Магнитомягкие материалы

Курсовая работа по физическому  материаловедению на тему: Магнитомягкие материалы. Выполнил студент физфака ОГУ. Работа оценена на отлично.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение………………………………………………………………………….3

1 Низкочастотные магнитомягкие материалы…………………………………5

1.1 Материалы с высокой индукцией насыщения……………………………..6

1.1.1 Железо……………………………………………………………………...6

1.1.2 Сталь низкоуглеродистая  электротехническая нелегированная……….9

1.1.3 Кремнистая электротехническая сталь…………………………………...10

1.2 Материалы с высокой  магнитной проницаемостью………………………15

1.2.1 Пермаллои………………………………………………………………….15

1.2.2 Альсиферы…………………………………………………………………18

2 Высокочастотные магнитомягкие материалы……………………………….19

2.1 Ферриты………………………………………………………………………19

2.1.1 Применение ферритов……………………………………………………..23

2.2 Магнитодиэлектрики………………………………………………………...25

3 Применение магнитомягких материалов…………………………………….28

Список использованных источников…………………………………………29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Применяемые в электронной  технике магнитные материалы  подразделяют на две основные группы: магнитотвердые и магнитомягкие. В отдельную группу выделяют материалы специального назначения.

К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой . Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат для изготовления постоянных магнитов. Перемагничивание – изменение направления намагниченности вещества на противоположное под действием внешнего магнитного поля. При перемагничивании проявляется необратимый характер процессов намагничивания и наблюдается магнитный гистерезис. Петля гистерезиса показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Петля гистерезиса

К магнитомягким относят материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание.

Условно магнитомягкими считают  материалы, у которых , а магнитотвердыми – с . Необходимо, однако, отметить, что у лучших магнитомягких материалов коэрцитивная сила может составлять менее , а лучших магнитотвердых материалах ее значение превышает .

Значения коэрцитивной силы и магнитной проницаемости µ металлических магнитных материалов зависят от степени деформации кристаллической решетки и размера зерна. Чем меньше содержание примесей в материале, однороднее его структура (лучше, если она однофазная), меньше внутренних напряжений, дислокаций и других дефектов, тем меньше и больше µ. Поэтому металлические магнитомягкие материалы должны иметь: минимальную концентрацию вредных примесей (особенно  кислорода, углерода, серы, фосфора), которые образуют нерастворимые в металле химические соединения (оксиды, карбиды, сульфиды,  фосфиды), а также крупнозернистую структуру и минимальное  содержание внутренних напряжений, дислокаций и других дефектов. Для этого выплавку большинства этих материалов производят в вакууме или инертной среде, а полученные из них магнитные изделия подвергают отжигу, который производят обычно при температуре 900—1200°С в вакууме или в среде сухого водорода.

Свойства магнитных материалов определяются формой кривой намагничивания и петли гистерезиса. Магнитомягкие  материалы применяются для получения  больших значений магнитного потока. Величина магнитного потока ограничена магнитным насыщением материала, а  потому основным требованием к магнитным  материалам сильно точной электротехники и электроники является высокая  индукция насыщения. Свойства магнитных  материалов зависят от их химического  состава, от чистоты используемого  исходного сырья и технологии производства. В зависимости от исходного  сырья и технологии производства магнитомягкие материалы делятся  на три группы: монолитные металлические  материалы, порошковые металлические  материалы (магнитодиэлектрические) и  оксидные магнитные материалы, кратко называемые ферритами.

Диапазон рабочих частот для различных магнитомягких  материалов определяется в значительной степени величиной их удельного  сопротивления, и чем оно больше, тем на более высоких частотах его можно применять. В области  радиочастот применяют магнитомягкие  материалы с удельным сопротивлением того же порядка, что у  полупроводников  и диэлектриков.

В постоянных и низкочастотных магнитных полях, включая звуковые частоты, применяют металлические магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением порядка ; их называют низкочастотными.

К низкочастотным магнитомягким  материалам относятся:  железо, сталь  низкоуглеродистая электротехническая нелегированная, кремнистая электротехническая сталь, пермаллои, альсиферы. В области радиочастот используют высокочастотные магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением .

