Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. История развития магнитного материаловедения

2. Краткие сведения о теории магнетизма

3. Основные характеристики магнитных материалов

3.1 Кривая намагничивания

3.2 Петля гистерезиса

3.3 Магнитная проницаемость

4. Магнитные материалы специализированного назначения

4.1 Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса

4.2 Ферриты СВЧ

4.3 Магнитострикционные материалы

4.4 Магнитодиэлектрики

Заключение

Список используемой литературы

магнитодиэлектрик магнитный материаловедение магнетизм



Введение

Магнитные материалы, 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.

К магнитным материалам относят вещества, обладающие определенными магнитными свойствами и используемые в современной технологии. Магнитными материалами могут быть различные сплавы, химические соединения, жидкости.



1. История развития магнитного материаловедения

В глубокой древности, более двух тысяч лет назад, греки и китайцы знали о свойстве магнитного железняка (горной породы магнетита) притягивать железные предметы. Применение магнитного компаса в кораблевождении сыграло большую роль в открытии новых земель и стран и, в частности, 500 лет назад в открытии Колумбом Америки.

Однако большое значение магнитных материалов для технического прогресса человечество ощутило только в середине XIX века после открытия Фарадеем закона электромагнитной индукции, когда стало возможным конструирование и производство электрогенераторов, моторов, трансформаторов и других аппаратов и приборов для электротехники и техники средств связи.

Основа современного магнитного материаловедения - по-прежнему металлы группы железа (Fe, Ni, Co); из них изготовляют различные металлические и диэлектрические оксиды (соединения Fe и других металлов с кислородом, называемые ферритами) магнитные материалы. Задача физики магнетизма - разработать пути дальнейшего изыскания новых магнитных материалов и усовершенствование уже применяемых. Однако эту задачу невозможно решить на основе использования только металлов группы железа.

В 60-е годы наметилась тенденция создания магнитных материалов на основе металлов, входящих в группу лантаноидов: Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Sm, Eu и других, обычно называемых редкоземельными.



2. Краткие сведения о теории магнетизма

Все без исключения вещества в природе являются магнетиками в том смысле, что они обладают определенными магнитными свойствами и обусловленным образом взаимодействуют с внешним магнитным полем.

Магнитные свойства вещества зависят от магнитных свойств микрочастиц, атомных и молекулярных структур, а также их коллективов.

Изучение магнитных свойств микрочастиц показывает, что в основном магнитные свойства атома определяются магнитными свойствами электронов. Магнетизм других частиц относительно мал. Так, например, магнитный момент атомного ядра приблизительно в тысячу раз меньше магнитного момента электронной оболочки атома. Магнитный момент электрона возникает вследствие движения электрона по орбите (орбитальный момент) и наличия у него спина (спиновый момент).

Рис. 1 Схема ориентации доменом при намагничивании ферромагнетика

В соответствии с современными представлениями о магнетизме различают следующие основные типы магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм (некомпенсированный антиферромагнетизм). Вещества, в которых проявляются эти явления, соответственно называют: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Феноменологически эти группы различаются значением (и знаком) магнитной восприимчивости k_M, а также характером зависимости ее от температуры и напряженности внешнего магнитного поля.

У диамагнетиков k_M ^-5 и в большинстве случаев не зависит от температуры и напряженности поля. Внешне диамагнетики проявляют себя тем, что выталкиваются из неоднородного магнитного поля.

У парамагнетиков при комнатной температуре k_M . Для большинства парамагнетиков имеет место значительная зависимость k_M от температуры, подчиняющаяся различным законам (закону Кюри или закону Кюри -- Вейсса); для некоторых парамагнетиков (например, для щелочных металлов) км не зависит от температуры, а для некоторых -- имеет место аномальная зависимость. От напряженности поля при обычных температурах парамагнитная восприимчивость зависит слабо, но при температурах, близких к 0 К, парамагнетики можно привести в состояние магнитного насыщения, что используется, например, для получения особо низких температур путем адиабатического размагничивания предварительно намагниченного парамагнетика. Внешне парамагнетики проявляют себя тем, что втягиваются в неоднородное магнитное поле.

