Лекция магнитные материалы




Скачать 83.81 Kb.
НазваниеЛекция магнитные материалы
Дата конвертации23.04.2013
Размер83.81 Kb.
ТипЛекция
Лекция 9.


МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ


Все атомы состоят из ядер и электронных оболочек, которые определяют электрические, магнитные, химические свойства атомов и молекул, а также большинство свойств твёрдых тел, например, строение кристаллической решётки.


Известно, что электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. Электроны в атомах также движутся – по орбитам и вокруг своих осей (образуя электронный спин). Такие элементарные круговые токи являются скрытыми формами движения электрических зарядов, которые обуславливают и магнитные свойства материалов, так как являются проявлениями единого электромагнитного поля. Каждый атом в веществе является своеобразным микромагнитиком, он имеет атомный магнитный момент (амм), который является суммой орбитального и спинового моментов каждогоμ электрона. В зависимости от строения электронных оболочек атомы вещества обладают разными свойствами, в том числе и разными магнитными свойствами.


Все материалы по поведению во внешнем магнитном поле могут быть разделены на разные группы:

  1. парамагнетики – в отсутствии внешнего магнитного поля атомные магнитные моменты дезориентированы тепловыми движениями, а во внешнем магнитном поле атомные магнитные моменты выстраиваются по направлению поля, усиливая его (μr > 1).

  2. диамагнетики – атомные магнитные моменты вещества выстраиваются во внешнем магнитном поле в противоположном ему направлении, уменьшая его внутри себя (μr < 1).

  3. ферромагнетики – вещества, способные сильно намагничиваться во внешних магнитных полях и сохранять свою намагниченность после их снятия.


В ферромагнетиках есть спонтанное (самопроизвольное) намагничивание, под влиянием которого в них образуются особые области – домены (c французского – владение), в котором атомные магнитные моменты электронов направлены параллельно друг другу в одинаковом направлении. Эти объёмы обладают магнитным моментом и без внешнего поля, но отдельные домены расположены неупорядоченно и в целом их суммарная намагниченность равна нулю. При наложении внешнего магнитного поля происходит рост доменов, намагниченность которых совпадает с внешнем полем или близка к этому направлению, за счёт доменов, намагниченность которых сильно отличается от направления внешнего поля. При сильном внешнем магнитном поле могут меняться векторы намагниченности некоторых доменов, а именно – совпадать с направлением внешнего поля. В сильных полях завершается рост доменов и поворот их векторов намагниченности, вследствие чего наступает магнитное насыщение, и усиление внешнего поля почти не вызывает увеличения намагниченности тела.


В 19-ом веке Майкл Фарадей изучал магнетизм и представлял магнитное поле в виде реальных нитей или трубок в эфире. Свойства магнитов он количественно оценивал по числу создаваемых ими магнитных линий – магнитному потоку. Трактовка магнитных явлений в начале нашего века изменилась, но понятие магнитного потока как количественного выражения магнитного поля сохранилось. Магнитный поток является скалярной величиной, обозначается буквой Ф, измеряется в веберах – Вб. Интенсивность магнитного потока, то есть магнитный поток, приходящийся на единицу площади, перпендикулярной направлению потока, называется магнитной индукцией:

,

где В – векторная величина, измеряется в теслах 1 Тл = (1 Вб) / (1 м2) .


Величина индукции зависит от силовой характеристики внешних источников магнитного поля, напряжённости магнитного поля Н, является также векторной величиной, измеряется в А/м.

Две основные магнитные характеристики связаны между собой третьей, абсолютной магнитной проницаемостью μа, которая учитывает влияние среды, в которой находится магнитное поле:

,

где µа – характеризует способность материала намагничиваться.


Под действием внешнего поля в ферромагнетиках возникает намагниченность, которая определяется как векторная сумма магнитных моментов (спиновых и орбитальных) всех частиц тела в единице объёма этого тела.


Абсолютную магнитную проницаемость принято выражать в виде произведения относительной магнитной проницаемости, умноженной на магнитную постоянную µо = 4 π . 10 -7 Гн/м:

µа = µr . µо


Зависимость магнитной индукции от напряжённости магнитного поля называется кривой намагничивания – В = f Н﴿ – это основная характеристика магнитных материалов. Кривую намагничивания получают экспериментально: берут катушку с сердечником из магнитного материала, меняя силу тока в обмотке (то есть величину внешнего магнитного поля), замеряют специальными приборами В катушки. Процесс намагничивания ферромагнетиков нелинейный – это определяется процессом роста доменов и переориентацией их векторов.