К высокочастотным магнитомягким  материалам относят: магни- тодиэлектрики  и ферриты. При ультразвуковых частотах еще можно использовать тонколистовые (h = 25—30 мкм) и рулонные холоднокатаные электротехнические стали и пермаллои (толщиной до 2—3 мкм). [2,1]

 

1 Низкочастотные магнитомягкие материалы

 

Стержни (магнитопроводы) из магнитомягких материалов, применяемые  в переменных полях, изготавливают  не монолитными (из одного куска), а  набирают из пластин или навивают из ленты, имеющих электроизоляционные  покрытия. Это делают для увеличения электрического сопротивления стержня и тем самым уменьшают потери на вихревые токи. У таких стержней коэрцитивная сила, магнитная проницаемость и магнитные потери непосредственно зависят от толщины листа (ленты): с уменьшением толщины измельчаются кристаллические зерна, в результате возрастают коэрцитивная сила и потери на гистерезис, а магнитная проницаемость, удельная электропроводность и потери на вихревые токи уменьшаются. Магнитные свойства материалов зависят не только от толщины листа, но также от частоты магнитного поля. С увеличением частоты тока потери на гистерезис возрастают пропорционально частоте в первой степени:

,

а потери на вихревые токи –  пропорционально частоте во второй степени:

.

При  некоторой частоте  потери на вихревые токи начнут преобладать  над  потерями, вызванными гистерезисом, и фактически будут определять  величину полных магнитных потерь. Поэтому для каждого магнитного материала толщина листа (ленты) определяется частотой переменного тока, при которой работает сердечник, т. е. каждой частоте соответствует определенная толщина листа (ленты), при которой полные магнитные потери становятся минимальными. Например, лист металлического магнитомягкого материала толщиной 0,3—0,5 мм  применяют для стержней, работающих при частоте 50 Гц, 0,08—0,2 мм — при 400 Гц, 0,05 мм — при 1—20 кГц, 0,001 мм — при 100 кГц. Таким образом, чтобы снизить потери на вихревые токи,  необходимо применять магнитомягкие материалы с высоким удельным  электрическим сопротивлением или увеличить сопротивление магнитного  изделия (например, сердечника) путем покрытия электроизоляционным материалом отдельных листов (ленты), из которых его набирают  (навивают). Толщина электроизоляционного покрытия составляет микрометры и не зависит от толщины самого листа. Например, электротехническая сталь толщиной 0,35—0,5 мм имеет электроизоляционное покрытие толщиной 2—5 мкм, а микронные магнитные ленты — примерно 1 мкм. С увеличением толщины листа (ленты) и уменьшением толщины электроизоляционного покрытия увеличивается объем магнитного материала в магнитном изделии. Отношение объема магнитного материала (листа, ленты) к объему всего магнитного изделия характеризуется коэффициентом заполнения :

                                                                                                                            

Чем выше коэффициент заполнения, тем больше индукция  магнитного изделия при той же напряженности  поля. Коэффициент  заполнения зависит  также от плотности прилегания отдельных  листов магнитомягкого материала друг к другу. Необходимо помнить, что  при увеличении коэффициента заполнения путем увеличения толщины листа (ленты) возрастают потери на вихревые токи и в результате снижается рабочая частота изделия. На магнитные свойства сердечника оказывает влияние также магнитострикция магнитного материала: чем меньше магнитострикция, тем большим усилиям стяжки и обжатия можно подвергнуть отдельные листы в стержне и тем выше будет коэффициент заполнения. Магнитострикция – изменение формы и размеров тела при намагничивании.

