Úvod
Experimenty ukázaly, že jakoukoli látku lze více či méně zmagnetizovat ve vnějším magnetickém poli, ale stupeň magnetizace je jiný. Podle vlastností látek ve vnějším magnetickém poli lze látky rozdělit do pěti kategorií: paramagnetické látky, diamagnetické látky, feromagnetické látky, ferimagnetické látky a diamagnetické látky.
Podle hypotézy molekulárního proudu by hmota měla vykazovat zhruba podobné vlastnosti v magnetickém poli, ale to nám říká, že vlastnosti hmoty ve vnějším magnetickém poli jsou velmi odlišné. To odráží omezení hypotézy molekulárního proudu. Ve skutečnosti existují rozdíly v mikrostruktuře různých látek a tento rozdíl ve struktuře látky je příčinou rozdílu v magnetických vlastnostech látky.
Paramagnetické a diamagnetické materiály nazýváme jako slabě magnetické materiály a feromagnetické materiály jako silné magnetické materiály.
Obecně řečeno, magnetické materiály označují feromagnetické materiály. Magnetické materiály lze rozdělit na měkké magnetické materiály a tvrdé magnetické materiály podle obtížnosti demagnetizace po zmagnetování. Materiál, který se po magnetizaci snadno demagnetizuje, se nazývá měkký magnetický materiál a materiál, který není snadné odmagnetizovat, se nazývá tvrdý magnetický materiál. Obecně řečeno, remanence měkkých magnetických materiálů je malá a remanence tvrdých magnetických materiálů je větší.
Základní charakteristiky
1. Magnetizační křivka magnetických materiálů
Magnetické materiály jsou složeny z feromagnetických materiálů nebo ferimagnetických materiálů, které jsou aplikovány na magnetické pole H Níže musí existovat odpovídající intenzita magnetizace M nebo intenzita magnetické indukce B, křivka jejich změny s intenzitou magnetického pole H se nazývá magnetizační křivka (křivka M～H nebo B～H). Obecně řečeno, magnetizační křivka je nelineární a má dvě charakteristiky: magnetickou saturaci a hysterezi. To znamená, že když je intenzita magnetického pole H dostatečně velká, magnetizace M dosáhne určité hodnoty nasycení Ms a dále se zvyšuje H a Ms zůstává nezměněna; a když hodnota M materiálu dosáhne nasycení, vnější magnetické pole H klesá na nulu, M a nevrátí se k nule, ale mění se podél křivky MsMr. Pracovní stav materiálu je ekvivalentní určitému bodu na křivce M～H nebo B～H a tento bod se často nazývá pracovní bod.
2. Společné parametry magnetických vlastností magneticky měkkých materiálů
Intenzita saturační magnetické indukce Bs: Její velikost závisí na složení materiálu a její odpovídající fyzikální stav je uspořádané uspořádání vektorů magnetizace uvnitř materiálu.
Zbytková magnetická indukce Br: je charakteristický parametr hysterezní smyčky, hodnota B, když se H vrátí na 0.
Poměr obdélníku: Br∕Bs
Koercivita Hc: Je to množství, které udává obtížnost magnetizace materiálu, která závisí na složení a vadách materiálu (nečistoty, napětí atd.).
Permeabilita μ: je poměr B k H odpovídající libovolnému bodu hysterezní smyčky, který úzce souvisí s pracovním stavem zařízení.
Počáteční permeabilita μi, maximální permeabilita μm, diferenciální permeabilita μd, amplitudová permeabilita μa, efektivní permeabilita μe, pulzní permeabilita μp.
Curieova teplota Tc: Magnetizace feromagnetické látky klesá s rostoucí teplotou. Při dosažení určité teploty spontánní magnetizace mizí a přechází v paramagnetismus. Kritická teplota je Curieova teplota. Určuje horní mezní teplotu magnetického zařízení.
Ztráta P: Hysterezní ztráta Ph a ztráta vířivými proudy Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2 /, ρ se sníží, způsob, jak snížit hysterezní ztrátu Ph, je snížit koercitivní sílu Hc ; Metodou ke snížení ztráty Pe vířivými proudy je ztenčení tloušťky t magnetického materiálu a zvýšení měrného odporu ρ materiálu. Vztah mezi ztrátou magnetického jádra a nárůstem teploty magnetického jádra ve volném nehybném vzduchu je: celkový ztrátový výkon (mW)/plocha povrchu (cm2)
3. Převod mezi magnetickými parametry měkkého magnetického materiálu a elektrickými parametry zařízení
Při návrhu měkkého magnetického zařízení musí být nejprve stanoveny napěťově-proudové charakteristiky zařízení podle požadavků obvodu. Napěťově-proudové charakteristiky zařízení úzce souvisí s geometrií a stavem magnetizace magnetického jádra. Konstruktér musí znát proces magnetizace materiálu a ovládat převodní vztah mezi magnetickými parametry materiálu a elektrickými parametry zařízení. Návrh měkkých magnetických zařízení obvykle zahrnuje tři kroky: správný výběr magnetických materiálů; rozumné určení geometrického tvaru a velikosti magnetického jádra; podle požadavků magnetických parametrů simulujte pracovní stav magnetického jádra, abyste získali odpovídající elektrické parametry.