Ферромагнетики обладают исключительно большими положительными значениями k_M, доходящими до сотен тысяч и миллионов, и сложной нелинейной зависимостью ее от температуры и внешнего поля. Другими словами, характерной особенностью ферромагнетиков является способность сильно намагничиваться уже при обычных температурах в слабых полях. Вторая их характерная особенность состоит в том, что вышеопределенной температуры, называемой точкой Кюри , ферромагнитное состояние переходит в парамагнитное.

Для антиферромагнетиков k_M Г⁵ и отличается специфичной температурной зависимостью. По мере повышения температуры, начиная от Т = О К, k_M растет, достигает максимума при температуре, называемой точкой Нееля, и далее начинает падать, подчиняясь на этом участке закону Кюри -- Вейсса, характерному для одной из групп парамагнетиков.

Свойства ферримагнетиков во многом подобны свойствам ферромагнетиков, однако у них есть и ряд специфичных особенностей.

Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, а ферро- и ферримагиетики -- в группу сильномагнитных.



3. Основные характеристики магнитных материалов

Простейшие проявления магнетизма известны очень давно и знакомы большинству из нас. Однако объяснить эти, казалось бы, простые явления на основе фундаментальных принципов физики удалось лишь сравнительно недавно.

Механизмы магнетизма: зонный магнетизм, молекулярный магнетизм.

Зонный магнетизм - магнетизм металлов и сплавов, интерпретируемый в рамках моделей, основанных на зонной теории. Типичные представители зонных магнетиков (ЗМ) - переходные металлы Fe, Co, Ni, Сr, Мn, их сплавы и соединения.

Физическое явление, характеризующее магнитные свойства молекул - микроскопических объектов. При объединении множества этих молекул в ансамбль - макрообъект, возможно возникновение качественно нового магнетизма за счет кооперативных межмолекулярных взаимодействий. Ниже определенных температур магнитные моменты отдельных молекул макрообъекта могут выстраиваться в определенный порядок. Такое вещество называется магнетиком. Отдельные молекулы выступают в качестве строительных блоков магнетика.

В качестве магнитных материалов техническое значение имеют ферромагнитные вещества и ферромагнитные химические соединения (ферриты). [2]

Магнитные свойства материалов обусловлены внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи (вращение электронов вокруг собственных осей - электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах )

Магнитные свойства материалов характеризуется петлей гистерезиса, кривой намагничивания, магнитной проницаемостью, потерями энергии при перемагничивании.

3.1 Кривая намагничивания

Это важнейшая характеристика магнитных материалов, она показывает зависимость намагниченности или магнитной индукции материала от напряженности внешнего поля Н.

Если в процессе намагничивания довести напряженность поля до некоторого значения, а затем начать уменьшать, то уменьшение индукции будет происходить медленнее, чем при намагничивании и новая кривая будет отличаться от первоначальной. Кривая изменения индукции при увеличении напряженности поля для предварительно полностью размагниченного вещества называется начальной кривой намагничивания. На рисунке 1 она показана утолщенной линией. Основная кривая намагничивания имеет ряд характерных участков, которые можно условно выделить при намагничивании монокристалла ферромагнетика. Первый участок кривой намагничивания соответствует процессу смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. На втором участке происходит поворот векторов намагниченности доменов в направлении внешнего магнитного поля. Третий участок соответствует парапроцессу, т.е. завершающему этапу процесса намагничивания, когда сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия не сориентированные магнитные моменты доменов ферромагнетика.

3.2 Петля гистерезиса

После нескольких (около 10) циклов изменения напряженности от положительного до отрицательного максимальных значений зависимость B=f(H) начнет повторяться и приобретет характерный вид симметричной замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса. Гистерезисом называют отставание изменения индукции от напряженности магнитного поля. Явление гистерезиса характерно вообще для всех процессов, в которых наблюдается зависимость какой-либо величины от значения другой не только в текущем, но и в предыдущем состоянии, т.е. =f( , ) - где и - соответственно текущее и предыдущее значения напряженности.

