Какие материалы не проявляют ферромагнитные свойства
В зависимости от магнитных свойств, вещества бывают диамагнетиками, парамагнетиками и ферромагнетиками. И именно ферромагнитный материал обладает особенными свойствами, отличающимися от остальных.
Что это за материал и какими свойствами обладает
Ферромагнитный материал (или ферромагнетик) – вещество, находящееся в твердом кристаллическом или же аморфном состоянии, которое обладает намагниченностью при отсутствии какого-либо магнитного поля лишь при низкой критической температуре, т. е. при температуре ниже точки Кюри. Магнитная восприимчивость этого материала положительна и превышает единицу. Некоторые ферромагнетики могут обладать самопроизвольной намагниченностью, сила которой будет зависеть от внешних факторов. Кроме всего прочего, такие материалы имеют отличную магнитную проницаемость и способны к усилению внешнего магнитного поля в несколько сотен тысяч раз.
Группы ферромагнетиков
Всего существует две группы ферромагнитного материала:
- Магнитно-мягкая группа. Ферромагнетики этой группы имеют небольшие показатели напряженности магнитного поля, но обладают отличной магнитной проницаемостью (менее 8,0×10-4 Гн/м) и невысокими потерями гистерезисного характера. К магнитно-мягким материалам относятся: пермаллои (сплавы с добавлением никеля и железа), оксидные ферромагнетики (ферриты), магнитодиэлектрики.
- Магнитно-жесткая (или магнитно-твердая группа). Характеристики ферромагнитных материалов этой группы выше, чем у предыдущей. Магнитно-твердые вещества обладают как высокими показателями напряженности магнитного поля, так и хорошей магнитной проницаемостью. Они являются основными материалами для производства магнитов и устройств, где используется коэрцитивная сила и необходима отличная магнитная восприимчивость. К магнитно-жесткой группе относятся практически все углеродистые и некоторые легированные стали (кобальт, вольфрам и хром).
Материалы магнитно-мягкой группы
Как и говорилось ранее, к магнитно-мягкой группе относятся:
- Пермаллои, которые состоят только из сплавов железа и никеля. Иногда к пермаллоям добавляют хром и молибден для повышения проницаемости. Правильно изготовленные пермаллои отличаются высокими показателями магнитной проницаемости и коэрцитивной силы.
- Ферриты – ферромагнитный материал, состоящий из оксидов железа и цинка. Нередко к железу и цинку добавляют оксиды марганца или никеля для уменьшения сопротивления. Поэтому ферриты часто используют в качестве полупроводников при высокочастотных токах.
- Магнитодиэлектрики являются измельченной смесью порошка железа, магнетита или пермаллоя, обернутого в пленку из диэлектрика. Так же как и ферриты, магнитодиэлектрики используются в качестве полупроводников в самых разных устройствах: усилителях, приемниках, передатчиках и т. д.
Материалы магнитно-твердой группы
К магнитно-твердой группе относятся следующие материалы:
- Углеродистые стали, состоящие из сплава железа и углерода. В зависимости от количества углерода, бывают: низкоуглеродистые (менее 0,25% углерода), среднеуглеродистые (от 0,25 до 0,6% углерода) и высокоуглеродистые стали (до 2% углерода). Помимо железа и углерода, в состав сплава могут также входить кремний, магний и марганец. Но наиболее качественными и пригодными ферромагнитными материалами считаются те углеродистые стали, которые имеют наименьшее количество примесей.
- Сплавы на основе редкоземельных элементов, например самарий-кобальтовые сплавы (соединения SmCo5 или Sm2Co17). Они имеют высокие показатели магнитной проницаемости при остаточной индукции в 0,9 Тл. При этом магнитное поле в ферромагнетиках такого типа тоже составляет 0,9 Тл.
- Другие сплавы. К таковым относятся: вольфрамовые, магниевые, платиновые и кобальтовые сплавы.
Отличие ферромагнитного материала от других веществ, обладающих магнитными свойствами
В начале статьи было сказано, что ферромагнетики обладают особенными свойствами, которые значительно отличаются от других материалов, и вот несколько доказательств:
- В отличие от диамагнетиков и парамагнетиков, которые получают свои свойства от отдельных атомов и молекул вещества, свойства ферромагнитных материалов зависят от кристаллической структуры.
- Ферромагнитные материалы, в отличие, например, от парамагнетиков, имеют большие значения магнитной проницаемости.
