Эффект магнетизма в материалах. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Их применение в электротехнике

1 Эффект магнетизма в материалах
Магнетизм – это класс физических явлений, которые опосредуются магнитными полями. Электрические токи и магнитные моменты элементарных частиц создают магнитное поле, которое действует на другие токи и магнитные моменты [1]. Магнетизм – один из аспектов комбинированного явления электромагнетизма. Наиболее известные эффекты возникают в ферромагнитных материалах, которые сильно притягиваются магнитными полями и могут быть намагничены, чтобы стать постоянными магнитами, которые сами создают магнитные поля. Также возможно размагничивание магнита. Лишь некоторые вещества являются ферромагнитными. Наиболее распространенными из них являются железо, кобальт и никель и их сплавы. Приставка ферро- относится к железу, потому что постоянный магнетизм впервые был обнаружен в магнитном железе, форме естественной железной руды, называемой магнетитом, Fe3O4.
Все вещества обладают некоторым типом магнетизма. Магнитные материалы классифицируются в зависимости от их объемной восприимчивости. Ферромагнетизм отвечает за большинство эффектов магнетизма, встречающихся в повседневной жизни, но на самом деле существует несколько типов магнетизма. Парамагнитные вещества, такие как алюминий и кислород, слабо притягиваются к приложенному магнитному полю; диамагнитные вещества, такие как медь и углерод, слабо отталкиваются; в то время как антиферромагнитные материалы, такие как хром и спиновые стекла, имеют более сложные отношения с магнитным полем [1].
Магнитное состояние (или магнитная фаза) материала зависит от температуры, давления и приложенного магнитного поля. Материал может проявлять более одной формы магнетизма при изменении этих переменных.
По реакции на внешнее магнитное поле все вещества делятся на 5 групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики [1]. К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и др.), некоторые металлы (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий и др.) и органических соединений, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.
К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. К ним относят кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов. К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью, которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. При нагревании антиферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм есть у хрома, марганца и некоторых редкоземельных элементов (Се, Nd, Sm, Тm и др.). Антиферромагнетиками являются химические соединения на основе металлов переходной группы (окислы, сульфиды и д.р). Ферримагнетики подобно ферромагнетикам обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. При этом ферримагнетики характеризуются и рядом существенных отличий от ферромагнитных материалов. Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые металлические сплавы, (оксидные соединения, например, ферриты).
2 Классификация магнитных материалов
Все вещества в природе являются магнетиками в том понимании, что они обладают определенными магнитными свойствами и определенным образом взаимодействуют с внешним магнитным полем.
Магнитными называют материалы, применяемые в технике с учетом их магнитных свойств. Магнитные свойства вещества зависят от магнитных свойств микрочастиц, структуры атомов и молекул.
Магнитные материалы делят на 3 группы: магнитотвердые, магнитомягкие, материалы специального назначения. На рис. 1 представлена классификация магнитных материалов. Классификация магнитных материалов по величине потерь на гистерезис представлена на рис. 2 [2].

