Магнитная проницаемость - физическая величина , коэффициент (зависящий от свойств среды), характеризующий связь между магнитной индукцией B {\displaystyle {B}} и напряжённостью магнитного поля H {\displaystyle {H}} в веществе. Для разных сред этот коэффициент различен, поэтому говорят о магнитной проницаемости конкретной среды (подразумевая её состав, состояние, температуру и т. д.).
Впервые встречается в работе Вернера Сименса «Beiträge zur Theorie des Elektromagnetismus» («Вклад в теорию электромагнетизма») в 1881 году .
Обычно обозначается греческой буквой μ {\displaystyle \mu } . Может быть как скаляром (у изотропных веществ), так и тензором (у анизотропных).
В общем, соотношение между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля через магнитную проницаемость вводится как
B → = μ H → , {\displaystyle {\vec {B}}=\mu {\vec {H}},}и μ {\displaystyle \mu } в общем случае здесь следует понимать как тензор, что в компонентной записи соответствует :
B i = μ i j H j {\displaystyle \ B_{i}=\mu _{ij}H_{j}}Для изотропных веществ соотношение:
B → = μ H → {\displaystyle {\vec {B}}=\mu {\vec {H}}}можно понимать в смысле умножение вектора на скаляр (магнитная проницаемость сводится в этом случае к скаляру).
Нередко обозначение μ {\displaystyle \mu } используется не так, как здесь, а именно для относительной магнитной проницаемости (при этом μ {\displaystyle \mu } совпадает с таковым в СГС).
Размерность абсолютной магнитной проницаемости в СИ такая же, как размерность магнитной постоянной, то есть Гн / или / 2 .
Относительная магнитная проницаемость в СИ связана с магнитной восприимчивостью χ соотношением
μ r = 1 + χ , {\displaystyle \mu _{r}=1+\chi ,}Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
Подавляющее большинство веществ относятся либо к классу диамагнетиков ( μ ⪅ 1 {\displaystyle \mu \lessapprox 1} ), либо к классу парамагнетиков ( μ ⪆ 1 {\displaystyle \mu \gtrapprox 1} ). Но ряд веществ - (ферромагнетики), например железо , обладают более выраженными магнитными свойствами.
У ферромагнетиков вследствие гистерезиса , понятие магнитной проницаемости, строго говоря, неприменимо. Однако в определенном диапазоне изменения намагничивающего поля (чтобы можно было пренебречь остаточной намагниченностью, но до насыщения) можно в лучшем или худшем приближении всё же представить эту зависимость как линейную (а для магнитомягких материалов ограничение снизу может быть и не слишком практически существенно), и в этом смысле величина магнитной проницаемости бывает измерена и для них.
Магнитные проницаемости некоторых веществ и материалов
Магнитная восприимчивость некоторых веществ
Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость некоторых материалов
Medium Восприимчивость χ m
(объемная, СИ)Проницаемость μ [Гн/м] Относительная проницаемость μ/μ 0 Магнитное поле Максимум частоты Метглас (англ. Metglas ) 1,25 1 000 000 при 0.5 Тл 100 kHz Наноперм (англ. Nanoperm ) 10 × 10 -2 80 000 при 0.5 Тл 10 kHz Мю-металл 2,5 × 10 -2 20 000 при 0.002 Тл Мю-металл 50 000 Пермаллой 1,0 × 10 -2 70 000 при 0.002 Тл Электротехническая сталь 5,0 × 10 -3 4000 при 0.002 Тл Феррит (никель-цинк) 2,0 × 10 -5 - 8,0 × 10 -4 16-640 100 kHz ~ 1 MHz [ ] Феррит (марганец-цинк) >8,0 × 10 -4 640 (и более) 100 kHz ~ 1 MHz Сталь 8,75 × 10 -4 100 при 0.002 Тл Никель 1,25 × 10 -4 100 - 600 при 0.002 Тл Неодимовый магнит 1.05 до 1,2-1,4 Тл Платина 1,2569701 × 10 -6 1,000265 Алюминий 2,22 × 10 -5 1,2566650 × 10 -6 1,000022 Дерево 1,00000043 Воздух 1,00000037 Бетон 1 Вакуум 0 1,2566371 × 10 -6 (μ 0) 1 Водород -2,2 × 10 -9 1,2566371 × 10 -6 1,0000000 Тефлон 1,2567 × 10 -6 1,0000 Сапфир -2,1 × 10 -7 1,2566368 × 10 -6 0,99999976 Медь -6,4 × 10 -6
or -9,2 × 10 -61,2566290 × 10 -6 0,999994 Магнитный момент- это основная векторная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Поскольку источником магнетизма является замкнутый ток, то значение магнитного момента М определяется как произведение силы тока I на площадь, охватываемую контуром токаS:
М = I×S А×м 2 .
Магнитными моментами обладают электронные оболочки атомов и молекул. Электроны и другие элементарные частицы имеют спиновый магнитный момент, определяемый существованием собственного механического момента – спина. Спиновый магнитный момент электрона может ориентироваться во внешнем магнитном поле так, что возможны только две равные и противоположно направленные проекции момента на направление вектора напряженности магнитного поля, равные магнетону Бора – 9,274×10 -24 А×м 2 .