- Помимо проницаемости, ферромагнетики отличаются от парамагнитных материалов еще и тем, что имеют зависимую связь между намагничиванием и напряженностью намагничивающего поля, которая имеет научное название – магнитный гистерезис. Подобному явлению подвержены многие ферромагнитные материалы, например кобальт и никель, а также сплавы на их основе. Кстати, именно магнитный гистерезис позволяет магнитам сохранять состояние намагниченности в течение продолжительного времени.
- Некоторые ферромагнитные материалы также обладают особенностью изменять свою форму и размеры при намагничивании. Такое явление называется магнитострикцией и зависит не только от вида ферромагнетика, но и от других не менее важных факторов, например от напряженности полей и расположения кристаллографических осей по отношению к ним.
- Еще одной интересной особенностью ферромагнитного вещества является способность терять свои магнитные свойства или, говоря проще, превращаться в парамагнетик. Такого эффекта можно достичь при нагреве материала выше так называемой точки Кюри, при этом переход в парамагнитное состояние не сопровождается какими-либо сторонними явлениями и практически незаметен невооруженным глазом.
Область применения ферромагнетиков
Как видно, ферромагнитный материал занимает особо важное место в современном мире технологий. Его используют при изготовлении:
- постоянных магнитов;
- магнитных компасов;
- трансформаторов и генераторов;
- электронных моторов;
- электроизмерительных приборов;
- приемников;
- передатчиков;
- усилителей и ресиверов;
- винчестеров для ноутбуков и ПК;
- громкоговорителей и некоторых видов телефонов;
- звукозаписывающих устройств.
В прошлом некоторые магнитно-мягкие материалы использовались также в радиотехнике при создании магнитных лент и пленок.
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 7 апреля 2018;
проверки требуют 8 правок.
Ферромагнетик — упорядочивание магнитных моментов.
Ферромагне́тики — вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Иными словами, ферромагнетик — такое вещество, которое (при температуре ниже точки Кюри) способно обладать намагниченностью в отсутствии внешнего магнитного поля.
Свойства ферромагнетиков[править | править код]
- Магнитная восприимчивость ферромагнетиков положительна и значительно больше единицы.
- При не слишком высоких температурах ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий.
- Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса.
- Ферромагнетики притягиваются магнитом.
Представители ферромагнетиков[править | править код]
Среди химических элементов[править | править код]
Среди химических элементов ферромагнитными свойствами обладают переходные элементы Fe, Со и Ni (3d-металлы) и редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Ho, Er (см. Таблицу 1).
Таблица 1. — Ферромагнитные металлы
|
|
Js0 — величина намагниченности единицы объёма при абсолютном нуле температуры, называемая спонтанной намагниченностью. Tc — точка Кюри (критическая температура, выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком).
Для 3d-металлов и для гадолиния (Gd) характерна коллинеарная ферромагнитная атомная структура, а для остальных редкоземельных ферромагнетиков — неколлинеарная (спиральная и др.; см. Магнитная структура).
Среди соединений[править | править код]
Ферромагнитами также являются многочисленные металлические бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с другими неферромагнитными элементами, сплавы и соединения хрома (Cr) и марганца (Mn) с неферромагнитными элементами (так называемые гейслеровы сплавы), например, сплав Cu2MnAl, соединения ZrZn2 и ZrxM1−xZn2 (где М — это Ti, Y, Nb или Hf), Au4V, Sc3In и др. (Таблица 2), а также некоторые соединения металлов группы актиноидов (например, UH3).
| Соединение | Tc, К | Соединение | Tc, К |
|---|---|---|---|
| Fe3AI | 743 | TbN | 43 |
| Ni3Mn | 773 | DyN | 26 |
| FePd3 | 705 | EuO | 77 |
| MnPt3 | 350 | MnB | 578 |
| CrPt3 | 580 | ZrZn2 | 35 |
| ZnCMn3 | 353 | Au4V | 42—43 |
| AlCMn3 | 275 | Sc3ln | 5—6 |
Другие известные[править | править код]
Особую группу ферромагнетиков образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов (например, Fe или Со) в диамагнитной матрице Pd. В этих веществах атомные магнитные моменты распределены неупорядоченно (при наличии ферромагнитного порядка отсутствует атомный порядок). Ферромагнитный порядок обнаружен также в аморфных (метастабильных) металлических сплавах и соединениях, аморфных полупроводниках, в обычных органических и неорганических стёклах, халькогенидах (сульфидах, селенидах, теллуридах) и т. п. Число известных неметаллических ферромагнетиков пока невелико. Это, например, оксид хрома(IV) и ионные соединения типа La1−xCaxMnO3(0,4 > x > 0,2), EuO, Eu2SiO4, EuS, EuSe, EuI2, CrB3 и т. п. У большинства из них точка Кюри лежит ниже 1 К. Только у соединений Eu, халькогенидов, CrB3 значение Q составляет порядка 100 К.