Петли гистерезиса можно получить при различных значениях максимальной напряженности внешнего поля (рисунок 2). Геометрическое место точек вершин симметричных циклов гистерезиса называется основной кривой намагничивания. Основная кривая намагничивания практически совпадает с начальной кривой.

Симметричная петля гистерезиса, полученная при максимальной напряженности поля (рисунок 2), соответствующей насыщению ферромагнетика, называется предельным циклом.

Для предельного цикла устанавливают также значения индукции при H = 0, которое называется остаточной индукцией, и значение при B = 0, называемое коэрцитивной силой. Коэрцитивная (удерживающая) сила показывает, какую напряженность внешнего поля следует приложить к веществу, чтобы уменьшить остаточную индукцию до нуля.

Форма и характерные точки предельного цикла определяют свойства ферромагнетика. Вещества с большой остаточной индукцией, коэрцитивной силой и площадью петли гистерезиса (кривая 1 рис. 2) называются магнитнотвердыми. Они используются для изготовления постоянных магнитов. Вещества с малой остаточной индукцией и площадью петли гистерезиса (кривая 2 рисунке 2) называются магнитномягкими и используются для изготовления магнитопроводов электротехнических устройств, в особенности работающих при периодически изменяющемся магнитном потоке.

Рис. 2 Петли гистерезиса

Площадь гистерезисных петель в промежуточных и предельном состояниях характеризует рассеивание электрической энергии в процессе перемагничивания материала, т.е. потери на гистерезис. Площадь гистерезисной петли зависит от свойств материала, его геометрических размеров и частоты перемагничивания.

3.3 Магнитная проницаемость

Магнитная проницаемость, физическая величина, характеризующая связь между магнитной индукцией В и магнитным полем Н в веществе. Обозначается m, у изотропных веществ m= В/Н или m= В/ Н ( - магнитная постоянная).

У анизотропных тел (кристаллов) магнитная проницаемость - тензор. Магнитная проницаемость связана с магнитной восприимчивостью c соотношением m = 1 +c, m измеряется в безразмерных единицах. Для физического вакуума c = 0 и m= 1.

У диамагнетиков c<0 и m < 1, у парамагнетиков и ферромагнетиков c>0 и m > 1. В зависимости от того, измеряется ли m ферромагнетиков в статическом или переменном магнитном поле, её называют соответственно статической или динамической магнитной проницаемостью. Значения этих магнитных проницаемостей не совпадают, так как на намагничивание ферромагнетиков в переменных полях влияют вихревые токи, магнитная вязкость и резонансные явления. Магнитная проницаемость ферромагнетиков сложно зависит от Н, для описания этой зависимости вводят понятия дифференциальной, начальной и максимальной магнитной проницаемости.



4. Магнитные материалы специализированного назначения

4.1 Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса

Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) находят широкое применение в устройствах автоматики, вычислительной техники, в аппаратуре телеграфной связи. Сердечники из материала с ППГ имеют два устойчивых магнитных состояния, соответствующих различным направлениям остаточной магнитной индукции. Именно благодаря этой особенности их можно использовать в качестве элементов для хранения и переработки двоичной информации. Запись и считывание информации осуществляются переключением сердечника из одного магнитного состояния в другое с помощью импульсов тока, создающих требуемую напряженность магнитного поля.

Двоичные элементы на магнитных сердечниках с ППГ характеризуются высокой надежностью, малыми габаритами, низкой стоимостью, относительной стабильностью характеристик. Они обладают практически неограниченным сроком службы, сохраняют записанную информацию при отключенных источниках питания.

К материалам и изделиям этого типа предъявляют ряд специфических требований, а для их характеристики привлекают некоторые дополнительные параметры. Основным из таких параметров является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса К _пу, представляющий собой отношение остаточной индукции В _r к максимальной индукции В _max:

К _пу = В _r /В _max

Для определенности В _max измеряют при H _max = 5H _c. Желательно, чтобы К _пу был возможно ближе к единице. Для обеспечения быстрого перемагничивания сердечников они должны иметь небольшой коэффициент переключения S _q, численно равный количеству электричества на единицу толщины сердечника, которое необходимо для перемагничивания его из одного состояния остаточной индукции в противоположное состояние максимальной индукции.

