Тензодатчики

Числовое значение ее выражается отношением ее величины к величине магнитной проницаемости вакуума и обозначается µ. Данная величина именуется относительной магнитной проницаемостью (или просто магнитной проницаемостью) среды. Как величина относительная, она не имеет единицы измерения.

Следовательно, относительная магнитная проницаемость µ – величина, показывающая, в какое число раз индукция поля данной среды меньше (или больше) индукции вакуумного магнитного поля.

Подавляющее большинство веществ относятся либо к классу диамагнетиков ( ), либо к классу парамагнетиков ( ). Но ряд веществ — (ферромагнетики), например железо, обладают более выраженными магнитными свойствами.

У ферромагнетиков вследствие гистерезиса, понятие магнитной проницаемости, строго говоря, неприменимо. Однако в определенном диапазоне изменения намагничивающего поля (чтобы можно было пренебречь остаточной намагниченностью, но до насыщения) можно в лучшем или худшем приближении всё же представить эту зависимость как линейную (а для магнитомягких материалов ограничение снизу может быть и не слишком практически существенно), и в этом смысле величина магнитной проницаемости бывает измерена и для них.

Магнитная проницаемость сверхпроводников равна нулю.[4]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Классификация веществ по магнитным свойствам

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядоче¬ния все вещества в природе можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагне¬тики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Перечисленным видам магнетиков соответствуют пять различных видов магнитного состояния вещества: диамагне¬тизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм.

К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд метал¬лов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (крем¬ний, германий, соединения А3В5, А2В6) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалент¬ной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.

К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. К числу парамагнетиков относят кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные ме¬таллы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.

К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчи¬востью (до 106), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов оди¬наковых атомов или ионов кристаллической решетки. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Ce, Nd, Sm, Tm и др.). Типичными анти¬ферромагнетиками являются простейшие химические соединения на основе металлов пере¬ходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т.п.

К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены не¬скомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают вы¬сокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности маг¬нитного поля и температуры. Наряду с этим ферримагнетики характеризуются и рядом су-щественных отличий от ферромагнитных материалов.

Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом, - различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты.[4]

 

 

 

 

 

 

 

 

Классификация магнитных материалов и их свойства

Магнитные материалы делятся на магнитомягкие, магнитотвердые магнитные материалы специального назначения.

Магнитомягкие материалы,  — материалы, обладающие свойствами ферромагнетика или ферримагнетика, причём их коэрцитивная сила по индукции составляет не более 4 кА/м.[1] Такие материалы также обладают высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на гистерезис.

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 H_c 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.[5][6]

 

 

К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой (Нс > 4кА/м). Они перемагничиваются в очень сильных магнитных полях и служат в основном для изготовления постоянных магнитов.

Для получения высокой коэрцитивной силы в магнитных материалах кроме выбора химического состава используют технологии, оптимизирующие кристаллическую структуру и затрудняющие процесс перемагничивания. Это закалка сталей на мартенсит, дисперсионное твердение сплавов, создание высоких внутренних механических напряжений и др. В результате затрудняются процессы смещения доменных границ. У высококоэрцитивных сплавов магнитная текстура создается путем их охлаждения в сильном магнитном поле.

Магнитотвердые материалы намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях.

По составу и способу получения магнитотвердые материалы подразделяются на легированные стали, закаленные на мартенсит, литые высококоэрцитивные сплавы, порошковые магнитотвердые материалы, магнитотвердые ферриты, пластически деформируемые сплавы, сплавы для магнитных носителей информации.[7]

К магнитным материалам специального назначения относят магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, СВЧ ферриты, магнитострикционные материалы.

Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) находят широкое применение в устройствах автоматики, аппаратуре связи. Сердечники из материала с ППГ имеют два устойчивых магнитных состояния, которые соответствуют различным направлениям магнитной индукции.

Материалы с ППГ характеризуются коэффициентом прямоугольности kпу петли гистерезиса.

kпу = Br/Bmax .

Большим значением kпу обладают железоникелевые и железокобальтовые сплавы, легированные медью и некоторыми другими металлами. Эти сплавы обладают кристаллографической или магнитной текстурой. Наиболее высокую прямоугольность (до 0,98) имеют железоникелькобальтовые сердечники из лент микронной толщины.

Прямоугольность петли гистерезиса достигается выбором определенного химического состава и условиями спекания феррита.

Для сердечников с ППГ чаще применяются магний-марганцевые и литиевые ферриты.

