Если в описанных выше опытах вместо сердечника из железа брать сердечники из других материалов, то также можно обнаружить изменение магнитного потока. Естественнее всего ждать, что наиболее заметный эффект дадут материалы, подобные по своим магнитным свойствам железу, т. е. никель, кобальт и некоторые магнитные сплавы. Действительно, при введении в катушку сердечника из этих материалов увеличение магнитного потока оказывается довольно значительным. Иными словами, можно сказать, что магнитная проницаемость их велика; у никеля, например, может достигать значения 50, у кобальта 100. Все эти материалы с большими значениями объединяют в одну группу ферромагнитных материалов.

Однако и все остальные «немагнитные» материалы также оказывают некоторое влияние на магнитный поток, хотя влияние это значительно меньше, чем у материалов ферромагнитных. С помощью очень тщательных измерений можно это изменение обнаружить и определить магнитную проницаемость различных материалов. При этом, однако, нужно иметь в виду, что в опыте, описанном выше, мы сравнивали магнитный поток в катушке, полость которой заполнена железом, с потоком в катушке, внутри которой имеется воздух. Пока речь шла о таких сильно магнитных материалах, как железо, никель, кобальт, это не имело значения, так как наличие воздуха очень мало влияет на магнитный поток. Но при исследовании магнитных свойств других веществ, в частности самого воздуха, мы должны, конечно, вести сравнение с катушкой, внутри которой воздуха нет (вакуум). Таким образом, за магнитную проницаемость мы принимаем отношение магнитных потоков в исследуемом веществе и в вакууме . Иными словами, за единицу мы принимаем магнитную проницаемость для вакуума (если , то ).

Измерения показывают, что магнитная проницаемость всех веществ отлична от единицы, хотя в большинстве случаев это отличие очень мало. Но особенно замечательным оказывается тот факт, что у одних веществ магнитная проницаемость больше единицы, а у других она меньше единицы, т. е. заполнение катушки одними веществами увеличивает магнитный поток, а заполнение катушки другими веществами уменьшает этот поток. Первые из этих веществ называются парамагнитными (), а вторые – диамагнитными (). Как показывает табл. 7, отличие проницаемости от единицы как у парамагнитных, так и у диамагнитных веществ невелико.

Нужно особенно подчеркнуть, что для парамагнитных и диамагнитных тел магнитная проницаемость не зависит от магнитной индукции внешнего, намагничивающего поля, т. е. представляет собой постоянную величину, характеризующую данное вещество. Как мы увидим § 149, это не имеет места для железа и других сходных с ним (ферромагнитных) тел.

Таблица 7. Магнитная проницаемость для некоторых парамагнитных и диамагнитных веществ

Влияние парамагнитных и диамагнитных веществ на магнитный поток объясняется, так же как и влияние веществ ферромагнитных, тем, что к магнитному потоку, создаваемому током в обмотке катушки, присоединяется поток, исходящий из элементарных амперовых токов. Парамагнитные вещества увеличивают магнитный поток катушки. Это увеличение потока при заполнении катушки парамагнитным веществом указывает на то, что и в парамагнитных веществах под действием внешнего магнитного поля элементарные токи ориентируются так, что направление их совпадает с направлением тока обмотки (рис. 276). Небольшое отличие от единицы указывает лишь на то, что в случае парамагнитных веществ этот добавочный магнитный поток очень невелик, т. е. что парамагнитные вещества намагничиваются очень слабо.

Уменьшение магнитного потока при заполнении катушки диамагнитным веществом означает, что в этом случае магнитный поток от элементарных амперовых токов направлен противоположно магнитному потоку катушки, т. е. что в диамагнитных веществах под действием внешнего магнитного поля возникают элементарные токи, направленные противоположно токам обмотки (рис. 277). Малость отклонений от единицы и в этом случае указывает на то, что дополнительный поток этих элементарных токов невелик.

Рис. 277. Диамагнитные вещества внутри катушки ослабляют магнитное поле соленоида. Элементарные токи в них направлены противоположно току в соленоиде

4. Магнитные материалы

Магнитные материалы в электро и радиосвязи играют столь же важную роль, как проводниковые и диэлектрические материалы. В электрических машинах, трансформаторах, дросселях, электрорадиоаппаратуре и измерительных приборах всегда в том или ином виде используют магнитные материалы: в качестве магнитопровода, в виде постоянных магнитов или для экранирования магнитных полей.

Любое вещество, будучи помещенным в магнитное поле, приобретает некоторый магнитный момент М. Магнитный момент единицы объема называют намагниченностью J м:

J м =M/V. (4.1)

Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля:

J м =k м H, (4.2)

где k м – безразмерная величина, характеризующая способность данного вещества намагничиваться в магнитном поле и называемая магнитной восприимчивостью .

Первопричиной магнитных свойств вещества являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов, представляющие собой элементарные круговые токи, обладающие магнитными моментами. Такими токами являются орбитальные спины и орбитальное вращение электронов в атоме. Магнитные моменты протонов и нейтронов примерно в 1000 раз меньше магнитного момента электрона, поэтому магнитные свойства атома целиком определяются электронами, магнитным моментом ядра можно пренебречь.

4.1. Классификация веществ по магнитным свойствам

По реакции на внешнее магнитное поле и по характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно разделить на пять групп:

• диамагнетики;
• парамагнетики;
• ферромагнетики;
• антиферромагнетики;
• ферримагнетики.

Диамагнетики – магнитная проницаемость m меньше единицы и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электрона при внесении атома в магнитное поле.

Диамагнитный эффект является универсальным, присущим всем веществам. Однако в большинстве случаев он маскируется более сильными магнитными эффектами.