- Определите понятие «намагниченность» вещества.
Намагниченность – J – это суммарный магнитный момент единицы объема вещества:
- Определите понятие «магнитная восприимчивость».
Магнитная восприимчивость вещества, א v – отношение намагниченности вещества к напряженности магнитного поля, относящаяся к единице объема:
א v = , безразмерная величина.
Удельная магнитная восприимчивость, א– отношение магнитной восприимчивости к плотности вещества,т.е. магнитная восприимчивость единицы массы, измеряемая в м 3 /кг.
- Определите понятие «магнитная проницаемость».
Магнитная проницаемость, μ – это физическая величина, характеризующая изменение магнитной индукции при воздействии магнитного поля. Для изотропных сред магнитная проницаемость равна отношению индукции в среде В к напряженности внешнего магнитного поля Н и к магнитной постоянной μ 0 :
Магнитная проницаемость – величина безразмерная. Её значение для конкретной среды на 1 больше магнитной восприимчивости той же среды:
μ = א v + 1, так какВ = μ 0 (Н+J).
- Дайте классификацию материалов по магнитным свойствам.
По магнитному строению и значению магнитной проницаемости (восприимчивости) материалы подразделяются на:
Диамагнетики μ< 1 (материал «сопротивляется» магнитному полю);
Парамагнетики μ > 1 (материал слабо воспринимает магнитное поле);
Ферромагнетики μ >> 1 (магнитное поле в материале усиливается);
Ферримагнетики μ >> 1 (магнитное поле в материале усиливается, но магнитная структура материала отличается от структуры ферромагнетиков);
Антиферромагнетики μ ≈ 1 (материал слабо реагирует на магнитное поле, хотя по магнитной структуре схож с ферримагнетиками).
- Опишите природу диамагнетизма.
Диамагнетизм – это свойство вещества намагничиваться навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля (в соответствии с законом электромагнитной индукции и правилом Ленца). Диамагнетизм свойственен всем веществам, но в «чистом виде» он проявляется у диамагнетиков. Диамагнетики – вещества, молекулы которых не имеют собственных магнитных моментов (их суммарный магнитный момент равен нулю), поэтому других свойств, кроме диамагнетизма у них нет. Примеры диамагнетиков:
Водород, א= - 2×10 -9 м 3 /кг.
Вода, א= - 0,7×10 -9 м 3 /кг.
Алмаз, א= - 0,5×10 -9 м 3 /кг.
Графит, א= - 3×10 -9 м 3 /кг.
Медь, א= - 0,09×10 -9 м 3 /кг.
Цинк, א= - 0,17×10 -9 м 3 /кг.
Серебро, א= - 0,18×10 -9 м 3 /кг.
Золото, א= - 0,14×10 -9 м 3 /кг.
43. Опишите природу парамагнетизма.
Парамагнетизм – это свойство веществ, называемых парамагнетиками, которые, будучи помещены во внешнее магнитное поле, приобретают магнитный момент, совпадающий с направлением этого поля. Атомы и молекулы парамагнетиков в отличие от диамагнетиков имеют собственные магнитные моменты. При отсутствии поля ориентация этих моментов хаотична (из-за теплового движения) и суммарный магнитный момент вещества равен нулю. При наложении внешнего поля происходит частичная ориентация магнитных моментов частиц в направлении поля, и к напряженности внешнего поля Н добавляется намагниченность J: В = μ 0 (Н+J). Индукция в веществе усиливается. Примеры парамагнетиков:
Кислород, א= 108×10 -9 м 3 /кг.
Титан, א= 3×10 -9 м 3 /кг.
Алюминий, א= 0,6×10 -9 м 3 /кг.
Платина, א= 0,97×10 -9 м 3 /кг.
44.Опишите природу ферромагнетизма.
Ферромагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, при котором все магнитные моменты атомов в определенном объеме вещества (домене) параллельны, что обусловливает самопроизвольную намагниченность домена. Появление магнитного порядка связано с обменным взаимодействием электронов, имеющим электростатическую природу (закон Кулона). В отсутствии внешнего магнитного поля ориентация магнитных моментов различных доменов может быть произвольной, и рассматриваемый объем вещества может иметь в целом слабую или нулевую намагниченность. При приложении магнитного поля магнитные моменты доменов ориентируются по полю тем больше, чем выше напряженность поля. При этом изменяется значение магнитной проницаемости ферромагнетика и усиливается индукция в веществе. Примеры ферромагнетиков:
Железо, никель, кобальт, гадолиний
и сплавы этих металлов между собой и другими металлами (Al, Au, Cr, Si и др.). μ ≈ 100…100000.
45. Опишите природу ферримагнетизма.
Ферримагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, в котором магнитные моменты атомов или ионов образуют в определенном объеме вещества (домене) магнитные подрешетки атомов или ионов с суммарными магнитными моментами не равными друг другу и направленными антипараллельно. Ферримагнетизм можно рассматривать как наиболее общий случай магнитоупорядоченного состояния, а ферромагнетизм как случай с одной подрешеткой. В состав ферримагнетиков обязательно входят атомы ферромагнетиков. Примеры ферримагнетиков:
Fe 3 O 4 ; MgFe 2 O 4 ; CuFe 2 O 4 ; MnFe 2 O 4 ; NiFe 2 O 4 ; CoFe 2 O 4 …
Магнитная проницаемость ферримагнетиков имеет тот же порядок, что и у ферромагнетиков: μ ≈ 100…100000.
46.Опишите природу антиферромагнетизма.
Антиферромагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, характеризующееся тем, что магнитные моменты соседних частиц вещества ориентированы антипараллельно, и в отсутствии внешнего магнитного поля суммарная намагниченность вещества равна нулю. Антиферромагнетик в отношении магнитного строения можно рассматривать как частный случай ферримагнетика, в котором магнитные моменты подрешеток равны по модулю и антипараллельны. Магнитная проницаемость антиферромагнетиков близка к 1. Примеры антиферромагнетиков:
Cr 2 O 3 ; марганец; FeSi; Fe 2 O 3 ; NiO……… μ ≈ 1.
47.Какое значение магнитной проницаемости у материалов в сверхпроводящем состоянии?
Сверхпроводники ниже температуры сверхперехода являются идеальными диамагнетиками:
א= - 1; μ = 0.
Магнитные материалы: свойства и характеристики. Особенности различных видов магнетизма. Процессы намагничивания. Особенности сильномагнитных материалов. Потери на перемагничивание.
Магнитомягкие материалы: классификация, свойства, назначение.
Магнитотвердые материалы: классификация, свойства, назначение. Магнитные материалы специального назначения: классификация, свойства, назначение.
Литература
Все вещества в природе взаимодействуют с внешниммагнитным полем, но каждое вещество по-разному.
Магнитные свойства веществ зависят от магнитных свойств элементарных частиц, структуры атомов и молекул, а также их групп, но основное определяющее влияние оказывают электроны, их магнитные моменты.
Все вещества, по отношению к магнитному полю, поведению в нем, разделяются на следующие группы:
Диамагнетики – материалы, не имеющие постоянного магнитного дипольного момента, обладающие относительной магнитной проницаемостью (μ≤1) чуть меньше единицы. Относительная диэлектри-ческая проницаемость μ диамагнетиков почти не зависит от величины магнитного поля (Н) и не зависит от температуры. К ним относятся: инертные газы (Nе, Аr, Кr, Хе), водород (H 2); медь (Сu), цинк (Zn), серебро (Аg), золото (Au), сурьма (Sb) и др.
Парамагнетики – материалы, имеющие постоянные дипольные моменты, но расположены они беспорядочно, поэтому взаимодействие между ними очень слабое. Относительная магнитная проницаемость парамагнетиков чуть больше единицы (μ≥1), слабо зависит от напряженности магнитного поля и от температуры.
К парамагнетикам относятся следующие материалы: кислород (О 2), алюминий (Al), платина (Рt), щелочные металлы, соли железа, никеля, кобальта и др.
Ферромагнетики – материалы, имеющие постоянные магнитные дипольные моменты, доменную структуру. В каждом домене они параллельны друг другу и одинаково направлены, поэтому взаимодействие между ними очень сильное. Относительная магнитная проницаемость ферромагнетиков велика (μ >> 1), у некоторых сплавов доходит до 1500000. зависит от напряженности магнитного поля и от температуры.
К ним относятся: железо (Fe), никель (Ni), кобальт (Со), многие сплавы, редкоземельные элементы: самарий (Sm), гадолиний (Gd) и др.
Антиферромагнетики – материалы, имеющие постоянные дипольные магнитные моменты, которые расположены антипараллельно друг другу. Относительная магнитная проницаемость их чуть больше единицы (μ ≥ 1), очень слабо зависит от напряженности магнитного поля и от температуры. К ним относятся: окиси кобальта (CoO), марганца (MnO), фтористый никель (NiF 2) и др.
Ферримагнетики – материалы, обладающие антипараллельными постоянными дипольными магнитными моментами, которые не полностью компенсируют друг друга. Чем меньше такая компенсация, тем выше их ферромагнитные свойства. Относительная магнитная проницаемость ферримагнетиков может быть близка к единице (при почти полной компенсации моментов), а может доходить до десятков тысяч (при малой компенсации).
К ферримагнетикам относятся ферриты, их можно назвать оксиферрами, так как они представляют собой, окислы двухвалентных металлов с Fe 2 O 3 . Общая формула феррита , где Ме – двухвалентный металл.
Магнитная проницаемость ферритов зависит от температуры и напряженности магнитного поля, но в меньшей степени, чем у ферромагнетиков.
Ферриты представляют собой керамические ферромагнитные материалы с малой электропроводностью, вследствие чего могут быть отнесены к электронным полупроводникам с высокой магнитной (μ ≈ 10 4) и высокой диэлектрической (ε ≈ 10 3) проницаемостями.
Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, а ферро- и ферримагнетики – в группу сильномагнитных веществ.