См. также[править | править код]
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Хёрд К. М. Многообразие видов магнитного упорядочения в твёрдых телах
- Аннаев Р. Г. Магнето-электрические явления в ферромагнитных металлах. — Ашхабад, 1951.
- Тябликов С. В. Методы квантовой теории магнетизма. — 2-е изд. — М., 1975.
- Невзгодова Е. — Современная экспериментальная физика. — 3-е изд. — СПб., 2009.
Все материалы по магнитным свойствам подразделяют на две группы: ферромагнитные (железо, кобальт, никель, гадолиний и некоторые другие материалы и сплавы) и неферромагнитные (все материалы, за исключением ферромагнитных, например дерево). Различные магнитные свойства материалов наглядно характеризуется зависимостью B=f(H), графическое изображение которой называют кривой намагничивания. Для неферромагнитных материалов зависимость B=f(H) является линейной, а для ферромагнитных – существенно нелинейной.
Производная дает зависимость абсолютной магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля: . Нелинейный характер кривых B=f(H) и для ферромагнитных материалов оказывает большое влияние на расчет магнитных цепей.
Ферромагнитные материалы подразделяют на магнитомягкие и магнитотвердые.
Магнитомягкие материалы – технически чистое железо, электротехнические конструкционные стали, пермаллои, некоторые типы ферритов имеют небольшую коэрцитивную силу, до 100 А/м, т.е. узкую петлю гистерезиса.
Магнитотвердые материалы – мартенситные стали, сплавы железа, никеля, алюминия, кобальта и некоторые типы ферритов – имеют значительно большую коэрцитивную силу, до А/м и выше, а следовательно, широкую петлю гистерезиса. Поэтому потери энергии на перемагничивание для магнитомягких материалов ниже, чем магнитотвердых. Это происходить потому, что потери прямо пропорциональны площади петли гистерезиса.
Магнитомягкие материалы используют в устройствах с изменяющимися магнитными полями; магнитотвердые применяют, в частности, для изготовления постоянных магнитов.
Основной магнитный материал, используемый в электротехнических устройствах, — электротехническая сталь различных марок, представляющая собой сплав железа с кремнием (кремния 0,5…5%). Такие стали отличаются хорошими электромагнитными свойствами, высокой магнитной проницаемостью, малыми потерями на вихревые токи и перемагничивание.
Различные ферромагнитные материалы обладают неодинаковой способностью намагничиваться. Так, при одинаковой напряженности H магнитного поля величина магнитной индукцииВ для электротехнической стали во много раз больше, чем для чугуна.
По электромагнитным свойствам магнитные цепи можно разделить на следующие четыре группы.
1. Магнитные цепи с постоянной МДС (магнитные цепи постоянного тока). Магнитные потоки таких цепей создаются обмотками (катушками), расположенными на ферромагнитных магнитопроводах; питание обмоток осуществляется постоянным током.
2. Магнитные цепи с переменной МДС ( магнитные цепи переменного тока). Магнитные потоки таких цепей создаются обмотками, расположенными на магнитопроводах, ток в которых является переменной величиной, зависящей от времени.
3. Магнитные цепи с постоянной и переменной МДС (магнитные цепи постоянного и переменного тока). Магнитные потоки таких цепей создаются двумя МДС, одна из которых обусловлена постоянным током, другая – переменным.
4. Магнитные цепи с постоянными магнитами. К таким цепям относятся устройства, в которых для получения магнитного потока используют постоянные магниты.
По своей конфигурации магнитные цепи можно разделить на два вида: неразветвленные и разветвленные, которые в свою очередь, могут быть симметричными и несимметричными. Симметричной магнитной цепью является такая цепь, в которой условия для прохождения магнитных потоков от точки разветвления общего магнитного потока одинаковы для каждой ветви, т.е. одинаковы геометрические размеры и материал магнитопровода. Симметричные магнитные цепи часто встречаются в электрических машинах, трансформаторах, электроизмерительных приборах и др.
Кроме того, магнитные цепи могут быть однородными и неоднородными. Однородной магнитной цепью является такая цепь, в которой условия для прохождения магнитного потока вдоль неразветвленного участка цепи не изменяются, т.е. сечение и материал остаются неизменными.