На рисунке показана средняя кривая намагничивания, то есть зависимость В = f Н) сплошной линией и зависимость µа = f Н) пунктирной линией. На этом рисунке выделены четыре зоны, в пределах которых домены ведут себя по-разному:


I зона – очень слабые магнитные поля, µ постоянно, то есть линейная зависимость В от Н

II зона – слабые магнитные поля, µ резко увеличивается, то есть растет переориентация доменов в направлении В

III зона – средние магнитные поля, µ несколько уменьшается, так как переориентация доменов заканчивается, индукция перестает расти

IV зона – сильные магнитные поля, µ = 1, так как наступает насыщение, все домены уже переориентированы в направлении внешнего магнитного поля и дальнейший ростиндукции идет только за счет внешнего магнитного поля обмотки катушки.


При циклическом изменении напряжённости Н от 0 до +Н1 и от +Н1 до -Н1 кривая изменения индукции примет форму замкнутой кривой – «петли гистерезиса» (гистерезис – на греческом отставание, запаздывание, в данном случае отставание изменения магнитной индукции от изменения напряжённости внешнего магнитного поля). При ступенчатом увеличении значения Н получим серию заключённых друг в друге петель гистерезиса, пока не дойдём до предельного значения, которое является важной характеристикой магнитного материала и по петле гистерезиса можно определить следующие магнитные характеристики ферромагнетика:

Вs – индукция насыщения

Вr остаточная индукция

Нс – коэрцитивная (удерживающая) сила.


У разных материалов петли гистерезиса разные по форме и по значениям Bs, Br, Hc. Циклическое перемагничивание происходит с определённой потерей энергии, идущей на уничтожение остаточной намагниченности (по петле вместо линии). Эта энергия превращается в тепловую энергию. Такие потери (выделение тепла) имеют место 2 раза за один цикл, чем больше циклов за единицу времени, тем больше потери. Потери за один цикл определяются площадью петли гистерезиса, то есть зависят от Hc и Вr. Кроме этих потерь внутри магнитного материала в переменном магнитном поле индуцируются (наводятся) вихревые токи, которые также являются причиной рассеяния энергии, то есть дополнительных потерь. Они прямо пропорциональны квадрату частоты переменного тока f2 и обратно пропорциональны удельному электрическому сопротивлению. Значит, для уменьшения величины вихревых токов надо увеличивать электрическое сопротивление ферромагнитных сердечников.



Br

Bs

-Hc

-H







+H

H

Hc

-B




Величина потерь на вихревые токи зависит от толщины материала, они пропорциональны квадрату толщины сердечника. Чтобы понизить эти потери, надо уменьшать толщину сердечника – шихтовать его из тонких листов магнитного материала. Чтобы снизить суммарные потери для магнитных материалов, работающих в переменных полях, применяют материалы с узкой петлёй гистерезиса (то есть магнитомягкие материалы), из них изготавливают электромашины, тракторы, аппараты и приборы.


Материалы с широкой петлёй гистерезиса (с большим запасом магнитной энергии и устойчивым намагничиванием) называются магнитотвёрдыми, из них делают постоянные магниты.

При температуре выше определённого значения (температура называется точка Кюри) происходит разрушение доменной структуры, и магнитные материалы теряют свои ферромагнитные свойства. У каждого материала точка Кюри своя, это параметр магнитных материалов.


Анизотропные кристаллы магнитных материалов меняют размеры при намагничивании, это явление называется магнитострикцией – при увеличении размеров магнитострикция положительна, при уменьшении – отрицательна.


Антиферромагнетики – моменты атомов в соседних узлах кристаллической решётки ориентированны антипаралельно: , поэтому намагничиваемость вещества в целом очень мала, они очень слабо намагничиваются.


Вопросы для повторения


  1. Как изменяется µа при изменении Н?

  2. Что такое Нс и его физический смысл?

  3. Что такое МММ и МТМ?

  4. От чего зависят потери на гистерезисе?

  5. От чего зависят ∆Рвт?

  6. Чему равна t° Кюри для Fe?

  7. Что такое атомный магнитный момент?

  8. Что такое кривая намагничивания?

  9. Зависимость величины вихревых токов от толщины металла?

  10. Чем определятся природа вещества, то есть его свойства?

  11. Нарисуйте кривею намагничивания для ферромагнетика.

  12. Каким образом уменьшают величину вихревых токов?

  13. Что такое парамагнетик?

  14. Как зависит магнитная проницаемость от напряженности внешнего магнитного поля?

  15. От чего зависят потери в магнитопроводе?

  16. Что такое диамагнетик?

  17. Физический смысл петли гистерезиса.

  18. Что значит «потери энергии»? Куда она теряется?

  19. Что такое ферромагнетик?

  20. Нарисуйте начальную кривую намагничивания и петлю гистерезиса.

  21. Какие материалы называются магнитомягкими?

  22. Что такое домен? Почему он образуется?

  23. Назовите основные магнитные характеристики материала?

