаемости ферромагнетика.

Затухание электромагнитной волны  при ее распространении в проводящей среде используют при создании электромагнитных экранов, защищающих электронные схемы и электроизмерительные приборов от внешних наводок, а также для защиты радиоэфира от помех, создаваемых генераторными устройствами. Для эффективной защиты толщина стенок экрана должна превышать, по крайней мере, глубину проникновения электромагнитного поля в вещество. На радиочастотах практически непроницаемыми являются экраны из хорошо проводящих металлов – меди, латуни и алюминия. Однако на низких частотах такие экраны неэффективны, поскольку необходимы очень толстые стенки. В этих случаях используют экраны из ферромагнитных материалов, особенно из пермаллоя, обладающего высокой магнитной проницаемостью.

2. Тип производства. Коэффициент  закрепления операций. Организационно-технические  особенности различных типов  производства.

Тип производства – совокупность его организационно-технических и экономических особенностей, обусловленных номенклатурой изготовляемых изделий, масштабами и степенью регулярности выпуска одноименной продукции. Тип производства в значительной мере определяет производственную структуру предприятия, характер технологических процессов, организацию труда на рабочих местах, конкретные методы управления. Классификация типа производства базируется преимущественно на организационно-экономических факторах и призвана облегчить разработку методов планирования, регулирования и контроля производственных процессов. Одним из видом классификации типов производства является деление производства на: массовое, крупносерийное, среднесерийное, мелкосерийное, единичное.

Основной количественной характеристикой  типа производства является коэффициент  закрепления операций (К_З0,) характеризующий степень специализации и стабильности рабочих мест данного производственного подразделения.

Коэффициент закрепления операций показывает среднее число операций, выполняемых на одном рабочем  месте производственного подразделения (участка, цеха) в течение планового  периода времени (месяц, год). (К_З0.) определяется отношением количества всех различных операций (D₀,) выполняемых в подразделении в плановый период, к расчетному числу рабочих мест, занятых выполнением данных операций (S_p ):

 _{,                                                                                                          (3)}

_{Расчетное число  занятых рабочих  мест подразделения  определяется отношением трудоемкости объема производства продукции, изготовленной в  плановый период, к эффективному фонду времени работы единицы оборудования в этом периоде (FЗ):}

_{,                                                                                             (4)}

_{где j = 1 …n - количество изделий, изготовленных в плановый период;}

     _{tj - трудоемкость единицы j- го изделия, час;}

   _{Nj - объем выпуска  j- го изделия, шт.}

_{Эффективный фонд времени обычно определяется по формуле:}

_{,                                                                                   (5)}

_{где Др - количество рабочих дней в плановом периоде;}

       _{f - продолжительность рабочей смены, час;} 

      _{C - сменность работы производственного подразделения (1-3);}

      _{Кр - коэффициент потерь времени на проведение плановых ремонтов и   всех видов обслуживания (5%).}

Значение величины К_З0 для рассматриваемой производственной системы в сочетании с качественными признаками производственного процесса, такими как регулярность (повторяемость) и стабильность процессов на рабочих местах, характеризует тип производства.

Различают три основных типа производства: массовое, серийное и единичное.

2.1 Единичное производство.

Единичное производство — представляет собой форму организации производства, при которой различные виды продукции  изготавливаются в одном или  нескольких экземплярах (штучный выпуск). Характеризуется малым объемом выпуска одинаковых изделий, повторное изготовление и ремонт которых, как правило, не предусматриваются. Коэффициент закрепления операций для единичного производства обычно выше 40.

Основные особенности единичного производства заключаются в том, что программа завода состоит  обычно из большой номенклатуры изделий  различного назначения, выпуск каждого  изделия запланирован в ограниченных количествах. Номенклатура продукции  в программе завода неустойчива. Неустойчивость номенклатуры, ее разнотипность, ограниченность выпуска приводят к  ограничению возможностей использования  стандартизованных конструктивно-технологических  решений. В этом случае велик удельный вес оригинальных и весьма маленький  удельный вес унифицированных деталей.

Каждая единица конечной продукции  уникальна по конструкции, выполняемым  задачам и другим важным признакам.

Производственный процесс изготовления продукции носит прерывный характер. На выпуск каждой единицы продукции  затрачивается относительно продолжительное  время. На предприятиях применяется  универсальное оборудование, сборочные  процессы характеризуются значительной долей ручных работ, персонал обладает универсальными навыками.

Распространено в тяжелом машиностроении (производство крупных машин для  черной металлургии и энергетики), химической промышленности, в сфере услуг.

Цехи заводов единичного производства обычно состоят из участков, организованных по технологическому принципу. Значительная трудоемкость продукции, высокая квалификация привлекаемых для выполнения операций рабочих, повышенные затраты материалов, связанные с большими допусками, обусловливают высокую себестоимость  выпускаемых изделий. В себестоимости  продукции значительный удельный вес  имеет заработная плата, составляющая нередко 20 — 25% от полной себестоимости.

