Магнитные материалы. 5

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

“Алтайский  государственный технический университет

имени И.И. Ползунова"

Бийский технологический институт (филиал) 

Факультет ИТАУ 
 

Кафедра МСИА 
 
 

РЕФЕРАТ

Материаловедение  и технология конструкторских материалов

По теме «Магнитные материалы» 
 
 

           Выполнила   студентка гр. ИИТТ-81 Куксина С. И. 

      Проверил    старший преподаватель Лебедев А.Н.  
 
 
 

Бийск 2009

СОДЕРЖАНИЕ 

СОДЕРЖАНИЕ………………………………………………………………2

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………….…….3

1 История развития магнитного материаловедения ……………………4

2 Основные характеристики магнитных материалов……………………...5

2.1 Кривая намагничивания …………………………………………….….6

2.2 Петля гистерезиса ……………………………………………………....7

2.3 Магнитная проницаемость…………………………………………..…9

3 Классификация магнитных материалов…………………………………10

3.1 Магнитомягкие материалы……………………………………………..10             3.1.1 Материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей...12

3.1.2 Высокочастотные магнитомягкие материалы………………………13

3.2 Магнитострикционные материалы…………………………………...14

3.3 Термомагнитные материалы………………………………………..….15

3.4 Магнитные жидкости……………………………………………………16

3.5 Магнитотвёрдые материалы……………………………………………..18

3.5.1Литые высококоэрцитивные сплавы…………………………………..20

3.5.2 Магнитотвердые ферриты…………………………………………….21

3.5.3 Сплавы для магнитных носителей информации……………………...22

4 Применение …………………………………………………………………23

4.1 Магнитные дисковые накопители……………………………………….23

4.2 Применение ферритовых магнитных материалов……..….…..25       4.3 Магнитные датчики систем охранной сигнализации ……………..…..26

4.4 Использование магнитных материалов в космической технике……...27 

 ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………….……...28

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………29 

     ВВЕДЕНИЕ 

     Магнитные материалы, магнетики - материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также в других физических явлениях - изменение физических размеров, температуры, проводимости , возникновению электрического потенциала и т. д.

     К магнитным материалам относят вещества, обладающие определенными магнитными свойствами и используемые в современной  технологии. Магнитными материалами  могут быть различные сплавы, химические соединения, жидкости.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1 История развития магнитного материаловедения  

     В глубокой древности, более двух тысяч  лет назад, греки и китайцы  знали о свойстве магнитного железняка (горной породы магнетита) притягивать  железные предметы. Применение магнитного компаса в кораблевождении сыграло  большую роль в открытии новых  земель и стран и, в частности, 500 лет назад в открытии Колумбом Америки.

     Однако  большое значение магнитных материалов для технического прогресса человечество ощутило только в середине XIX века после открытия Фарадеем закона электромагнитной индукции, когда стало возможным конструирование и производство электрогенераторов, моторов, трансформаторов и других аппаратов и приборов для электротехники и техники средств связи.

     Основа  современного магнитного материаловедения - по-прежнему металлы группы железа (Fe, Ni, Co); из них изготовляют различные металлические и диэлектрические оксиды (соединения Fe и других металлов с кислородом, называемые ферритами) магнитные материалы. Задача физики магнетизма - разработать пути дальнейшего изыскания новых магнитных материалов и усовершенствование уже применяемых. Однако эту задачу невозможно решить на основе использования только металлов группы железа.

     В 60-е годы наметилась тенденция создания магнитных материалов на основе металлов, входящих в группу лантаноидов: Gd, Tb, Dy , Ho, Er , Sm, Eu и других, обычно называемых редкоземельными. [1] 

     2 Основные характеристики магнитных материалов 

     Простейшие  проявления магнетизма известны очень  давно и знакомы большинству  из нас. Однако объяснить эти, казалось бы, простые явления на основе фундаментальных  принципов физики удалось лишь сравнительно недавно.

     Механизмы магнетизма : зонный магнетизм, молекулярный магнетизм.

     Зонный  магнетизм - магнетизм металлов и  сплавов, интерпретируемый в рамках моделей, основанных на зонной теории. Типичные представители зонных магнетиков (ЗМ) - переходные металлы Fe, Co, Ni, Сr, Мn, их сплавы и соединения.