Для технического применения в области радиоэлектроники наибольший интерес представляют сильномагнитные вещества.(рис. 6.1)
Рис. 6.1. Структурная схема магнитных материалов
Магнитные свойства материалов определяются внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи. Круговой ток характеризуется магнитным моментом и может быть заменен эквивалентным магнитным диполем. Магнитные диполи образуются, в основном, спиновым вращением электронов, орбитальное же вращение электронов принимает в этом процессе слабое участие, так же как и ядерное вращение.
У большинства материалов спиновые моменты электронов компенсируют друг друга. Поэтому ферромагнетизм наблюдается далеко не у всех веществ таблицы Менделеева.
Условия, которые необходимы, чтобы материал был ферромагнитным :
1. Существование элементарных круговых токов в атомах.
2. Наличие нескомпенсированных спиновых моментов, электронов.
3. Соотношение между диаметром электронной орбиты (D), имеющей нескомпенсированный спиновый момент, и постоянной кристаллической решетки вещества (а) должно быть
. (6.1)4. Наличие доменной структуры, т.е. таких кристаллических областей, в которых дипольные магнитные моменты оказываются параллельно ориентированы.
5. Температура материала (вещества) должна быть ниже точки Кюри, так как при более высокой температуре происходит исчезновение доменной структуры, материал переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное.
Характерным свойством ферромагнитного состояния вещества является наличие спонтанной намагниченности без приложения внешнего магнитного поля. Однако магнитный поток такого тела будет равен нулю, так как направление магнитных моментов отдельных доменов различно (доменная структура с замкнутой магнитной цепью).
Степень намагничивания вещества характеризуют величиной намагниченности, или интенсивности намагничивания (J), которая определяется как предел отношения результирующего магнитного момента Σm, отнесенного к объему вещества (V), когда, объем стремиться к нулю
. (6.2)Если поместить вещество во внешнее магнитное поле с напряженностью Н, то соотношение между J и Н будет
J = 4 πχH , (6.3)
где χ (каппа) называется магнитной вязкостью.
Относительная магнитная проницаемость μ зависит от χ:
μ = 1 + 4 πχ . (6.4)
Интенсивность, намагничивания можно определить, зная μ
μ= 1+
.
(6.5)В общем, магнитное поле в ферромагнетике создается как сумма двух составляющих: внешней, создаваемой напряженностью внешнего магнитного поля Н, и внутренней, создаваемой намагниченностью (J).
Суммарное магнитное поле характеризуется магнитной индукцией В:
B = μ 0 (H + J ), (6.6)
где μ 0 – магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума)
μ 0 = 4 π ∙10 -7 , Г/м. (6.7)
Выражая значение J через χ, а затем и μ, получим:
B = μ 0 H (1 + 4 πχ ) или B = μ 0 μH . (6.8)
Абсолютная величина магнитной проницаемости
μ абс = μ 0 ∙ μ . (6.9)
Окончательная формула для магнитной индукции В
B = μ абс H . (6.10)
Процесс намагничивания ферромагнитного материала под влиянием внешнего магнитного поля заключается в следующем:
рост доменов, магнитные моменты которых близки по направлению с внешним полем, и уменьшением других доменов;
ориентация магнитных моментов всех доменов в направлении внешнего поля.
Процесс намагничивания характеризуется для каждого ферромагнетика своей основной кривой намагничивания В = f(Н).
Магнитная проницаемость μ в процессе намагничивания тоже изменяется.
Это показано на рис. 6.2.
Рис. 6.2. Кривые намагниченности (В = f(Н)) и магнитной проницаемости (μ = f(Н))
Магнитная проницаемость μ при напряженности Н, близкой к нулю, называется начальной (участок 1), а при переходе материала к насыщению она будет принимать максимальное значение (2), с дальнейшим увеличением Н магнитная проницаемость μ – уменьшается (участки 3 и 4).
При циклическом намагничивании ферромагнетика кривые намагничивания и размагничивания образуют петлю гистерезиса. Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения материала, называют предельной. По петле гистерезиса, полученной, например, на экране осциллографа можно получить довольно полную информацию об основных магнитных параметрах материала (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Петля гистерезиса
Основными параметрами являются:
1) остаточная индукция, после снятия напряженности поля – Вr;
2) коэрцитивная сила Нс – напряженность, которую нужно приложить к образцу, чтобы снять остаточную индукцию;
3) максимальная индукция B max , которая достигается при полном насыщении образца;
4) удельные потери на гистерезис за один цикл перемагничивания, которые характеризуются площадью, охватываемой петлей гистерезиса.
Остальные магнитные параметры материала, а также потери на перемагничивание (гистерезис), на вихревые токи, энергию в зазоре (для постоянного магнита) можно рассчитать по формулам, которые были приведены выше и будут приведены в дальнейшем.