К диамагнетикам относят инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть и др.), большинство полупроводников и органических соединений. Диамагнетики – все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.

Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля.

Парамагнетики – вещества с m больше единицы, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля.

Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении.

Парамагнетики, помещенные в магнитное поле, втягиваются в него.

К числу парамагнетиков относятся: кислород, окись азота, щелочные и щелочно-земельные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.

Парамагнитный эффект по физической природе во многом сходен с дипольно-релаксационной поляризацией диэлектриков.

К ферромагнетикам относят вещества с большой магнитной проницаемостью (до10 6), сильно зависящей от напряженности внешнего магнитного поля и температуры.

Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях.

Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры Т° спонтанно возникает антипараллельная ориентация магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки

При нагревании антиферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Ce, Nd, Sm, Tm и др.)

К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Магнитная проницаемость у них высока и сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом – различные оксидные соединения, а главный интерес представляют ферриты.

Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, тогда как ферро- и ферримагнетики представляют собой сильномагнитные материалы и представляют наибольший интерес.

4.2. Магнитные характеристики материалов

Поведение ферромагнитного материала в магнитном поле характеризуется начальной кривой намагничивания:

Рис. 4.1. Начальная кривая намагничивания.

Показывающей зависимость магнитной индукции В в материале от напряженности магнитного поля Н.

Свойства магнитных материалов оценивают магнитными характеристиками. Рассмотрим основные из них.

4.2.1. Абсолютная магнитная проницаемость

Абсолютная магнитная проницаемость m а материала представляет собой отношение магнитной индукции В к напряженности магнитного поля Н в заданной точке кривой намагничивания для данного материала и выражается в Гн/м:

m а =В/Н (4.3)

Относительная магнитная проницаемость материала m есть отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной:

m =m а /m о (4.4)

μ 0 – характеризует магнитное поле в вакууме (m 0 =1.256637·10 -6 Гн/м).

Абсолютная магнитная проницаемость применяется только для расчетов. Для оценки же свойств магнитных материалов используют m, не зависящую от выбранной системы единиц. Ее называют магнитной проницаемостью. Магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля:

Рис. 4.2. Зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля.

Различают начальную m н и максимальную магнитную проницаемость m м. Начальную измеряют при напряженностях магнитного поля, близких к нулю.

Большие значения m н и m м показывают, что данный материал легко намагничивается в слабых и сильных магнитных полях.

4.2.2. Температурный коэффициент магнитной проницаемости

Температурный коэффициент магнитной проницаемости ТКm позволяет оценить характер изменения m в зависимости

ТК μ = (μ 2 - μ 1)/ μ 1 (Т 2 – Т 1)

Типичная зависимость μ от Т° приведена на рис.4.3.

Рис.4.3. Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от температуры

Т°, при которой μ падает почти до нуля называется температурой Кюри Т к. При Т > Т к процесс намагничивания расстраивается из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул материала, следовательно, материал перестает быть ферромагнитным.

Так, для чистого железа Т к = 768°C
для никеля Т к = 358°C
для кобальта Т к = 1131°C

4.2.3. Индукция насыщения

Индукция В s , характерная для всех магнитных материалов, называется индукцией насыщения (см.рис.4.4). Чем больше В s при заданной Н, тем лучше магнитный материал.

Если образец магнитного материала намагничивать, непрерывно повышая напряженность магнитного поля Н, магнитная индукция В тоже будет непрерывно возрастать по кривой начального намагничивания 1:

Рис.4.4. Петля гистерезиса магнитного материала

Эта кривая заканчивается в точке, соответствующей индукции насыщения В s . При уменьшении Н индукция тоже будет уменьшаться, но начиная с величины В m значения В не будут совпадать с начальной кривой намагничивания.

4.2.4. Остаточная магнитная индукция

Остаточная магнитная индукция В r наблюдается в ферромагнитном материале, когда Н=0. Для размагничивания образца надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на противоположное – Н. Напряженность поля, при которой индукция становится равной нулю, называется коэрцитивной силой Н с. Чем больше Н с, тем в меньшей степени материал способен размагничиваться.

Если после размагничивания материала намагничивать его в противоположном направлении, образуется замкнутая петля, которую называют предельной петлей гистерезиса – петля, снятая при плавном изменении напряженности магнитного поля от +Н до –Н, когда магнитная индукция становится равной индукции насыщения В s .

4.2.5. Удельные потери на гистерезис

Это потери P г, затрачиваемые на перемагничивание единицы массы материала за один цикл [Вт/кг]. Их величина зависит от частоты перемагничивания и значения максимальной индукции. Они определяются (за один цикл) площадью петли гистерезиса.

4.2.6. Динамическая петля гистерезиса

Она образуется при перемагничивании материала переменным магнитным полем и имеет большую площадь, чем статическая, т.к. при действии переменного магнитного поля кроме потерь на гистерезис возникают потери на вихревые токи и магнитное последействие (отставание по времени параметров от Н), которое определяется магнитной вязкостью материала.

4.2.7. Потери энергии на вихревые токи

Потери энергии на вихревые токи Р в зависят от удельного электрического сопротивления материала ρ. Чем больше ρ, тем меньше потери. Р в также зависят от плотности материала и его толщины. Они пропорциональны квадрату амплитуды магнитной индукции В m и частоты f переменного поля.

4.2.8. Коэффициент прямоугольности петли гистерезиса

Для оценки формы гистерезисной петли пользуются коэффициентом прямоугольности петли гистерезиса:

К п = В r /В m (4.6)

Чем больше К п, тем прямоугольнее петля. Для магнитных материалов, применяемых в автоматике и ЗУ ЭВМ, К п = 0.7-0.9.

