Johdanto
Kokeet ovat osoittaneet, että mikä tahansa aine voidaan magnetoida enemmän tai vähemmän ulkoisessa magneettikentässä, mutta magnetisoitumisaste on erilainen. Ulkoisessa magneettikentässä olevien aineiden ominaisuuksien mukaan aineet voidaan jakaa viiteen luokkaan: paramagneettiset aineet, diamagneettiset aineet, ferromagneettiset aineet, ferrimagneettiset aineet ja diamagneettiset aineet.
Molekyylivirtahypoteesin mukaan aineella pitäisi olla suunnilleen samanlaiset ominaisuudet magneettikentässä, mutta tämä kertoo meille, että aineen ominaisuudet ulkoisessa magneettikentässä ovat hyvin erilaisia. Tämä kuvastaa molekyylivirtahypoteesin rajoituksia. Itse asiassa eri aineiden mikrorakenteessa on eroja, ja tämä ero aineen rakenteessa on syynä aineen magneettisten ominaisuuksien eroihin.
Kutsumme paramagneettisia ja diamagneettisia materiaaleja heikosti magneettisiksi materiaaleiksi ja ferromagneettisia materiaaleja vahvoiksi magneettisiksi materiaaleiksi.
Magneettisilla materiaaleilla tarkoitetaan yleensä ferromagneettisia materiaaleja. Magneettiset materiaalit voidaan jakaa pehmeisiin magneettisiin materiaaleihin ja koviin magneettisiin materiaaleihin magnetoinnin jälkeen tapahtuvan demagnetoinnin vaikeuden mukaan. Materiaalia, joka on helppo demagnetoida magnetoinnin jälkeen, kutsutaan pehmeäksi magneettiseksi materiaaliksi, ja materiaalia, jota ei ole helppo demagnetoida, kutsutaan kovaksi magneettiseksi materiaaliksi. Yleisesti ottaen pehmeiden magneettisten materiaalien remanenssi on pieni ja kovien magneettisten materiaalien remanenssi on suurempi.
Perusominaisuudet
1. Magneettisten materiaalien magnetointikäyrä
Magneettiset materiaalit koostuvat ferromagneettisista materiaaleista tai ferrimagneettisista materiaaleista, jotka kohdistetaan magneettikenttään H Alla on oltava vastaava magnetointiintensiteetti M tai magneettisen induktion intensiteetti B, niiden muutoskäyrää magneettikentän intensiteetillä H kutsutaan nimellä magnetointikäyrä (M～H tai B～H käyrä). Yleisesti ottaen magnetointikäyrä on epälineaarinen ja sillä on kaksi ominaisuutta: magneettinen kylläisyys ja hystereesi. Toisin sanoen kun magneettikentän intensiteetti H on riittävän suuri, magnetointi M saavuttaa tietyn kyllästysarvon Ms ja jatkaa H:n kasvua ja Ms pysyy muuttumattomana; ja kun materiaalin M-arvo saavuttaa kyllästymisen, ulkoinen magneettikenttä H pienenee nollaan, M ja Se ei palaa nollaan, vaan muuttuu MsMr-käyrää pitkin. Materiaalin työtila vastaa tiettyä pistettä M～H- tai B～H-käyrällä, ja tätä pistettä kutsutaan usein työpisteeksi.
2. Pehmeiden magneettisten materiaalien yleiset magneettiset suorituskykyparametrit
Kyllästymisen magneettisen induktion intensiteetti Bs: Sen suuruus riippuu materiaalin koostumuksesta, ja sitä vastaava fysikaalinen tila on magnetointivektorien säännöllinen järjestely materiaalin sisällä.
Jäännösmagneettinen induktio Br: on hystereesisilmukan ominaisparametri, B:n arvo, kun H palaa arvoon 0.
Suorakaidesuhde: Br∕Bs
Koersitiivisuus Hc: Se on määrä, joka ilmaisee materiaalin magnetoinnin vaikeuden, joka riippuu materiaalin koostumuksesta ja vioista (epäpuhtaudet, jännitys jne.).
Permeabiliteetti μ: on B:n ja H:n suhde, joka vastaa mitä tahansa hystereesisilmukan pistettä, joka liittyy läheisesti laitteen toimintatilaan.
Alkuläpäisevyys μi, maksimiläpäisevyys μm, differentiaalinen permeabiliteetti μd, amplitudiläpäisevyys μa, tehollinen permeabiliteetti μe, pulssin läpäisevyys μp.
