Магнитные свойства материалов

Содержание

1. Магнитные свойства материалов. Ферро- и ферримагнетики.

Поведение сильномагнитных материалов в постоянных и

переменных полях. Петля гистерезиса ……………………………………...3

2. Тип производства. Коэффициент закрепления операций.

Организационно-технические особенности  различных типов 

производства……………………………………………………………………11

3. Задача ………………………………………………………………………… 19

Список  литературы ………………………………………………………………23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Магнитные свойства материалов. Ферро- и ферримагнетики. Поведение сильномагнитных материалов в постоянных и переменных полях. Петля гистерезиса.

Материалы, помещенные во внешнее магнитное  поле, намагничиваются. Намагничивание связано с наличием у атомов (ионов) собственного магнитного поля, которое и определяет степень намагниченности материала. Магнитный момент атома является суммой векторов орбитальных и собственных (спиновых) моментов электронов.

По реакции на внешнее  магнитное поле и характеру внутреннего  магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и  ферримагнетики. Перечисленным видам магнетиков соответствуют пять различных видов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм.

1. Диамагнетики – кристаллы, в которых преобладает диамагнитный эффект, при котором составляющие магнитных полей атомов складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. То есть, диамагнитные материалы к магнитам не притягиваются, а, наоборот, отталкиваются. К ним относят медь, серебро, золото, свинец, цинк, смолу, воду, большую часть газов, воздух и пр. Относительная магнитная проницаемость у них несколько меньше единицы.
2. Парамагнетики – кристаллы, в которых преобладает парамагнитный эффект, возникающий в веществах с наличием нескомпенсированных магнитных моментов и отсутствием магнитного атомного порядка. Это проявляется в том, что в отсутствие внешнего поля векторы магнитных моментов под действием тепловой энергии располагаются равновероятно, в результате чего магнитный момент парамагнетика равен нулю. Такие материалы обладают слабыми магнитными свойствами, т. е., они практически не притягиваются магнитами. Хотя нельзя сказать, что притяжения нет совсем, просто она во много раз слабее, чем у ферромагнетиков, поэтому, притягивание не заметно. К парамагнитным материалам относят алюминий, олово, хром, марганец, платину, вольфрам, растворы солей железа и др. Относительная магнитная проницаемость у них несколько больше единицы.
3. Ферромагнетики – материалы, обладающие большим собственным магнитным полем и способные создавать при намагничивании большие магнитные поля. К ферромагнитным материалам относят железо, кобальт, никель и их сплавы. Они обладают высокой магнитной проницаемостью, в тысячи и даже десятки тысяч раз большей магнитной проницаемости неферромагнитных веществ, и хорошо притягиваются к магнитам и электромагнитам.
4. Антиферромагнетики – вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов.
5. Ферримагнетики – вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

На рисунке 1 изображена ориентация магнитных моментов в слабо- и сильномагнитных материалах.

Рисунок 1 – Ориентация магнитных моментов в слабо- и

сильномагнитных материалах.

Характеристикой намагничивания материалов является намагниченность, равная сумме  магнитных моментов атомов единице  объёма:

                                                                                                         (1)

Магнитная восприимчивость дает связь  намагниченности с напряженностью внешнего магнитного поля: χ = J/H. Магнитная восприимчивость характеризует способность данного вещества, намагничиваться в магнитном поле. Магнитная восприимчивость численно равна намагниченности при единичной напряженности поля.

Намагниченное тело, находящееся во внешнем поле, создает собственное магнитное поле, которое в изотропных материалах направлено параллельно или антипараллельно внешнему полю. Поэтому суммарная магнитная индукция в веществе определяется алгебраической суммой индукции внешнего (В₀)и собственного (В_i) полей:

                                      ₍₂₎

где Гн/м- магнитная постоянная;

      χ – магнитная проницаемость, характеризующая интенсивность роста магнитной индукции  при увеличении напряженности намагничивающего поля.

1. Ферро- и ферримагнетики.

Вещества, способные сильно намагничиваться  в магнитном поле, называются ферромагнетиками. Магнитная проницаемость ферромагнетиков  по порядку величины лежит в пределах 102–105. Например, у стали μ ≈ 8000, у сплава железа с никелем магнитная проницаемость достигает значений 250000.

