Магнитные материалы и их применение

Ферромагнетики играют существенную роль в электротехнике. К ним могут быть предъявлены различные требования в зависимости от назначения.

Постоянные магниты

Были созданы специальные материалы с заданными свойствами. Для получения постоянного магнита необходимо отыскать ферромагнетик с максимально широкой петлей гистерезиса. То есть при нулевом внешнем магните остаточная намагниченность будет максимально большая. Такие магнетики обладают высокой коэрцитивной силой. Вещество должно иметь неизменные границы доменов.

Было произведено создание такого материала: $\mathrm{AlNiCoV}$. В состав сплава входили $51\%\mathrm{Fe}, 8\% \mathrm{Al}, 14\%\mathrm{Ni}, 24\%\mathrm{C}0, 3\%\mathrm{Cu}$. Материал характеризуется затруднительным движением доменных стенок. Когда $\mathrm{AlNiCoV}$ затвердевает, происходит образование «второй фазы», которая обладает зернистым составом. Вещество проходит охлаждение во внешнем магнитном поле, причем увеличение зерен идет в необходимой ориентации. Материал проходит механическую обработку таким образом, что выстраивание кристаллов происходит в виде продолговатых зерен по направлению линий преимущественной намагниченности.

Петля гистерезиса такого ферромагнетика должна быть в $500$ раз шире петли мягкого железа.
$\mathrm{AlNiCo}$ является термостабильным магнитом с высокой коррозионной и радиационной стойкостью. Обладает остаточной намагниченностью порядка $B_r~1,1-1,5 Тл$, коэрцитивной силой $H_k=0,5-1,9 кЭ$. Максимальная рабочая температура достигает $450 °C$. На данный момент предпринимаются попытки изготовления наноструктурных сплавов. Их применяют в акустических системах, студийных микрофонах, электродвигателях, сенсорах.

Спеченные редкоземельные магниты на основе $\mathrm{SmCo}$

Такие магниты не требуют защитного покрытия, так как имеют высокую рабочую температуру и коэрцитивную силу, иначе говоря, устойчивы к размагничиванию. Являются довольно хрупкими и очень дорогими. Обладают остаточной намагниченностью порядка $B_r~0,8-1,1 Тл$, коэрцитивной силой $H_k=8-10 кЭ$. Их применяют в космических аппаратах, мобильной телефонии, компьютерной технике, авиастроении, медицинском оборудовании, микро-электромеханических приборах.

Неодимовые магниты. Сплавы $\mathrm{Nd}-\mathrm{Fe}-\mathrm{B}$

Являются довольно хрупкими с достаточно невысокими рабочими температурами $-60-220 °С$. При перегревании нуждаются в перемагничивании. Подвергаются коррозии. Такие магниты легко обрабатываются механически, обладают гибкостью. Они имеют самое высокое значение остаточной намагниченности порядка $B_r~1-1,4 Тл$, коэрцитивной силы $H_k=12 кЭ$. Применимы в компьютерной технике или датчиках.

При перепадах температур, деформациях, механических вибрациях магниты могут терять свойства намагниченности. Полного размагничивания они достигают при температуре выше точки Кюри в сильных магнитных полях, если ферромагнит располагается в затухающем переменном магнитном поле или постоянное внешнее имеет противоположное направление относительно внутреннего. Железные магниты могут размагничиваться в домашних условиях очень долго. Искусственно созданные могут быстро стареть.

Постоянные магниты применимы:

• как зажимы, крепления, фиксация предметов;
• для поиска железных предметов методом зондирования.

Использование «мягких» ферромагнетиков

Такие ферромагнетики применяют при изготовлении двигателей. Но данный случай предполагает свойства, отличные от постоянных магнитов. То есть в магнитном отношении материал должен быть «мягким». Намагниченность изменяется при модификации внешнего магнитного поля. Тогда ферромагнетик должен обладать высокой магнитной проницаемостью и слабым гистерезисом.

Данный случай подразумевает применение чистых веществ без примесей и с минимальным количеством доменов, причем их стенки должны с легкостью перемещаться. Происходит минимизация анизотропии кристаллов. Если нахождение зерен под неправильным углом к полю, магнетик все равно намагнитится. Специальный подобранный сплав железа и никеля (около $80\backslash \%\mathrm{Ni}$ и $20\backslash \%\mathrm{Fe}$), легированный хромом, медью или кремнием, получается «мягким» и легко намагничивается. Такие вещества получили названия пермаллоев.

Хорошими магнитными свойствами обладает пермаллой, содержащий $75,8\%$ никеля, полученный при двухэтапной обработке сплава. На первом этапе температура достигает $900-950 °C$ в течение часа, после чего происходит охлаждение с низкой скоростью. Второй этап подразумевает нагрев до
$600 °C$ и охлаждение при комнатной температуре со скоростью $1500 \frac{град}{мин}$.

Чаще всего их применяют в трансформаторах, однако они непригодны для использования в качестве постоянных магнитов. Пермаллои не следует подвергать деформации, так как происходит изменение их свойств.

При наличии максимального значения магнитной проницаемости сплава используют для сердечников малоразмерных трансформаторов, магнитных экранов, реле. Если имеется повышенное удельное сопротивление, то применяют для сердечников импульсных трансформаторов или высокочастотной аппаратуры.

При расчете разного рода устройств переменного тока, содержащие ферромагнетики, необходимо оценивать тепловой эффект при гистерезисе. Это явление в железных сердечниках трансформаторов или вращающихся якорях генераторов постоянного тока приводит к затратам части энергии на тепло гистерезиса, уменьшающим КПД устройства. Отсюда следует, что для такого оборудования подбираются специальные виды ферромагнетиков, у которых площади петель гистерезиса минимальные

По исследованиям стало видно наличие мильных ферромагнитных свойств у некоторых неферромагнитных металлов при определенном их соотношении. К ним относят марганец-висмут, хром-теллур и другие.

Ферриты

Их магнитные свойства не отличаются от свойств ферромагнетиков.

Намагниченность насыщения у ферримагнетиков намного меньше, чем у ферромагнетиков. Они применимы только при наличии слабого поля. Ферриты называют ферромагнитными изоляторами. Создаваемые в них вихревые токи в полях с высокой частотой по значению очень малы, что позволяет использовать их в микроволновой технике. Микрополя проникают внутрь ферритов, когда в ферромагнетиках это невозможно по причине наличия вихревых токов.

Вещества используют в радиотехнике при наличии больших частот, где в ферромагнетиках из-за большой проводимости появляются огромные потери на вихревые токи.