4.2.9. Удельная объемная энергия

Это характеристика, применяемая доля оценки свойств магнитно-твердых материалов, выражается формулой:

W м = 1/2(B d ·H d), (4.7)

где B d и H d соответственно индукция и напряженность магнитного поля, соответствующие максимальному значению удельной объемной энергии (рис.4.5).

Рис.4.5. Кривые размагничивания и магнитной энергии

Чем больше объемная энергия, тем лучше магнитный материал и постоянный магнит, из него изготовленный.

4.3. Классификация магнитных материалов

Согласно поведению в магнитном поле все магнитные материалы делятся на две основные группы – магнитно-мягкие (МММ) и магнитно-твердые (МТМ). МММ характеризуются большими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемостью и малыми значениями коэрцитивной силы (меньше 4000 А/м). Они легко намагничиваются и размагничиваются, отличаются малыми потерями на гистерезис.

Чем чище МММ, тем лучше его магнитные характеристики.

МТМ обладают большой коэрцитивной силой (больше 4000А/м) и остаточной индукцией (больше 0.1 Тл). Они с большим трудом намагничиваются, но зато могут долго сохранять магнитную энергию, т.е. служить источниками постоянного магнитного поля.

По составу все магнитные материалы делятся на

1. металлические
2. неметаллические
3. магнитодиэлектрики.

Металлические магнитные материалы это чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов.

Неметаллические магнитные материалы – ферриты, получаемые из порошкообразной смеси окислов железа и окислов других металлов. Опрессованные ферритовые изделия подвергаются отжигу, в результате чего они превращаются в твердые монолитные детали.

Магнитодиэлектрики представляют собой композиционные материалы, состоящие из 60-80% порошкообразного магнитного материала и 40-20% диэлектрика.

Ферриты и магнитодиэлектрики отличаются от металлических магнитных материалов большими ρ(10 2 -10 8 Ом·м), от чего потери на вихревые токи малы. Это позволяет использовать их в высокочастотной технике. Кроме того, ферриты обладают большой стабильностью магнитных параметров в широком диапазоне частот (включая СВЧ).

4.4. Металлические магнитно-мягкие материалы

Основными магнитно-мягкими материалами, применяемыми в радиоэлектронной аппаратуре, являются карбонильное железо, пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремнистые стали.

4.4.1. Карбонильное железо

Представляет собой тонкодисперсный порошок, состоящий из частиц сферической формы диаметром 1–8 мкм.

μ н = 2500 – 3000
μ м = 20000 – 21000
Н с = 4.5 – 6.2 А/м

Его применяют при изготовлении высокочастотных магнитодиэлектрических сердечников.

4.4.2. Пермаллои

Пластичные железоникелевые сплавы с содержанием никеля 45–80%, легко прокатываются в тонкие листы и ленты, толщиной до 1 мкм. При содержании никеля 45–50% называются низконикелевыми, 60–80% - высоконикелевыми.

μ н = 2000 – 14000
μ м = 50000 – 270000
Н с = 2 – 10 А/м
ρ = 0.25 – 0.45 мкОм·м

Для улучшения магнитных характеристик в пермаллои вводят молибден, хром, кремний или медь, отжигают в водороде или вакууме, при помощи турбомолекулярных насосов.

Легированные пермаллои применяют для деталей аппаратуры, работающих на частотах 1–5 МГц. В магнитных усилителях применяют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса.

4.4.3. Альсиферы

Представляют собой нековкие, хрупкие сплавы, состоящие из 5.5–13% алюминия, 9–10% кремния, остальное – железо.

μ н = 6000 – 7000
μ м = 30000 – 35000
Н с = 2.2 А/м
ρ = 0.8 мкОм·м

Из него изготовляют литые сердечники, работающие в диапазоне до 50 кГц.

4.4.4. Низкоуглеродистые кремнистые стали

Представляют собой сплавы железа с 0.8–4.8% кремния, содержание углерода не более 0.08%. Это сравнительно дешевый материал. Введение большого количества кремния улучшает магнитные свойства материала, но повышает его хрупкость (поэтому кремния не более 4.8%).

Листы кремнистой стали изготавливают прокаткой заготовок в нагретом и ненагретом состояниях, поэтому различают горячекатанную и холоднокатанную сталь.

Улучшенные магнитные характеристики холоднокатанных сталей наблюдаются только при совпадении направления магнитного потока с напрвлением пркатки. В противном случае свойства горячекатанных сталей выше.

Таблица 4.1. Стали применяют в менее ответственных узлах РЭА.

4.5. Металлические магнитно-твердые материалы

По составу, состоянию и способу получения магнитно-твердые материалы подразделяются на:

1. легированные стали, закаливаемые на мартенсит;
2. литые магнитно-твердые сплавы;
3. магниты из порошков;
4. магнитно-твердые ферриты;
5. пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты.

Характеристиками материалов для постоянных магнитов служат коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная энергия, отдаваемая магнитом во внешнее пространство. Магнитная проницаемость материалов для постоянных магнитов ниже, чем МММ, причем чем выше коэрцитивная сила, тем меньше магнитная проницаемость.

4.5.1. Легированные стали, закаливаемые на мартенсит

Данные стали являются наиболее простым и доступным материалом для постоянных магнитов. Они легируются вольфрамом, хромом, молибденом и кобальтом. Величина W м для мартенситных сталей составляет 1–4 кДж/м 3 . В настоящее время мартенситные стали имеют ограниченное применение из-за невысоких магнитных свойств, но полностью от них не отказываются, т.к. они дешевы и допускают механическую обработку на металлорежущих станках.