Для каждого ферромагнетика существует определенная температура (так называемая температура или точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком. У железа, например, температура Кюри равна 770 °C, у кобальта 1130 °C, у никеля 360 °C.

Ферромагнетиками могут быть различные  сплавы, содержащие ферромагнитные элементы. Широкое применение в технике получили керамические ферромагнитные материалы – ферриты. У ферритов доменная структура, как и у ферромагнетиков, образуется при температурах ниже точки Кюри. К ферритам применимы все магнитные характеристики, введенные для ферромагнетиков. В отличие от ферромагнетиков, они имеют высокое значение удельного сопротивления, меньшую величину индукции насыщения, более сложную температурную зависимость индукции. Ферромагнетизм в металлах объясняется наличием обменного взаимодействия, которое образуется между соприкасающимися атомами, а также взаимной ориентацией спиновых магнитных моментов. В ферримагнетиках магнитные моменты ионов ориентированы антипараллельно, и обменное взаимодействие происходит не непосредственно, а через ион кислорода О₂. Такое обменное взаимодействие называют косвенным обменом или сверхобменом. Оно усиливается по мере приближения промежуточного угла от 0° к 180°.

Ферромагнитные материалы делятся на две большие группы – на магнито-мягкие и магнито-жесткие материалы. Магнито-мягкие ферромагнитные материалы почти полностью размагничиваются, когда внешнее магнитное поле становится равным нулю. К магнито-мягким материалам относится, например, чистое железо, электротехническая сталь и некоторые сплавы. Эти материалы применяются в приборах переменного тока, в которых происходит непрерывное перемагничивание, то есть изменение направления магнитного поля (трансформаторы, электродвигатели и т. п.).

Магнито-жесткие материалы в значительной мере сохраняют свою намагниченность и после удаления их из магнитного поля. Примерами магнито-жестких материалов могут служить углеродистая сталь и ряд специальных сплавов. Магнито-жесткие метериалы используются в основном для изготовления постоянных магнитов.

Любое ферромагнитное тело разбито на домены – малые области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. В отсутствие внешнего магнитного поля, направления векторов намагниченности различных доменов не совпадают, и результирующая намагниченность всего тела может быть равна нулю.

Основными характеристиками ферромагнитных материалов являются: кривая намагничивания, ширина петли гистерезиса и потери мощности при перемагничивании.

Кривая намагничивания - процесс намагничивания ферромагнитного материала.  Она представляет собой зависимость индукции В от напряженности Н магнитного поля. Так как напряженность магнитного поля определяется силой тока, посредством которого намагничивается ферромагнитный материал, эту кривую можно рассматривать как зависимость индукции от намагничивающего тока I. Кривая намагничивания изображена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Кривая намагничивания

Кривую намагничивания можно разбить  на три участка: О-а, на котором магнитная индукция возрастает почти пропорционально намагничивающему току (напряженности поля); а-б, на котором рост магнитной индукции замедляется («колено» кривой намагничивания), и участок магнитного насыщения за точкой б, где зависимость В от H становится опять прямолинейной, но характеризуется медленным нарастанием магнитной индукции при увеличении напряженности поля по сравнению с первым и вторым участками кривой.

Следовательно, при большом насыщении  ферромагнитные вещества по способности пропускать магнитный поток приближаются к неферромагнитным материалам (магнитная проницаемость их резко уменьшается). Магнитная индукция, при которой происходит насыщение, зависит от рода ферромагнитного материала. Чем больше индукция насыщения ферромагнитного материала, тем меньший намагничивающий ток требуется для создания в нем заданной индукции и, следовательно, тем лучше он пропускает магнитный поток.

Большое практическое значение, особенно в электрических машинах и  установках переменного тока, имеет  процесс перемагничивания ферромагнитных материалов. Характерной особенностью процесса намагничивания ферромагнетиков является так называемый гистерезис, отставание изменения индукции от напряженности магнитного поля. Кривая намагничивания ферромагнитного образца представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлей гистерезиса (рис. 3).

Рисунок 3 – Петля гистерезиса  ферромагнетика.