Кроме того, материалы с ППГ должны обеспечивать малое время перемагничивания, возможно большую температурную стабильность магнитных характеристик, а следовательно, иметь высокую температуру Кюри и некоторые другие свойства.

Основным параметром материала с ППГ является коэффициент прямоугольности петли Кпу, представляющий собой отношение остаточной индукции Вr к максимальной Вм, измеренной при H = 5Hc. Желательно, чтобы Кпу был возможно ближе к единице. Для обеспечения быстрого перемагничивания сердечников они должны также иметь небольшой коэффициент переключения Sq, численно равный количеству электричества на единицу толщины сердечника,которое необходимо для перемагничивания его из одного состояния остаточной индукции в противоположное состояние максимальной индукции

Рис. 3 Петли гистерезиса сплавов с прямоугольной петлей гистерезиса: 1 --50НП, 2-65НП; 3-34КМП; 4-НОНКМПЛ; 5-35НКХСП

Рис. 4 Зависимость магнитострикционной деформации от напряженности магнитного поля для некоторых материалов

Кроме того, материалы с ППГ должны обеспечивать малое время перемагничивания и возможно большую температурную стабильность магнитных характеристик. Ферриты с ППГ в практике распространены шире, чем металлические тонкие ленты. Это объясняется тем, что технология изготовления сердечников наиболее проста и экономична. Свойства ферритовых сердечников приведены в табл.1

Табл. 1

Свойства сердечников и материалов с ППГ

Материал или сердечник	H c, A/м	B r, Тл	К пу, (не менее)	S q, мкКл/м	Т к, ° С	Примечание
Ферриты различных марок	10-1200	0,15-0,25	0,9	25-55	110-630	Имеется свыше 25 различных марок
Микронные сердечники из пермаллоев (толщины ленты от 2 до 10 мкм)	8-50	0,6-1,5	0,85-0,9	25-100	300-630	Сплавы 50НП, 65Н, 79НМ, 34НКПМ

Ферритам свойственна спонтанная прямоугольность петли гистерезиса, т.е. специфическая форма петли реализуется при выборе определенного химического состава и условий спекания феррита, а не является результатом какой-либо специальной обработки материала, приводящей к образованию текстуры (например, механических воздействий или обработки в сильном магнитном поле).

Из ферритов с ППГ наиболее широкое применение находят магний-марганцевые и литиевые феррошпинели. Установлено, что прямокгольная петля гистерезиса характерна для материалов с достаточно сильной магнитной кристаллографической анизотропией и слабо выраженной магнитострикцией. В этом случае процессы перемагничивания происходят главным образом за счет необратимого смещения доменных границ. Сохранение большой остаточной намагниченности после снятия внешнего поля объясняется локализацией доменных границ на микронеоднородностях структуры. Такими неоднородностями могут быть области с разной степенью обращенности шпинели, вакансии и связанные с ними комплексы, междуузельные атомы и др. Например, в магний-марганцевых ферритах спонтанная прямоугольность петли гистерезиса обусловлена тетрагональными искажениями кристаллической решетки за счет ионов Mn ^3+, образующихся при определенных условиях синтеза.

При использовании ферритов следует учитывать изменение их свойств от температуры. Так, при возрастании температуры от -20 до +60 ° С у ферритов различных марок коэрцитивная сила уменьшается в 1,5-2 раза, остаточная индукция - на 15-30%, коэффициент прямоугольности - на 5-35%.

В зависимости от особенности устройств, в которых применяются ферриты с ППГ, требования, предъявляемые к ним, могут существенно различаться. Так, ферриты, предназначенные для коммутационных и логических элемнтов схем автоматического управления, должны иметь малую коэрцитивную силу (10-20 А/м). Наоборот, материалы, используемые в устройствах хранения дискретной информвции, должны иметь повышенное значение коэрцитивной силы (100-300 А/м).

В запоминающих устройствах ЭВМ применяют либо кольцевые ферритовые сердечники малого размера (имеются сердечники с наружным диаметром 0,3-0,4 мм), либо многоотверстные ферритовые платы в которых область вокруг каждого отверстия выполняет функции отдельного сердечника. При использовании сердечников достигается более высокое быстродействие, однако возникают технологические трудности при прошивке таких сердечников проводниками и сборке матриц.