4.5.2. Литые магнитно-твердые сплавы

Большую магнитную энергию имеют тройные сплавы Al-Ni-Fe, которые раньше называли сплавами альни . При добавлении кобальта или кремния в эти сплавы их магнитные свойства повышаются. Недостатком этих сплавов является трудность изготовления из них изделий точных размеров вследствие хрупкости и твердости их, допускающих обработку только путем шлифовки.

4.5.3. Магниты из порошков

Необходимость получения особенно мелких изделий со строго выдержанными размерами обусловила привлечение методов порошковой металлургии для получения постоянных магнитов. При этом различают металлокерамические магниты и магниты из зерен порошка, скрепленных тем или иным связующим (металлопластические магниты).

4.5.4. Пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты

К таким сплавам относятся викаллой, кунифе, кунико и некоторые другие. Основные представления об этих сплавах приведены в табл.4.2.

Таблица 4.2.

4.6. Ферриты

Это соединения оксида железа Fe 2 O 3 с оксидами других металлов: ZnO, NiO. Ферриты изготавливают из порошкообразной смеси оксидов этих металлов.

Название ферритов определяется названием одно-, двухвалентного металла, оксид которого входит в состав феррита:

Если ZnO – феррит цинка

NiO – феррит никеля.

Ферриты имеют кубическую кристаллическую решетку, подобную решетке шпинели, встречающейся в природе: MgO·Al 2 O 3 . Большинство соединений указанного типа, как и природный магнитный железняк FeO·Fe 2 O 3 , обладает магнитными свойствами. Однако феррит цинка и феррит кадмия являются немагнитными. Исследования показали, что наличие или отсутствие магнитных свойств определяется кристаллической структурой этих материалов, и в частности расположением ионов двухвалентных металлов и железа между ионами кислорода. В случае структуры обычной шпинели, когда в центре кислородных тетраэдров расположены ионы Zn ++ или Cd ++ , магнитные свойства отсутствуют. При структуре так называемой обращенной шпинели, когда в центре кислородных тетраэдров расположены ионы Fe +++ , материал обладает магнитными свойствами. Ферриты, в состав которых кроме оксида железа входит только один оксид, называется простым. Химическая формула простого феррита:

MeO x Fe 2 O 3 или MeFe 2 O 4

Феррит цинка – ZnFe 2 O 4 , феррит никеля – NiFe 2 O 4 .

Не все простые ферриты обладают магнитными свойствами. Так CdFe 2 O 4 является немагнитным веществом.

Наилучшими магнитными характеристиками обладают сложные или смешанные ферриты, представляющие твердые растворы одного в другом. В этом случае используются и немагнитные ферриты в сочетании с простыми магнитными ферритами. Общая формула широко распространенных никель-цинковых ферритов имеет следующий вид:

mNiO·Fe 2 O 3 + nZnO·Fe 2 O 3 + pFeO·Fe 2 O 3 , (4.8)

где коэффициенты m, n и p определяют количественные соотношения между компонентами. Процентный состав компонентов играет существенную роль в получении тех или иных магнитных свойств материала.

Наиболее широко в РЭА применяют смешанные магнитно-мягкие ферриты: никель-цинковые, марганец-цинковые и литий-цинковые.

Достоинства ферритов – стабильность магнитных характеристик в широком диапазоне частот, малые потери на вихревые токи, малый коэффициент затухания магнитной волны, а также простота изготовления ферритовых деталей.

Недостатки всех ферритов – хрупкость и резко выраженная зависимость магнитных свойств от температуры и механических воздействий.

4.7. Магнитодиэлектрики

Это композиционные материалы, состоящие из мелкодисперсных частиц магнитно-мягкого материала, соединенных каким-либо органическим или неорганическим диэлектриком. В качестве мелкодисперсных МММ применяют карбонильное железо, альсиферы и некоторые сорта пермаллоев. В качестве диэлектрика – эпоксидные или бакелитовые смолы, полистирол, жидкое стекло и др.

Назначение диэлектриков не только в том, чтобы соединять частицы магнитного материала, но и создать между ними электроизоляционные прослойки и тем самым повысить электрическое сопротивление магнитодиэлектрика. Это резко снижает потери на вихревые токи и дает возможность работать на частотах 10–100 МГц (в зависимости от состава).

Магнитные характеристики магнитодиэлектриков несколько ниже исходных ферромагнитных наполнителей. Несмотря на это магнитодиэлектрики применяют для изготовления сердечников ВЧ узлов РЭА. Это обусловлено большой стабильностью магнитных характеристик и возможностью изготовления из них сердечников сложной формы. Кроме того, изделия из диэлектриков отличаются высокой чистотой поверхности и точностью размеров.

Лучшие магнитодиэлектрики – с наполнителями: молибденовым пермаллоем или карбонильным железом.

Называемой магнитной проницаемостью. Абсолютная магнитная проницаемость среды - это отношение B к H. Согласно Международной системе единиц она измеряется в единицах, называемых 1 генри на метр.

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.

При воздействии на вещество внешним магнитным полем оно становится намагниченным. Каким образом это происходит? По гипотезе Ампера, в каждом веществе постоянно циркулируют микроскопические электротоки, вызванные движением электронов по своим орбитам и наличием у них собственного В обычных условиях это движение неупорядочено, и поля «гасят» (компенсируют) друг друга. При помещении тела во внешнее поле происходит упорядочивание токов, и тело становится намагниченным (т. е. обладающим своим полем).