Рисунок 1 – Классификация магнитных материалов

Рисунок 2 – Классификация магнитных материалов по величине потерь на гистерезис
3 Магнитомягкие материалы
К магнитомягким материалам относятся технически чистое железо, листовая электротехническая сталь, сплавы железа и никеля и сплавы железа, кремния и алюминия. Все эти материалы обладают высокой магнитной проницаемостью, весьма малой коэрцитивной силой, большой магнитной индукцией и малыми потерями на гистерезис [3].
Технически чистое железо называется армко-железо. Оно содержит небольшое количество примесей: углерода 0,025 %, кремния 0,02 %, марганца 0,035 %, серы 0,01 %; кислород почти полностью отсутствует. Другим видом технически чистого железа является электролитическое железо.
Широкое применение получило железо высокой химической чистоты (карбонильное железом). Оно представляет собой порошок, который выделяется из соединения Fе(СО)5 (карбонил железа – жидкость) при температурах 200-250 °С и давлении 150 атм. Железо осаждается в виде мелкого порошка. Оно не содержит такие примеси, как кремний, фосфор и сера; кислород и углерод содержатся в количествах (табл. 1).
Таблица 1
Карбонильное железо используется главным образом для изготовления магнитных сердечников, работающих на высоких частотах. Для этого порошок карбонильного железа предварительно смешивается с порошком какого-либо органического диэлектрика (полистирол, бакелит и др.). Из этой смеси получают горячим прессованием сердечники различной формы. Наличие в сердечниках изоляционных прослоек между зернами железа приводит к уменьшению потерь на вихревые токи, которые особенно велики на высоких частотах.
Для изготовления сердечников статоров и роторов электрических машин, сердечников силовых трансформаторов, трансформаторов тока и магнитопроводов различных электрических аппаратов используется листовая электротехническая сталь. Эта сталь является сплавом железа с кремнием, содержание которого от 0,8 до 4,8 % [4]
Электротехническая листовая сталь обладает хорошими магнитными характеристиками – высокой индукцией, малой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис. Она различается по содержанию в ней кремния, по способу изготовления листов, а также по магнитным и электрическим свойствам.
Выпускается сталь следующих марок шести групп: Э11- Э13; Э21 - Э22; Э31 - Э32; Э41 - Э48; Э310 - Э380; Э1100 - Э3200. Буква Э означает «электротехническая сталь», первая за буквой цифра (1, 2, 3 и 4) означает степень легирования (содержания кремния в стали в определенных количествах) стали кремнием, причем содержание кремния находится в следующих пределах: - для слаболегированной стали (Э1) от 0,8 до 1,8 %; - для среднелегированной стали (Э2) от 1,8 до 2,8 %; - для повышенно-легированной стали (Э3) от 2,8 до 3,8%; - для высоколегированной стали (Э4) от 3,8 до 4,8 %.Вторые цифры после буквы Э характеризуют удельные потери при перемагничивании. Эти потери тем меньше, чем больше эта цифра, т. е. больше степень легирования. Нули означают, что сталь холоднокатаная текстурованная (0) и холоднокатаная малотекстурованная (00). Буква А указывает на особо низкие удельные потери при перемагничивании стали.
Хорошими магнитными свойствами обладает тройной сплав на основе железа, содержащий алюминий 5,4 %, кремния 9,6 %, железа 85 %.
Такой сплав называется альсифером (слово «альсифер» образовалось из соединения трех первых слогов наименований, входящих в сплав веществ – алюминия, силиция, феррума). Его магнитные свойства следующие: µН = 35 000; µМ = 115 000; HС = 0,018 а/см; ВS = 0,335 тл; ρ = 0,81 Ом×мм 2/м [5].
Существенным недостатком таких сплавов является то, что они хрупки, тверды и не могут деформироваться. Поэтому детали из них изготовляют только литьем, а обрабатываются – шлифованием.
Широкое применение в электротехнике нашли различные сплавы железа и никеля, которые называют пермаллоями. Они обладают высокими магнитно-мягкими свойствами, а именно: большой начальной и максимальной магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой и большой магнитной индукцией. Эти свойства присущи сплавам с содержанием никеля от 40 до 80 %. При содержании никеля 78,5 % сплав имеет наибольшие значения µН и µМ и очень низкую коэрцитивную силу. Небольших отклонений от этого содержания (в обе стороны), как величина µН и, особенно, µМ резко уменьшается.
В табл. 2 приведены магнитные характеристики нелегированных пермаллоев, а в табл. 3 – легированных [6].
Таблица 2

Таблица 3

Каждый пермаллой применяется в соответствии с его свойствами в различных электромагнитных устройствах. Главные области применения пермаллоев следующие: измерительные приборы, сердечники трансформаторов тока, магнитные экраны, реле, магнитные усилители, катушки индуктивности в автоматике и т. п. При использовании пермаллоев не следует забывать, что они чувствительны к механическим воздействиям и обработке – штамповке, ударам, внешним механическим напряжениям. Механические воздействия резко повышают коэрцитивную силу и уменьшают магнитную проницаемость.
За последние годы разработаны и приобрели широкое применение в электротехнике новые магнитные материалы, получившие название ферритов. Эти материалы неметаллические, их изготовляют из смеси окиси железа (Fe2О3) с окислами других металлов – цинка (ZnО), марганца (MnО), никеля (NiO) и др. Характерной особенностью ферритов является то, что при наличии хороших магнитных свойств они обладают весьма большим удельным электрическим сопротивлением. Ферриты относятся к группе полупроводников и обладают сопротивлением ρ=104-109 Ом∙см, тогда как ферромагнитные металлические материалы имеют ρ=10-5-10-4 Ом∙см. Сопротивления ферритов больше сопротивления металлических ферромагнетиков в 108 -1014 раз, поэтому у ферритов потери на вихревые токи в переменных магнитных полях очень малы. Это составляет одно из важнейших преимуществ ферритов [7].
4 Магнитотвердые материалы
Магнитно-твердые материалы (МТМ) (табл. 4), магнитно-жесткие (высококоэрцитивные) материалы, магнитные материалы, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях напряженностью в тысячи и десятки тысяч а/м. После намагничивания МТМ остаются магнитами постоянными из-за высоких значений остаточной индукции Br и коэрцитивной силы HС.
Таблица 4

