Особливості ферримагнетиков

Будова ферримагнетиков. Ферримагнетики отримали свою назву від феритів, під якими розуміють хімічні сполуки окисла заліза Fe 2 O 3 з окислами інших металів. Нині використовують сотні різних марок феритів, які відрізняються хімічним складом, кристалічною структурі, магнітним, електричним та інших властивостями.

Найбільшого застосування знайшли ферриты зі структурою природного мінералу шпінелі. Щодо хімічного складу ферритов-шпинелей відповідає формулі МеFe 2 O 4 , де під Ме розуміють будь-якої двухвалентный катіон. Приклад цих сполук розглянемо найхарактерніші риси магнітних властивостей ферримагнетиков.

Дослідження свідчать, що наявність або відсутність магнітних властивостей визначається кристалічною структурою матеріалів і зокрема, розташуванням іонів двовалентних металів і заліза між іонами кисню. Елементарна осередок шпінелі є куб, до складу якої входить вісім структурних одиниць типу МеFe 2 O 4 , тобто. 32 іона кисню, 16 іонів трехвалентного заліза і побачили 8-го іонів двухвалентного металу. Кислородные іони розташовані за принципом щільною кубічної упаковки куль. У цьому виникають междуузлия двох типів: тетраэдрические, освічені оточенням чотирьох іонів, і октаэдрические, освічені оточенням шести іонів кисню. У цих кисневих междуузлиях перебувають катиони металів. Загалом у елементарної осередку шпінелі то, можливо заповнене 8 тетраэдрических проміжків (назвемо їх позиціями типу А) і 16 октаэдрических місць ( позиції типу У).

Структуру, коли всі катиони двухвалентного заліза займають позиції типу А, а катиони трехвалентного заліза розподіляються в междуузлиях типу У, називають нормальної шпинелью. З огляду на такий характер розподілу катионів по кисневим междуузлиям, формулу феррита зі структурою нормальної шпінелі можна наступного вигляді:

(Мe 2+ )[Fe 3+ Fe 3+ ]O 4

де у круглі дужки вказані іони, що займають позиції типу А, а квадратних - іони в позиціях типу У. Стрелками умовно показано напрям магнітних моментів катионів. У структурі нормальної шпінелі кристалізуються ферриты цинку (ZnFe 2 O 4 ) і кадмію (CdFe 2 O 4 ). Як показано далі, ферриты зі структурою нормальної шпінелі немагнитны.

Частіше зустрічаються ферриты з іншим характером розподілу катионів по кисневим междуузлиям. Структура, у якій катиони Ме 2+ перебувають у позиціях типу У, а катиони трехвалентного заліза порівну розподіляють між позиціями Проте й У, отримав назву зверненої шпінелі. Формулу зверненої шпінелі з урахуванням розподілу катионів можна записати як:

(Fe 3+ )[Me 2+ Fe 3+ ]O 4

Структуру зверненої шпінелі мають ферриты нікелю, кобальту, міді деяких інші елементи.

Більшість реальних феритів характеризується деяким проміжним розподілом катионів, що й іони Ме 2+ , і іони трехвалентного заліза Fe 3+ займають огляду на те чи іншого типів. Такі структури називають амфотерной шпинелью. Промежуточному розподілу катионів відповідає структурна формула

(Me 2+ 1-x Fe 3+ x )[Me 2+ x Fe 3+ 1-x ]O 4

де параметр x характеризує ступінь спрямованості шпінелі. Структуре нормальних пенсій і зверненої шпінелі відповідають значення x, рівні, відповідно, нулю і одиниці.

Природа магнітного упорядкування. У феритах магнитоактивные катиони перебувають досить далеко друг від друга, оскільки розділені анионами кисню, не з магнітним моментом. Тому пряме обменное взаємодія між катионами виявляється дуже слабким або відсутня взагалі. Їх електронні оболонки мало перекриваються.

2.1. Магнитомягкие матеріали для постійних і

низькочастотних магнітних полів

Найвища вимога до матеріалів. Крім високої магнітної проникності й малої коэрцитивной сили магнитомягкие матеріали повинні мати великий індукцією насичення, тобто. пропускати максимальний магнітний потік через задану площа поперечного перерізу магнитопровода. Виконання цієї вимоги дозволяє зменшити габаритні розміри й безліч магнітної системи.