Изменение индукции с ростом напряженности  внешнего магнитного поля (1-ое намагничивание) описывается кривой 0-а. Сначала индукция быстро возрастает за счет того, что магнитные диполи ориентируются по силовым линиям поля, добавляя свой магнитный поток к внешнему. Затем ее рост замедляется по мере того, как количество неориентированных диполей уменьшается и, наконец, когда практически все они ориентируются по внешнему полю рост индукции прекращается и наступает режим насыщения (точка а). Если теперь уменьшать напряженность, индукция будет уменьшатся с запозданием по кривой а-в за счет возникновения и роста магнитных диполей, ориентируемым против силовых линий внешнего поля. При Н = 0 в образце сохранится остаточная намагниченность, поле внутри образца будет равно B_r. Остаточная намагниченность образцов позволяет создавать постоянные магниты. Для того чтобы полностью размагнитить образец, необходимо, изменив знак внешнего поля, довести напряженность до значения в точке в, которое принято называть коэрцитивной силой H_c. Коэрцитивная (удерживающая) сила показывает, какую напряженность внешнего поля следует приложить к веществу, чтобы уменьшить остаточную индукцию до нуля.

При дальнейшем увеличении напряженности  размагничивающего поля образец  перемагничивается, т.е. намагничивается до отрицательной индукции насыщения (точка г). Перемагничиванию образца соответствует кривая г-д-а.

У магнито-мягких материалов значения коэрцитивной силы H_c невелико – петля гистерезиса таких материалов достаточно узкая. Материалы с большим значением коэрцитивной силы, то есть имеющие широкую петлю гистерезиса, относятся к магнито-жестким.

2. Поведение сильномагнитных материалов в магнитных полях.

Перемагничивание ферромагнетиков  в переменных полях сопровождается потерями энергии, вызывающими нагрев материала. В общем случае потери на перемагничивание складываются из потерь на гистерезис, на вихревые токи и магнитное последействие. Вкладом последнего механизма в разогрев ферромагнетика обычно пренебрегают.

Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания (т. е. за один период изменения поля), отнесенные к единице объема вещества, определяют площадью статической петли гистерезиса, т.е. петли, полученной при медленном изменении магнитного поля. Потери на гистерезис обусловлены необратимыми процессами перемагничивания.

Вихревые токи возникают в проводящей среде за счет ЭДС самоиндукции, пропорциональной скорости изменения магнитного потока. Отсюда отличие статических петель гистерезиса от динамических: если статические характеризуют лишь потери на гистерезис, то динамические включают суммарные потери на гистерезис и вихревые токи, т.е. при намагничивании ферромагнетика переменным полем петля гистерезиса расширяется.

Вихревые токи всегда возникают  в плоскости, расположенной перпендикулярно  магнитному полю. Под действием переменного магнитного потока в любом цилиндрическом контуре, ориентированном вдоль оси сердечника, возникает ЭДС самоиндукции, пропорциональная частоте изменения поля. Для уменьшения потерь на вихревые токи используют магнитный материал с повышенным удельным сопротивлением, либо собирают сердечник из тонких листов, изолированных друг от друга.

Потери на магнитное последействие  обусловлены отставанием магнитной  индукции от изменения напряженности магнитного поля. Исследования показывают, что спад намагниченности ферромагнетиков после отключения внешнего поля происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени – от долей миллисекунды, до нескольких минут. Время установления стабильного магнитного состояния существенно возрастает с понижением температуры. Одной из основных причин магнитного последействия является тепловая энергия, которая помогает слабо закрепленным доменным границам преодолевать энергетические препятствия (барьеры), мешающие их свободному смещению при изменении поля. Рассмотренное явление называют магнитной вязкостью. Физическая природа потерь на магнитное последействие аналогична релаксационной поляризации диэлектриков.

В соответствии с законом Ленца  вихревые токи, индуцируемые в ферромагнетике, стремятся воспрепятствовать тем изменениям, которые их вызывают. Поэтому собственное магнитное поле вихревых токов всегда стремится ослабить изменение основного магнитного потока, т. е. вихревые токи оказывают размагничивающее действие на сердечник, что проявляется в уменьшении индукции и эффективной магнитной проницаемости.

Размагничивающее действие вихревых токов неодинаково в разных частях сечения и наиболее резко выражено в центральных его частях, так как они охватываются наибольшим числом контуров вихревых токов.