Магнитная проницаемость всех веществ различна. Исходя из ее величины, вещества подлежат делению на три большие группы.

У диамагнетиков величина магнитной проницаемости µ - чуть меньше единицы. Например, у висмута µ = 0,9998. К диамагнетикам относятся цинк, свинец, кварц, медь, стекло, водород, бензол, вода.

Магнитная проницаемость парамагнетиков чуть-чуть побольше единицы (у алюминия µ = 1,000023). Примеры парамагнетиков - никель, кислород, вольфрам, эбонит, платина, азот, воздух.

Наконец, к третьей группе принадлежит целый ряд веществ (в основном это металлы и сплавы), чья магнитная проницаемость значительно (на несколько порядков) превышает единицу. Эти вещества - ферромагнетики. В основном сюда относятся никель, железо, кобальт и их сплавы. Для стали µ = 8∙10^3, для сплава никеля с железом µ=2.5∙10^5. Ферромагнетики обладают свойствами, отличающими их от других веществ. Во-первых, они обладают остаточным магнетизмом. Во-вторых, их магнитная проницаемость находится в зависимости от величины индукции внешнего поля. В-третьих, для каждого из них существует определенный порог температуры, называемый точкой Кюри , при котором он теряет ферромагнитные свойства и становится парамагнетиком. Для никеля точка Кюри - 360°C, для железа - 770°C.

Свойства ферромагнетиков определяет не только магнитная проницаемость, но и величина I, именуемая намагниченностью данного вещества. Это сложная нелинейная функция магнитной индукции, рост намагниченности описывается линией, именуемой кривой намагниченности . При этом, достигнув определенной точки, намагниченность практически перестает расти (наступает магнитное насыщение ). Отставание величины намагниченности ферромагнетика от растущей величины индукции внешнего поля называется магнитным гистерезисом . При этом существует зависимость магнитных характеристик ферромагнетика не только от его состояния в настоящий момент, но и от его предшествующей намагниченности. Графическое изображение кривой данной зависимости именуется петлей гистерезиса .

Благодаря своим свойствам, ферромагнетики повсеместно применяются в технике. Их используют в роторах генераторов и электродвигателей, при изготовлении сердечников трансформаторов и в производстве деталей электронно-вычислительных машин. ферромагнетиков используются в магнитофонах, телефонах, на магнитных лентах и других носителях.

Суммарный магнитный поток, пронизывающий все витки, называется потокосцеплением контура.

Если все витки одинаковы, то суммарный магнитный поток, т.е. потокосцепление:

где
- магнитный поток через один виток; - число витков. Поэтому, потокосцепление соленоида, например, при индукции В =0,2 Т, количестве витков соленоида
и сечении окна соленоида
дм 2 будет Вб.

Абсолютная магнитная проницаемость измеряется в единицах «генри на метр»
.

Магнитная проницаемость вакуума в системе единиц СИ принята равной
Гн/м.

Отношение
абсолютной магнитной проницаемости к магнитной проницаемости вакуума называется относительной магнитной проницаемостью .

Соответственно значению  все материалы делятся на три группы:

Если диа- и парамагнитное вещества поместить в однородное магнитное поле, то в диамагнитном - поле будет ослабляться, а в парамагнитном - усиливаться. Это объясняется тем, что в диамагнитном веществе поля элементарных токов направлены навстречу внешнему полю, а в парамагнитном - согласно ему.

В табл. 1 приведены значения относительной магнитной проницаемости некоторых материалов. Видно, что значения относительной магнитной проницаемости диамагнитных и парамагнитных материалов очень мало отличается от единицы, поэтому для практики принимают их магнитную проницаемость, равной единице.

Размерность напряженности поля Н (табл. 2):

.

1 А/м - это напряженность такого магнитного поля, индукция которого в вакууме равна
Тл.

Таблица 1. Относительная магнитная проницаемость некоторых материалов

Иногда напряженность поля измеряют также в

«эрстедах» (Э),

«амперах на сантиметр» (А/см),

«килоамперах на метр» (кА/м).

Соотношение между этими величинами следующее:

1 А/см = 100 А/м; 1 Э = 0,796 А/см; 1 кА/м = 10 А/см;

1 А/см = 0,1 кА/м; 1 Э = 79,6 А/см; 1 кА/м = 12,56 Э;

1 А/см = 1,256 Э; 1 Э = 0,0796 кА/см; 1 кА/м = 1000 А/м.

Интересно знать значения напряженности некоторых магнитных полей.

Напряженность поля Земли в районе Москвы составляет 0,358 А/см.

Напряженность поля для намагничивания деталей из конструкционных сталей составляет 100...200 А/см,

на полюсах постоянного магнита - 1000...2000 А/см.

Иногда пользуются так называемым магнитным моментом
контура с током . Он равен произведению силы тока на площадь , ограниченную контуром
(рис. 4).

При делении магнита на части каждая из них представляет собой магнит с двумя полюсами. Это видно из рис. 5. По данным табл. 2 можно определить, что одна единица магнитного момента равна 1
м 2 = 1
. Эта единица называется «ампер-квадратный метр». Амперквадратный метр - это магнитный момент контура, по которому течет ток силой 1 А и который ограничивает площадь, равную 1 м 2 .

Рис. 4. Контур (1) с током ; Рис. 5. Деление постоянного магнита на части.

2 - источник тока:

- магнитный момент;

- напряженность поля.

Таблица 2. Основные и производные единицы измерений системы СИ, применяемые в неразрушающем контроле

Магнитный момент электрона равен

, так как
, а
,
.

Относительно недавно взаимодействие полюсов магнитов объясняли наличием особого вещества - магнетизма. С развитием науки было показано, что никакого вещества не существует. Источником магнитных полей являются электрические токи. Поэтому при делении постоянного магнита в каждом куске электронные токи создают магнитное поле (рис. 5). Магнитный заряд рассматривают только как некоторую математическую величину, не имеющую физи ческого содержания.

Единицу магнитного заряда можно получить по формуле:

,
,

где - работа по обводу магнитного полюса вокруг проводника током .

Одна условная единица магнитного заряда будет
.

В системе Гаусса за единицу магнитного заряда принимают такую величину, которая действует на равный магнитный заряд на расстоянии 1 см в вакууме с силой, равной 1 дине.

Способность материалов намагничиваться объясняется существованием в них токов:

вращение электрона вокруг ядра в атоме,

вокруг собственных осей (спин электрона) и

вращение орбит электронов (прецессия электронных орбит) (рис. 6).

Ферромагнитный материал состоит из малых областей (с линейными размерами около 0,001 мм), в которых элементарные токи направлены самопроизвольно. Эти области самопроизвольной намагниченности называют доменами. В каждом домене образуется результирующее поле элементарных токов.

В размагниченном материале магнитные поля доменов направлены хаотично и компенсируют друг друга так, что результирующее поле в детали практически равно нулю.

В результате внешнего воздействия поля отдельных областей (доменов) устанавливаются по направлению внешнего поля и таким образом образуется сильное поле намагниченной детали.

Следовательно, намагниченность - это степень сог ласованной ориентировки магнитных полей доменов в металле, или иначе, это индукция, создаваемая элементарными токами.

Поскольку элементарные токи обладают магнитными моментами, то намагниченность также определяют как отношение суммарного магнитного момента тела к его объему, т.е.:

.

Намагниченность измеряется в «амперах на метр» (А/м).

Знакопеременное нагружение структуры металла, например в продолжительно работающих турбинных лопатках, в болтах и т.п. деталях приводит к определенному упорядочению внутреннего магнитного поля в зоне иагружения, к появлению следов этого поля на поверхности детали. Это явление используется для оценки остаточного ресурса, определения механических напряжений.

Намагниченность проверяемой детали зависит от напряженности поля
, действующего на эту деталь. Ферромагнитные свойства материала зависят также от температуры. Для каждого ферромагнитного материала существует температура, при которой области спонтанной намагниченности под действием теплового движения разрушаются и ферромагнитный материал становится парамагнитным. Эта температура называется точкой Кюри. Точка Кюри для железа равна 753 0 С. При снижении этой температуры ниже этой точки магнитные свойства восстанавливаются.

Рис. 6. Виды элементарных токов:

а - движение электрона 1 вокруг ядра 4;

б - вращение электрона вокруг своей оси;

в - прецессия электронной орбиты;

5 - электронная орбита;

6 - плоскость электронной орбиты;

8 - траектория прецессионного движения электронной орбиты.

Индукция результирующего поля детали может быть определена по известной формуле:

,

где - намагниченность, т.е. индукция, создаваемая молекулярными токами;
- напряженность внешнего поля. Из приведенной формулы видно, что индукция в детали представляет сумму двух составляющих:
- определяемой внешним полем
и - намагниченностью, которая также зависит от
.

На рис. 7 показаны зависимости
, и
ферромагнитного материала от напряженности внешнего поля.

Рис. 7. Зависимость магнитной индукции и намагниченности от намагничивающего поля
.

Кривая
показывает, что при относительно слабых полях намагниченность растет весьма быстро (участок а-б). Затем рост замедляется (участок б-в). Далее рост снижается, кривая
переходит в прямую линию в-д, имеющую малый наклон к горизонтальной оси
. При этом величина
постепенно приближается к своему предельному значению
. Составляющая
изменяется пропорционально напряженности поля
. На рис. 7 эта зависимость показана прямой линией о-е.

Чтобы получить кривую зависимости магнитной индукции от напряженности внешнего поля, необходимо сложить соответствующие ординаты кривых
и
. Эта зависимость изображается кривой
, называемой кривой первоначального намагничивания. В отличие от намагниченности магнитная индукция растет до тех пор, пока растет величина
, так как по прекращении роста намагниченности величина
продолжает увеличиваться пропорционально
.

Перемагничивание детали происходит переменным или периодически изменяющимся по направлению постоянным полем.

На рис. 8 показана полная магнитная характеристика образца - петля гистрезиса. В исходном состоянии образец размагничен. Ток в обмотке увеличивают по прямой 0-8. Напряженность поля, создаваемого этим током, изменяется по прямой 0-1. При этом индукция и намагниченность в образце будут увеличиваться по кривым первоначального намагничивания 16 и 17 до точек 16" и 17", соответствующим магнитному насыщению, при котором все магнитные поля доменов направлены по внешнему полю.

При уменьшении тока по прямой 8-9 напряженность поля уменьшается по 1-0 (рис. 8, а). При этом индукция и намагниченность изменяются до значения .

При увеличении тока в отрицательном направлении по 9-10 напряженность поля также увеличивается в отрицательном направлении по 0-2, перемагиничивая образец.

В точке 6 индукция
, так как
, т.е.
. Напряженность поля, соответствующая точке 6, называется коэрцитивной силой
по индукции.

В точке 4 намагниченность
, а
.

Напряженность поля, соответствующая точке 4, называется коэрцитивной силой Н си по намагниченности. При магнитном контроле считают коэрцитивную силу
.

При дальнейшем увеличении напряженности поля до точки 2 индукция и намагниченность достигают наибольших отрицательных значений
и
(точки 16" и 17"), соответствующих магнитному насыщению
образца. При уменьшении тока по прямой 10-11 индукция и намагниченность примут значения, соответствующие
.