Магнитный матеріал, вживаний у змінних полях, повинен мати можливо менші втрати на перемагничивание, що складаються переважно з втрат на гистерезис і вихрові струми.

Для зменшення втрат на вихрові струми в трансформаторах вибирають магнитомягкие матеріали з підвищеним питомим опором. Зазвичай магнитопроводы збирають із окремих ізольованих друг від друга тонких аркушів. Широке застосування отримали стрічкові сердечники, навиваемые з тонкої стрічки з межвитковой ізоляцією з диэлектрического лаку. До листовим і стрічковим матеріалам пред'являється вимога високої пластичності, завдяки якому полегшується процес виготовлення виробів із них.

Важливим вимогою до магнитомягким матеріалам є забезпечення стабільності їх властивостей як у часі, і стосовно зовнішніх впливів, таких як температура і механічні напруги. З усіх магнітних характеристик найбільшим змін у процесі експлуатації матеріалу піддаються магнітна проникність (особливо у слабыз полях) і коэрцитивная сила.

Залізо і низкоуглеродистые стали. Основний компонент більшості магнітних матеріалів є залізо. Саме собою залізо в елементарному вигляді є типовий магнитомягкий матеріал, магнітні властивості якого істотно залежить від змісту домішок. Серед елементарних ферромагнетиков залізо має найбільшої індукцією насичення ( близько 2,2 Тл).

Особливо чисте залізо (электролитическое, карбонильное), що містить невелика кількість домішок (менш 0,05%), отримують двома складними способами.

Электролитическое залізо виготовляють шляхом електролізу розчину сірчанокислого чи хлористого заліза, причому анодом служить чисте залізо, а катодом - пластина м'якої стали. Осажденное на катоді залізо (товщина шару 4-6 мм) після ретельної промивання знімають і подрібнюють на порох в кульових млинах; піддають вакуумному отжигу чи переплавляють в вакуумі.

Карбонильное залізо отримують у вигляді термічного розкладання пентакарбонила заліза відповідно до рівнянню

Fe(CO) 5 = Fe + 5CO

Пентакарбонил заліза є продукт впливу окису вуглецю на залізо за нормальної температури близько 200 ° З повагою та тиску приблизно 15 МПа. Карбонильное залізо має вигляд тонкого порошку, що робить її зручним виготовлення пресованих магнітних сердечників. У карбонильном залозі відсутні кремній, фосфор і сірка, але міститься вуглець.

Технічно чисте залізо зазвичай містить небагато домішок вуглецю, сірки, марганцю, кремнію та інших елементів, погіршують його магнітні властивості. У результаті порівняно низького питомої опору технічно чисте залізо використовують нечасто, переважно виготовлення магнитопроводов постійного магнітного потоку.

Звичне техническичистое залізо виготовляють рафинированием чавуну в мартенівських печах чи конверторах; він має сумарне зміст домішок 0,08-0,1%

Кремнистая електротехнічна сталь (за Держстандартом електротехнічна тонколистовая) є основним магнитомягким матеріалом масового споживання. Введением у складі цієї стали кремнію досягається зростання питомої опору, що викликає зниження втрат на вихрові струми. З іншого боку, його присутність серед стали кремнію сприяє виділенню вуглецю як графіту, і навіть майже повного раскислению стали з допомогою хімічного зв'язування кисню в SiO 2 . Останній вигляді шлаку виділяється з розплаву. Через війну легування кремнієм призводить до збільшення магнітної проникності, зменшенню коэрцитивной сили та зниження втрат на гистерезис. Позитивне вплив кремнію на магнітну проникність стали обумовлена зменшенням констант магнітної анизотропии і магнитострикции. У почав із змістом кремнію 6,8% константа магнітної анизотропии втричі менше, ніж в чистого заліза, а значення магнитострикции практично одно нулю. За такої змісті кремнію сталь має найбільшої магнітної проницаемостью. Проте промислові марки електротехнічній стали містять трохи більше 5% кремнію. Це тим, що кремній погіршує механічні свойсва стали, надає їй тендітність і ламкість. Така сталь непрригодна для штампування. З іншого боку, під час введення кремнію кілька зменшується індукція насичення (приблизно 0,05 Тл на 1% Si), оскільки кремній є немагнитным компонентом. Разом про те легування кремнієм підвищує стабільність магнітних властивостей стали у часі.

