С магнитным сердечником

Рис. 9-11. Примеры построения результирующих температурных зависимостей индукции для ферримагнетика, имеющего точку компенсации (а) и не имеющего

Точки компенсации (б)

стерезис за один цикл в единице объема вещества была предложена эмпирическая формула

ГСя,=Т| Вмакс, ' * (9-3)

где т! — коэффициент, зависящий от материала; В_Макс — макси­мальная индукция, достигаемая в течение цикла; п — показатель степени, равный 1,6—2.

Мощность, расходуемая на гистерезис, может быть представлена в виде

Рн = 11Вмакс/1Л (9-4)

где / — частота тока; V — объем ферромагнетика.

Мощность, расходуемую на вихревые токи, можно вычислить по формуле

Р{ = ££макс/²1Л (9-5)

где | — коэффициент, зависящий от типа ферромагнетика (в част­ности, от его удельного сопротивления) и его формы; остальные величины те же, что и в формуле (9-4).

Поскольку Р/ зависит от второй степени частоты, а Р_н — от первой степени, при высоких частотах приходится учитывать в пер­вую очередь величину Ру, т. е. потери на вихревые токи. Потери, связанные с магнитным последействием, приходится учитывать при использовании ферромагнетиков в импульсных режимах.

В цепях переменного тока рассеяние мощности в катушках ин­дуктивности иногда оценивают тангенсом угла магнитных потерь. Тороидальную катушку индуктивности с сердечником из магнит­ного материала, собственной емкостью и сопротивлением обмотки которой можно пренебречь, представим в виде схемы, состоящей из последовательно соединенных индуктивности Ь И сопротивления Гх, эквивалентного всем видам потерь мощности в магнетике (рис. 9-10); для этого случая из векторной диаграммы получим

(

со г,

9-6)

1

273

0 Богородицкий Н. П. и др.

Рис. 9-12. Доменные структуры в тонких образцах магнетиков Для некоторых кристаллических веществ минимуму потенциальной энергии системы отвечает антипараллельное расположение спинов с некоторым преобладанием одного направления над другим. Эти вещества называют ферримаанетитми. Они имеют доменную струк­туру, точку Кюри; к ним применимы все характеристики, введен­ные для ферромагнитных веществ. Ферримагнетиками являются сложные оксидные материалы, получившие в практике название ферритов. Ферримагнетики отличаются от ферромагнетиков меньшей индукцией насыщения, имеют более сложную температурную за­висимость (рис. 9-11) и повышенное, а для некоторых материалов и очень высокое, значение удельного сопротивления. Первые два от­личия упрощенно могут быть объяснены наличием в структуре сложного материала двух подрешеток, создающих встречные неском- пенсированные магнитные потоки, а третье отличие — тем, что эти материалы не относятся к металлам.

Допустим, что соотношения между ординатами кривых В_ма„_с г и Аиакс г при различных температурах для какого-то феррита такие, как это показано на рис. 9-11, а. Тогда при некоторой температуре ниже точки Кюри получится компенсация, и результирующая ин­дукция насыщения В_г.,акс образца станет равной нулю. Эту точку называют точкой компенсации /_Ко»ш- За точкой компенсации индук­ция в образце ферримагнетика меняет знак и затем становится рав­ной напряженности внешнего поля (которое мало и в масштабе чертежа близко к нулю) в точке Кюри. У различных ферримагне- тиков точка компенсации может быть, а может и отсутствовать, как это видно, например,, из рис. 9-11., б.

Тонкие магнитные пленки и цилиндрические домены. Особенностью тонких магнитных пленок является то, что при малой толщине их (много меньшей линейных размеров а, б) направление легкого намагничивания оказывается расположенным в плоскости пленки. Образуются плоские домены, показанные на рис. 9-12, о.,Для очень тонких пленок характерна однодоменная структура, для пленок толщиной свыше 10"³—10"² мм (у различных веществ)—многодоменная, состоящая из длинных узких доменов (шириной от долей микрометров до нескольких микрометров), намагниченных в противоположных направлениях. Под воздейст­вием внешнего поля вся система полос может перемещаться и по­ворачиваться, и ее используют как управляемую дифракционную решетку для света и ближайшего диапазона волн электромаг­нитного спектра.

