Вихрові струми

Вихрові струми, струми Фуко (на честь Леона Фуко) — вихрові індукційні струми, які виникають у масивних провідниках при зміні магнітного потоку, який їх пронизує.

Вперше вихрові струми виявлені французьким ученим Франсуа Араго (1786—1853) в 1824 р. у мідному диску, розташованому на осі під магнітною стрілкою, яка оберталася. За рахунок вихрових струмів диск теж обертався. Це явище, назване явищем Араго, було пояснене декілька років по тому M. Фарадеєм з позицій відкритого ним закону електромагнітної індукції: магнітне поле, яке обертається, індукує у мідному диску струми (вихрові), які взаємодіють з магнітною стрілкою. Вихрові струми названі на честь французького фізика Фуко (1819—1868). Він відкрив явище нагрівання металічних тіл, які обертаються у магнітному полі, вихровими струмами.

Струми Фуко виникають під дією змінного електромагнітного поля і за своєю фізичною природою нічим не відрізняються від індукційних струмів, що виникають у лінійних провідниках.

Оскільки електричний опір провідників малий, то сила струмів Фуко може досягати великих значень. Згідно з правилом Ленца вони вибирають у провіднику такий напрямок, щоб протистояти причині, яка їх викликає. Тому у сильному магнітному полі провідники, які рухаються, витримують сильне гальмування, яке пояснюється взаємодією струмів Фуко з магнітним полем. Цей ефект застосовується для демпфування рухливих частин гальванометрів, сейсмографів тощо.

Теплова дія струмів Фуко використовується в індукційних печах — у котушку, яка живиться від високочастотної батареї великої сили поміщають тіло-провідник, у якому виникають вихрові струми, які розігрівають його до плавлення.

У багатьох випадках струми Фуко небажані, шкідливі. Для боротьби з ними приймаються спеціальні заходи: наприклад, якоря трансформаторів набираються з тонких пластин. Поява феритів зробила можливим виготовлення цих провідників суцільними.

Магнітні матеріали поділяють на магнитомягкие, магнітотверді і матеріали спеціалізованого призначення.

До магнитомягких відносять матеріали з малою коерцетівной силою (Н _з <800 А / м) і високою магнітною проникністю. Вони намагнічуються до насичення в будь-яких магнітних полях, мають вузьку петлею гистерезиса і малими втратами на перемагнічування. Їх використовують як осердя дроселів, трансформаторів, електромагнітів і т.п.

До магнітотвердих відносять матеріали з великою коерцитивною силою (Н _ç> 4кА / м). Вони перемагнічуватися у дуже сильних магнітних полях і служать в основному для виготовлення постійних магнітів.

Серед матеріалів спеціалізованого призначення в радіоелектроніці застосовуються матеріали з прямокутною петлею гистерезиса (ППГ), ферити для пристроїв надвисокочастотного діапазону і магнітострикційні матеріали.

2. Магнітом'які матеріали для постійних і низькочастотних магнітних полів

Магнітом'які матеріали повинні володіти високою магнітною проникністю, малою коерцитивною силою, великий індукцією насичення, малими втратами на перемагнічування. Магнітні властивості матеріалів повинні мало залежати від механічних напружень, внаслідок дії яких сильно змінюється m _поч, m _макс, Н _с. Магнітні властивості після механічної обробки відновлюють термообробкою (випалом). У деяких випадках важливими є температурна і тимчасова стабільність, лінійність кривої намагнічування і ін

Цим вимогою найбільш повно задовольняють залізо та його сплави. Залізо - це типовий магнитомягкие матеріал, магнітні властивості якого істотно залежать від вмісту домішок, структури (особливо величини зерна - чим більший зерна, тим вище магнітні властивості).

Внаслідок низького питомого опору залізо використовують для виготовлення виробів, які працюють у постійних магнітних полях. Технічно чисте залізо застосовується для одержання майже всіх феромагнітних сплавів.