     Физическое  явление, характеризующее магнитные свойства молекул - микроскопических объектов. При объединении множества этих молекул в ансамбль - макрообъект, возможно возникновение качественно нового магнетизма за счет кооперативных межмолекулярных взаимодействий. Ниже определенных температур магнитные моменты отдельных молекул макрообъекта могут выстраиваться в определенный порядок. Такое вещество называется магнетиком. Отдельные молекулы выступают в качестве строительных блоков магнетика.

     В качестве магнитных материалов техническое значение имеют ферромагнитные  вещества и ферромагнитные химические соединения (ферриты). [2]

     Магнитные свойства материалов обусловлены внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов , представляющими собой элементарные круговые токи (вращение электронов вокруг собственных осей – электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах )

     Магнитные свойства материалов характеризуется  петлей гистерезиса, кривой намагничивания, магнитной проницаемостью, потерями энергии при перемагничивании. 

     2.1. Кривая намагничивания

     Это важнейшая характеристика магнитных  материалов, она показывает зависимость  намагниченности или магнитной  индукции материала от напряженности  внешнего поля Н.

     Если  в процессе намагничивания довести  напряженность поля до некоторого значения, а затем начать уменьшать, то уменьшение индукции будет происходить медленнее, чем при намагничивании и новая  кривая будет отличаться от первоначальной. Кривая изменения индукции при увеличении напряженности поля для предварительно полностью размагниченного вещества называется начальной кривой намагничивания. На рисунке 1 она показана утолщенной линией. Основная кривая намагничивания имеет ряд характерных участков, которые можно условно выделить при намагничивании монокристалла ферромагнетика. Первый участок кривой намагничивания соответствует процессу смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. На втором участке происходит поворот векторов намагниченности доменов в направлении внешнего магнитного поля. Третий участок соответствует парапроцессу, т.е. завершающему этапу процесса намагничивания, когда сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия не сориентированные магнитные моменты доменов ферромагнетика. 

     Рисунок 1 - Начальная кривая намагничивания 

     2.2 Петля гистерезиса. 

     После нескольких (около 10) циклов изменения напряженности от положительного до отрицательного максимальных значений зависимость B=f(H) начнет повторяться и приобретет характерный вид симметричной замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса. Гистерезисом называют отставание изменения индукции от напряженности магнитного поля. Явление гистерезиса характерно вообще для всех процессов, в которых наблюдается зависимость какой-либо величины от значения другой не только в текущем, но и в предыдущем состоянии, т.е. =f(, ) - где и - соответственно текущее и предыдущее значения напряженности.

     Петли гистерезиса можно получить при  различных значениях максимальной напряженности внешнего поля (рисунок 2). Геометрическое место точек вершин симметричных циклов гистерезиса называется основной кривой намагничивания. Основная кривая намагничивания практически совпадает с начальной кривой.

     Симметричная  петля гистерезиса, полученная при  максимальной напряженности поля (рисунок 2), соответствующей насыщению ферромагнетика , называется предельным циклом.

     Для предельного цикла устанавливают  также значения индукции при H = 0, которое называется остаточной индукцией, и значение при B = 0, называемое коэрцитивной силой. Коэрцитивная (удерживающая) сила показывает, какую напряженность внешнего поля следует приложить к веществу, чтобы уменьшить остаточную индукцию до нуля.

     Форма и характерные точки предельного  цикла определяют свойства ферромагнетика. Вещества с большой остаточной индукцией, коэрцитивной силой и площадью петли гистерезиса (кривая 1 рис. 2) называются магнитнотвердыми. Они используются для изготовления постоянных магнитов. Вещества с малой остаточной индукцией и площадью петли гистерезиса (кривая 2 рисунке 2) называются магнитномягкими и используются для изготовления магнитопроводов электротехнических устройств, в особенности работающих при периодически изменяющемся магнитном потоке.

     Рисунок 2 – Петли гистерезиса 

     Площадь гистерезисных петель в промежуточных  и предельном состояниях характеризует  рассеивание электрической энергии  в процессе перемагничивания материала, т.е. потери на гистерезис. Площадь гистерезисной  петли зависит от свойств материала, его геометрических размеров и частоты  перемагничивания. 

     2.3. Магнитная проницаемость.  