Потери в ферромагнитных материалах - это затраты энергии, которые идут на перемагничивание ферромагнетиков, на возникновение вихревых токов в переменном магнитном поле, на магнитную вязкость материала – создают так называемые потери, которые можно разделить на следующие виды:
а) потери на гистерезис Рг, пропорциональны площади петли гистерезиса
Рг = η∙ f ∙
∙
V
,
Вт (6.11)где η – коэффициент гистерезиса для данного материала;
f – частота поля, Гц;
В max – максимальная индукция, Тл;
V – объем образца, м 3 ;
n ≈ 1,6...2 – значение показателя степени;
б) потери на вихревые токи
Рв.т. = ξ∙ f 2 ∙В max ∙ V , Вт (6.12)
где ξ – коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления материала и от формы образца;
в) потери на последействие Рп.с., (потери на магнитную вязкость), которые не поддаются аналитическому расчету и определяются исходя из полных потерь Р, Рг и Рв.т. по формуле
Рп.с. = Р – Рг – Рв.т. (6.13)
Потери на вихревые токи можно уменьшить, увеличивая электрическое сопротивление ферромагнетика. Для этого магнитопровод, например для трансформаторов, набирают из отдельных тонких, изолированных друг от друга пластин ферромагнетика.
На практике иногда применяют ферромагнетики с разомкнутой магнитной цепью , т.е. имеющие, например, воздушный зазор, обладающий большим магнитным сопротивлением. В теле, имеющем воздушный зазор, возникают свободные полюса, создающие размагничивающее поле, направленное навстречу внешнему намагничивающему полю. Происходит снижение индукции тем большее, чем шире воздушный зазор. Это проявляется в электромашинах, магнитных подъемных устройствах и др.
Энергия в зазоре (W L), например, постоянного магнита, выражается формулой
,
Дж/м 3 , (6.14)где В L и Н L – собственно индукция и напряженность поля при данной длине воздушного зазора.
Изменяя подаваемую напряженность на ферромагнетик, можно получить в данном зазоре максимальную энергию.
Для нахождения W max пользуются диаграммой, на которой по кривой размагничивания для магнитного материала, расположенной во втором квадранте (участок петли гистерезиса), строят кривую энергии в зазоре, задаваясь различными значениями В (или Н). Зависимость W L от В L и Н L показана на рис. 6.4.
Рис. 6.4. Энергия в воздушном зазоре ферромагнетика
Чтобы определить напряженность поля Н, при которой будет максимальная энергия в зазоре магнита, нужно провести касательную к максимальной энергии (в точке А), а от нее провести горизонтальную линию до пересечения с петлей гистерезиса во втором квадранте. Затем опустить перпендикуляр до пересечения с координатой Н. Точка Н L 2 будет определять искомую напряженность магнитного поля.
По основным магнитным параметрам ферромагнитные материалы можно классифицировать на следующие группы ;
Магнитно-мягкие – материалы с малым значением коэрцитивной силы Нc (до 100 А/м), большой величиной магнитной проницаемости и малыми потерями на гистерезис. Они используются в качестве магнитопроводов постоянного тока (сердечники трансформаторов, измерительных приборов, катушек индуктивности и т.п.)
К магнитно-мягким материалам относятся:
технически чистое железо, карбонильное железо;
электротехническая сталь;
пермаллои;
альсиферы;
ферриты (медномарганцевые);
термомагнитные сплавы (Ni-Сr-Fе) и др.
2. Магнитно-твердые – материалы, имеющие большую коэрцитивную силу (Нс > 100 А/м) (см. рис. 4.5, г ).
Магнитотвердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов, в которых используется магнитная энергия в воздушном зазоре между полюсами магнита.
К магнитно-твердым материалам относятся:
Литые сплавы альни (Аl-Ni-Fе);
Альнико (Al-Ni-Со-Fе);
Магнико;
Легированные стали, закаливаемые на мартенсит и др.
Особый интерес представляют сплавы на основе редкоземельных материалов (YCo, CeCo, SmCo и др.), обладающие высоким значением Н с и w max .
3. Ферриты – материалы представляющие собой двойные окислы железа с окислами двухвалентных металлов (МеО∙Fe 2 O 3). Ферриты могут быть магнитно-мягкими и магнитно-твердым, в зависимости от их кристаллического строения, например, типа шпинели – (MgAl 3 O 4), гаусмагнита (Мn 3 O 4), граната Ga 3 Al 2 (SiO 4) 3 и др. Электрическое удельное сопротивление их велико (от 10 -1 до 10 10 Ом∙м), следовательно потери на вихревые токи, особенно при высоких частотах, малы.
4. Магнитодиэлектрики – материалы, состоящие из ферромагнитного порошка с диэлектрической связкой. Порошок берется обычно на основе магнитно-мягкого материала – карбонильное железо, альсифер, а связующим диэлектриком служит материал с малыми диэлектрическими потерями – полистирол, бакелит и др.
Вопросы для самопроверки:
Классификация веществ по магнитным свойствам.
Особенности сильномагнитных веществ (домены, анизотропия, кривая намагничивания, магнитострикция, магнитная проницаемость, гистерезис, и т.п.)