Stručná historie
Čína je první zemí na světě, která objevila hmotný magnetismus a použila magnetické materiály. Existují záznamy o přírodních magnetických materiálech (jako je magnetit) již v období válčících států. Způsob výroby umělých materiálů s permanentními magnety byl vynalezen v 11. století. V roce 1086 „Mengxi Bi Tan“ zaznamenal výrobu a použití kompasu. V letech 1099 až 1102 existoval popis kompasu používaného k navigaci a byl objeven i fenomén geomagnetické deklinace. V moderní době rozvoj energetiky podpořil vývoj kovových magnetických materiálů - plechů z křemíkové oceli (slitiny Si-Fe). Kovy s permanentními magnety se v 19. století vyvinuly z uhlíkové oceli na pozdější slitiny permanentních magnetů vzácných zemin a jejich výkon se zlepšil více než 200krát. S rozvojem komunikační technologie se měkké magnetické kovové materiály změnily z vloček na vlákna a poté na prášky, které stále nemohou splnit požadavky na rozšíření frekvence. Ve 40. letech 20. století vynalezl Holanďan J. L. Snowyk feritové měkce magnetické materiály s vysokým měrným odporem a dobrými vysokofrekvenčními charakteristikami a poté se objevily levné permanentní ferity. Na počátku 50. let 20. století s rozvojem elektronických počítačů použil Číňan-Američan Wang An jako vnitřní paměť počítače poprvé obdélníkové magnetické slitinové komponenty a brzy byly nahrazeny obdélníkovými magnetickými feritovými paměťovými jádry. Vývoj sehrál důležitou roli. Na počátku 50. let 20. století bylo zjištěno, že ferit má jedinečné mikrovlnné vlastnosti a byla vyrobena řada mikrovlnných feritových zařízení. Piezomagnetické materiály se používaly v sonarové technice během první světové války, ale kvůli vzhledu piezoelektrické keramiky se použití omezilo. Později se objevila slitina vzácných zemin se silným tlakem a magnetismem. Amorfní (amorfní) magnetické materiály jsou výsledkem moderního magnetického výzkumu. Po vynálezu technologie rychlého kalení byl v roce 1967 vyřešen proces výroby pásky, což je pozitivní přechod k praktickému využití.
Klasifikace
Magnetické materiály mají magneticky uspořádané feromagnetické materiály a obecně zahrnují slabě magnetické a antiferomagnetické materiály, které mohou uplatnit svůj magnetismus a magnetické účinky. Magnetismus je základní vlastností hmoty. Látky lze podle vnitřní struktury a vlastností ve vnějším magnetickém poli rozdělit na látky diamagnetické, paramagnetické, feromagnetické, antiferomagnetické a ferimagnetické. Feromagnetické a ferimagnetické materiály jsou silné magnetické materiály, zatímco diamagnetické a paramagnetické materiály jsou slabě magnetické materiály. Magnetické materiály se podle vlastností dělí na kovové a nekovové materiály. První zahrnuje především elektrotechnickou ocel, slitiny na bázi niklu a slitiny vzácných zemin, zatímco druhá zahrnuje především feritové materiály. Podle použití se dělí na měkké magnetické materiály, permanentní magnetické materiály a funkční magnetické materiály. Funkční magnetické materiály zahrnují především magnetostrikční materiály, magnetické záznamové materiály, magnetorezistentní materiály, magnetické bublinkové materiály, magnetooptické materiály, gyromagnetické materiály a magnetické tenkovrstvé materiály. Magnetizační křivka a hysterezní smyčka odrážejí základní magnetické vlastnosti magnetických materiálů. A magnetická ztráta.