Ферромагниты для устройств СВЧ используются в диапазоне длин волн от 1м до 1 мм. Электромагнитная энергия на таких частотах передается по волноводам, коаксиальным и полосковым линиям передачи. Ферритовый сердечник - вкладыш, помещенный внутрь волновода, изменяет структуру поля и скорость распространения волны. Магнитооптический эффект Фарадея заключается в повороте плоскости поляризации высокочастотных колебаний в феррите за счет внешнего поля. Это позволяет изменять угол поворота плоскости поляризации и направлять энергию в разные каналы.

В магнитострикционных материалах используется явление магнитострикции и магнитоупругий эффект - изменение магнитных свойств материала под влиянием механических воздействий. К магнитострикционным материалам относится никель, пермендюр (сплавы FeCo), альферы (сплавы FeAl), никелевый и никель-кобальтовые ферриты и др. Магнитострикционные ферриты имеют малые потери на вихревые токи по сравнению с никелем и металлическими сплавами, не подвержены действию химических агрессивных сред.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение магнитных материалов

Компас – первый прибор для определения направления, с применением магнитных деталей.

Практическое применение магнитных материалов постоянно растет. Увеличивается их производство, разрабатываются и находят все большее применение новые виды магнитных материалов. Например, с цилиндрическими доменами, используемые для создания памяти ЭВМ с большой плотностью записи информации, материалы с гигантской магнитострикцией ( ~10-3), используемые в качестве ультразвуковых излучателей и др. Применение магнитных материалов во многих случаях существенно влияет на развитие важнейших областей техники, как электромашиностроение, электронная техника, радиотехника, приборостроение, вычислительная техника, автоматические устройства и системы управления, магнитная запись звуков и изображений, голографическая запись и др.

Принцип работы магнитных запоминающих устройств основаны на способах хранения информации с использованием магнитных свойств материалов. Как правило, магнитные запоминающие устройства состоят из собственно устройств  чтения/записи информации и магнитного носителя, на который, непосредственно, осуществляется запись и с которого считывается информация. Магнитные запоминающие устройства принято делить на виды в связи с исполнением, физико-техническими характеристиками носителя информации и т.д. Наиболее часто различают: дисковые и ленточные устройства. Общая технология магнитных запоминающих устройств состоит в намагничивании переменным магнитным полем участков носителя и считывания информации, закодированной как области переменной намагниченности.

Несомненный интерес представляют ультрадисперсные частицы для магнитной записи. Однако минус этих дисков в том, что нанометровые зёрна на их поверхности, на которые и производится запись, не упорядочены, поэтому информация записывается на большом количестве таких зёрен, а не на одном. Если же эти наночастицы сделать близкими по размеру, то возникает эффект их самоорганизации, а на упорядоченных структурах (например, двумерных с гексагональной упаковкой частиц) относительно легко производить запись на каждой частице. То есть на каждой частице можно записать бит информации, а при размере частицы 10—20 нанометров плотность записи возрастает на порядок по сравнению с той, что достигнута сегодня. Ещё один плюс — в силу относительно недорогих исходных материалов ультрадисперсные частицы оказываются довольно дешёвыми. Кроме этого, они химически инертны, а значит, могут быть с успехом использованы там, где нужна устойчивая запись информации: ультрадисперсные частицы легко противостоят любым агрессивным условиям и без размагничивания выдерживают температуру 250—300 градусов. [8]

Ферриты нашли широкое применение в качестве магнитных наполнителей для полимерных композиционных материалов. В том числе магнитно-мягкие  порошки никель-цинковых, марганец-цинковых,  цинковых;   магнитно-твёрдые порошки гексаферрита бария, стронция. Основным  преимуществом  полимерных  магнитов, по  сравнению  с  металлическими  или  керамическими,  является  их лёгкая формуемость, стабильность размеров и низкая стоимость.

Ферриты широко используются в промышленности  бытовых  электроприборов, производстве игрушек, дверных амортизаторов, автоматических дверных переключателей, таймеров.важное  применение магнитные эластомеры нашли в медицине в качестве  магнитотерапевтических средств, а также нетоксичных магнитных элементов при биопротезировании и создании  искуственного  сердца. Ферромагнитные порошки также нашли применение в дефектоскопии в качестве  обнаружителя магнитного поля дефекта.

Магнитные датчики в составе охранной сигнализации относятся к самым простым и устанавливаются на окна, двери и люки.

Магнитные замки. В цилиндровых замках некоторых моделей применяются магнитные элементы. Замок и ключ снабжены ответными кодовыми наборами постоянных магнитов.

Магнитные материалы также используются в медицине. Магниты в последнее время все чаще используются для более точного и менее инвазивного введения в организм больного человека различных инструментов и лекарств в ходе лечебных и диагностических процедур. Управление движением в этом случае осуществляется с помощью магнитного поля.