В пластинках некоторых ферритов толщиной около 50 мкм, вы­резанных в направлении, перпендикулярном к оси легкого намагни­чивания, наблюдается- так называемая лабиринтная структура до­менов (при Н х 0) с противоположными направлениями намагни­ченности, нормальными к плоскости рис. 9-12, б (светлые и темные места). Если пластину поместить во внешнее неизменное по направ­лению магнитное поле, перпендикулярное к ее поверхности, и увели­чивать- напряженность поля, то лабиринтная структура разрывается и образуются цилиндрические домены (рис. 9-12, в), диаметр которых при дальнейшем усилении поля уменьшается, пока не будет достиг­нуто однородное однодоменнсе намагничивание всей пластинки. Цилиндрические домены, существующие при определенных значениях напряженности магнитного поля, управляемые полем (возможно смещение по двум координатам), представляют большой интерес при создании устройств вычислительной техники. Их можно исполь­зовать для создания как запоминающих, так и логических элементов. В двоичной системе «1» может соответствовать наличие домена в опре­деленной точке устройства, а «0» — его отсутствие. Магнитные эле­менты с цилиндрическими доменами позволяют осуществлять мно­гофункциональные операции без нарушения однородности матери­ала-носителя.

9-2. МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Магнитомягкие материалы, обладая высокой магнитной прони­цаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис, используются в качестве сердечников трансформато­ров, электромагнитов, в измерительных приборах и в других слу­чаях, где необходимо при наименьшей затрате энергии достигнуть наибольшей индукции. Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах используют магнитомягкие материалы с повы­шенным удельным электрическим сопротивлением, обычно приме­няются магнитопроводы, собранные из отдельных изолированных друг от друга тонких листов.

Железо (низкоуглеродистая сталь). Технически чистое железо обычно содержит небольшое количество примесей угле­рода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его магнитные свойства. Благодаря сравнительно низкому удель­ному электрическому сопротивлению технически чистое железо используется довольно редко, в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока. Обычно технически чистое железо изготовляется рафинированием чугуна в мартеновских печах или конверторах и имеет суммарное содержание примесей до0,08—0,1 %. За рубежом такой материал известен под названием «армко-железо».

Низкоуглеродистая электротехническая листовая сталь — это одна из разновидностей технически чистого железа, выпускается в виде листов толщиной 0,2—4 мм, содержит не свыше 0,04 % угле­рода и не свыше 0,6 % других примесей. Максимальное значение магнитной проницаемости для различных марок — не менее 3500— 4500, коэрцитивная сила — соответственно не более 100—65 А/м.

Состав и магнитные свойства железа, подвергнутого различным видам обработки

	Содержание		Магнитные свойства
Материал	примесей, %		Магнитная проницае­мость		Коэрци­
					тивная
	угле­ род	ки - сло- род	началь­ная цгн	максималь- ная макс	сила Нг, А/м
Технически чистое железо . . .	0,020	0,060	250	7 000	64,0
Электролитическое железо . . .	0,020	0,010	600	15 000	28,0
Карбонильное железо Переплавленное в вакууме элек­	0,005	0,005	3 300	21 000	6,4
тролитическое железо	0,010	—	—	61 000	7,2
Железо, обработанное в водороде Железо, обработанное в водороде	0,005	0,003	6 000	200 000	3,2
особо тщательно Монокристалл чистейшего желе­за, отожженный в водороде осо­			20 000	340 000	2,4
бо тщательно		—	—	1 430 000	0,8

Особо чистое железо, содержащее весьма малое количество примесей (менее 0,05 %), может быть получено двумя сложными путями, в результате которых имеем:

1. Электролитическое железо изготовляют электролизом раствора сернокислого или хлористого железа, причем анодом служит чистое железо, катодом — пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина слоя 4—6 мм) после тщательной промывки снимают и измельчают в порошок в шаровых мельницах, после чего произ­водят вакуумный отжиг и переплавку в вакууме.

2. Карбонильное железо получают термическим разложением пентакарбонила железа согласно уравнению

Ре (СО) ₅ = Ре + 5СО.

Пентакарбонил железа представляет собой жидкость, получаемую воздействием оксида углерода на железо при температуре около 200 °С и давлении около 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид тонкого порошка, что делает его весьма удобным для изготовления прессованных высокочастотных магнитных сердечников (см. § 9-3).

Свойства железа зависят не только от содержания примесей, но и от структуры материала, размера зерен, механических напряжений (см. рис. 9-5). Из табл. 9-1 видно, что магнитные свойства даже лучших промышленных разновидностей железа еще далеки от того, чего можно добиться, используя современные технологические ме­тоды получения чистых и однородных по структуре кристаллов.

Кремнистая электротехническая сталь является основным магни­томягким материалом массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивле­ния, что вызывает снижение потерь на вихревые токи. Кроме того, наличие в стали кремния способствует выделению углерода в виде