Curie-lämpötila Tc: Ferromagneettisen aineen magnetoituminen vähenee lämpötilan noustessa. Kun tietty lämpötila saavutetaan, spontaani magnetoituminen katoaa ja muuttuu paramagnetismiksi. Kriittinen lämpötila on Curie-lämpötila. Se määrittää magneettisen laitteen ylärajalämpötilan.
Hystereesihäviö P: Hystereesihäviö Ph ja pyörrevirtahäviö Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2 /, ρ pienenee, tapa pienentää hystereesihäviötä Ph on pienentää pakkovoimaa Hc ; Menetelmä pyörrevirtahäviön Pe pienentämiseksi on ohentaa magneettisen materiaalin paksuutta t ja lisätä materiaalin ominaisvastusta ρ. Magneettisydämen häviön ja magneettisydämen lämpötilan nousun välinen suhde vapaassa tyynessä ilmassa on: kokonaistehohäviö (mW)/pinta-ala (cm2)
3. Muunnos pehmeän magneettisen materiaalin magneettisten parametrien ja laitteen sähköisten parametrien välillä
Pehmeää magneettilaitetta suunniteltaessa on ensin määritettävä laitteen jännite-virtaominaisuudet piirin vaatimusten mukaisesti. Laitteen jännite-virta-ominaisuudet liittyvät läheisesti magneettisydämen geometriaan ja magnetointitilaan. Suunnittelijan tulee tuntea materiaalin magnetointiprosessi ja hallita materiaalin magneettisten parametrien ja laitteen sähköisten parametrien muunnossuhde. Pehmeiden magneettisten laitteiden suunnittelu sisältää yleensä kolme vaihetta: magneettisten materiaalien oikea valinta; magneettisydämen geometrisen muodon ja koon kohtuullinen määrittäminen; magneettisten parametrien vaatimusten mukaisesti simuloi magneettisydämen toimintatilaa vastaavien sähköisten parametrien saamiseksi.
Lyhyt historia
Kiina on ensimmäinen maa maailmassa, joka on löytänyt materiaalimagnetismin ja soveltanut magneettisia materiaaleja. Luonnollisista magneettisista materiaaleista (kuten magnetiitista) on tietueita jo sotivien valtioiden kaudella. Keinotekoisten kestomagneettimateriaalien valmistusmenetelmä keksittiin 1000-luvulla. Vuonna 1086 "Mengxi Bi Tan" tallensi kompassin valmistuksen ja käytön. Vuosina 1099-1102 oli kuvaus navigoinnissa käytetystä kompassista, ja myös geomagneettisen deklinaation ilmiö löydettiin. Nykyaikana energiateollisuuden kehitys on edistänyt metallisten magneettisten materiaalien - piiteräslevyjen (Si-Fe-seokset) -kehitystä. Kestomagneettimetallit kehittyivät hiiliteräksestä 1800-luvulla myöhemmin harvinaisten maametallien kestomagneettiseoksiksi, ja niiden suorituskyky parani yli 200 kertaa. Viestintätekniikan kehittyessä pehmeät magneettiset metallimateriaalit ovat muuttuneet hiutaleista filamenteiksi ja sitten jauheiksi, jotka eivät vieläkään pysty täyttämään taajuuden laajenemisen vaatimuksia. 1940-luvulla hollantilainen J. L. Snowyk keksi ferriittipehmeitä magneettisia materiaaleja, joilla oli korkea resistiivisyys ja hyvät korkeataajuiset ominaisuudet, ja sitten ilmestyi edullisia pysyviä ferriittejä. 1950-luvun alussa elektronisten tietokoneiden kehityksen myötä kiinalais-amerikkalainen Wang An käytti ensimmäisen kerran suorakaiteen muotoisia magneettiseoskomponentteja tietokoneen sisäisenä muistina, ja se korvattiin pian suorakaiteen muotoisilla magneettisilla ferriittimuistiytimillä. Kehityksellä on ollut tärkeä rooli. 1950-luvun alussa havaittiin, että ferriitillä oli ainutlaatuisia mikroaaltoominaisuuksia, ja tehtiin sarja mikroaaltoferriittilaitteita. Pietsomagneettisia materiaaleja on käytetty luotaintekniikassa ensimmäisen maailmansodan aikana, mutta pietsosähköisen keramiikan ilmaantumisen vuoksi käyttö on vähentynyt. Myöhemmin ilmestyi harvinaisen maametallin metalliseos, jolla oli voimakas paine ja magnetismi. Amorfiset (amorfiset) magneettiset materiaalit ovat tulosta nykyaikaisesta magneettitutkimuksesta. Pikasammutustekniikan keksimisen jälkeen nauhan valmistusprosessi ratkaistiin vuonna 1967, mikä on myönteinen siirtymä käytännön käyttöön.