Низкочастотные магнитомягкие материалы в свою очередь подразделяют на низкочастотные с высокой индукцией насыщения и низкочастотные с высокой магнитной проницаемостью µ (начальной и максимальной ). [1,3]

 

1.1 Материалы с высокой индукцией насыщения

 

К этим материалам прежде всего  относятся железо, нелегированные и  легированные электротехнические стали. Легированная сталь — сталь, которая кроме обычных примесей содержит элементы, специально вводимые в определённых количествах для обеспечения требуемых физических или механических свойств. Эти элементы называются легирующими. Благодаря большой магнитной индукции ( ), малой коэрцитивной силе ( ), достаточно высокой магнитной проницаемости ( ) и хорошей технологичности их применяют в электротехнике для магнитных полей напряженностью от до . [3]

 

1.1.1 Железо

 

Термин «железо» соответствует  названию химического элемента. В  промышленном же применении железо представляет собой сплав, в котором обязательно  присутствует углерод.

Чистое железо содержит примесей не более 0,6%, в том числе углерода С < 0,04%. Наиболее вредными примесями всех марок магнитного железа являются углерод, азот, кислород, сера, фосфор и особенно сильно ухудшает магнитные свойства железа углерод в виде цементита. Чистое железо является основным компонентом большинства современных магнитных материалов. Его  достоинства — высокие показатели индукции насыщения ( ), пластичности, коррозионной стойкости, высокая технологичность, низкая цена и доступность. Недостатки — низкое удельное  сопротивление ( ) и, как следствие, большие потери на  вихревые токи, стали причиной того, что чистое железо применяется только в изделиях, работающих в постоянном магнитном поле, и в виде ферромагнитной фазы в магнитодиэлектриках. В зависимости от концентрации примесей магнитные свойства железа, и в первую очередь значения и µ, могут изменяться в широких пределах. Чем меньше примесей и менее дефектна кристаллическая решетка, тем лучше магнитные свойства: больше значения , и меньше (таблица 1).

Для улучшения магнитных  свойств все виды чистого железа  подвергают специальной термической  обработке — отжигу (вид термической обработки металлов и сплавов, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке и последующем, обычно медленном, охлаждении),  проводимому при температуре 900°С в течение 2—4 ч, и затем медленному  охлаждению до 600°С. Весь цикл термообработки осуществляют или в вакууме (для предохранения металла от окисления), или в активной среде (в чистом сухом водороде или в диссоциированном аммиаке, состоящем из 75% водорода и 25% азота), обеспечивающей дополнительную очистку от вредных примесей. При термообработке у железа снижаются внутренние напряжения, уменьшается плотность дислокаций и концентрация других дефектов кристаллической решетки и, кроме того, укрупняется зерно и, следовательно, уменьшается суммарная удельная поверхность зерен.

Железо подвержено магнитному старению вследствие структурных превращений; в результате со временем увеличивается коэрцитивная сила, иногда более чем в 1,5—2 раза. Магнитное старение (изменение магнитных свойств (намагниченности и др.) ферромагнетиков и ферримагнетиков во времени, происходящее самопроизвольно или под воздействием различных внешних факторов) уменьшают путем легирования некоторыми химическими элементами (например, кремнием или алюминием), а также искусственным старением, заключающимся в выдерживании материала при 100°С в течение 100 –150 ч.

Механические напряжения, возникающие при штамповке, резке  и других видах обработки, а также  при растяжении, сжатии или скручивании  железа, могут значительно ухудшить магнитные свойства. Деформация на 0,5—1% вызывает снижение на 25—30% и возрастание на 15—20%. Внутренние напряжения снимаются отжигом после обработки деталей. качестве чистого железа в электро- и радиотехнике используют технически чистое и особо чистое железо. Они содержат меньше углерода (цементита) и

Таблица 1 – Магнитные  свойства некоторых магнитомягких  материалов

других вредных примесей, чем  конструкционные стали (это стали, которые применяются для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладают определёнными механическими, физическими и химическими свойствами), и поэтому обладают гораздо лучшими магнитными  свойствами. Магнитные свойства отожженных образцов этих материалов приведены в таблице 1.

Технически чистое железо содержит углерода С < 0,025% и других примесей не более 0,08—0,1%. В электротехнике его иногда называют «армко железо» (от первых букв фирмы «American Rolling Mill Company»). Из-за низкого значения удельного сопротивления, его в основном используют для магнитопроводов постоянного магнитного потока, когда несущественны потери на вихревые токи.