Факторы, влияющие на магнитные свойства
Потери в магнитных материалах
Классификация сильномагнитных материалов
Низкочастотные магнитомягкие материалы
Высокочастотные магнитомягкие материалы
Магнитотвердые материалы
Магнитные материалы спецназначения
Приложения
Проводниковые материалы Таблица П.1
проводника
Ом∙мм 2 /м
удельного
сопротив-
теплопро-
водности
Вт/м∙град
тельно меди,
Работа выхода электрона
Темпе- ратура правле-ния,
Чистые металлы
Алюминий
Молибден
Вольфрам
поли- кристалл
Манганин
(5…30)∙10 -6
Константан
(5…20)∙10 -6
Нейзильбер
Термопары
Медь-константан
Тизм до 350 °С
Хромель-алюмель
Тизм до 1000 °С
Платина-платинородий
Тизм до 1600 °С
Полупроводниковые материалы Таблица П.2
Наименование
полупроводни-
кового материала
собствен.
носителей
Подвижность
носителей
U,
Неорганические
Кристалл. элементарные (атомарные)
Германий
Кристалл. соединения
Карбид кремния
возгонка
Сурьмянистый индий
Арсенид галлия
Фосфид галлия
Арсенид индия
Теллурид висмута
Сульфид свинца
Стеклообразные
Халькогениды
As 2 Te 2 Se, As 2 Se 3 ∙Al 2 Se 3
Органические
Антрацен
Нафталин
Красители и пигменты
Фталоцианин меди
Молекулярные комплексы
Иод-пирен
Полимеры
Полиакрилонитрил
Диэлектрические материалы Таблица П.3
Агре-гатное сос-тояние
Наиме-нование матери-
алов (диэлек-триков)
Диэлект-рическая прони-цаемость, относи-тельная Е
ное объем-
ное сопро-тивление
,
Ом·мугла ди-электрических потерь
Проч-ность (элект-ричес-кая) Е пр, МВ/м
Удель-ная тепло-
ность λ, Вт/м·ºК
Элегаз (SF 6)
Жид-кости
Масло трансфор-маторное
Твер-дые мате-риалы
Органи-ческие
а) Парафин
Головакс
б) Смола бакели-товая
Канифоль
Поливинил-
Полистирол
Полиэтелен
Полиметил-метакрилат
Смола эпоксидная
Компаунд
г) Фенол-пласт (ФАС)
д) Лако-ткань
Электро-картон (ЭВТ)
ж) Каучук бутади-еновый
Резина изоляц.
з) Фторо-пласт-4
фторо-пласт-3
Неоргани-ческие
а) Стекла электротех.
б) Стеатит (керам.)
фарфор электротех.
в) Слюда мусковит
Микалекс
г) Сегнето-керамика ВК-1
Пьезокварц
д) Фторид-ная изоляция (AlF 3)
е) Асбест
Элементо-орган.
а) Кремний орг. смола
б) Кремний орган. каучук
Магнитные материалы Таблица П.4
Наиме- нование магнитного материала
Хими-ческий состав или марка
Относительная магнитная проницаемость, μ
Магнитная индукция В, Т
Коэр-цитив-
ная сила Нс, А/м
Удельн. эл. сопро-тивле- ние ρ, мкОм∙м
Энергия в зазоре
,
Дж/м 3нача-льная, μ н
макси-маль-ная, μ max
оста-точ-ная, В
макси-маль-ная, В max
Магнитно-мягкие
Электро- техн. сталь
Пермаллой низко-никелевый
Пермаллой высоко-никелевый
Супермаллой
Альсифер
Ферриты
Феррит никель-цинковый
Феррит марганец-цинковый
Магнитно-твердые
бариевый
бариевый
Магнитодиэлектрики
На основе карбонильного железа
Библиографический список
1. Пасынков, В.В. Материалы электронной техники: учеб.для вузов/ В.В.Пасынков, В.С.Сорокин -СПб.: Лань, 2003. – 367с.
2. Радиоматериалы и радиокомпоненты: метод. указания/ сост. А.М. Хадыкин А.М.- Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. – 44 с.
3. Радиоматериалы и радиокомпоненты: конспект лекций/ авт.-сост. А. М. Хадыкин. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. – 91 с.
4. Материалы и элементы электронной техники: метод. указания / сост. А. М. Хадыкин. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005.-34с.
5. Кликушин Ю.Н. Материаловедение в приборостроении. Электротехнические материалы: Учеб. пособие для вузов / Ю. Н. Кликушин, А. И. Чередов, И. Л. Захаров; ОмГТУ. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. - 79 с.
6. Сорокин В. С. Материалы и элементы электронной техники. В 2-х т.: учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров, магистров и специалистов 210100"Электроника и микроэлектроника" / В. С. Сорокин, Б. Л. Антипов, Н. П. Лазарева. Т.1: Проводники, полупроводники, диэлектрики. - М. : Издательский центр "Академия", 2006. - 448 с.
7. Сорокин В. С. Материалы и элементы электронной техники. В 2 т.: учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки и специальностям "Электроника и микроэлектроника" / В. С. Сорокин, Б. Л. Антипов, Н. П. Лазарева. Т.2. - М. : Издательский центр "Академия", 2006. - 384 с.