Таким образом, в результате изменения внешнего поля
по 0-1, 1-0, 0-2, 2-0 (рис. 8), а магнитное состояние образца изменяется по замкнутой кривой - петле магнитного гистерезиса.

Рис. 8. Зависимость индукции и намагниченности от напряженности
(а), изменение тока в обмотке намагничивания (б).

По петле магнитного гистерезиса определяют следующие характеристики, используемые при магнитном контроле:

Н т - максимальная напряженность магнитного поля, при которой достигается состояние насыщения образца;

В r - остаточная индукция в образце после снятия поля;

Н с - коэрцитивная сила - это напряженность магнитного поля, которое нужно приложить встречно намагниченности образца, чтобы его полностью размагнитить;

В т - индукция технического насыщения. Принято считать В т = 0,95 B max , где B max - теоретически возможная индукция насыщения первоначального намагничивания.

Если ферромагнитное тело подвергается действию полей одного знака, то петля гистерезиса, которая в этом случае несимметрична относительно начала координат, называется частной (рис. 9).

Различают статическую и динамическую петли гистерезиса.

Статической петлей гистерезиса называется петля, полученная при медленном изменении Н, при котором можно пренебречь действием вихревых токов.

Динамической петлей гистерезиса называется петля, полученная при периодическом изменении Н с некоторой конечной скоростью, при которой влияние вихревых токов становится значительным. Это приводит к тому, что динамическая петля имеет значительно большую ширину, чем статическая. С увеличением амплитуды приложенного напряжения ширина динамической петли гистерезиса увеличивается.

На рис. 10 показана зависимость
. При Н= 0 магнитная проницаемость равна ее начальному значению.

Рис. 9. Несимметричные петли гистерезиса 1-3 - промежуточные петли; 4 - предельная петля; 5 - кривая начального намагничивания.

По кривой намагничивания В(Н) абсолютная магнитная проницаемость в заданном поле Н определяется как
, а относительная как
.

Часто упоминают дифференциальную магнитную проницаемость:

.

Первая из них равна тангенсу наклона линии 1, а вторая - тангенсу наклона касательной 2.

Магнитодвижущая сила (МДС) равна F = Iw , произведению тока I в обмотке на ее число витков.

Магнитный поток равен:

где F - МДС, измеряемая в ампер-витках; l ср - длина средней линии магнитопровода, м; S - сечение магнитопровода, м 2 .

Величина
определяет магнитное сопротивление R m .

Рис. 10. Магнитные проницаемости , и индукция В в зависимости от напряженности поля
:
,
;
.

Магнитный поток прямо пропорционален току I и обратно пропорционален магнитному сопротивлению R m . Допустим, надо определить силу тока в тороидной обмотке из 10 витков кабеля для намагничивания кольца подшипника при индукции 1 Тл.

Используя формулу Ф = F / R m , найдем:

Картина поля вокруг проводника представляет собой концентрические окружности с центрами на оси проводника (рис. 11).

Рис. 11. Картина распределения порошка (а) и индукции вокруг проводника с током (б)

Направление поля вокруг проводника или созданного витками кабеля соленоида может быть определено по правилу буравчика.

Если расположить штопор вдоль оси проводника и вращать его по часовой стрелке так, чтобы его поступательное движение совпало с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки штопора укажет направление поля.

Изменение напряженности поля Н внутри и вне проводника 3 при прохождении по нему постоянного тока от расстояния от точки измерения до оси проводника радиусом показано на рис. 12.

Рис.12. Распределение напряженности поля Н внутри (1) и вне (2) проводника с током.

Откуда видно, что поле на оси проводника равно нулю, а внутри проводника (при > ) оно изменяется по линейному закону:

,

а вне его (при > ) по гиперболе
, где - расстояние от оси проводника до точки измерения, м; - ток в проводнике, А.

Если задана напряженность поля H в точке, находящейся на расстоянии от оси провода, то для получения этой напряженности силу тока определяют, используя формулу:

,

где H [А/м], [м].

Если проводник с током проходит через полую деталь, например, кольцо подшипника, то в отличие от предыдущего случая резко растет индукция в зоне ферромагнитной детали (рис. 13).

Рис. 13- Индукция при намагничивании детали при пропускании тока по центральному проводнику.

Поле изменяется на участках: 0-1 по закону Н = 0 ; 1-2 по закону
; 2-3 по закону
.

Магнитная индукция B изменяется: на участке 0-2 по закону
; на участках 2-3; 6-7 по закону
.

Скачки индукции В на участках 3-4; 5-6 обусловлены ферромагнетизмом детали 8 ( - радиус проводника; - расстояние от центра проводника).

Допустим, что цилиндрическую полую деталь намагничивают центральным проводником. Определить силу тока в проводнике для получения индукции В = 12,56 мТл на внутренней поверхности детали диаметром 80 мм.

Силу тока в проводнике определим по формуле:

Распределение поля внутри и вне полой детали 4, намагничиваемой пропусканием по ней тока, показано на рис. 14. Видно, что поле внутри детали радиусом R 1 равно нулю. Поле на участке 1-2 (внутри материала детали) изменяется по закону

а на участке 2-3 - по закону
. По этой формуле определяют напряженность поля на внешней поверхности детали или на некотором расстоянии от нее.

Рис. 14. Распределение поля Н внутри и вне детали.

Если по цилиндрической детали диаметром 50 мм пропускают ток силой 200,0 А и надо определить напряженность поля в точках, находящихся от поверхности детали на расстоянии 100 мм. Напряженность поля на расстоянии 100 мм от поверхности детали определяется по формуле:

.