Сталь електротехнічна є основним магнитомягких матеріалом і являє собою сплави заліза і кремнію (до 4,5%). Добавки кремнію підвищують питомий опір, збільшують m _н і m _max, зменшують Н _с, втрати на гістерезис, константи магнітної анізотропії та магнітострикції, підвищують стабільність магнітних властивостей у часі, але разом з тим збільшують крихкість і твердість сталі. Властивості стали значно поліпшуються в результаті утворення магнітної текстури при її холодною прокатці і подальшому відпалі у водні. Вздовж напрямку прокатки спостерігається більш високе значення магнітної проникності і менше втрати на гістерезис. Текстуровані сталі використовуються при виготовленні стрічкових сердечників.

У цьому випадку магнітний потік повністю проходить вздовж напрямку легкого намагнічування. Сталь випускається у вигляді рулонів, листів та різаної стрічки товщиною 0,05 - 1 мкм. Тонкий прокат застосовується в полях підвищеної частоти (до 1 кГц). Зі зменшенням товщини зменшуються втрати на вихрові струми, однак зростає коерцитивна сила і збільшуються втрати на гістерезис.

Пермаллои - железонікелевих сплави, що володіють великою магнітною проникністю в області слабких полів і дуже маленькою коерцитивною силою. Високо пермаллои містять 72 - 80% нікелю, а нізконікелевие - 40 - 50% нікелю. Зі збільшенням змісту нікелю зростає магнітна проникність, проте підвищуються питомі втрати і зменшується індукція насичення. Нізконікелевие пермаллои мають m _н = (1.5 - 4) × 10 ^3, m _макс = (15 - 40) × 10 ^3, H _c = 8 -32 A / м, B _m = 1 - 1.5 Tл, а високо - m _н = (1 - 4) × 10 ^4, m _макс = (7 - 35) × 10 ^4, H _c = 0.4 - 4.8 A / м, B _m = 0.5 - 1 Tл.

Великі значення m _н і m _макс пермаллоя пояснюються невеликими величинами магнітної апізотропіі і магнітострикції. Це полегшує поворот магнітних моментів з напрямку легкого намагнічування в напрямку поля і не викликає механічних напружень, які ускладнюють зміщення доменних меж під впливом слабкого поля. Магнітна проникність пермаллои сильно знижується зі збільшенням частоти (з-за впливу вихрових струмів) і напруженості подмагнічівающего (постійного) поля. Для збільшення питомої опору, поліпшення магнітних характеристик та їх стабільності в діапазоні напруженостей магнітного поля і температур, підвищення механічної міцності і оброблюваності в пермалой додають легуючі елементи - молібден, хром, кремній, марганець, мідь.

Пермалой дуже чутливий до механічних впливів, тому при виготовленні деталей з нього необхідно уникати ударів, рихтування і т.п. Після всіх механічних операцій виробляють термообробку у вакуумі або в атмосфері водню.

Пермалой використовується для виготовлення магнітних екранів, сердечників малогабаритних і імпульсних трансформаторів, сердечників котушок індуктивності, головок апаратури магнітного запису.

Альсифера - потрійні сплави заліза з кремнієм і алюмінієм. Оптимальний склад альсифера 9.5% Si, 5.6% Al, решта Fe. Такий сплав відрізняється твердістю і крихкістю. Властивості альсифера (m _н = 3500, m _макс = 117000, H _c = 1.8 A / м) не поступаються властивостям високо пермаллоя. Вироби з альсифера - магнітні екрани, корпуси приладів і т.п. виготовляються методом лиття з товщиною стінок не менше 2 - 3 мм на увазі крихкості сплаву. Його можна розмелювати в порошок і використовувати для виготовлення високочастотних пресованих сердечників.

3. Ферити і магнітодіелектриків

Феррити - хімічні сполуки окису заліза Fe ₂ О ₃ з оксидами одного або кількох двовалентних металів, що мають загальну формулу Мео × Fe ₂ O _3, де Ме - двовалентний метал. Ферит може бути магнітним, якщо на місці Ме варто іон марганцю, нікелю, магнію, міді і деякі інші метали, і немагнітним - якщо стоїть іон цинку.