Luokitus
Magneettisissa materiaaleissa on magneettisesti järjestettyjä ferromagneettisia materiaaleja, ja niihin sisältyy laajalti heikosti magneettisia ja antiferromagneettisia materiaaleja, jotka voivat soveltaa magnetismiaan ja magneettisia vaikutuksiaan. Magnetismi on aineen perusominaisuus. Aineet voidaan jakaa diamagneettisiin, paramagneettisiin, ferromagneettisiin, antiferromagneettisiin ja ferrimagneettisiin aineisiin niiden sisäisen rakenteen ja ulkoisessa magneettikentässä olevien ominaisuuksien mukaan. Ferromagneettiset ja ferrimagneettiset materiaalit ovat vahvoja magneettisia materiaaleja, kun taas diamagneettiset ja paramagneettiset materiaalit ovat heikosti magneettisia materiaaleja. Magneettiset materiaalit jaetaan ominaisuuksiensa mukaan metallisiin ja ei-metallisiin materiaaleihin. Ensin mainittu sisältää pääasiassa sähköterästä, nikkelipohjaisia seoksia ja harvinaisten maametallien seoksia, kun taas jälkimmäinen on pääasiassa ferriittimateriaaleja. Käyttötarkoituksen mukaan se jaetaan pehmeisiin magneettimateriaaleihin, kestomagneettimateriaaleihin ja toiminnallisiin magneettisiin materiaaleihin. Toiminnallisia magneettimateriaaleja ovat pääasiassa magnetostriktiiviset materiaalit, magneettiset tallennusmateriaalit, magneettiresistanssimateriaalit, magneettiset kuplamateriaalit, magneto-optiset materiaalit, gyromagneettiset materiaalit ja magneettiset ohutkalvomateriaalit. Magnetointikäyrä ja hystereesisilmukka heijastavat magneettisten materiaalien magneettisia perusominaisuuksia. Ja magneettinen häviö.
Kestomagneettimateriaali
Sen jälkeen kun se on magnetoitu ulkoisella magneettikentällä, se voi silti säilyttää osan tai suurimman osan alkuperäisestä magnetointisuunnasta jopa huomattavan käänteisen magneettikentän vaikutuksesta. Tämän tyyppisen materiaalin vaatimukset ovat korkea jäännösmagneettisen induktion intensiteetti Br, korkea koersitiivinen BHC (eli kyky demagnetisoitua) ja magneettinen energiatuote (
Pystymagneettisilla materiaaleilla on monia käyttötarkoituksia. ①Tärkeimmät sähkömagneettisen voiman periaatteeseen perustuvat sovellukset ovat: kaiuttimet, mikrofonit, mittarit, painikkeet, moottorit, releet, anturit, kytkimet jne. ②Magnetoelektrisen toiminnan periaatteeseen perustuvia sovelluksia ovat pääasiassa: mikroaaltoelektroniputket, kuten magnetronit ja liikkuva aalto putket, kuvaputket, titaanipumput, mikroaaltoferriittilaitteet, magnetoresistiiviset laitteet, Hall-laitteet jne. ③Magneettisen voiman periaatteeseen perustuvia sovelluksia ovat pääasiassa: magneettiset laakerit, keskittimet, magneettiset erottimet, magneettiset imukupit, magneettitiivisteet, magneettitaulut, lelut , kyltit, salasanalukot, kopiokoneet, lämpömittarit jne. Muita sovelluksia ovat: magneettihoito, magnetoitu vesi, magneettinen anestesia jne.
Käyttötarpeiden mukaan kestomagneettimateriaaleilla voi olla erilaisia rakenteita ja muotoja. Jotkut materiaalit eroavat isotropian ja anisotropian välillä.