8. Алиев И.И. Электротехничесике материалы и изделия. Справочник. – М.: ИП РадиоСофт, 2007. – 352 с.
9. А.И. Сидоров, Н.В. Никоноров «Материалы и технологии интегральной
оптики». Учебное пособие, курс лекций. СПб: СПбГУ ИТМО, 2009 г. - 107
10. Бондаренко И.Б., Гатчин Ю.А., Иванова Н.Ю., Шилкин Д.А. Соединители и коммутационные устройства. Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. 151 с.
11. Рощин В.М. Технология материалов микро-, опто- и наноэлектроники: учебное пособие. Ч 2/ В.М. Рощин, М.В. Силибин. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. – 180 с.
12. Садченков Д.А. Маркировка радиодеталей отечественных и зарубежных. Справочное пособие. Том 1. – М.: СОЛОН-Р, 2002. – 208 с.
13. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника. Учебное пособие для вузов. - Санкт- Петербург.: Питер, 2006 г. - 522 с.
14. Ульянина И.Ю. Строение материалов: учеб. пособие / И. Ю. Ульянина, Т. Ю. Скакова. - М. : МГИУ, 2006. - 55 с.
15. Ульянина И.Ю. Материаловедение в схемах-конспектах: учеб. пособие / И. Ю. Ульянина. - М. : Изд-во МГИУ, 2006. - 139 с.
16. Мишин Д.Д. Магнитные материалы. – М.:Высш.шк., 1991. – 384 с.
17. Харламова Т.Е. Электроматериаловедение. Электротехнические материалы: Учеб. Пособие. – СПб.: СЗПИ, 1998. – 82 с.
18. Шкаруба М.В., Тихонов С.А. Материалы и элементы электронной техники: Учеб пособие. – Омск: Изд-во Омгту, 2006. – 120 с.
19. Компоненты и технологии: Ежемес. всерос. журн.– М.:Ред.журн. «Издательство Файнстрит», – Выходит ежемесячно.
20. Internet: www.wieland – electric.com
21. Internet: www.platan.ru
22. Internet: www.promelec.ru
23. Internet: www.chipdip.ru
Магнитное поле катушки определяется током и напряженность этого поля , а индукция поля . Т.е. индукция поля в вакууме пропорциональна величине тока. Если же магнитное поле создается в некой среде или веществе, то поле воздействует на вещество, а оно, в свою очередь, определенным образом изменяет магнитное поле.
Вещество, находящееся во внешнем магнитном поле, намагничивается и в нем возникает добавочное внутреннее магнитное поле. Оно связано с движением электронов по внутриатомным орбитам, а также вокруг собственной оси. Движение электронов и ядер атомов можно рассматривать как элементарные круговые токи.
Магнитные свойства элементарного кругового тока характеризуются магнитным моментом.
При отсутствии внешнего магнитного поля элементарные токи внутри вещества ориентированы беспорядочно (хаотически) и, поэтому общий или суммарный магнитный момент равен нулю и в окружающем пространстве магнитное поле элементарных внутренних токов не обнаруживается.
Влияние внешнего магнитного поля на элементарные токи в веществе состоит в том, что изменяется ориентация осей вращения заряженных частиц причем так, что их магнитные моменты оказываются направленными в одну сторону. (в сторону внешнего магнитного поля). Интенсивность и характер намагничивания у различных веществ в одинаковом внешнем магнитном поле значительно отличаются. Величину, характеризующую свойства среды и влияние среды на плотность магнитного поля, называют абсолютной магнитной проницаемостью или магнитной проницаемостью среды (μ с ) . Это есть отношение = . Измеряется [μ с ]=Гн/м.
Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной μ о =4π 10 -7 Гн/м.
Отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной называют относительной магнитной проницаемостью μ c /μ 0 =μ. Т.е. относительная магнитная проницаемость – это величина, показывающая, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость среды больше или меньше абсолютной проницаемости вакуума. μ - величина безразмерная, изменяющаяся в широких пределах. Эта величина положена в основу деления всех материалов и сред на три группы.
Диамагнетики . У этих веществ μ < 1. К ним относятся - медь, серебро, цинк, ртуть, свинец, сера, хлор, вода и др. Например, у меди μ Cu = 0,999995. Эти вещества слабо взаимодействуют с магнитом.
Парамагнетики . У этих веществ μ > 1. К ним относятся – алюминий, магний, олово, платина, марганец, кислород, воздух и др. У воздуха = 1,0000031. . Эти вещества также, как и диамагнетики, слабо взаимодействуют с магнитом.
Для технических расчетов μ диамагнитных и парамагнитных тел принимается равной единице.
Ферромагнетики . Это особая группа веществ, играющих громадную роль в электротехнике. У этих веществ μ >> 1. К ним относятся железо, сталь, чугун, никель, кобальт, гадолиний и сплавы металлов. Эти вещества сильно притягиваются к магниту. У этих веществ μ = 600- 10 000. У некоторых сплавов μ достигает рекордных значений до 100 000. Следует отметить, что μ для ферромагнитных материалов непостоянна и зависит от напряженности магнитного поля, вида материала и температуры.