     Магнитная проницаемость, физическая величина, характеризующая  связь между магнитной индукцией  В и магнитным полем Н в  веществе. Обозначается m, у изотропных веществ m= В/Н  или m= В/Н ( - магнитная постоянная).

       У анизотропных тел (кристаллов) магнитная проницаемость - тензор. Магнитная проницаемость связана с магнитной восприимчивостью c соотношением m = 1 +c , m измеряется в безразмерных единицах. Для физического вакуума c = 0 и m= 1.

       У диамагнетиков c<0 и m < 1, у  парамагнетиков и ферромагнетиков  c>0 и m > 1. В зависимости от  того, измеряется ли m ферромагнетиков в статическом или переменном магнитном поле, её называют соответственно статической или динамической магнитной проницаемостью. Значения этих магнитных проницаемостей не совпадают, так как на намагничивание ферромагнетиков в переменных полях влияют вихревые токи, магнитная вязкость и резонансные явления. Магнитная проницаемость ферромагнетиков сложно зависит от Н, для описания этой зависимости вводят понятия дифференциальной, начальной и максимальной  магнитной проницаемости.[2] 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3 Классификация магнитных материалов 

     Существуют  магниты двух разных видов. Одни  - так называемые постоянные магниты, изготовляемые из «магнитнотвердых» материалов. Их магнитные свойства не связаны с использованием внешних источников или токов. К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из «магнитномягкого» железа. Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводу обмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.

     Процессы  намагничивания материалов обеих групп  протекают одинаково: на первом этапе  происходит смещение границ доменов, на втором – вращение магнитных моментов доменов в направлении намагничивающего поля, на третьем парапроцесс. 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. 

     3.1 Магнитомягкие материалы 

     Магнитомягкие материалы - магнитные материалы с малой коэрцитивной силой ( 800 А/м) и высокой магнитной проницаемостью.

     Коэрцитивная  сила — такое размагничивающее внешнее  магнитное поле напряженностью , которое  необходимо приложить к ферромагнетику предварительно намагниченному до насыщения, чтобы довести до нуля его намагниченность  или индукцию.

     При температурах ниже точки Кюри магнитомягкие  материалы спонтанно намагничены  и состоят из хаотически ориентированных  намагниченных до насыщения доменов.

     Промышленные  магнитомягкие материалы имеют  значение порядка 0,4 А/м. Поэтому они намагничиваются до индукции технического насыщения при невысоких напряженностях поля. Намагничивание происходит в основном за счет смещения доменных границ. Для таких материалов необходимо максимально облегчить движение доменных стенок при перемагничивании, уменьшить влияние магнитной анизотропии (анизотропный характер магнитного взаимодействия между атомными носителями магнитного момента в веществах) и магнитострикции  (изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании). Чтобы облегчить процесс намагничивания, необходимо уменьшить количество дефектов в сплаве (примесей внедрения, дислокаций и др.), мешающих свободному движению доменных стенок.

     В случае использования магнитомягких  материалов в переменных магнитных  полях желательно иметь большое  значение электросопротивления магнетика. Диапазон рабочих частот для различных магнитомягких материалов определяется в значительной степени величиной их удельного сопротивления. Чем больше удельное сопротивление материала, тем при более высоких частотах его можно применять.

     Магнитомягкие материалы по области применения делят на:

     - материалы для постоянных и  низкочастотных магнитных полей  и 

     - на магнитомягкие высокочастотные  материалы.

     К магнитомягким материалам специального назначения относятся магнитострикционные  материалы, с помощью которых  электромагнитная энергия преобразуется  в механическую энергию и термомагнитные сплавы, служащие для компенсации  температурных изменений магнитных  потоков в магнитных системах приборов.  

     3.1.1  Материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей 

     Помимо  высокой магнитной проницаемости  и малой коэрцитивной силы эти  магнитомягкие материалы  должны обладать большой индукцией насыщения, т.е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. В магнитном материале, используемом в переменных полях, должны быть возможно меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и на вихревые токи.

     Для уменьшения потерь на вихревые токи для  трансформаторов выбирают магнитомягкие  материалы с повышенным удельным сопротивлением или собирают магнитопроводы из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. В этом случае магнитные потери будут зависеть от толщины листа (ленты). К листовым и ленточным материалам предъявляется  требование высокой пластичности. Магнитные  свойства материалов зависят также  от частоты магнитного поля. Важным требованием к магнитомягким  материалам является обеспечение стабильности их свойств во времени, и по отношению  к внешним воздействиям, таким, как  температура и механические напряжения. Из всех магнитных характеристик  наибольшим изменениям в процессе эксплуатации материала подвержены магнитная  проницаемость и коэрцитивная сила.

     К низкочастотным магнитомягким материалам относятся железо (армко-железо), электротехнические стали, в том числе кремнистая электротехническая сталь, низкокоэрцитивные  сплавы, такие как пермаллой и  альсифер. 
 

     3.1.2 Высокочастотные магнитомягкие материалы 

     Высокочастотные магнитомягкие материалы должны выполнять функции магнетиков при  частотах свыше нескольких сотен  или тысяч герц. По частотному диапазону  их можно подразделить на материалы  для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот, для высоких радиочастот  и для СВЧ.

     По  физической природе и строению высокочастотные  магнитомягкие материалы подразделяют на магнитодиэлектрики и ферриты. При  звуковых, ультразвуковых и низких радиочастотах можно использовать тонколистовые рулонные холоднокатаные электротехнические стали и пермаллои.

     Широко  применяются в технике слабых токов смешанные ферриты (например, соединение из цинкового и никелевого ферритов), а также феррогранаты. Для них характерно исключительно  высокое электрическое сопротивление  и практическое отсутствие скин-эффекта. Феррогранаты применяются при очень  высоких частотах (если невелики диэлектрические  потери).

     Свойствами  магнитомягких материалов обладают также некоторые аморфные магнетики  и аморфные металлы.

     В электро- и радиотехнике магнитомягкие  материалы применяют для изготовления датчиков магнитного поля, считывающих  головок для чтения магнитной  записи, сердечников трансформаторов, дросселей, магнитопроводов, полюсных наконечников, телефонных мембран, магнитных  экранов и т.д. В микроэлектронике их используют как элементы интегральных схем.[3] 
 
 

     3.2 Магнитострикционные материалы 

       Магнитострикционные материалы -  магнитомягкие материалы, у которых достаточно велик эффект магнитострикции: никель, алфер, пермаллой, пермендюр, ряд ферритов и др. Применяются в качестве преобразователей электромагнитной энергии в другие виды (например в механическую), для датчиков давления и т. п.

     Металлические магнитострикционные материалы  изготавливают в виде лент толщиной 0,1—0,3 мм, из которых штампуют или навивают сердечники, ферриты-шпинели применяют в виде монолитных сердечников, ферриты-гранаты — в виде монокристаллов.[4]

     Магнитострикционные датчики уровня позволяют проводить  самые точные непрерывные измерения  уровня жидкостей бесконтактным  способом с точностью до 0,005%. Принцип  действия магнитострикционных датчиков основан на прохождении радиочастотного  импульса по волноводу из магнитострикционного материала. Благодаря отсутствию трущихся частей, датчики совершенно не подвержены механическому износу, чем гарантируется  очень надежная и стабильная их работа на протяжении очень длительного  времени. Магнитострикционные датчики  применяются в области механических тестирующих и симулирующих систем, машин контроля материала, измерительно приводной техники, систем разлива  и контроля уровня жидкости в нефтяной, химической, пищевой промышленностях  и многих других областях.

     Широкое применение в магнитострикционных  устройствах находит ферритовая керамика. По сравнению с никелем  и металлическими сплавами, магнитострикционные  свойства которых также выражены довольно сильно, магнитострикционные  ферриты имеют ряд преимуществ. Благодаря высокому удельному сопротивлению  в них пренебрежимо малы потери на вихревые токи, поэтому отпадает необходимость  расслаивать материал на отдельные пластины. В отличие от металлических сплавов ферриты не подвержены действию химически агрессивных сред. С помощью керамической технологии можно изготовить преобразователи практически любых форм и размеров.

     По  составу магнитострикционная керамика представляет собой либо чистый феррит никеля (Ni), либо твердые растворы на его основе.

     Из  магнитострикционных материалов изготавливают  сердечники электромеханических преобразователей (излучателей и приемников) для  электроакустики и ультразвуковой техники, сердечники электромеханических  и магнитострикционных фильтров и резонаторов, линий задержки. Их используют также в качестве чувствительных элементов магнитоупругих преобразователей, применяемых в устройствах автоматики и измерительной техники.[5] 

     3.3 Термомагнитные материалы 

     Эти материалы обладают сильной зависимостью магнитной индукции (точнее намагниченности) от температуры вблизи точки Кюри в полях, близких к полю технического насыщения материала. Термомагнитные материалы применяют главным  образом в качестве магнитных  шунтов или добавочных сопротивлений. Будучи включенными в магнитные  цепи, они позволяют осуществить  компенсацию температурной погрешности  или обеспечить изменение магнитной  индукции в воздушном зазоре по заданному  закону. Для этих ферромагнетиков  точка Кюри лежит между 0 и 100°С в  зависимости от легирующих элементов. Сплав Ni - Сu при содержании Сu 30% компенсирует погрешность в интервале температур от 20 до 80°С, а при содержании Сu 40%  -  от -50 до + 10°С. Наибольшее техническое применение получили сплавы Fe – Ni - Cr, преимуществом которых является полная обратимость свойств в температурном интервале от -70 до +70°С и высокая воспроизводимость характеристик, а также хорошая механическая обрабатываемость.

     Основная  область применения - термокомпенсаторы и терморегуляторы магнитного потока в измерительных приборах (гальванометров, счётчиков электроэнергии, спидометров и т. п.), выполняемые в виде шунтов, ответвляющих на себя часть потока постоянного магнита. Принцип действия такого шунта основан на том, что с повышением температуры резко уменьшается его намагниченность, вследствие чего увеличивается поток в зазоре магнита.

     Применяются также в реле, момент срабатывания которых зависит от температуры. 

     3.4 Магнитные жидкости 

     Магнитные жидкости — это высокодисперсные суспензии (коллоидные растворы) ферромагнитных материалов в обычных жидкостях, таких  как вода, жидкие углеводороды, кремний- и фторорганические жидкости. В середине 60-х годов они были одновременно синтезированы в США  и России.

     Магнитные жидкости уникальны тем, что высокая  текучесть сочетается в них с  высокой намагниченностью - в десятки тысяч раз большей, чем у обычных жидкостей. Секрет такой высокой намагниченности заключается в том, что в обычную жидкость, например в жидкий углеводород, внедряется огромное количество мелких сферических частиц (размер их около 10 нм), которые представляют собой миниатюрные постоянные магниты. Каждая такая частица покрыта тонким слоем защитной оболочки, что предотвращает слипание частиц, а тепловое движение разбрасывает их по всему объему жидкости. Поэтому в отличие от обычных суспензий частицы в магнитных жидкостях не оседают на дно, и последние могут сохранять свои рабочие характеристики в течение многих лет.

     Высокая чувствительность свойств раствора к внешнему полю позволяет управлять  поведением магнитных жидкостей  и использовать их в прикладных задачах.

     Очень интересна гидродинамика магнитной  жидкости в переменном магнитном  поле. С его помощью можно заставить  вращаться коллоидные частицы, каждая из которых будет генерировать вокруг себя микроскопический гидродинамический  вихрь. Взаимодействие множества таких  вихрей приводит к ряду новых явлений, специфичных только для магнитных  жидкостей. В первую очередь это  так называемый ротационный эффект — генерация крупномасштабных гидродинамических  течений в магнитной жидкости, помещенной во вращающееся магнитное  поле.

     Магнитные жидкости не относятся к материалам массового спроса. Как правило, их производят небольшими партиями и используют в высокотехнологичных устройствах  и приборах: в системах герметизации ввода вращающихся валов, антифрикционных  узлах и демпферах, в ультразвуковой дефектоскопии и высококачественных громкоговорителях, магнитных сепараторах  редких элементов, датчиках наклона  и высокочувствительных измерителях  ускорений, микроманометрах и исполнительных механизмах роботов.                

     Хотя  в изучении магнитных жидкостей  американские и российские ученые стартовали одновременно, на Западе научные разработки нашли более широкое практическое применение. В США, например, существует специализированная корпорация, которая  производит магнитные жидкости и  устройства на их основе.[ 6] 

     Рисунок 5 - Вихревое течение магнитной