РАЗДЕЛ ВТОРОЙ
МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ГЛАВА V.
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
§ 25. Основные характеристики и процессы,
протекающие в магнитных материалах
К магнитным материалам относятся железо, кобальт и никель в технически чистом виде и многочисленные сплавы на их основе. Наибольшее распространение получили технически чистое железо, стали и сплавы на основе никеля и железа. Такие материалы называются ферромагнитными, или ферромагнетиками, так как железо является основным магнитным материалом.
Отличительнойчертой всех ферромагнитных материалов является их способность намагничиваться в магнитных полях. Обычно говорят, что они намагничиваются во внешнем магнитном поле. Таким полем может быть поле, создаваемое электрическим током, или поле другого магнита. Магнитные свойства материалов оцениваются величинами, называемыми магнитными характеристиками.
Каждая характеристика определяет какое-либо свойство. Наиболее важными и часто употребляемыми в технических расчетах магнитными характеристиками являются: напряженность магнитного поля, магнитная индукция, магнитная проницаемость и др. Для определения величин магнитных характеристик разработаны системы единиц, с помощью которых эти характеристики получают вполне конкретное выражение именованных чисел.
В технических расчетах и лабораторных измерениях величин магнитных характеристик приняты две системы единиц, обозначаемые кратко: СИ и СГСМ *.
*Система единиц СИ — система интернациональная (международная). СГСМ — система единиц, основу которой составляют: сантиметр, грамм, секунда, магнитная постоянная.
Каждая характеристика магнитных материалов выражается математической формулой. Напряженность магнитного поля обозначается буквой Н. Численная ее величина выражается в системе СИ в амперах на метр (а/м) или в амперах на сантиметр (а/см), в системе же СГСМ она выражается в эрстедах (э). Магнитная индукция обозначается буквой В и выражается числен
но произведением величины напряженности магнитного поля Н на величину абсолютной магнитной проницаемости
(12)
В системе единиц СИ величина В выражается в тесла (тл), а в системе СГСМ — в гауссах (гс). Величина
в формуле (12) является произведением:.
(гн/м) и называется абсолютной магнитной проницаемостью. В этом произведении
— относительная магнитная проницаемость, она размерности не имеет.
Величина |л0 называется магнитной постоянной. В системе СИ выражается формулой
генри на метр (гн/м),
а в системе СГСМ м0= 1 гаусс на эрстед (гс/э). Отсюда следует, что формула (12) может иметь два выражения:
в системе СИ Б=ф0ц// (тл), в системе СГСМ, т. е. в системе СГСМ единицы измерения абсолютной и относительной магнитной проницаемости совпадают. В технических расчетах обычно пользуются относительной магнитной проницаемостью |я, которая является одинаковой для обеих систем. Из формулы (12) видно, что при заданной напряженности магнитного поля магнитная индукция в материале (сердечнике) будет тем больше, чем больше магнитная проницаемость материала.
В результате намагничивания ферромагнитного материала в нем возникает магнитный поток <P = BS, где S —площадь поперечного сечения образца материала. Магнитный поток в системе СИ выражается в веберах (вб), а в системе СГСМ — в максвеллах (мкс), причем 1 вб= 108 мкс.
Если напряженность магнитного поля плавно увеличивать от нуля, то магнитная индукция В помещенного в этом поле магнитного материала будет возрастать по кривой, называемой кривой первоначального намагничивания (рис. 30).
Такие графики для ферромагнитных материалов имеют одинаковый вид. На графике видно, что магнитная индукция В вначале быстро возрастает, затем при больших напряженностях Н рост индукции снижается, а начиная с величины ее В3 почти не изменяется. Эта величина индукции Bs, характерная для всех магнитных материалов, получила название магнитной индукции насыщения.
График зависимости магнитной проницаемости ц от величины напряженности магнитного поля и для всех ферромагнетиков имеет тоже одинаковый вид (рис. 31).
Если напряженность магнитного доля Н близка к нулевому значению, то величина (j, называется начальной магнитной проницаемостью и обозначается лн. При увеличении напряженности поля магнитная проницаемость быстро возрастает и достигает наибольшего значения |ям, а затем уменьшается. Величины [хн и цм являются также характеристиками магнитных материалов. Они показывают способность материала намагничиваться.