Из магнитотвердых материалов наибольшее значение в технике приобрели: литые и порошковые (недеформируемые) магнитные материалы типа Fe–Al–Ni–Со; деформируемые сплавы типа Fe–Со–Mo, Fe–Со–V, Pt–Со; ферриты (гекса- ферриты и кобальтовый феррит) [8].
Магнитотвердые материалы служат для изготовления постоянных магнитов, магнитные системы и изделия: роторы и статоры электрических машин, магнитные системы для аппаратов, измерительных приборов и т.д.
Литые высококоэрцитивные сплавы.
К этой группе относят сплавы систем Fе – Ni – Аl и Fе – Ni – Со – Аl, модифицированные различными добавками. Высококоэрцитивное состояние этих сплавов обусловлено их дисперсионным распадом на две фазы при охлаждении до определенной температуры.
В системе Fe – Ni – Al одна из фаз, образующихся в результате распада твердого раствора, по составу близка к чистому железу и является сильномагнитной; ее выделения имеют форму пластинок или стержней однодомённой толщины. Другая фаза состоит из никеля и алюминия и оказывается слабомагнитной. Таким образом, получается композиция из немагнитной матрицы и однодомённых магнитных включений. Материалы, имеющие такую структуру, намагничиваются в основном за счет процессов вращения магнитных моментов доменов [9].
В тройной системе Fe – Ni – Al наибольшей удельной магнитной энергией обладают сплавы, содержащие около 28 % Ni и 14 % Аl (по массе), что приблизительно соответствует интерметаллическому соединению Fe2NiAl. Однако без легирующих элементов эти сплавы практически не применяют. Помимо кобальта распространенными легирующими добавками являются медь, титан и ниобий. Добавки не только улучшают магнитные свойства, но и обеспечивают лучшую повторяемость характеристик, т.е. ослабляют зависимость магнитных свойств от небольших изменений химического состава, наличия примесей и отклонений от заданного режима термообработки.
Таким образом, получается композиция из немагнитной матрицы и однодоменных магнитных включений. Материалы, имеющие такую структуру, намагничиваются в основном за счет процессов вращения магнитных моментов доменов. Однако без легирующих элементов эти сплавы практически не применяют. Помимо кобальта распространенными легирующими добавками являются медь, титан и ниобий. Добавки не только улучшают магнитные свойства, но и обеспечивают лучшую повторяемость характеристик, т. е. ослабляют зависимость магнитных свойств от химического состава, наличия примесей и отклонений от заданного режима термообработки. Недостатком сплавов Fe–Al–Ni является их высокая твердость и хрупкость, поэтому они механически могут обрабатываться только шлифованием. Магнитные свойства этих сплавов существенно зависят от шихты, параметров процесса литья, режима термомагнитной обработки и др.
Магниты из порошков
Невозможность получить особенно мелкие изделия со строго выдержанными размерами из литых железоникельалюминиевых сплавов обусловила использование методов порошковой металлургии для производства постоянных магнитов. При этом следует различать металлокерамические магниты и магниты из зерен порошка, скрепленных тем или иным связующим веществом (металлопластические магниты).
Магнитотвердые ферриты.
Из магнитотвердых ферритов наиболее известен бариевый феррит BaO · 6Fe2O3 (ферроксдюр). В отличие от магнитомягких ферритов он имеет не кубическую, а гексагональную кристаллическую решетку с одноосной анизотропией. Промышленность выпускает два вида бариевых магнитов: марок БИ (бариевые изотропные) и марок Б А (бариевые анизотропные). Его высокая коэрцитивная сила у обусловлена малым размером кристаллических зерен и сильной магнитной кристаллографической анизотропией. К недостаткам следует отнести низкую механическую прочность, большую хрупкость, сильную зависимость магнитных свойств от температуры.
Сплавы на основе редкоземельных элементов.
Магнитотвердые материалы этой группы являются весьма перспективными, но еще недостаточно изученными и освоенными в технологическом отношении. Редкоземельные элементы, являющиеся металлами (РЗМ), образуют большое число бинарных соединений с металлами переходной группы, из которых наибольший интерес представляют интерметаллические соединения типа RCo5 и R2Co17, где R – редкоземельный элемент [9].
Легированные стали, закаленные на мартенсит
Высокая коэрцитивная сила у этих материалов достигается в результате максимального деформирования кристаллической решетки и создания тем самым большого количества внутренних напряжений, дислокаций и других дефектов путем легирования высокоуглеродистых сталей W, Мо, Сг или Со и последующей термической обработки для создания мартенситной структуры. Для получения гарантируемых магнитных свойств мартенситные стали подвергают термообработке, специфичной для каждой марки стали, и пятичасовой структурной стабилизации в кипящей воде.

Список использованных источников
Боровик Е.С. Лекции по магнетизму / Е.С. Боровик, В.В. Еременко, А.С Мильнер - М.: Физматлит, 2005. - 512 с.
Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы: Учебник для вузов. 7-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. - с. 269.
З. Фактор и др. Магнитные материалы. М.: Энергия, 1999 — 312 с.
Курилин С.А. Электротехнические материалы и технология электромонтажных работ. Учебное пособие. 1989. - с. 53.
Пастушенков Ю.Г. Функциональные магнитотвердые материалы. Пастушенков Ю.Г., Скоков К.П. - Тверь, 2014 - 109 с.
Мишин Д. Д. Магнитные материалы. М., 2001 г. – 421 с.
Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Тареева - Том 3, 3-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1986. - с. 149.
Ю. В. Корицкий и др. Справочник по электротехническим материалам. Т.3, Л.: Энергоатомиздат, 1988 — 728 с.
В. В. Пасынков, В. С. Сорокин. Материалы электронной техники, М.: Высшая школа, 1986 — 367 с.