Феррити отримують у вигляді кераміки та монокристалів. Феритова кераміка не містить склоподібної фази. Вироби з феритів отримують методом спікання спресованої маси порошкоподібних оксидів металів. Феррити є твердими і тендітними матеріалами і допускають тільки шліфування і полірування.

Технічні ферити являють собою розчин магнітного і немагнітного феритів. Феррити для радіочастот діляться на дві групи: нікель-цинкові (NiO-ZnO-Fe ₂ O ₃₎ і марганець-цинковий (MnO-ZnO-Fe ₂ O _3). Цинкові ферити додають у магнітні ферити для збільшення магнітної проникності і зменшення коерцитивної сили, але це призводить до зниження температурної стабільності магнітних властивостей.

Значення величин m _н і H _c визначається складом і структурою матеріалу. Мікроскопічні пори, ділянки з дефектною кристалічною решіткою та ін заважають вільному переміщенню доменних меж і є причиною зменшення магнітної проникності. Зі збільшенням розміру кристалічних зерен зростає m _н.

У слабких змінних магнітних полях ферити володіють незначними втратами на вихрові струми і гістерезис. Тому значення тангенса кута втрат tg d на високих частотах в основному визначається магнітними втратами, зумовленими релаксаційним та резонансними явищами. Частота, при якій починається різке зростання tg d називається критичною f _кр. Зазвичай f _кр - це частота, при якій tg d = 0.1.

Інерційність зміщення доменних меж, яка проявляється на високих частотах призводить також до зниження магнітної проникності феритів. Частоту f _гр, при якій m _н зменшується до 0.7 від її значення в постійному магнітному полі називають граничної. Як правило, f _кр <f _гр.

Марганець - цинкові ферити в області частот до 1 МГц володіють кращими магнітними властивостями, ніж нікель - цинкові. У них менший відносний тангенс кута втрат - tg d / m _н, більш висока індукція насичення і температура Кюрі. Однак нікель-цинкові ферити володіють більш високою питомою опором і кращими частотними властивостями. Чим більше m _н, тим при більш низьких частотах спостерігається її зниження. Феррити з великим значенням m _еф володіють великим значенням tg d і меншим f _кр.

Щоб уникнути погіршення магнітних характеристик, ферити слід оберігати від механічних навантажень.

Маркування магніто-м'яких феритів наступна. На першому місці стоїть чисельне значення m _н, наступне за ним літери Н та В означають відповідно низькочастотний (f _кр = 0.1-50МГц) або високочастотний (f _кр = 50 - 600МГц) матеріал, що стоїть далі буква М означає марганець-цинковий, велика Н - нікель-цинковий, літій - цинковий і т.д. ферити. Буква С означає, що ферит застосовується в області сильних полів, Н - контурах, перебудовуються підмагнічуванням.

По електричним властивостям ферити відносяться до напівпровідників з електронною провідністю. Їх електропровідність обумовлена ​​слабкозв'язаного електронами, які належать іонів заліза або іншим катіонів змінної валентності. Такі електрони під впливом теплового руху можуть переходити від іона Fe ^{2 +} до іона Fe ^{3 +,} який перетворюється на двовалентний іон Fe ^{2 +} і зберігає це властивість деякий час. Зі збільшенням концентрації іонів Fe ^{2 +} зростає питома провідність і зменшується енергія активації Е _0. Зростання температури супроводжується різким підвищенням провідності через збільшення числа переміщаються електронів.

s = s ₀ exp [-Е ₀ / кТ],

де s ₀ - постійна величина для даного матеріалу;

Е ₀ - енергія активації електропровідності (Е ₀ = 0.1 - 0.5 ЕВ).

Концентрація двовалентних іонів Fe ^{2 +} залежить від складу фериту та режиму його випалу. Для зниження концентрації Fe ^{2 +} вводять різні добавки.