Властивості стали значно поліпшуються з допомогою освіти магнітної текстури при холодної прокатці і наступного отжига в водні.

При холодної прокатці відбувається сильне обтиснення матеріалу; виникаючі деформації викликають переважну переорієнтування кристалічних зерен. Отжиг за нормальної температури 900-1000 ° З як знімає внутрішні механічні напруги, а й супроводжується інтенсивної рекристаллизацией (укрупненням зерен). Виходить так звана ребровая текстура.

Текстурованная сталь анизотропна як: вздовж напрвления прокатки спостерігається більш висока магнітна проникність і менші втрати на гистерезис. Сталь випускається як рулонів, листів, і різаної стрічки. Вона то, можливо без электроизоляционного покриття чи мати. Сталь різних класів призначається виготовлення магнітних ланцюгів апаратів, трансформаторів, электричекских машин. Застосування стрічкових сердечників з текстурованной сталі у силових трансформаторах дозволяє зменшити їхню масу чуток і габаритні розміри на 20-25%, а радиотрансформаторах - на 40%.

Листы тонкого прокату призначені переважно від використання в полях підвищеної частоти (до 1 кГц). Використання листових і стрічкових сердечників на частотах вище 1 кГц можливе лише за істотному обмеження магнітної індукції, так , щоб сумарні втрати не перевищували припустимого краю. Згідно з умовами нагріву і тепловідведення гранично припустимими прийнято вважати удільні втрати 20 Вт/кг.

Низкокоэрцитивные сплави. Пермаллои - железоникелевые сплави, які мають дуже великий магнітної проницаемостью у сфері слабких полів і дуже маленького коэрцитивной силою. Пермаллои поділяють на високо- і низконикелевые. Высоконикелевые пермаллои містять 72-80% нікелю, а низконикелевые - 40-50% нікелю. Магнітні властивості пермаллоев дуже чутливі до зовнішніх механічним напругам, залежить від хімічного складу і наявність сторонніх домішок в сплаві, і навіть дуже різко змінюються залежно від режимів термообробки матеріалу (температури, швидкості нагріву і охолодження, довкілля та т.д.). Термічна обробка высоконикелевых пермаллоев складніше, ніж низконикелевых.

Питома опір высоконикелевых пермаллоев майже тричі менше, ніж в низконикелевых, тому при підвищених частотах краще використовувати низконикелевые пермаллои. З іншого боку, магнітна проникність пермаллоев сильно знижується зі збільшенням частоти. Це виникненням у вихідному матеріалі помітних вихрових струмів через невеликого питомої опору.

Діапазон зміни магнітних властивостей і питомої опору промислових марок пермаллоев зазначений в табл.1. У результаті відмінності властивостей низконикелевые і высоконикелевые пермаллои мають кілька різні застосування.

Низконикелевые сплави 45Н і 50Н застосовують виготовлення сердечників малогабаритних силових трансформаторів, дросселей, реле і деталей магнітних ланцюгів, працюючих при підвищених індукціях без подмагничивания чи з гаком подмагничиванием. Высоконикелевые сплави 79НМ, 80НХС, 76НХД використовують із виготовлення сердечників малогабаритних трансформаторів, реле і магнітних екранів.

Сильна залежність магнітних властивостей пермаллоя від механічних напруг змушує приймати спеціальні захисту сердечників, оскільки механічні навантаження неминуче виникають навіть за накладення токовых обмоток. Зазвичай кільцеподібні стрічкові сердечники з пермаллоя вміщують у немагнитные захисні каркаси з пластмаси чи алюмінію. З метою амортизації динамічних навантажень вільне простір між каркасом і сердечником заповнюють будь-яким еластичним речовиною.

Рубрики: Электродинамика