4.2 Ферриты СВЧ

Диапазон СВЧ соответствует длинам волн от 1 м до 1 мм. В аппаратуре и приборах, где используются электромагнитные волны диапазона СВЧ, необходимо управлять этими колебаниями: переключать поток энергии с одного направления на другое, изменять фазу колебаний, поворачивать плоскость поляризации волны, частично или полностью поглощать мощность потока. Электромагнитные волны могут распространяться в пространстве, заполненном диэлектриком, а от металлов они почти полностью отражаются. Поэтому металлические поверхности используют для направления волн, их концентрации или рассеяния. Электромагнитная энергия СВЧ чаще всего передается по волноводам, представляющим собой полые или частично заполненные твердыми материалами металлические трубы. В качестве твердых материалов для управления потоком энергии в волноводах используют ферриты СВЧ и некоторые немагнитные активные диэлектрики. Магнитными характеристиками первых можно управлять с помощью внешнего магнитного поля, электрическими свойствами вторых -- за счет внешнего электрического поля. Практическое применение ферритов СВЧ основано на: а) магнитооптическом эффекте Фарадея; б) эффекте ферримагнитного резонанса; в) изменении внешним магнитным полем значения магнитной проницаемости феррита. Магнитооптический эффект Фарадея заключается в повороте плоскости поляризации высокочастотных колебаний в намагниченном за счет внешнего поля феррите. При этом могут быть получены различные углы поворота плоскости поляризации, а следовательно, и коммутирование энергии в разные каналы. Ферромагнитный резонанс наблюдается при совпадении частоты внешнего возбуждающего поля с собственной частотой прецессии спиhod электронов. Собственная частота прецессии зависит от магнитного состояния образца, а потому ее можно изменять с помощью постоянного подмагничивающего (управляющего) поля H_. При резонансе резко возрастает поглощение энергии электромагнитной волны, распространяющейся в волноводе в обратном направлении; для волны прямого направления поглощение оказывается значительно меньшим. В результате получается высокочастотный вентиль. Рассмотренный эффект наиболее сильно проявляется в том случае, когда напряженности переменного возбуждающего и постоянного подмагничивающего полей взаимно перпендикулярны. Если частоту внешнего поля поддерживать постоянной, а изменять напряженность подмагннчнвающего поля Н_, то вентильные свойства феррита будут проявляться в довольно узком интервале напряженностей постоянного поля Л, называемом шириной линии ферромагнитного резонанса. Чем меньше значение Д/У, тем сильнее поглощение электромагнитной энергии, что благоприятно сказывается на характеристиках ряда СВЧ-устройств (антенные переключатели и циркуля-торы, служащие для распределения энергии между отдельными волноводами; фазовращатели; фильтры; модуляторы, ограничители мощности и др.). Помимо достижении узкой линии резонанса к ферритам СВЧ предъявляют ряд специфических требовании. Основными из них являются: Высокая чувствительность материала к управляющему полю (возможность управления относительно слабым внешним полем); Высокое удельное объемное сопротивление (10е--10е Ом-м) и возможно меньший тангенс угла диэлектрических потерь (10~8--10"*), а также возможно меньшее значение магнитных потерь вне области резонанса, обеспечивающее малое затухание в феррите; Температурная стабильность свойств и возможно более высокое значение точки Кюри. В отдельных случаях к ферриту предъявляют и другие требования, которые могут быть даже противоречивыми. Большинство требований удовлетворяется при использовании магний-марганцевых ферритов с большим содержанием окиси магния. Для некоторых целей применяют литий-цинковые и никель-цинковые ферриты и ферриты сложного состава (полиферриты). Конфигурация и размеры феррнтового изделия, с одной стороны, определяются принципом действия прибора, а с другой, зависят от свойств самого материала. В различных приборах СВЧ применяемые ферритовые вкладыши имеют форму прямоугольной пластины, равностороннего треугольника, кольца, диска или сферы. При определенной геометрии вкладыша обеспечивается наилучшее согласование его с волноводом, т.е. получается минимальное отражение электромагнитной ВОЛНЫ от феррита. Для изготовления вкладышей используются как поликрнсталлнческне материалы, так и монокристаллы ферритов. Последние характеризуются более узкой шириной линии ферромагнитного резонанса. Особое место среди материалов для СВЧ занимают феррогранаты иттрия с частичным замещением ионов иттрия и железа другими ионами. Они характеризуются весьма низкими диэлектрическими и магнитными потерями, слабой анизотропией, наиболее узкой резонансной кривой. Монокристаллы Y3Fe5Ol2 с малой концентрацией примесей и структурных дефектов имеют ДЯ_, лежащую в пределах 10-- 100 А/м. Среди ферритов, применяемых в низкочастотной части диапазона СВЧ, феррогранат иттрия является наиболее распространенным. Монокристаллы феррогранатов обычно получают кристаллизацией из раствора-расплава с использованием оксифторида свинца (РЬО + PbF2) в качестве растворителя. Магнитострикционные материалы. Магнитостикционными называют магнитные материалы, применение которых основано на явлении магнитострикции и магнитоупругом эффекте, т. е. изменении размеров тела в магнитном поле и изменении магнитных свойств материала под влиянием механических воздействий. Среди магнитострикционных материалов можно отметить как чистые металлы, так и сплавы и различные ферриты. Ферриты являются магнитострикционными материалами для высоких частот. На рис. 5 показано изменение линейных размеров образцов ряда материалов в зависимости от напряженности внешнего магнитного поля при продольном магнитострикционном эффекте. В эксплуатационных условиях в большинстве случаев магнитное состояние сердечника магнитострикционного преобразователя определяется одновременным воздействием переменного и постоянного подмагничивающего полей. Если выполняется соотношение Bm <<B_, то между амплитудами переменного магнитного поля и механических колебаний существует линейная зависимость. Таким образом, магнитострикционные колебания небольшой амплитуды в намагниченной (магнитно-поляризованной) среде по своему внешнему проявлению аналогичны пьезоэлектрическим. Поэтому их иногда называют пьезомагнитными.