Процеси поляризації феритів та діелектричні втрати визначаються дрейфом слабосвязанних електронів під дією електричного поля. Зі зростанням частоти поля зменшується число електронів, які бере участь в дрейфі, і зменшується відстань, на яку вони зміщуються, і відповідно знижується поляризованность. Наприклад на частотах нижче 1000 Гц у марганець-цинкових феритів величина e ~ 100000, а зі збільшенням частоти e різко падає до значення близько 100. Частотні характеристики діелектричних втрат мають максимум.

Магнітом'які ферити застосовуються як осердя контурних котушок постійної і змінної індуктивності, сердечників імпульсних трансформаторів, трансформаторів розгортки телевізорів, магнітних модуляторів і підсилювачів. З них виготовляють стрижневі магнітні антени, індуктивні лінії затримки і ін Монокристали магнитомягких феритів застосовуються при виготовленні магнітних головок запису і відтворення сигналу звукового і відеодіапазонов у магнітофонах, тому що вони володіють високим питомим опором (що важливо для зменшення втрат) і більшою твердістю в порівнянні з металевими.

Магнітодіелектриків - це композиційні магнитомягкие матеріали, що складаються з феромагнетика і діелектрика, вживаного як сполучного електроізоляційного матеріалу. Основа повинна володіти високими магнітними властивостями, а зв'язка - здатністю утворювати між зернами суцільну електроізоляційну плівку однакової товщини. В якості основи застосовують карбонильное залізо, альсифера, молібденовий пермалой. Ізолюючої зв'язкою служать фенолформоальдегідние смоли, полістирол, скло та ін

Сумарні втрати потужності в магнітодіелектриків визначаються втратами на вихрові струми, післядія, гістерезис і діелектричними втратами. Зі зменшенням розміру частинок феромагнетика втрати знижуються, особливо зумовлені вихровими струмами.

Магнітна проникність магнітодіелектриків (m _н = 10 - 250) нижче магнітної проникності монолітних феромагнетиків. Це пов'язано з тим, що ізольовані один від одного феромагнітні частинки створюють внутрішнє поле, спрямоване назустріч зовнішньому, і слабко виражений механізм намагнічування за рахунок зміщення доменних меж, що визначає значення m _н.

Через сильний впливу розмагнічує фактора магнітодіелектриків мають близьку до лінійної залежність індукції від напруженості магнітного поля і характеризуються незначними втратами на гістерезис.

Переваги магнітодіелектриків: малі питомі втрати енергії, слабка залежність параметрів від температури, часу і напруженості магнітного поля, сталість магнітної проникності в діапазоні частот, а недолік - порівняно мала початкова магнітна проникність.

Пресовані сердечники з магнітодіелектриків застосовуються в котушках індуктивності контурів радіоприймальних пристроїв, генераторів, фільтрів і т.д.

Сердечники на основі карбонільного заліза володіють високою стабільністю, малими втратами, позитивним температурним коефіцієнтом магнітної проникності і можуть використовуватися в широкому діапазоні частот. Карбонильное залізо виходить за допомогою термічного розкладання пентакарбоната заліза у вигляді тонкого порошку, що зручно для виготовлення пресованих магнітних сердечників. У карбонільного залозі відсутня кремній, фосфор, сірка, але міститься вуглець.

Промисловість випускає два класи карбонільного заліза: Р (марки Р-10, Р-20, Р-100) - для радіоапаратури і П _с - для дротового зв'язку. Цифри вказують максимальну робочу частоту в МГц.

Альсифера володіє невисокою вартістю. Його температурний коефіцієнт магнітної проникності залежить від вмісту алюмінію і кремнію і може бути позитивним, негативним або рівним нулю.

4. Магнітні матеріали спеціального призначення

До магнітних матеріалів спеціального призначення відносять магнітні матеріали з прямокутною петлею гістерезису, СВЧ ферити, магнітострикційні матеріали.

Магнітні матеріали з прямокутною петлею гистерезиса (ППГ) знаходять широке застосування в пристроях автоматики, апаратури зв'язку. Сердечники з матеріалу з ППГ мають два стійких магнітних стану, які відповідають різним напрямкам магнітної індукції. Ця властивість використовується для зберігання і переробки двійкової інформації.