2.2 Серийное производство

Серийное производство — это  форма организации производства, для которой характерен выпуск изделий  большими партиями (сериями) с установленной  регулярностью выпуска.

Серийное производство — наиболее распространенный тип производства.

Характеризуется постоянством выпуска  довольно большой номенклатуры изделий. При этом годовая номенклатура выпускаемых  изделий шире, чем номенклатура каждого  месяца.

Это позволяет организовать выпуск продукции более или менее  ритмично. Выпуск изделий в больших  или относительно больших количествах  позволяет проводить значительную унификацию выпускаемых изделий  и технологических процессов, изготовлять  стандартные или нормализованные  детали, входящие в конструктивные ряды, большими партиями, что уменьшает их себестоимость.

Серийный тип производства характерен для станкостроения, производства проката черных металлов и т.п.

Организация труда в серийном производстве отличается высокой специализацией. За каждым рабочим местом закрепляется выполнение нескольких определенных деталеопераций. Это дает рабочему хорошо освоить инструмент, приспособления и весь процесс обработки, приобрести навыки и усовершенствовать приемы обработки. Особенности серийного производства обуславливают экономическую целесообразность выпуска продукции по циклически повторяющемуся графику.

В зависимости от размера серии  различают:

1. крупносерийное (К_З0 < 10),

2. среднесерийное (К_З0 < 20),

3. мелкосерийное (К_З0 < 40),

Мелкосерийное тяготеет к единичному, а крупносерийное — к массовому. Это деление носит условный характер. Например, в соответствии с классификацией, предложенной Вудворд выделяются единичное и мелкосерийное производство (Unit Production), массовое (Mass Production) и непрерывное (Process Production).

Производство мелкосерийное является переходным от единичного к серийному. Выпуск изделий может осуществляться малыми партиями.

В настоящее время в машиностроении одним из конкурентных факторов стала  способность фирмы изготовлять  уникальное, зачастую повышенной сложности  оборудование малой партией по спецзаказу покупателей.

Внедрение компьютеризации позволяет  повысить гибкость производства и внести в мелкосерийное производство черты  поточного производства. Например, появилась возможность изготовлять  несколько типов изделий на одной  поточной линии с затратой минимального количества времени для переналадки  оборудования.

Крупносерийное производство является переходной формой к массовому производству.

В крупносерийном производстве выпуск изделий осуществляется крупными партиями в течение длительного периода. Обычно предприятия этого типа специализируются на выпуске отдельных изделий или комплектов по предметному типу.

2.3 Массовое производство

Массовое производство — представляет собой форму организации производства, характеризующуюся постоянным выпуском строго ограниченной номенклатуры изделий, однородных по назначению, конструкции, технологическому типу, изготовляемых одновременно и параллельно.

Особенностью массового производства является изготовление однотипной продукции  в больших объемах в течение  длительного времени.

Важнейшей особенностью массового  производства является ограничение  номенклатуры выпускаемых изделий. Завод или цех выпускают одно-два  наименования изделий. Это создает  экономическую целесообразность широкого применения в конструкциях изделий  унифицированных и взаимозаменяемых элементов.

Отдельные единицы выпускаемой  продукции не отличаются друг от друга (могут быть только незначительные отличия в характеристиках и комплектации).

Время прохождения единицы продукции  через систему относительно мало: оно измеряется в минутах или  часах. Число наименований изделий  в месячной и годовой программах совпадают.

Для изделий характерна высокая  стандартизация и унификация их узлов  и деталей. Массовое производство характеризуется  высокой степенью комплексной механизации  и автоматизации технологических  процессов. Массовый тип производства типичен для автомобильных заводов, заводов сельскохозяйственных машин, предприятий обувной промышленности и др.

Значительные объемы выпуска позволяют  использовать высокопроизводительное оборудование (автоматы, агрегатные станки, автоматические линии). Вместо универсальной оснастки используется специальная. Дифференцированный технологический процесс позволяет узко специализировать рабочие места посредством закрепления за каждым из них ограниченного числа деталеопераций.

Тщательная разработка технологического процесса, применение специальных станков  и оснастки позволяют использовать труд узкоспециализированных рабочих-операторов. Вместе с тем широко используется труд высококвалифицированных рабочих-наладчиков.

Примеры массового производства: заводы автотранспорта, заводы по производству телевизоров.

Тип производства оказывает решающее влияние на особенности его организации, управления и экономические показатели. Организационно-технические особенности  типа производства влияют на экономические  показатели предприятия, на эффективность  его деятельности.

С повышением технической вооруженности  труда и ростом объема выпуска  продукции при переходе от единичного к серийному и массовому типам  производства уменьшается доля живого труда и возрастают расходы, связанные с содержанием и эксплуатацией оборудования. Это ведет к снижению себестоимости продукции, изменению ее структуры. Таким образом, при массовом производстве изделий вопросы применения прогрессивных технологических процессов, инструмента и оборудования, комплексной механизации и автоматизации решаются проще, чем в индивидуальном и серийном производстве.

Рассмотрим все характеристики типов производства в сравнении (таб. 1).

Таблица 1