До начала 60-х годов наиболее широко применяемым магнитострикционным материалом являлся никель, частично он сохраняет свое значение и в настоящее время, хотя постепенно вытесняется другими магнитострикционным материалами и пьезоэлектрической керамикой. Ценными свойствами никеля являются высокая стойкость к коррозии и малый температурный коэффициент модуля упругости.

Сплав платины с железом обладает большой константой магнитострикции, однако он очень дорогой и поэтому имеет весьма ограниченное применение. Недостатком железокобальтовых и железоалюминиевых сплавов являются низкая пластичность (или даже хрупкость), затрудняющая механическую обработку, и низкая антикоррозионная устойчивость, препятствующая использованию таких преобразователей в водной среде.

Широкое применение в магнитострикциояных устройствах находит ферритовая керамика. По сравнению с никелем и металлическими сплавами магнитострикционные ферриты имеют ряд преимуществ. Благодаря высокому удельному сопротивлению в них пренебрежимо малы потери на вихревые токи, поэтому отпадает необходимость расслаивать материал на отдельные пластины. В отличие от металлических сплавов ферриты не подвержены действию химически агрессивных сред. С помощью керамической технологии можно изготовить преобразователи практически любых форм и размеров.

По составу магнитострикционная керамика представляет собой либо чистый феррит никеля (NiFe204), либо твёрдые растворы на его основе.

Из магнитострикционных материалов изготавливают сердечники электромеханических преобразователей (излучателей и приемников) для электроакустики и ультразвуковой техники, сердечники электромеханических и магнитострикционных фильтров и резонаторов, линий задержки. Их используют также в качестве чувствительных элементов магнитоупругих преобразователей, применяемых в устройствах автоматики и измерительной техники.



