ЛРлектропроводность. Лабораторная работа 1. Основные свойства электрорадиоматериалов 1 Краткая теория

• Название: Лабораторная работа 1. Основные свойства электрорадиоматериалов 1 Краткая теория
• Дата: 23.04.2023
• Размер: 0.82 Mb.
• Имя файла: ЛРлектропроводность.docx
• Тип: Лабораторная работа; #1082121
• страница: 3 из 7

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1 Краткая теория

2.1.1 Классификация магнитных материалов

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. 

Магнитные материалы делят на слабомагнитные и сильномагнитные.

К слабомагнитным относят диамагнетики и парамагнетики.

К сильномагнитным – ферромагнетики, которые, в свою очередь, могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми. Формально отличие магнитных свойств материалов можно охарактеризовать относительной магнитной проницаемостью.

Диамагнетиками называют материалы, атомы (ионы) которых не обладают результирующим магнитным моментом. Внешне диамагнетики проявляют себя тем, что выталкиваются из магнитного поля. К ним относят цинк, медь, золото, ртуть и другие материалы.

Парамагнетиками называют материалы, атомы (ионы) которых обладают результирующим магнитным моментом, не зависящим от внешнего магнитного поля. Внешне парамагнетики проявляют себя тем, что втягиваются в неоднородное магнитное поле. К ним относят алюминий, платину, никель и другие материалы.

Ферромагнетиками называют материалы, в которых собственное (внутреннее) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превышать вызвавшее его внешнее магнитное поле.

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.

Существует три типа процессов намагничивания ферромагнетиков:

1. Процесс_обратимого_смещения'>Процесс обратимого смещения магнитных доменов. В данном случае происходит смещение границ доменов, ориентированных наиболее близко к направлению внешнего поля. При снятии поля домены смещаются в обратном направлении. Область обратимого смещения доменов расположена начальном участке кривой намагничивания.

2. Процесс необратимого смещения магнитных доменов. В данном случае смещение границ между магнитными доменами не снимается при снижении магнитного поля. Исходные положения доменов могут быть достигнуты в процессе перемагничивания.

Необратимое смещение границ доменов приводит к появлению магнитного гистерезиса – отставанию магнитной индукции от напряженности поля.

3. Процессы вращения доменов. В данном случае завершение процессов смещения границ доменов приводит к техническому насыщению материала. В области насыщения все домены поворачиваются по направлению поля. Петля гистерезиса (рис 1.), достигающая области насыщения называется предельной.



Рисунок 1.  Петля гистерезиса

Предельная петля гистерезиса имеет следующие характеристики: B_max – индукция насыщения; B_r – остаточная индукция; H_c - задерживающая (коэрцитивная) сила.

Материалы с малыми значениями Hc (узкой петлей гистерезиса) и большой магнитной проницаемостью называются магнитомягкими.

Материалы с большими значениями Hc (широкой петлей гистерезиса) и низкой магнитной проницаемостью называются магнитотвердыми.

При перемагничивании ферромагнетика в переменных магнитных полях всегда наблюдаются тепловые потери энергии, то есть материал нагревается. Эти потери обусловлены потерями на гистерезис и потерями на вихревые токи. Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса. Потери на вихревые токи зависят от электрического сопротивления ферромагнетика. Чем выше сопротивление – тем меньше потери на вихревые токи.

Магнитомягкие и магнитотвердые материалы

К магнитомягким материалам относят:

1. Технически чистое железо (электротехническая низкоуглеродистая сталь).

2. Электротехнические кремнистые стали.

3. Железоникелевые и железокобальтовые сплавы.

4. Магнитомягкие ферриты.

Магнитные свойства низкоуглеродистой стали (технически чистого железа) зависят от содержания примесей, искажения кристаллической решетки из-за деформации, величины зерна и термической обработки. По причине низкого удельного сопротивления технически чистое железо в электротехнике используется довольно редко, в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока.

Электротехническая кремнистая сталь является основным магнитным материалом массового потребления. Это сплав железа с кремнием. Легирование кремнием позволяет уменьшить коэрцитивную силу и увеличить удельное сопротивление, то есть снизить потери на вихревые токи.