Materiál permanentního magnetu
Poté, co byl zmagnetizován vnějším magnetickým polem, může i při působení značného reverzního magnetického pole stále zachovat část nebo většinu původního směru magnetizace. Požadavky na tento typ materiálu jsou vysoká zbytková intenzita magnetické indukce Br, vysoká koercivita BHC (tj. antidemagnetizační schopnost) a produkt magnetické energie (BH) (tj. energie magnetického pole poskytovaná vesmíru) je velká. Ve srovnání s měkkými magnetickými materiály se také nazývá tvrdé magnetické materiály. Existují tři typy materiálů s permanentními magnety: slitiny, ferity a intermetalické sloučeniny. ①Slitiny: včetně lití, slinování a obrobitelných slitin. Hlavní varianty slévárenských slitin jsou: AlNi (Co), FeCr (Co), FeCrMo, FeAlC, FeCo (V) (W); slinuté slitiny jsou: Re-Co (Re znamená prvky vzácných zemin), Re-Fe a AlNi (Co) ), FeCrCo atd.; Mezi obrobitelné slitiny patří: FeCrCo, PtCo, MnAlC, CuNiFe a AlMnAg atd. Poslední dvě jsou také známé jako semipermanentní materiály s nižším BHC. ②Ferrity: hlavní složkou je MO·6Fe2O3 a M představuje Ba, Sr, Pb nebo SrCa, LaCa a další kompozitní složky. ③Intermetalické sloučeniny: zastoupené především MnBi.
Permanentní magnetické materiály mají mnoho využití. ①Hlavní aplikace založené na principu elektromagnetické síly jsou: reproduktory, mikrofony, měřiče, tlačítka, motory, relé, senzory, spínače atd. ②Aplikace založené na principu magnetoelektrického působení zahrnují především: mikrovlnné elektronky jako magnetrony a postupná vlna trubice, obrazovky, titanová čerpadla, mikrovlnná feritová zařízení, magnetorezistivní zařízení, Hallova zařízení atd. ③Aplikace založené na principu magnetické síly zahrnují zejména: magnetická ložiska, koncentrátory, magnetické separátory, magnetické přísavky, magnetické těsnění, magnetické tabule, hračky , cedule, zámky na hesla, kopírky, teploměry atd. Mezi další aplikace patří: magnetoterapie, magnetizovaná voda, magnetická anestezie atd.
Podle potřeby použití mohou mít materiály s permanentními magnety různé struktury a tvary. Některé materiály se liší mezi izotropií a anizotropií.
Měkký magnetický materiál
Jeho hlavní funkcí je přeměna a přenos magnetické a elektromagnetické energie. Proto je pro tento typ materiálu vyžadována vysoká permeabilita a magnetická indukce a plocha hysterezní smyčky nebo magnetické ztráty by měly být malé. Na rozdíl od permanentních magnetických materiálů platí, že čím menší Br a BHC, tím lepší, ale čím větší je saturační hustota magnetického toku Bs, tím lépe.
Druh měkkého magnetického materiálu – železné práškové jádro
Měkké magnetické materiály lze zhruba rozdělit do čtyř kategorií. ① Slitinový tenký pásek nebo plech: FeNi (Mo), FeSi, FeAl atd. ② Pás z amorfní slitiny: na bázi Fe, na bázi Co, na bázi FeNi nebo FeNiCo atd., s příslušným Si, B, P a dalšími dopingové prvky, známé také jako magnetické sklo. ③Magnetické médium (jádro ze železného prášku): FeNi (Mo), FeSiAl, karbonylové železo, ferit a další práškové materiály, které jsou potaženy a spojeny elektricky izolačním médiem a poté lisovány do požadovaného tvaru. ④Ferrit: včetně typu spinelu──MO·Fe2O3 (M znamená NiZn, MnZn, MgZn, Li1/2Fe1/2Zn, CaZn atd.), typ magnetoplumbitu──Ba3Me2Fe24O41 (Me znamená Co, Ni, Mg, Zn a jejich kompozitní složky). Měkké magnetické materiály jsou široce používány, zejména pro vysokofrekvenční zrychlení magnetických antén, induktorů, transformátorů, magnetických hlav, sluchátek, relé, vibrátorů, TV vychylovacích třmenů, kabelů, zpožďovacích vedení, senzorů, materiálů absorbujících mikrovlny, elektromagnetů a urychlovačů Dutina , sonda magnetického pole, magnetický substrát, stínění magnetického pole, akumulace vysokofrekvenční zhášecí energie, elektromagnetické sklíčidlo, magnetický citlivý prvek (jako je magnetokalorický materiál jako spínač) atd.
Materiál magnetického záznamu amagnetický záznam
Používá se hlavně pro záznam informací, bezkontaktní spínač, logické operace a zesílení informací. Charakteristickým znakem tohoto materiálu je, že hysterezní smyčka je obdélníková.