4.3 Магнитострикционные материалы

Магнитострикционные материалы (ММ) -- группа магнитных материалов, технические применения которых основаны на использовании магнитострикционного и магнитоупругого эффектов, т. е. изменения размеров тел в магнитном поле и изменения магнитных свойств тел под влиянием механических воздействий. Из ММ изготовляют сердечники электромеханических преобразователей (излучателей и приемников) для электроакустики и ультразвуковой техники; сердечники преобразователей и резонаторов для магнитострикционных и электромеханических фильтров, линий задержки и других селективных устройств, используемых в радиотехнике, телефонной и телеграфной связи; чувствительные элементы магнитоупругих преобразователей, используемых в автоматике и измерительной технике.

В значительном большинстве практически важных случаев магнитное состояние ММ в сердечнике преобразователя в эксплуатационных условиях определяется одновременным присутствием постоянной магнитной индукции В_п и переменной (изменяющейся по синусоидальному закону) индукции B'(t) = В_т sin ?t.

Индукция В₀ создается с помощью введенных в магнитную цепь преобразователя постоянных магнитов, или путем пропускания постоянного (подмагничиваю- щего) тока через обмотку сердечника, или, наконец, за счет использования остаточно-намагниченного состояния ММ, которое может быть стабилизировано путем термообработки в сильном магнитном поле (термомагнитной обработки). Если в таком магнитно-поляризованном сердечнике выполняется соотношение В_т ??В₀, то между амплитудами магнитных переменных (В_т, J_m, Н_т) и соответствующих механических переменных (механического напряжения у_т и деформации и_т) существуют линейные соотношения. Таким образом, магнитострикционные колебания небольшой амплитуды в магнитно-поляризованной среде внешне вполне аналогичны пьезоэлектрическим. Поэтому в литературе их часто называют пьезомагнитными, а ММ -- пьезомагнитными материалами. С увеличением В_т пропор- циокзлькость между В_т и у_т или В_т и и_т Нарушается (магнитомеханическая нелинейность). Если В_т > В₀, то поведение ММ существенно нелинейно; при отсутствии подмагничивания (б₀ = 0) механические колебания на частоте возбуждающего сигнала вообще отсутствуют, т. е. возникают только колебания на двойной частоте и высших четных гармониках. При этом эффективность атектромехани- ческого преобразования резко падает.

Параметры, характеризующие ММ, разделяются на статические и динамические. К статическим параметрам относятся: продольная магнитострикционная деформация насыщения X_S -- X_H^__>сю, которая может быть как положительной, так и отрицательной; индукция насыщения B_s zzp₀J_s; коэрцитивная сила Н_с. Хотя статические параметры не определяют однозначно эффективность магнитострикционных преобразователей, работающих в динамическом режиме, однако знание этих параметров практически важно, особенно для разработчиков ММ, так как связь между ними и эффективностью преобразователя все же существует, а методы их измерения достаточно хорошо разработаны и широко известны.

Табл. 2

Свойства некоторых ферритов

Марка	m н	(tg d / m н ) 10 6 при f, МГц	m max	H c, A/м	B r, Тл	f кр, МГц	f гр, МГц	Т к, ° С (не ниже)	r, Ом · м	Примечание
20000НМ	15000	25(0,01)	35000	0,24	0,11	0,01	0,1	110	0,001	Общее
6000НМ	4800-8000	40(0,02)	10000	8	0,11	0,02	0,5	130	0,1
1000НМ	800-1200	15(0,1)	1800	28	0,11	1,0	5	200	0.5
1000НН	800-1200	85(0,1)	3000	24	0,1	0,4	3	110	10
600НН	500-800	25(0,1)	1500	40	0,12	1,2	5	110	100
2000НМ1	1700-2500	15(0,1)	3500	25	0,12	0,5	1,5	200	5	Термостабильн.
700НМ1	550-850	8(3)	1800	25	0,05	5	8	200	4	для аппаратуры с повыш. требо-
100ВЧ	80-120	135(18)	280	300	0,15	35	80	400	10 5
20ВЧ2	16-24	280(30)	45	1000	0,1	120	300	450	10 6	ваниями
300НН	280-350	170(4)	600	80	0,13	5	20	120	10 6	Для конт. перес. подмагничиван.
9ВЧ	9-13	850(150)	30	1500	0,06	250	600	500	10 7
200ВЧ	180-220	90(10)	360	70	0,11	20	-	360	10 3	Для широкопо- лосных трансф.
50ВЧ3	45-65	120(30)	200	100	0,14	85	-	480	10 4

Так, например, предельная интенсивность магнитострикционного излучателя тем выше, чем больше_s и J_s; для повышения к. п. д. магнитострикционных излучателей следует стремиться к увеличению отношения X_SJ_S/H_C, или, что то же самое, к увеличению крутизны статической кривой магнитострикции X = f (Н₀). С другой стороны, все статические параметры зависят от химического состава и структуры ММ, поэтому их значением можно управлять, регулируя состав и технологические режимы, применяемые при изготовлении изделий из ММ.