Для усиления магнитного поля и придания ему определенной конфигурации в электротехнических устройствах используются различные ферромагнитные материалы. Ферромагнетики, к которым относятся сталь, железо, никель, кобальт, их сплавы и др., обладают рядом отличительных свойств: 1) большая относительная -магнитная проницаемость (от нескольких тысяч до десятков тысяч); 2) нелинейная зависимость намагничивания или индукции поля в магнетике от тока или напряженности внешнего поля (кривая начального намагничивания 0abc, представленная на рисунке 3.2.1, отражает эту нелинейную зависимость и соответственно
Рис. 3.2.1
зависимость проницаемости от напряженности внешнего поля); 3) отставание изменения индукции поля в ферромагнетике от изменения напряженности внешнего поля. Это явление называется гистерезисом. Оно проявляется в наличии у ферромагнетика остаточного намагничивания (остаточная индукция Вг) после снятия внешнего поля и необходимости обратного поля определенной величины, задерживающего поля Нс (коэрцитивная сила), дзя полного снятия остаточной магнитной индукции. Замкнутая кривая В(Н) (см. рис.3.2.1), соответствующая полному циклу перемагничивания ферромагнетика, называется петлей магнитного гистерезиса. Площадь петли пропорциональна энергии, затрачиваемой внешним источником, за один цикл пе- ремагничивания. Полные затраты электрической энергии источника, переходящие в конечном счете в тепло, для ферромагнитных магнитопроводов, работающих, в условиях переменного магнитного потока, определяются потерями, связанными с гистерезисом, и потерями на вихревые токи, индуцируемые в магнитопроводе переменным магнитным потоком.
В зависимости от величины задерживающего поля Нс и относительной магнитной проницаемости различают магнитомягкие и магнитотвердые ферромагнитные материалы.
Магнитомягкие материалы обладают высокой магнитной проницаемостью и малым задерживающим полем (Нс 400 А/м) (рис. 3.2.2,а).
Рис. 3.2.2
К ним относятся низкоуглеродистые стали (w = 3500…7000, Нс= 100 А/м), листовые электротехнические стали, железоникелевые сплавы — пермалои и оксидные ферромагнетики — ферриты. Листовые электротехнические стали представляют собой сплав железа с кремнием (1…4%). Кремний увеличивает магнитную проницаемость, уменьшает коэрцитивную силу, а также потери на гистерезис и существенно увеличивает удельное электрическое сопротивление, т.е. снижает потери, связанные с вихревыми токами. У пермалоев по сравнению с электротехническими сталями магнитная проницаемость в десятки и сотни раз выше, коэрцитивная сила в 10…50 раз меньше, а удельное сопротивление того же порядка. Основное достоинство ферритов — высокое удельное сопротивление (на семь порядков больше, чем у стали), что существенно снижает потери и позволяет использовать их на высоких частотах.
Магнитомягкие материалы обычно применяют в устройствах, в процессе работы которых происходит постоянное перемагничива- ние, например в сердечниках трансформаторов, полюсных наконечниках всех машин переменного тока и др.
Магнитотвердые материалы обладают сравнительно небольшой магнитной проницаемостью, но высокой остаточной магнитной индукцией Вг и большим задерживающим полем Нс (рис. 3.2.2,6). На процесс перемагничивания затрачивается большое количество энергии. Эти материалы трудно перёмагничиваются и поэтому обычно используются для изготовления постоянных магнитов. К магнитотвердым материалам относятся углеродистые, вольфрамовые, хромистые и кобальтовые стали (#с = 5000… 13500 А/м, В, = 0,7… 1 Тл), а также сплавы алии, алниси, апнико, магнико (#с = 20000…60000 А/м, В, = 0,4… 1,25 Тл).
Ферромагнитные материалы делятся на две группы: магнитно-мягкие и магнитно-твердые.
Магнитно-мягкие материалы применяются в качестве магнитопроводов постоянного и переменного магнитного потоков. Они обладают низким значением коэрцитивной силы (ниже 400 а/м), высокой магнитной проницаемостью и низкими потерями. К этой группе материалов относятся: техническое железо и низкоуглеродистые стали, листовые электротехнические стали, железо-никелевые сплавы с высокой проницаемостью (пермаллои) и оксидные ферромагнетики — ферриты и оксиферы.
Техническое железо с содержанием углерода до 0,04%, углеродистые стали и чугун широко применяются для магнитопроводов, работающих в постоянных магнитных полях. Техническое железо обладает высокой индукцией насыщения до 2,2 тл, высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой.
Электротехнические стали — это сплавы железа с кремнием (1—4%). Путем изменения содержания кремния и применением различных технологических приемов получаются стали с широким диапазоном электромагнитных свойств.
Стали с низким содержанием кремния имеют низкую магнитную проницаемость, большую индукцию насыщения и большие удельные потери, они применяются при постоянном или переменном токе низкой частоты.