Матеріали з ППГ характеризуються коефіцієнтом прямокутності k _пу петлі гістерезису.

k _пу = B _r / B _max.

Великим значенням k _пу володіють залізонікельових і залізокобальтових сплави, леговані міддю і деякими іншими металами. Ці сплави мають кристалографічної або магнітної текстурою. Найбільш високу прямокутність (до 0,98) мають железонікелькобальтовие сердечники зі стрічок мікронної товщини.

Більш широко поширені ферити з ППГ, сердечники з яких більш технологічні і дешевше. Прямокутність петлі гістерезису досягається вибором певного хімічного складу і умовами спікання фериту. Для сердечників з ППГ частіше застосовуються магній-марганцеві та літієві ферити.

Ферромагніти для пристроїв НВЧ використовуються в діапазоні довжин хвиль від 1м до 1 мм. Електромагнітна енергія на таких частотах передається по волноводам, коаксіальним і смуга лініях передачі. Феритовий сердечник - вкладиш, поміщений всередину хвилеводу, змінює структуру поля і швидкість поширення хвилі. На цих частотах у феритах використовується магнитооптический ефект Фарадея, ефект феромагнітного резонансу і залежність магнітної проникності від величини зовнішнього поля.

Магнитооптический ефект Фарадея полягає в повороті площини поляризації високочастотних коливань в фериті за рахунок зовнішнього поля. Це дозволяє змінювати кут повороту площини поляризації і спрямовувати енергію в різні канали.

Феромагнітний резонанс спостерігається при збігу частоти зовнішнього поля з власне частотою прецесії електронів, якою можна керувати за допомогою постійного подмагнічівающего поля. При резонансі, хвиля розповсюджується в прямому напрямку, проходить без загасання, а в зворотному - з загасанням. У результаті виходить високочастотний вентиль. Це явище використовується в антенних перемикачах, в фазовращателя, модуляторах і т.д.

Для кожного діапазону довжин хвиль використовується певний різновид фериту. Наприклад, для діапазону довжин хвиль 0,8 - 2 см використовуються деякі нікель-цинкові ферити, для діапазону 5 см і більше використовують ферити з добавками хрому (феррохромати) або алюмінію (ферроалюміти); феррогранат використовується в діапазоні хвиль кілька десятків сантиметрів.

Феррити НВЧ маркуються літерами СЧ, попереду яких стоїть цифра, що вказує довжину хвилі в див. Цифра після букв СЧ вказує відмінність за властивостями.

У магнітострикційних матеріалах використовується явище магнітострикції і магнітопружних ефект - зміна магнітних властивостей матеріалу під впливом механічних впливів. До магнітострикційних матеріалів відноситься нікель, пермендюр (сплави FeCo), Альфер (сплави FeAl), нікелевий і нікель-кобальтові ферити і ін Магнітострикційні ферити мають малі втрати на вихрові струми в порівнянні з нікелем і металевими сплавами, не схильні до дії хімічних агресивних середовищ.

За допомогою керамічної технології можна виготовити перетворювачі будь-яких форм і розмірів. Магнітострикційні матеріали застосовуються для виготовлення сердечників електромеханічних перетворювачів для електроакустичної і ультразвукової техніки, сердечника електромеханічних і магнітострикційних фільтрів, резонаторів і ліній затримок.

5. Магнітотверді матеріали

Магнітотверді матеріали мають високу коерцитивною силою і великою площею петлі гистерезиса.

Магнітотверді матеріали за способом виготовлення поділяються на такі групи:

литі сплави на основі Fe-Ni-Al і Fe-Ni-Al-Co, леговані міддю, титаном, ніобієм і ін елементами;

порошкові матеріали, з яких постійні магніти, отримують пресуванням порошків з наступною термообробкою;

інші магнітні матеріали (наприклад, сплави на основі рідкоземельних металів, застарілі матеріали, пластично деформуються сплави, еластичні магніти та ін.)