Во всех ферромагнитных материалах наблюдается явление, известное под названием магнитного гистерезиса*. Оно проявляется при намагничивании материала сначала в одном, а затем в противоположном направлении (рис. 32). Если магнитный материал подвергнуть намагничиванию, непрерывно повышая напряженность магнитного поля Н, то магнитная индукция В будет возрастать по кривой начального намагничивания.
* Гистерезис (греческ.) — запаздывание.
Рис. 31. Кривая зависимости магнитной проницаемости от величины напряженности магнитного поля
I'ne. 32. Кривая намагничивания и петля гистерезиса
Рис. 30. Кривая зависимости индукции от величины напряженности магнитного поля
На рис. 31 эта кривая выходит из точки 0 и заканчивается в точке, соответствующей индукции насыщения В„. При уменьшении напряженности Н значения индукции В будут понижаться. Однако они не будут совпадать с прежними величинами В, а будут заметно превосходить их. Поэтому, когда напряженность поля станет равной нулю (Н—0), индукция не будет равна нулю, а будет равна какой-то величине Вг. Эта индукция называется остаточной магнитной индукцией.
Дальнейшее размагничивание материала осуществляют увеличением напряженности магнитного поля противоположного направления— Н. Напряженность поля, при которой индукция станет равной нулю, называется коэрцитивной силой Нс*. Если после этой точки магнитный материал намагничивать в противоположном направлении, то он достигнет индукции насыщения Bs противоположного направления (нижняя часть гистерезисной петли). Дальнейшее изменение напряженности поля до Н----0 и новое намагничивание в первоначальном направлении дает повторение хода кривой, образуя замкнутую петлю, которая называется петлей гистерезиса. Площадь этой петли пропорциональна потерям энергии на перемагничивание Рт (гистерезис) данного магнитного материала.
* Коэрцитивная (лат.) сила — удерживающая сила.
В табл. 17 приводится соотношение единиц перечисленных в тексте характеристик с указанием соотношений между ними.
Таблица 17
Единицы измерения магнитных характеристик
§ 26. Классификация магнитных материалов
Описанные выше магнитные величины цн, [хм, Нс, Br, Bs являются основными магнитными характеристиками ферромагнитных материалов. Они позволяют оценить способность материалов намагничиваться. Согласно их значениям можно распределить все ферромагнитные материалы на две главные группы.
Рис. 33. Верхние части петель гистерезиса:
1 — для пермаллоя, 2 —для чистого железа
Первую группу магнитных материалов составляют магнитномягкие материалы, т. е. такие ферромагнетики, которые предназначаются для работы в качестве магнитопроводов для переменного магнитного поля, создаваемого переменным электрическим током.
Такие материалы должны иметь весьма малые потери на гистерезис и вихревые токи. Они должны обладать большими величинами магнитной проницаемости и в то же время иметь малую коэрцитивную силу Нс и большую индукцию насыщения В3. Наличие в них малой коэрцитивной силы Нс и высокой индукции насыщения Bs обусловливает узкую и высокую петлю гистерезиса (рис. 33), например, для пермаллоя и чистого железа ширина петель не превосходит 0,45 а/см. Эта петля и является характерным признаком всех материалов, входящих в данную группу. Магнитно-мягкие материалы легко перемагничиваются в переменном магнитном поле, поэтому из них изготовляют сердечники и магнитопроводы для электрических машин, трансформаторов и электромагнитов.
Вторую группу магнитных материалов составляют магнитнотвердые материалы. Они применяются для изготовления постоянных магнитов. Постоянные магниты, будучи один раз намагничены, сохраняют состояние намагниченности в течение ряда лет. Для этих материалов характерным являются большая коэрцитивная сила
Рис. 34. Верхняя часть петли гистерезиса для магнитно-твердого сплава альнико
Нс и большая остаточная индукция Вг. Петля гистерезиса у таких материалов (рис. 34) очень широкая по сравнению с магнитномягкими материалами. Магнитнотвердые материалы поэтому трудно перемагничиваются.
Рис. 36. Изменение максимальной магнитной проницаемости и коэрцитивной силы технически чистого железа в зависимости от температуры.