Листовая электротехническая сталь, поставляемая в отдельных листах или рулонах, и ленточная сталь, поставляемая только в рулонах - являются полуфабрикатами, предназначенными для изготовления магнитопроводов (сердечников).

Магнитопроводы формируют либо из отдельных пластин, получаемых штамповкой или резкой, либо навивкой из лент.

Железоникелевые сплавы называют пермаллоями. Они обладают большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых магнитных полей. Пермаллои применяют для сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей и реле.

Ферриты представляют собой магнитную керамику с большим удельным сопротивлением, в 10¹⁰ раз превышающим сопротивление железа. Ферриты применяют в высокочастотных цепях, так как их магнитная проницаемость практически не снижается с увеличением частоты.

Недостатком ферритов является их низкая индукция насыщения и низкая механическая прочность. Поэтому ферриты применяют, как правило, в низковольтной электронике.

К магнитотвердым материалам относят:

1. Литые магнитотвердые материалы на основе сплавов Fe-Ni-Al.

2. Порошковые магнитотвердые материалы, получаемые путем прессования порошков с последующей термообработкой.

3. Магнитотвердые ферриты. Магнитотвердые материалы – это материалы для постоянных магнитов, использующихся в электродвигателях и других электротехнических устройствах, в которых требуется постоянное магнитное поле.

2.1.2 Основные характеристики магнитных материалов

К основным магнитным характеристикам материалов относятся:

• 
  магнитная восприимчивость,
  
• 
  магнитная индукция
  
• 
  магнитная проницаемость.
  

Магнитная восприимчивость к атомов  величина, характеризующая связь намагниченности вещества J с напряженностью магнитного поля Н:

к = J/H. (2.1.)

Уравнение (2.1.) не распространяется на ферромагнетики.

Магнитная восприимчивость может быть как положительной, так и отрицательной. Отрицательной магнитной восприимчивостью обладают диамагнетики (они намагничиваются против поля) положительной − парамагнетики и ферромагнетики, (они намагничиваются по полю).

Магнитная восприимчивость характеризует способность веществ к намагничиванию под действием магнитного поля. Она определяется, главным образом, содержанием ферромагнитных включений, а также их формой, размером и расположением относительно друг друга. Магнитная восприимчивость одного и того же вещества меняется в зависимости от величины магнитного поля и его магнитной предыстории, так как в процессе намагничивания в ферромагнитных включениях могут происходить обратимые и необратимые явления. С учетом последнего различают обратимую и необратимую магнитную восприимчивость.

Магнитная индукция В − среднее результирующее магнитное поле вещества, представляющее собой среднее значение суммарной напряженности микроскопических магнитных полей, созданных отдельными электронами и другими элементарными частицами, Тл:

В = µ_o(H + J) , (2.2)

где µ_o= 1,257.10-6 Гн/ м − магнитная постоянная.

Магнитная проницаемость µ − величина, показывающая, во сколько раз увеличивается (уменьшается) магнитная индукция в веществе при воздействии магнитного поля напряженностью Н.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков сложно зависит от Н. Различают (рис. 2.2) начальную магнитную проницаемость µ_н, измеряемую в очень слабых магнитных полях − при значениях на­пряженности магнитного поля Н, близких к нулю, и максимальную магнитную проницаемость µ_м.



Рисунок 2.2.  Кривая намагничивания

Параметрами магнитной проницаемости являются: относительная магнитная проницаемость µ. И абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м:

µ_а = µ_о µ. (2.3)

Между величинами магнитной восприимчивости и магнитной проницаемости существует зависимость:

к = µ - 1. (2.4)

Графическое изображение зависимости намагниченности ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля называется кривой намагничивания (см. рис. 2.2). Кривые намагничивания определяют характеристики магнитных материалов и служат для расчетов магнитных цепей электромагнитов, магнитных пускателей, реле и других электротехнических устройств и приборов.