По застосуванню магнітотверді матеріали поділяють на матеріали, застосовувані для виготовлення постійних магнітів і для тривалого зберігання інформації (наприклад, для звукозапису).

Для отримання високої коерцитивної сили в магнітному матеріалі, необхідно утруднити процес перемагнічування. Це досягається в матеріалах з великою кількістю внутрішніх механічних напружень, дефектів кристалічної структури і високої магнітострикції, які перешкоджають зміщення доменних меж. Крім того велика коерцетівная сила виникає в матеріалі з однодоменних часток, розділених немагнітної фазою. Такі структури виходять після певної термообробки.

Магнітні властивості магнітотвердих матеріалів залежать від кристалографічної та магнітної текстур. Магнітна текстура створюється шляхом охолодження висококоерцетівних сплавів в сильному магнітному полі. При цьому сильно магнітна фаза орієнтується осями легкого намагнічування вздовж напрямку поля. Кристалографічної текстури створюють методом спрямованої кристалізації сплаву, залитого в форму, при особливих умовах охолодження. Литі сплави тверді та крихкі. Після лиття їх можна піддавати тільки шліфовці.

Для отримання магнітів зі строго витриманими розмірами використовують методи порошкової металургії. Магніти з порошкових матеріалів підрозділяють на металокерамічні, металлопластіческіе, оксидні та з мікропорошків.

Металокерамічні магніти отримують пресуванням металевих порошків без зв'язуючого матеріалу і спіканням їх при високій температурі. За магнітними властивостями вони трохи поступаються литим, але дорожче останніх.

Металлопластіческіе магніти виготовляють пресуванням металевих порошків разом з ізолюючої зв'язкою і піддають нагріванню до невисокої температури, необхідної для полімеризації зв'язує речовини. Мають знижені магнітні властивості, але володіють великим електричним опором, малою щільністю і відносно дешеві. Оксидні магніти найчастіше виготовляють на основі феритів барію і кобальту.

Магніти з фериту барію мають високу коерцитивної силу, але малу залишкову індукцію, володіють великим питомим електричним опором, дешеві, мають високу твердість і крихкістю і великою залежністю магнітних властивостей від температури.

Кобальтові магніти характеризуються великою температурною стабільністю, проте їх вартість вище, ніж барієвих.

Сплави на основі рідкоземельних металів є интерметаллические сполуки рідкоземельних елементів (самарію, церію та ін) з кобальтом. Вони володіють найвищими магнітними властивостями, отриманими в даний час. Вимагають захисту від окислення.

До числа магнітотвердих матеріалів відносяться магнітні стрічки для відео-звукозапису, для запису, зберігання, введення інформації в ЕОМ і магнітні диски. Матеріали для магнітного запису повинні володіти високою коерцитивною силою, високою залишковою намагніченістю, стабільністю параметрів при зміні температури.

Більшість магнітних стрічок виготовляють на основі поліетилентерефталату (лавсану), що володіє високою механічною міцністю. На поверхню основи наносять магнітний порошок, однодоменних частинки якого мають витягнуту игольчатую форму довжиною близько 1 мкм при діаметрі близько 0,1 мкм і орієнтовані вздовж напряму поля під час запису. Чим рівномірнішим товщина магнітного шару і дрібніше частинки, тим менше шумовий фон при відтворенні запису.

В якості магнітного шару використовують оксиди g - Fe ₂ O _3, CrO _2, чисте залізо або феромагнітні сплави. Стрічки на основі CrO ₂ володіють великою коерцитивною силою і підвищеною чутливістю на високих частотах. Використання магнітного шару з чергуються окислів g - Fe ₂ O ₃ та CrO ₂ поліпшують відтворюваність низькочастотної частини спектру. Найкращими магнітними властивостями володіють стрічки з робочим шаром з найдрібніших частинок хімічно чистого заліза або феромагнітних сплавів.

Дата добавления: 2015-05-06