Физические процессы, протекающие в ферромагнитных материалах при их намагничивании, весьма сложны. В упрощенном виде их можно описать следующим образом. Известно, что атомы состоят из электронов и ядер. Движение электронов по орбитам и вращение их вокруг своей оси может быть уподоблено электрическому току. Электрический же ток, как известно, создает магнитное поле. Таким образом, движущиеся электроны атомов являются элементарными «магнитиками», которые, складываясь, создают общий магнитный момент атома, но магнитные моменты атомов направлены в материале хаотично и поэтому их суммарный момент равен нулю.
Рис. 35. Изменение остаточной индукции (Вг) и индукции насыщения (Ва) технически чистого железа от температуры
Под действием же внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов ориентируются в направлении этого поля. Чем выше напряженность Я внешнего магнитного поля, тем па больший угол повертываются магнитные моменты атомов. Такой поворот с повышением напряженности внешнего поля совершается непрерывно, пока все магнитные моменты атомов не выстроятся по полю. Это магнитное состояние ферромагнетика получило название магнитного насыщения.
Магнитные свойства ферромагнитных материалов изменяются с изменением температуры. Обычно эти изменения изображают в виде кривых, показывающих зависимость величин отдельных магнитных характеристик от температуры. На рис. 34 и 35 приведены кривые зависимости магнитных характеристик технически чистого железа от температуры. На этих рисунках видно, что величины всех, указанных характеристик около температуры 770° С резко падают до нуля. Это свидетельствует о том, что железо при температуре 770° С перестает быть ферромагнитным материалом. Эта температура называется температурой Кюри и обозначается ©к. Каждый ферромагнитный материал имеет свою температуру Кюри.
Так как магнитные характеристики ферромагнетиков при температуре Кюри имеют весьма малые значения, то при этой температуре и выше ее ферромагнетики не могут быть использованы в электротехнических устройствах. Зависимости разных магнитных характеристик ферромагнитных материалов от температуры отличаются друг от друга по форме. На рис. 35 и 36 видно, что кривые магнитной индукции Вт и Bs отличны от кривой коэрцитивной силы Нй. Кривая же зависимость для (гм резко отличается от них тем, что с повышением температуры магнитная проницаемость не падает, а нарастает, достигая вблизи температуры Кюри наибольшего значения, после чего она резко снижается.
Итак, магнитные свойства ферромагнитных материалов количественно выражаются числовыми значениями их магнитных характеристик.
В табл. 18 приведены характеристики основных ферромагнетиков: железа, кобальта и никеля.
Таблица 18
Магнитные характеристики основных ферромагнитных материалов
§ 27. Влияние химического состава и технологии на свойства магнитных материалов
На свойства магнитных материалов оказывают заметное влияние их химический состав, способ изготовления и виды тепловой обработки после изготовления. Не все, однако, свойства одинаково чувствительны к этим влияниям. Например, индукция насыщения Bs с изменением состава изменяется незначительно, а коэрцитивная сила Нс и магнитная проницаемость изменяются заметно. Большинство технических магнитных материалов имеет сложный химический состав, так/ как эти материалы создаются в виде двойных или тройных сплавов с добавлением каких-либо отдельных веществ (легирующие вещества) в малых количествах. В этих случаях состав выбирается с целью получения магнитных материалов с определенными свойствами. Но, кроме намеренно вносимых примесей, в магнитном материале могут быть случайные и зачастую неизбежные примеси, которые содержатся в исходных сырьевых материалах и вместе с ними попадают в сплав. Такие примеси ухудшают магнитные свойства ферромагнетиков и поэтому нежелательны.
Рис. 37. Зависимость магнитных свойств кремнистой стали от содержания кремния
Влияние состава на магнитные свойства ферромагнитных сплавов можно видеть па примере сплава железа с другими веществами. В электротехнике широкое применение нашли сплавы железа с кремнием. На рис. 37 приведены величины Вs, 0К, лм и q для электротехнической кремнистой стали с различным содержанием кремния. Как видно на рисунке, температура Кюри 0К и индукция насыщения Вя с увеличением содержания кремния плавно уменьшаются: первая незначительно, а вторая более заметно. Удельное же сопротивление q непрерывно повышается. Магнитная проницаемость |хм при содержании кремния от 5 до 7% резко увеличивается (более чем в пять раз). Из всех характеристик наиболее чувствительна к содержанию кремния в определенной его области.