Кривые намагничивания ферромагнитных материалов при перемагничивании образуют петлю магнитного гистерезиса (если первоначально ненамагниченное вещество намагнитить до насыщения, а затем уменьшать и снова увеличивать напряженность магнитного поля. То изменение индукции не будет следовать начальной кривой). Площадь петли магнитного гистерезиса пропорциональна энергии, теряемой в образце на его нагревание за один цикл изменения поля (гистерезисные потери). Характерными точками магнитного гистерезиса являются коэрцитивная сила и остаточная намагниченность.

Коэрцитивная сила Нс − значение напряженности магнитного поля, в котором ферромагнитный образец, первоначально намагниченный до насыщения, полностью размагничивается.

Коэрцитивная сила, в отличие от намагниченности на­сыщения, является структурно чувствительным свойством. Наличие в образцах примесей и других дефектов кристаллической решетки затрудняет движение границ магнитных доменов и тем самым повышает коэрцитивную силу. Чистые металлы, а также твердые растворы, не претерпевающие упорядочения, как правило, характеризуются низкой коэрцитивной силой. Применение пластической деформации повышает коэрцитивную силу этих металлов и сплавов, но по абсолютной величине она остается невысокой.

У сплавов с гетерогенной структурой коэрцитивная сила повышенная: при этом тем больше, чем выше дисперсность структуры. Рост коэрцитивной силы особенно значителен при высокой дисперсности ферромагнитной фазы, каждая частица которой является однодоменной и анизотропной. Коэрцитивную силу также увеличивает рост микронапряжений и плотности дислокаций, как, например, в случае закалки стали на мартенсит.

Остаточная намагниченность Вr — величина намагниченности, которую ферро- или ферримагнитный материал имеет при на­пряженности внешнего поля, равной нулю.

Остаточная намагниченность обусловлена задержкой изменения намагниченности при уменьшении напряженности (после предыдущего намагничивания образца) из-за влияния магнитной анизотропии и структурных неоднородностей образца. Наиболее устойчивой остаточной намагниченностью обладают материалы с высокой коэрцитивной силой. При нагревании ферромагнитных материалов выше температуры, превышающей точку Кюри, они теряют остаточную намагниченность. К уменьшению остаточной намагниченности приводят также механические сотрясения и вибрации.

Все материалы по величинам магнитных восприимчивости и проницаемости делятся на ферромагнитные µ ≥ 1, к > 0), парамагнитные (µ> 1, к > 0) и диамагнитные (µ < 1, к < 0).

Величина магнитной восприимчивости для пара- и диамагнитных материалов очень мала (10^-4...10^-6); для ферромагнитных материалов (металлов переходных групп) — от нескольких десятков до тысяч единиц, причем она сильно и сложным образом зависит от напряженности намагничивающего поля.

По величине магнитной проницаемости существует деление электротехнических материалов на немагнитные и магнитные.

Немагнитные материалы — пара-, диа- и слабоферромагнитные материалы с магнитной проницаемостью менее 1,5. К немагнитным материалам относится большинство металлов и сплавов (в том числе некоторые стали), полимеры, дерево, стекло и т.д.

Магнитные материалы классифицируют по их физической при роде и величине коэрцитивной силы.

По физической природе магнитные материалы делят (отраслевое деление) на три группы:

• 
  металлические материалы,
  
• 
  неметаллические материалы
  
• 
  магнитодиэлектрики.
  

К неметаллическим магнитным материалам относятся ферриты − ферримагнитные материалы, получаемые из порошкообразной смеси оксидов некоторых переходных металлов и оксида железа путем прессования с последующим спеканием. По магнитным свойствам ферриты аналогичны ферромагнетикам.

Магнитодиэлектрики − композиционные материалы, состоящие из 70...80% порошкообразного магнитного материала (ферро- или ферримагнетика) и 30...20% диэлектрического материала (например, полистирола, резины и др.). Магнитодиэлектрики применяются в приборостроении (постоянные магниты, эластичные герметизаторы для разъемных соединений и др.).

Ферриты и магнитодиэлектрики отличаются от металлических магнитных материалов высокими значениями объемного удельного сопротивления (ρ₀ = 10...108 Ом.м), что резко снижает потери на вихревые токи. Это позволяет использовать данные материалы в технике высоких частот. Кроме того, ферриты обладают стабильностью своих магнитных характеристик в широком диапазоне частот.