Gyromagnetický materiál
Má jedinečný mikrovlnný magnetismus, jako je tenzorová charakteristika permeability, Faradayova rotace, rezonanční absorpce, posun pole, fázový posun, dvojlom a spinová vlna atd. Efekt. Takto konstruovaná zařízení se používají především pro přenos a přeměnu mikrovlnné energie. Běžně se používají izolátory, cirkulátory, filtry (pevné nebo ESC), atenuátory, fázové posuvy, modulátory, spínače, omezovače a zpožďovací linky atd., stále se vyvíjejí zařízení s povrchovou magnetickou vlnou a magnetostatickou vlnou (viz mikrovlnná feritová zařízení). Běžně používané materiály tvoří řady, včetně řady Ni, řady Mg, řady Li, řady YlG, řady BiCaV a dalších feritových materiálů; a mohou být vyrobeny do různých struktur, jako je monokrystal, polykrystalický, amorfní nebo tenký film podle potřeb zařízení a formy.
Piezomagnetické materiály
Tento typ materiálu se vyznačuje mechanickou deformací působením vnějšího magnetického pole, proto se také nazývá magnetostrikční materiál. Jeho funkcí je působit jako magnetoakustická nebo magnetická síla. Přeměna energie. Běžně se používá ve vibračních hlavicích ultrazvukových generátorů, mechanických filtrech komunikačních strojů a elektrických zpožďovacích linkách pulzního signálu atd. Lze jej kombinovat s mikrovlnnou technologií pro výrobu mikroakustických (nebo rotačních akustických) zařízení. Vzhledem k vysoké mechanické pevnosti slitinového materiálu, odolnosti vůči vibracím a žádné explozi používá vibrační hlava většinou slitiny řady Ni a řady NiCo; pro použití pod malými signály se většinou používají ferity řady Ni a NiCo. Pro výrobu zpožďovacích linek je vhodný nový typ amorfní slitiny se silnějším piezomagnetismem. Výroba a aplikace piezomagnetických materiálů jsou mnohem menší než u předchozích čtyř materiálů.
Aplikace magnetických materiálů-transformátorů
Magnetické materiály jsou široce používané materiály ve výrobě, životě a národní obranné vědě a technologii. Jako je výroba různých motorů a transformátorů v energetice, různých magnetických součástek a mikrovlnných trubic v elektronické technice, filtrů a zesilovačů v komunikační technice, magnetických min, elektromagnetických zbraní a různých domácích spotřebičů v technice národní obrany atd. . Kromě toho byly magnetické materiály také široce používány v geologickém a minerálním průzkumu, průzkumu oceánů a nových technologiích v oblasti informací, energetiky, biologie a vesmíru. Magnetické materiály mají široké využití. K výrobě součástek nebo zařízení využívejte především jeho různé magnetické vlastnosti a speciální efekty; slouží k ukládání, přenosu a přeměně elektromagnetické energie a informací nebo generování určité intenzity a rozložení magnetických polí v konkrétním prostoru; někdy přímo v přírodní formě využití materiálu (např. magnetická kapalina). Magnetické materiály hrají důležitou roli v oblasti elektronických technologií a dalších oblastech vědy a techniky.
Charakteristika magnetických materiálů
Materiály s feromagnetickými vlastnostmi mají následující vlastnosti:
①I když neexistuje žádné vnější magnetické pole, v každé malé oblasti (magnetická doména) je uvnitř stále permanentní magnetický moment. Pokud však v nezmagnetizovaném magnetickém materiálu není žádné vnější magnetické pole, směr magnetického momentu každé magnetické domény je libovolně rozložen a jeho vektorový součet je nulový, takže materiál jako celek nemá žádný magnetismus.
②Snadná magnetizace. Je to proto, že při působení vnějšího magnetického pole se směr magnetického momentu každé magnetické domény snaží otočit do směru magnetického pole, takže lze získat velkou intenzitu magnetické indukce B. Podle vzorce B=μrB0 (B0 je intenzita magnetické indukce ve vakuu), relativní permeabilita magnetického materiálu je μr je obrovský. Ve skutečnosti μr magnetických materiálů dosahuje 10-10, zatímco μr≈1 nemagnetických materiálů.
③Dochází k jevu magnetické saturace, to znamená, že B se zvyšuje s nárůstem H, ale po zvýšení na určitou hodnotu Bs se již nebude zvyšovat s H. BS je saturační hustota magnetického toku magnetického materiálu. Důvodem saturačního jevu je to, že magnetické momenty všech magnetických domén se po dosažení H určité hodnoty otočí do směru magnetického pole. Z tohoto důvodu nejsou B a H lineární, takže permeabilita není konstantní, ale souvisí s intenzitou magnetického pole.
④Došlo k hysterezi. To znamená, že změna intenzity magnetické indukce zaostává za změnou magnetického pole.