Рис. 3-27. Кривые намагничивания некоторых ферромагнитных материалов
Стали с высоким содержанием кремния применяются в тех случаях, когда нужно иметь высокую магнитную проницаемость в слабых и средних полях и малые потери от гистерезиса и вихревых токов, вследствие чего они могут работать при повышенной частоте.
Согласно ГОСТ 802-58 электротехнические стали обозначаются буквой Э и цифрами. Первая цифра обозначает процент содержания кремния, вторая характеризует магнитные свойства, третья — О обозначает холодную прокатку стали.
Кривые намагничивания некоторых ферромагнитных материалов даны на рис. 3-27.
Пермаллои представляют собой сплавы различного процентного содержания железа и никеля, а некоторые из них, кроме того, молибдена, хрома, кобальта. Это сплавы высокой магнитной проницаемости, раз в 10—50 большей, чем проницаемость листовой электротехнической стали. Эти сплавы достигают индукции насыщения при малых напряженностях поля от десятков до нескольких сотен ампер на метр.
Одни из них имеют низкую индукцию насыщения порядка 0,6—0,8 тл, другие относительно высокую 1,3—1,6 тл.
К первой группе относятся, например пермаллой Мо, содержащий 4—5% молибдена и хромистый пермаллой. Ко второй группе относятся, например пермаллой 50Н, содержащий 50% никеля, и пермаллой 65НП.
Буква П обозначает прямоугольную петлю гистерезиса (рис. 3-28). Степень прямоугольности петли характеризуется отношением остаточной индукции Вr к максимальной индукции Вм для данной петли. Это отношение достигает 0,95—0,99.
Коэрцитивная сила пермаллоев колеблется от 1 до 20 а/м.
Магнитные свойства пермаллоев в сильной степени зависят от технологии их изготовления.
Ферритами называют ферромагнитные материалы, получаемые из смеси окислов железа, цинка и других элементов. При изготовлении сердечников смесь размалывается, прессуется, отжигается при температуре порядка 1 200° С, таким образом получаются сердечники нужной формы. Ферриты обладают очень большим удельным сопротивлением, вследствие чего потери на вихревые токи чрезвычайно малы, что дает возможность применять их при высокой частоте.
Рис. 3-28. Прямоугольная петля гистерезиса
Никель-цинковые ферриты, получаемые путем термического разложения солей, получили название оксиферы или оксидные ферромагнетики; они по магнитным свойствам мало отличаются от ферритов.
Как ферриты, так и оксиферы довольно разнообразны по своим магнитным свойствам. Они обладают значительной магнитной проницаемостью на начальной части основной кривой намагничивания, незначительной индукцией насыщения 0,18—0,32 тл и малой коэрцитивной силой (8—80 a/м).
Магнитодиэлектрики это материалы, получаемые из смеси мелкозернистого ферромагнитного порошка с диэлектриком (поливинилхлорид и полиэтилен). Смесь формуется, прессуется и запекается.
Ферриты, как и другие магнитодиэлектрики, широко применяются в качестве сердечников в различных трансформаторах аппаратуры проводной и радиосвязи, в магнитных , усилителях, вычислительных машинах и в других областях техники.
Кольцевые сердечники из ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса получили очень широкое применение, так как обладают очень ценным свойством намагничиваться под действием импульса тока до состояния насыщения и после импульса длительно сохранять остаточную индукцию, малоотличающуюся от индукции насыщения.
Магнитно-твердые материалы предназначены для изготовления постоянных магнитов самого различного назначения. Эти материалы характеризуются большой коэрцитивной силой и большой остаточной индукцией.
К магнитно-твердым материалам относятся: углеродистые, вольфрамовые, хромистые и кобальтовые стали. Они обладают коэрцитивной силой 5 000—13 500 а/м и остаточной индукцией 0,7—1 тл.
Указанные стали обладают ковкостью, поддаются прокатке и механической обработке. Они выпускаются промышленностью в виде полос или листов.
К магнитно-твердым, материалам, обладающим лучшими магнитными свойствами, относятся сплавы: ални — сплав железа, алюминия 15%, никеля 25%; алниси отличается от ални наличием кремния 1%; алнико отличается от алии наличием кобальта 7%. Они характеризуются коэрцитивной силой 20 000—60 000 а/м и остаточной индукцией 0,4—1,25 тл.
Магниты указанных сплавов изготовляются отливкой и поддаются обработке только шлифованием.
Металлокерамические магниты получают путем спекания порошков из сплавов ални и алнико, основным их достоинством является возможность получения магнитов очень малых размеров.
Статья на тему Ферромагнитные материалы