Важнейшими параметрами ММ являются динамические; они связаны простыми соотношениями с характеристиками приборов и устройств, r которых используются ММ. Все динамические параметры существенно зависят от магнитного состояния ММ, т. е. от величины В₀ или от напряженности подмагничивающего поля Н₀. По своему назначению ММ делятся на две группы: для ультразвуковой техники и электроакустики и для прецизионных (электромеханических и магнитострикционных) фильтров.

4.4 Магнитодиэлектрики

Магнитодиэлектрики представляют собой одну из разновидностей магнитных материалов, предназначенных для использования при повышенных и высоких частотах, так как они характеризуются большим удельным электрическим сопротивлением, а следовательно, и малым тангенсом угла магнитных потерь. Магнитодиэлектрики получают способом прессовки порошкообразного ферромагнетика с изолирующей зерна друг от друга органической или неорганической связкой. В качестве основы применяют карбонильное железо, размолотый альенфер и др. Изолирующей связкой служат фенолформальдегидные смолы, полистирол, стекло и т. п. От основы требуется наличие высоких магнитных свойств, от связки -- способность образовывать между зернами сплошную, без разрыва электроизоляционную пленку. Такая пленка должна быть по возможности одинаковой толщины и должна прочно связывать зерна между собой. Магнитодиэлектрики характеризуют эффективной магнитной проницаемостью, которая всегда меньше р, ферромагнетика, составляющего основу данного магнитодиэлектрика. Эго объясняется двумя причинами: наличием неферромагннтной связки и тем, что магнитную проницаемость магнитоднэлектрнков часто приходится измерять у готовых сердечников, а не у тороидов.

Сердечники на основе карбонильного железа отличаются достаточно высокой стабильностью, малыми потерями, положительным температурным коэффициентом магнит ной проницаемости и могут быть использованы в широком диапазоне частот.

Особенностью сердечников из альсифера является наличие у них отрицательного температурного коэффициента магнитной проницаемости. Это позволяет создавать магнитодиэлектрики из смеси карбонильного железа и альсифера с необходимым уровнем и знаком температурного коэффициента магнитной проницаемости.

Табл. 3

Характеристики некоторых магнитодиэлектриков

Магнитная проницаемость магннтодиэлектриков практически неуправляема внешним магнитным полем. В связи с широким выпуском ферритов различных марок, обладающих преимуществами по сравнению с магнитодиэлектриками, последние сохранили ограниченные области применения.

Рис. 10.14 Гистерсэисные циклы для магннтодиэлектриков на основе альснфера (1) и молибденового пермаллоя (2)

Рис. 10.15 Зависимость реверсивной магнитной проницаемости ферритов ВЧ и типовых магннтодиэлектрнков от напряженности подмагннчивающего поля

Заключение

Итак, мы исследовали основные свойства и состав магнитных материалов, выяснили, на какие группы они делятся и где применяются.

В то же время в связи с успехом в науках изучающих магнетизм и с развитием большой исследовательской работы в области изучения магнитных материалов, появились новые большие группы магнитных материалов: магнитострикционные материалы, магнитооптические материалы, термомагнитные материалы. Также большое практическое применение имеют исследованные нами магнитные материалы специализированного назначения.



Список используемой литературы

1) Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Тареева - Том 3, 3-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 149.

2) Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы: Учебник для вузов. 7-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. с. 269.

3) Курилин С.А. Электротехнические материалы и технология электромонтажных работ. Учебное пособие. с. 53.

4) Интернет.

Размещено на Allbest.ru

...