Pehmeä magneettinen materiaali
Sen päätehtävä on magneettisen ja sähkömagneettisen energian muuntaminen ja siirtäminen. Siksi tämän tyyppiselle materiaalille vaaditaan suurta läpäisevyyttä ja magneettista induktiota, ja hystereesisilmukan alueen tai magneettihäviön tulee olla pieni. Toisin kuin kestomagneettimateriaalit, mitä pienemmät Br ja BHC ovat, sitä parempi, mutta mitä suurempi saturaatiomagneettivuon tiheys Bs, sitä parempi.
Eräänlainen pehmeä magneettinen materiaali - rautajauheydin
Pehmeät magneettiset materiaalit voidaan jakaa karkeasti neljään luokkaan. ① Seostettu ohut nauha tai levy: FeNi (Mo), FeSi, FeAl jne. ②Amorfinen metalliseosnauha: Fe-pohjainen, Co-pohjainen, FeNi-pohjainen tai FeNiCo-pohjainen jne., joissa on sopiva Si, B, P ja muut dopingelementtejä, jotka tunnetaan myös nimellä magneettilasi. ③Magneettinen väliaine (rautajauheydin): FeNi (Mo), FeSiAl, karbonyylirauta, ferriitti ja muut jauhemateriaalit, jotka on päällystetty ja liimattu sähköisellä eristysaineella ja sitten puristetaan muotoon tarpeen mukaan. ④Ferriitti: mukaan lukien spinellityyppi──MO·Fe2O3 (M tarkoittaa NiZn, MnZn, MgZn, Li1/2Fe1/2Zn, CaZn jne.), magnetoplumbiittityyppi──Ba3Me2Fe24O41 (Me tarkoittaa Co, Ni, Cu, Mg ja niiden yhdistelmäkomponentit). Pehmeitä magneettisia materiaaleja käytetään laajalti, pääasiassa magneettisten antennien, induktorien, muuntajien, magneettipäiden, kuulokkeiden, releiden, vibraattoreiden, TV-poikkeutuskelojen, kaapeleiden, viivelinjojen, antureiden, mikroaaltoja absorboivien materiaalien, sähkömagneettien ja kiihdyttimien suurtaajuiseen kiihdytykseen. , magneettikenttäanturi, magneettisubstraatti, magneettikentän suojaus, korkeataajuinen sammutusenergian kertymä, sähkömagneettinen istukka, magneettiherkkä elementti (kuten magneto-kalorinen materiaali kytkimenä) jne.
Momenttimagneettinen jamagneettinen tallennusmateriaali
Käytetään pääasiassa tiedon tallentamiseen, kontaktittomaan kytkimeen, logiikkakäyttöön ja tiedon vahvistamiseen. Tämän materiaalin ominaisuus on, että hystereesisilmukka on suorakaiteen muotoinen.
Gyromagneettinen materiaali
Sillä on ainutlaatuinen mikroaaltomagnetismi, kuten permeabiliteetin tensoriominaisuus, Faraday-kierto, resonanssiabsorptio, kenttäsiirtymä, vaihesiirto, kahtaistaitteisuus ja spinaalto jne. Vaikutus. Tämän mukaisesti suunniteltuja laitteita käytetään pääasiassa mikroaaltoenergian siirtoon ja muuntamiseen. Yleisesti käytettyjä ovat isolaattorit, kiertovesipumput, suodattimet (kiinteät tai ESC), vaimentimet, vaiheensiirtimet, modulaattorit, kytkimet, rajoittimet ja viivelinjat jne., pintamagneettisia aalto- ja magnetostaattisia aaltolaitteita kehitetään edelleen (katso mikroaaltoferriittilaitteet). Yleisesti käytetyt materiaalit ovat muodostaneet sarjan, mukaan lukien Ni-sarja, Mg-sarja, Li-sarja, YlG-sarja, BiCaV-sarja ja muut ferriittimateriaalit; ja niistä voidaan tehdä erilaisia rakenteita, kuten yksikiteinen, monikiteinen, amorfinen tai ohutkalvo laitteen ja muodon tarpeiden mukaan.
Pietsomagneettiset materiaalit
Tälle materiaalille on ominaista mekaaninen muodonmuutos ulkoisen magneettikentän vaikutuksesta, joten sitä kutsutaan myös magnetostriktiiviseksi materiaaliksi. Sen tehtävänä on toimia magnetoakustisena tai magneettisena voimana. Energian muunnos. Sitä käytetään yleisesti ultraäänigeneraattoreiden värähtelypäässä, viestintäkoneiden mekaanisissa suodattimissa ja sähköisten pulssisignaalien viivelinjoissa jne. Se voidaan yhdistää mikroaaltoteknologiaan mikroakustisten (tai pyörivien akustisten) laitteiden valmistamiseksi. Seosmateriaalin korkean mekaanisen lujuuden, tärinänkestävyyden ja räjähdysvakauden vuoksi tärypää käyttää enimmäkseen Ni-sarjan ja NiCo-sarjan seoksia; käytettäviksi pienten signaalien alla, Ni-sarjan ja NiCo-sarjan ferriittejä käytetään enimmäkseen. Uuden tyyppinen amorfinen metalliseos, jolla on vahvempi pietsomagnetismi, sopii viivelinjojen valmistukseen. Pietsomagneettisten materiaalien tuotanto ja käyttö ovat paljon vähemmän kuin neljä edellistä materiaalia.
Magneettisten materiaalien-muuntajien käyttö
Magneettiset materiaalit ovat laajalti käytettyjä materiaaleja tuotannossa, elämässä sekä maanpuolustuksessa tieteessä ja tekniikassa. Kuten erilaisten moottorien ja muuntajien valmistus tehotekniikassa, erilaisten magneettikomponenttien ja mikroaaltoputkien valmistus elektroniikkatekniikassa, suodattimet ja vahvistimet viestintätekniikassa, magneettimiinat, sähkömagneettiset aseet ja erilaiset kodinkoneet maanpuolustustekniikassa jne. Lisäksi magneettisia materiaaleja on käytetty laajalti myös geologisessa ja mineraalitutkimuksessa, valtamerien etsinnässä ja uusissa informaatio-, energia-, biologia- ja avaruusteknologioissa. Magneettisilla materiaaleilla on laaja käyttöalue. Käytä pääasiassa sen erilaisia magneettisia ominaisuuksia ja erikoistehosteita komponenttien tai laitteiden valmistukseen; käytetään sähkömagneettisen energian ja tiedon tallentamiseen, siirtämiseen ja muuntamiseen tai tietyn voimakkuuden ja magneettikenttien jakautumiseen tietyssä tilassa; joskus suoraan materiaalin luonnollisessa muodossa Käyttö (kuten magneettinen neste). Magneettisilla materiaaleilla on tärkeä rooli elektroniikkatekniikan alalla ja muilla tieteen ja teknologian aloilla.
Magneettisten materiaalien ominaisuudet
Materiaaleilla, joilla on ferromagneettisia ominaisuuksia, on seuraavat ominaisuudet:
①Vaikka ulkoista magneettikenttää ei olisi, jokaisella pienellä alueella (magneettinen alue) on edelleen pysyvä magneettinen momentti sisällä. Kuitenkin, kun magnetoimattomassa magneettisessa materiaalissa ei ole ulkoista magneettikenttää, kunkin magneettialueen magneettisen momentin suunta jakautuu mielivaltaisesti ja sen vektorin summa on nolla, joten materiaalilla kokonaisuutena ei ole magnetismia.
②Helppo magnetoida. Tämä johtuu siitä, että ulkoisen magneettikentän vaikutuksesta kunkin magneettialueen magneettisen momentin suunta yrittää kääntyä magneettikentän suuntaan, jolloin voidaan saada suuri magneettisen induktion intensiteetti B. Kaavan B=μrB0 (B0 on magneettisen induktion intensiteetti tyhjiössä) mukaan magneettisen materiaalin suhteellinen permeabiliteetti on μr on valtava. Itse asiassa magneettisten materiaalien μr saavuttaa arvon 10-10, kun taas ei-magneettisten materiaalien μr≈1.
③On olemassa magneettinen kylläisyysilmiö, eli B kasvaa H:n kasvaessa, mutta kun se on kasvanut tiettyyn arvoon Bs, se ei enää kasva H:n kanssa. BS on magneettisen materiaalin kyllästysmagneettivuon tiheys. Kyllästysilmiön syynä on se, että kaikkien magneettialueiden magneettiset momentit kääntyvät magneettikentän suuntaan sen jälkeen, kun H saavuttaa tietyn arvon. Tästä syystä B ja H eivät ole lineaarisia, joten permeabiliteetti ei ole vakio, vaan se liittyy magneettikentän voimakkuuteen.
④On hystereesiä. Eli magneettisen induktion intensiteetin muutos jää magneettikentän muutoksen jälkeen.