В качестве второго примера можно привести изменение индукции насыщения Bs и температуры Кюри 0К в сплаве железа с никелем. Это изменение в виде графиков приведено на рис. 38. Эти две характеристики резко падают при содержании никеля около 30%, затем снова повышаются, причем Bs очень резко, а 0К менее резко.
На основе этих двух зависимостей можно сделать следующие выводы. Сплавы на основе железа и кремния, содержащие около 6% кремния, обладают наибольшей величиной и могут представлять технический интерес. Однако по величине В., сплавы с этим содержанием кремния хуже, чем сплавы с содержанием 1 — 2% Si. Сплавы же па основе железа и никеля, содержащие до 10— 15% никеля, отличаются большой индукцией насыщения В„ и высокой температурой Кюри (0к).
Из приведенных примеров видно, что химический состав магнитного материала должен быть подобран с учетом его влияния на магнитные свойства.
Рис. 38. Зависимость магнитных свойств железо-никелевого сплава от содержания никеля
Случайными примесями, наиболее часто встречающимися в магнитных материалах в небольших количествах (около десятых долей процента), являются углерод, азот, сера, фосфор, медь, алюминий и др. Они попадают в магнитные материалы вместе с исходными материалами как их неизбежная примесь или в процессе изготовления ферромагнитного материала и его, тепловой обработки. Эти примеси являются вредными, так как они сильно снижают магнитные свойства материала. Однако ввиду весьма малых количеств этих примесей не удается определить отдельно влияние каждого такого примесного вещества на магнитные свойства ферромагнетика, так как они всегда содержатся в материалах вместе.
Из всех примесей наибольшее влияние оказывают на магнитные и другие свойства углерод, кислород, сера и азот. Будучи растворенными в основном магнитном материале, одни из них увеличивают магнитные потери (потери на гистерезис), повышают коэрцитивную силу и снижают магнитную проницаемость в магнитномягких материалах, другие (углерод и азот) способствуют старению ферромагнетиков, т. е. необратимо снижают магнитные свойства с течением времени.
При изготовлении железа как магнитного материала в нем растворяется много азота, который потом при охлаждении образует соединение — нитрид железа, повышающий коэрцитивную силу. Углерод, растворенный в железе при высоких температурах его изготовления, образует при охлаждении карбид железа Fe3C, который повышает коэрцитивную силу Нс и вызывает увеличение потерь на гистерезис.
Магнитные материалы являются, как известно, поликристаллическими веществами. Их отдельные кристаллики (зерна) сплавлены друг с другом по своим поверхностям. Размер зерен магнитного материала одного и того же химического состава оказывает влияние на магнитные свойства материала. У мелкокристаллического материала, например железа, коэрцитивная сила Нс выше, чем у крупнокристаллического.
Рис. 39. Влияние температуры отжига (в водороде) на максимальную магнитную проницаемость чистого железа
Чем меньше зерно, тем больше его поверхность, отнесенная к одному грамму его веса, называемая удельной поверхностью. Поэтому общая поверхность сплавления у мелкозернистого материала будет больше, чем у крупнозернистого. В местах же сплавления зерен кристаллическая решетка искажается, а следовательно, у мелкозернистого материала будет больше таких искажений, чем у крупнозернистого. Поэтому объем материала с искаженным кристаллическим строением будет больше у ферромагнетика с мелкими зернами. Искажение же решетки кристалла магнитного материала приводит к повышению коэрцитивной силы. Поэтому мелкозернистый магнитный материал обладает свойствами магнитно-твердого, а крупнозернистый — свойствами магнитно-мягкого ферромагнетика.
В процессе изготовления магнитных материалов и их механической обработки в них возникают внутренние механические напряжения, которые также понижают магнитные свойства материалов.
Поэтому магнитно-мягкие материалы с целью устранения механических внутренних напряжений и пластической деформации подвергаются дополнительному нагреву до высоких температур, чаще всего в водородной среде, в результате чего их магнитные свойства улучшаются. Такой процесс тепловой обработки называется отжигом. На рис. 39 приведена зависимость |хм от температуры отжига чистого железа в водороде.