  24. Какие материалы называются магнитотвердыми?

  25. Что такое намагниченность? Чем она определяется?

  26. Как отличаются магнитные свойства разных материалов? Нарисуйте.

  27. Что изготавливают из магнитомягких материалов?

  28. Что происходит с доменами в слабых магнитных полях?

  29. Что характеризует петля гистерезиса?

  30. Какой формы петля у магнитотвердых материалов?

  31. Что происходит с доменами в средних магнитных полях?

  32. Что такое остаточная намагниченность?

  33. Что изготавливают ид магнитотвердых материалов?

  34. Что происходит с доменами в сильных магнитных полях?

  35. Что такое индукция насыщения?

  36. Какой формы петля у магнитомягких материалов?

  37. Что такое магнитное насыщение?

  38. Что такое потери на гистерезис?

  39. Что такое положительная магнитострикция?

  40. Что такое магнитный поток?

  41. Что такое остаточная индукция?

  42. Что такое антиферромагнетик?

  43. Что такое магнитная индукция?

  44. От чего зависят потери на перемагничивание?

  45. Что такое точка Кюри?

  46. Что такое напряженность магнитного поля?

  47. Что такое коэрцитивная сила?

  48. Что такое отрицательная магнитострикция?

  49. Связь между индукцией и напряженностью.

  50. Что такое вихревые токи?

  51. Что происходит при температуре называемой точкой Кюри?

  52. Из чего складывается магнитный момент отдельного атома?

  53. Как зависит магнитная проницаемость вещества от напряженности внешнего магнитного поля?

  54. Чем определяются свойства вещества?

  55. Чем диамагнетик отличается от парамагнетика?

  56. Нарисуйте петлю гистерезиса, обозначьте магнитные характеристики.

  57. Чем ферромагнетик отличается от антиферромагнетика?

  58. Нарисуйте форму петли гистерезиса магнитомягкого материала.

  59. Как меняются объемы доменов в магнитных полях?

  60. Нарисуйте форму петли гистерезиса магнитотвердого материала.

  61. Как ориентированы домены в магнитных полях и вне их?

  62. Что такое магнитострикция? Какой она бывает?

  63. Что такое относительная магнитная проницаемость?

  64. Что такое потери в магнитопроводе? Из чего складываются?

  65. Влияние частоты тока на потери в магнитопроводе?

Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Лекция магнитные материалы iconОтчет по практике Синтез магнитных наночастиц
Магнитные материалы и феномен магнетизма знакомы человечеству на протяжении долгого времени, и хорошо известно какую роль играют...

Лекция магнитные материалы icon1. Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей Основные требования к материалам
Применяемые в электронной технике магнитные материалы подразделяют на две основные группы: магнитотвердые и магнитомягкие. В отдельную...

Лекция магнитные материалы iconРешение: Для изготовления диодов, транзисторов применяют полупроводниковые материалы. Тема: Магнитные материалы
Электрическая мощность, рассеиваемая в диэлектрике под действием приложенного к нему напряжения и вызывающая нагрев диэлектрика,...

Лекция магнитные материалы iconМатериал из Википедии свободной энциклопедии
Магнитные материалы, магнетики — материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также...

Лекция магнитные материалы iconУчебные пособия. Н. В. Никулин, электроматериаловедение основное пособие
Материалы, из которых изготавливают механическое оборудование, электрические машины, преобразователи, электрические аппараты и электрические...

Лекция магнитные материалы iconЛекция №15 Воздействие на организм неионизирующих излучений
Неионизирующие излучения: электромагнитные, электрические и магнитные поля. Биологическое действие эмп радиочастот

Лекция магнитные материалы iconЛекция 24 Эксплуатационная надежность магнитной записи
Магнитные носители в настоящее время являются основным средством энергонезависимого хранения цифровой информации

Лекция магнитные материалы iconРеспублики Беларусь Учреждение образования «Белорусский государственный университет транспорта»
С. Л. К93 Электротехнические материалы и технология электромонтажных работ : учеб метод пособие. В 3 ч. Ч. Диэлектрические и магнитные...

Лекция магнитные материалы iconПрограмма междисциплинарного экзамена в магистратуру по направлению подготовки 140400 «Техническая физика»
Полупроводниковые материалы. Основные физические процессы в ди­электриках. Пассивные диэлектрики. Основные характеристики и типы...

Лекция магнитные материалы iconЛекция 20. 11. 09, Им,АТ,эп-05, лекция 30. 11. 09. Тема: «Социальная стратификация и социальная мобильность»
Лекционные потоки: фаи – 08, лекция 20. 11. 09, Р- 09, лекция 24. 11. 09, Эм- 07, лекция 23. 11. 09, Исф- 07, лекция 02. 12. 09,...


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница