МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ ФАКТОРОВ НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА

В табл. 1 схематически показана зависимость магнитных свойств от различных факторов: случайных примесей, упругих и остаточных деформаций, направленной кристаллизации, темпе­ратуры и воздушного зазора [Л. 8].

Из таблицы видно, что наиболее характерной для магнитного материала величиной, не зависящей от внешних факторов, яв­ляется точка Кюри ©. Измеряя ее, можно судить о хими­ческом составе материала. Точка Кюри для железа 770° С, для

Таблица 1

Схематическое изображение зависимости магнитных свойств от различных факторов [J1.8]

Примечание: J

Величина ВозрастаетВеличина уменьшав* Величина остает

Ется ся неизменной

Кобальта 1115° С, для никеля 358° С [Л. 2]. Все примеси понижа­ют точку Кюри. В технике находят применение магнитные мате­риалы с самыми различными значениями Э. Например, для не­магнитных сталей и чугунов значения © лежат ниже рабочих температур.

Второй мало изменяющейся от внешних условий величиной является намагниченность насыщения Js (или индукция насыще­ния Bs). Она зависит от температуры[20]. При температурах, не очень близких к точке Кюри й к абсолютному нулю, эта зависи­мость для чистых железа, никеля и кобальта выражается соот­ношением:

Ji = th{Vi\ о <32>

Где /о — намагниченность насыщения при 0° К;

Т — абсолютная температура.

Графическое изображение этой зависимости, а также экспе­риментальные данные для железа и никеля представлены на рис. 16. При температурах, значительно ниже ©, уменьшение Js происходит практически по линейному закону. В небольшом диапазоне изменения рабочих температур намагниченность на­сыщения с некоторым приближением можно считать постоянной, например для железа 4jt/s ~ 21 500 гс. Однако достижение на­сыщения для материалов разной степени чистоты и с разной величиной внутренних напряжений происходит в разных полях.

Иногда 0 и /s называют первичными магнитными свой­ствами.

Вторичные магнитные свойства (начальная и максимальная проницаемости, остаточная индукция, коэрцитивная сила и др.) сложным образом зависят от внешних условий и могут для неко­торых материалов изменяться в широких пределах.

Вопросы стабильности свойств магнитных материа­лов имеют в настоящее время очень важное значение, напри­мер в связи с проблемой на­дежности. Они рассмотрены в последующих главах примени­тельно к конкретным матери­алам. В настоящем параграфе будут сделаны только некото­рые общие замечания относи­тельно влияния примесей и воздушного зазора.

Влияние примесей. Приме­сями называют случайные включения, попавшие в маг­нитный материал в процессе его изготовления и ухудшаю­щие его свойства. Обычно примеси не превышают 1% и практи­чески не влияют на величины Э и Js, зато они могут очень силь­но изменить вид кривой намагничивания и петли гистерезиса. Для большинства металлических материалов особенно вредны­ми являются неметаллические примеси, такие, как углерод, азот и сера. Степень влияния примесей зависит не только от их про­центного содержания, но также и от формы включений (степени измельчения и структуры примеси).

JS 1,4

0.4

Ог

0,4 0,6 Ofi IjO г

Рис. 16. Температурная зависи­мость намагниченности насыще­ния ферромагнитных металлов (сплошная кривая получена рас­четом по формуле (32); пунктир­ные — по данным опыта)

0.8

Примеси нарушают кристаллическую структуру материала и препятствуют свободному перемещению граничного слоя, т. е. уменьшают величину проницаемости, в первую очередь началь­ной. Примеси могут также являться причиной резкого ухудше­ния свойств важнейших материалов для постоянных магнитов — сплавов дисперсионного твердения (§ 21), нарушая ход процесса твердения и уменьшая Нс.

Во многих случаях вредными являются уже сотые доли про­цента примесей. Поэтому производство большинства магнитных материалов является особо точным (прецизионным). К чистоте исходных материалов предъявляются высокие требования. Очистка от примесей осуществляется различными технологиче­скими приемами (переплавкой в вакууме, отжигом при высокой температуре в вакууме или в атмосфере чистейшего водорода и др.).

Влияние воздушного зазора. Все сказанное выше о магнит­ных свойствах материалов относилось к замкнутой магнитной цепи, например, к кольцевым (тороидальным) образцам, витым сердечникам трансформаторов и дросселей и т. п. Однако на практике в большинстве случаев магнитная цепь является ра­зомкнутой, т. е. содержит воздушный зазор, представляющий, как правило, большое магнитное сопротивление по сравнению с остальной частью цепи. Наличие зазора может существенно из­менить ход кривых намагничивания, значения проницаемости, стабильность и другие свойства.

В теле с воздушным зазором при его намагничивании возни­кают свободные полюса, создающие размагничивающее поле #о> направленное навстречу внешнему намагничивающему по­лю Не. Магнитные свойства такого тела определяются внутрен­ним полем

Hi = Не — #о. (33)

Размагничивающее поле приближенно можно считать пропор­циональным намагниченности. Коэффициент пропорционально­сти между ними называется коэффициентом размагничивания, т. е. можно написать, что

Но = NJ = — (В — НІ)[21]. (34)

4к

Точное значение N имеет только для однородно намагничи­ваемых тел, к которым относятся эллипсоиды вращения. Напри­мер, для шара N= — jt, для бесконечно длинного цилиндра, про-

О

Дольная ось которого перпендикулярна внешнему полю, N = 2л: и изменится, если цилиндр расположить относительно линий поля по-другому и т. д.

На практике в большинстве случаев имеем неоднородно на­магниченные тела, для которых /, а следовательно, и N в разных точках будут различны. В этих случаях пользуются некоторыми усредненными значениями N, определяемыми по приближенным формулам или справочным таблицам для тел заданной формы и размеров.

Например, коэффициент размагничивания для магнитной це­пи в виде кольца с относительно малым радиальным воздушным зазором может быть подсчитан по формуле

= (35)

4я Id

Где 5 ■— площадь сечения кольца;

/ — средняя длина кольцевого магнитопровода; d — длина воздушного зазора; k — некоторая постоянная. Чаще всего понятием коэффициента размагничивания поль­зуются в графоаналитических методах расчета магнитных це­пей. Поэтому изобразим Не, На, Ни N и В на графике, для чего выполним построение, приведен­ное на рис. 17.

Зависимость В = /(#*), полу­ченная для замкнутой магнитной цепи (N = 0), называется кри­вой намагничивания вещества. Если из произвольной точки А этой кривой провести до пересе­чения с осью абсцисс луч АС jV*

Так, чтобы tg в =—, то отрезки п _ ,

4л Рис. 17. Геометрическое изображе-

OD = H и ние коэФФиЦиента размагничива-

1 ния

Не-

НІ + В л = НІ + Яо 4к

OC=OD + DC = Hl + CE tg0

Луч АС называют иногда линией коэффициента размагничи­вания (линией среза). Так как AD = СЕ = ВА, то точка Е соот­ветствует значению магнитной индукции в теле, помещенном во внешнее поле Не. Выполнив построение для других точек кривой Я,- = /(В), получим точки, аналогичные точке Е. Кривая В — =/(#<.), проведенная через эти точки, называется кривой намаг­ничивания тела-

Сравнивая кривые намагничивания вещества и тела, можно сделать следующие замечания.

Чем больше коэффициент размагничивания, т. е. чем короче и толще образец, тем более пологий вид принимает кривая на­магничивания тела. Отсюда следует, что при больших воздуш­ных зазорах ход кривой намагничивания определяется в основ-

* При определении значения угла в необходимо учесть масштабы графи­ка, если /п — масштаб по оси ординат (гс/см), п — масштаб по оси абсцисс m N

(з/слі), то 0 = arc tg — • 1— .

П 4л, •

2 А. А. Преображенский

Ном не магнитными свойствами материала, а конструкцией це­пи. Поэтому в таких цепях применение легко намагничивающих­ся материалов, как правило, дорогих и дефицитных (например, пермаллоев) нецелесообразно, за исключением некоторых слу­чаев [22].

Например, для получения индукции £ = 5000 гс в замкнутом магнитопроводе из пермаллоя марки 79НМ и из электротехниче­ской стали марки Э11 требуются намагничивающие поля, равные соответственно 0,05 или 1,8 э. Преимущество пермаллоя очевид­но. При разомкнутой цепи в виде тороида с отношением длины воздушного зазора к средней длине магнитной линии, проходя­щей по материалу, равным 0,1%, для получения той же индукции требуется поле, соответственно равное 4,0 или 5,0 э. Пермаллой практически не имеет преимущества перед сталью.

Отметим, что в данном примере зазор был взят очень малень­ким (для тороида со средней длиной окружности, равной 100 мм, длина зазора составляет всего 0,1 мм), увеличение зазора окон­чательно сведет на нет достоинства пермаллоя.

Следующее замечание относится к магнитным проницаемо - стям вещества и тела. В. К - Аркадьев, кроме известного понятия магнитной проницаемости вещества \х = В/Ні, ввел понятие маг­нитной проницаемости тела ц0 =В/Не, которое учитывает как свойства материала, так и конструкцию магнитной цепи.

Если известны N и р., то ц0 в системе СГСМ можно вычис­лить по формуле

|Ао = —— . (36)

+ .

[Л 4ТЇ

Из формулы (36) следует, что чем больше проницаемость ве­щества ц (меньше 1/ц), тем сильнее магнитная проницаемость тела определяется конструкцией цепи, в пределе приближаясь к проницаемости формы:

^ф = y - (37)

J

Проницаемость тела всегда меньше проницаемости вещества и меньше зависит от напряженности намагничивающего поля, а также от изменений, вызванных внешними причинами (темпера­турой, механическими напряжениями и т. п.). Другими словами, стабильность свойств разомкнутой магнитной цепи выше ста­бильности замкнутой цепи из того же материала. Этой особенно­стью пользуются на практике.

Например, для повышения стабильности ферритовых магни- топроводов в них иногда специально вводят воздушные зазоры, при этом проигрывают в проницаемости (см. § 13).

Графическое построение рис. 17 можно применить и к петле гистерезиса. Это важно прежде всего для цепей с постоянными магнитами, в которых наличие воздушного зазора является обя­зательным. Этот вопрос рассмотрен в гл. II.