Большое значение µ в ферромагнетиках объясняется тем, что в них имеются области самопроизвольного намагничивания (домены), в пределах которых элементарные магнитные моменты направлены одинаково. Складываясь, они образуют общие магнитные моменты доменов.
В отсутствие магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы хаотически и суммарный магнитный момент тела или вещества равен нулю. Под действием внешнего поля магнитные моменты доменов ориентируются в одну сторону и образуют общий магнитный момент тела, направленный в ту же сторону, что и внешнее магнитное поле.
Эту важную особенность используют на практике, применяя ферромагнитные сердечники в катушках, что позволяет резко усилить магнитную индукцию и магнитный поток при тех же значениях токов и числа витков или, иначе говоря, сконцентрировать магнитное поле в относительно малом объеме.
Если в описанных выше опытах вместо сердечника из железа брать сердечники из других материалов, то также можно обнаружить изменение магнитного потока. Естественнее всего ждать, что наиболее заметный эффект дадут материалы, подобные по своим магнитным свойствам железу, т. е. никель, кобальт и некоторые магнитные сплавы. Действительно, при введении в катушку сердечника из этих материалов увеличение магнитного потока оказывается довольно значительным. Иными словами, можно сказать, что магнитная проницаемость их велика; у никеля, например, может достигать значения 50, у кобальта 100. Все эти материалы с большими значениями объединяют в одну группу ферромагнитных материалов.
Однако и все остальные «немагнитные» материалы также оказывают некоторое влияние на магнитный поток, хотя влияние это значительно меньше, чем у материалов ферромагнитных. С помощью очень тщательных измерений можно это изменение обнаружить и определить магнитную проницаемость различных материалов. При этом, однако, нужно иметь в виду, что в опыте, описанном выше, мы сравнивали магнитный поток в катушке, полость которой заполнена железом, с потоком в катушке, внутри которой имеется воздух. Пока речь шла о таких сильно магнитных материалах, как железо, никель, кобальт, это не имело значения, так как наличие воздуха очень мало влияет на магнитный поток. Но при исследовании магнитных свойств других веществ, в частности самого воздуха, мы должны, конечно, вести сравнение с катушкой, внутри которой воздуха нет (вакуум). Таким образом, за магнитную проницаемость мы принимаем отношение магнитных потоков в исследуемом веществе и в вакууме . Иными словами, за единицу мы принимаем магнитную проницаемость для вакуума (если , то ).
Измерения показывают, что магнитная проницаемость всех веществ отлична от единицы, хотя в большинстве случаев это отличие очень мало. Но особенно замечательным оказывается тот факт, что у одних веществ магнитная проницаемость больше единицы, а у других она меньше единицы, т. е. заполнение катушки одними веществами увеличивает магнитный поток, а заполнение катушки другими веществами уменьшает этот поток. Первые из этих веществ называются парамагнитными (), а вторые – диамагнитными (). Как показывает табл. 7, отличие проницаемости от единицы как у парамагнитных, так и у диамагнитных веществ невелико.
Нужно особенно подчеркнуть, что для парамагнитных и диамагнитных тел магнитная проницаемость не зависит от магнитной индукции внешнего, намагничивающего поля, т. е. представляет собой постоянную величину, характеризующую данное вещество. Как мы увидим § 149, это не имеет места для железа и других сходных с ним (ферромагнитных) тел.
Таблица 7. Магнитная проницаемость для некоторых парамагнитных и диамагнитных веществ
Парамагнитные вещества
Диамагнитные вещества
Азот (газообразный)
Водород (газообразный)
Воздух (газообразный)
Кислород (газообразный)
Кислород (жидкий)
Алюминий
Вольфрам
Влияние парамагнитных и диамагнитных веществ на магнитный поток объясняется, так же как и влияние веществ ферромагнитных, тем, что к магнитному потоку, создаваемому током в обмотке катушки, присоединяется поток, исходящий из элементарных амперовых токов. Парамагнитные вещества увеличивают магнитный поток катушки. Это увеличение потока при заполнении катушки парамагнитным веществом указывает на то, что и в парамагнитных веществах под действием внешнего магнитного поля элементарные токи ориентируются так, что направление их совпадает с направлением тока обмотки (рис. 276). Небольшое отличие от единицы указывает лишь на то, что в случае парамагнитных веществ этот добавочный магнитный поток очень невелик, т. е. что парамагнитные вещества намагничиваются очень слабо.
Уменьшение магнитного потока при заполнении катушки диамагнитным веществом означает, что в этом случае магнитный поток от элементарных амперовых токов направлен противоположно магнитному потоку катушки, т. е. что в диамагнитных веществах под действием внешнего магнитного поля возникают элементарные токи, направленные противоположно токам обмотки (рис. 277). Малость отклонений от единицы и в этом случае указывает на то, что дополнительный поток этих элементарных токов невелик.
Рис. 277. Диамагнитные вещества внутри катушки ослабляют магнитное поле соленоида. Элементарные токи в них направлены противоположно току в соленоиде