Напряженность поля на поверхности детали составит:

.

На рис. 15 показана схема магнитного поля вокруг и внутри соленоида. Из рисунка видно также, что магнитные силовые линии внутри соленоида направлены вдоль его продольной оси. У выходных окон соленоида образуются магнитные полюсы N и S .

Напряженность поля в центре на оси у края соленоида определяют по приведенным формулам.

Напряженность поля в центре витка радиусом R определяют по формуле H = I / R , А/м, где I - ток в витке проводника, А.

Если надо определить напряженность поля в центре приставного соленоида с током 200 А, и при этом число витков w = =-6, длина 210 мм, диаметр 100 мм, то напряженность поля будет:

.

Если в соленоиде ток равен 200 А, а длина соленоида 400 мм, диаметр 100 мм, число витков 8,
,
(см. рис. 15), то можно вычислить напряженности в отдельных точках соленоида.

Распределение напряженности поля внутри соленоида складывается:

а - в центре соленоида:

,

где Н - напряженность поля в центре соленоида, А/см; l , с - длина и радиус соленоида, см; w - число витков;

б - на оси соленоида:

,

где l - длина соленоида, см;

в - у края соленоида:

,

где l , с - длина и радиус соленоида, см; w - число витков.

Напряженность поля, создаваемая током в тороидной обмотке:
, А/см; I - ток, А; l - длина средней линии обмотки, см; w - число витков. В данном примере:

а) напряженность Н 1 , в центре на оси соленоида:

б) напряженность поля в точке А - Н 2 :

в) напряженность поля у края соленоида - Н 3:

Если диаметр витка равен 160 мм при общем токе, равном 180,0 А, то напряженность поля в центре витка будет:

Рис. 15. Магнитное поле соленоида и распределение напряженности в его центре (а), на оси (б) и у края (в).

Магнитная проницаемость - физическая величина , коэффициент (зависящий от свойств среды), характеризующий связь между магнитной индукцией B {\displaystyle {B}} и напряжённостью магнитного поля H {\displaystyle {H}} в веществе. Для разных сред этот коэффициент различен, поэтому говорят о магнитной проницаемости конкретной среды (подразумевая её состав, состояние, температуру и т. д.).

Впервые встречается в работе Вернера Сименса «Beiträge zur Theorie des Elektromagnetismus» («Вклад в теорию электромагнетизма») в 1881 году .

Обычно обозначается греческой буквой μ {\displaystyle \mu } . Может быть как скаляром (у изотропных веществ), так и тензором (у анизотропных).

В общем, соотношение между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля через магнитную проницаемость вводится как

и μ {\displaystyle \mu } в общем случае здесь следует понимать как тензор, что в компонентной записи соответствует :

Для изотропных веществ соотношение:

можно понимать в смысле умножение вектора на скаляр (магнитная проницаемость сводится в этом случае к скаляру).

Нередко обозначение μ {\displaystyle \mu } используется не так, как здесь, а именно для относительной магнитной проницаемости (при этом μ {\displaystyle \mu } совпадает с таковым в СГС).

Размерность абсолютной магнитной проницаемости в СИ такая же, как размерность магнитной постоянной, то есть Гн / или / 2 .

Относительная магнитная проницаемость в СИ связана с магнитной восприимчивостью χ соотношением

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Подавляющее большинство веществ относятся либо к классу диамагнетиков ( μ ⪅ 1 {\displaystyle \mu \lessapprox 1} ), либо к классу парамагнетиков ( μ ⪆ 1 {\displaystyle \mu \gtrapprox 1} ). 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.

  Магнитные проницаемости некоторых веществ и материалов

  Магнитная восприимчивость некоторых веществ

  Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость некоторых материалов

  Medium	Восприимчивость χ m (объемная, СИ)	Проницаемость μ [Гн/м]	Относительная проницаемость μ/μ 0	Магнитное поле	Максимум частоты
  Метглас (англ. Metglas )		1,25	1 000 000	при 0.5 Тл	100 kHz
  Наноперм (англ. Nanoperm )		10 × 10 -2	80 000	при 0.5 Тл	10 kHz
  Мю-металл		2,5 × 10 -2	20 000	при 0.002 Тл
  Мю-металл			50 000
  Пермаллой		1,0 × 10 -2	70 000	при 0.002 Тл
  Электротехническая сталь		5,0 × 10 -3	4000	при 0.002 Тл
  Феррит (никель-цинк)		2,0 × 10 -5 - 8,0 × 10 -4	16-640		100 kHz ~ 1 MHz [ ]
  Феррит (марганец-цинк)		>8,0 × 10 -4	640 (и более)		100 kHz ~ 1 MHz
  Сталь		8,75 × 10 -4	100	при 0.002 Тл
  Никель		1,25 × 10 -4	100 - 600	при 0.002 Тл
  Неодимовый магнит			1.05	до 1,2-1,4 Тл
  Платина		1,2569701 × 10 -6	1,000265
  Алюминий	2,22 × 10 -5	1,2566650 × 10 -6	1,000022
  Дерево			1,00000043
  Воздух			1,00000037
  Бетон			1
  Вакуум	0	1,2566371 × 10 -6 (μ 0)	1
  Водород	-2,2 × 10 -9	1,2566371 × 10 -6	1,0000000
  Тефлон		1,2567 × 10 -6	1,0000
  Сапфир	-2,1 × 10 -7	1,2566368 × 10 -6	0,99999976
  Медь	-6,4 × 10 -6 or -9,2 × 10 -6	1,2566290 × 10 -6	0,999994