14-дәріс
Тақырыбы: Магниттік материалдар
1. Материалдардың магниттік қасиеттері туралы жалпы мағлұматтар. Магниттік материалдардың жіктелуі
2. Магниттелудің табиғаты. Магниттік материалдардың негізгі сипаттамалары. Магнитті-жұмсақ материалдар (темір (төменкөміртектік болат), кремнийлі электртехникалық болат, пермаллой, альсиферлер).
1. Заттардың магниттік қасиеттері туралы жалпы мәліметтер
Магниттік зат ретінде техникалық маңызы бар ферромагниттік заттар және ферромагниттік химиялық қоспалар (фериттер).
Ферромагниттезм құрылысы кейбір заттардың ішінде белгілі температурадан (Кюри нүктелерден) төмен кезде магниттік домендерде электронды спиндер бір – біріне паралельді бағытталған болып құрылуымен байланысты.
Сыртқы магнитті өрістің әсерімен ферромагниттік затты магниттеу процесі арқылы күштері өрістің бағытымен ең кіші бұрышы бар домендер өседі, ал басқа домендердің мөлшері азаяды. Домендердің өсуі қойылғанда және барлық магниттелген монокристалдар өрістің бағытымен бейімделгенде магниттік қанығу басталады.
14.1 Сурет — Магниттік индукцияның және салыстырмалы
магниттік өтімділіктің өрістен тәуелділік қисықтары
1 — өте таза темір
2 – таза темір (99,98 Fе,%);
3 – техникалық таза темір (99,92 Fе,%);
4 – пермоллой (78 Ni,%);
5 – никель;
6 – темір – никель қоспалары (26 Ni,%);
Ферромагниттік монокристалдарды магниттеген кезде олардың сызықты мөлшерінің өзгеруі байқалады; бұл құбылыс магнитострикция деп аталады. Магнитострикциялық заттың магниттеу процестің өтуі әдетте В (Н) магниттеу қисықтарымен сипаталады (14.1 сурет). Салыстырмалы магниттік өтімділік – негізгі магниттеу қисық бойынша В индукциясының сәйкестігі Н магнит өрісіне қатынасы
μ_r=B/(μ_0 H) (14.1)
Күшті өрістерде магниттік қағыну саласында магниттік өтімділік бірге ұмтылады. Айнымалы магниттік өрістерде ферромагниттердің сипаттамасы ретінде ең үлкен кернеулігінің мәніне қатынасын алады. Оны – μ деп белгілейді де, динамикалық магниттік өтімділік деп атайды.
Айнымалы өрістің жиілігі өскенде магниттік процестердің инерциялығына байланысты η азаяды.
Ферромагниттік заттардың магниттік өтімділік температураға тәуелді, ол максимумнан Кюри нүктесіне жақын температура кезінде өтеді. Таза темір үшін Кюри нүктесі 168 °С, никель үшін 1130 °С. Температура өзгерген кезде магниттік өтімділіктің өзгеруін сипаттау үшін магниттік өтімділіктің температуралық коэффицент пайдаланады [K^(-1)]:
TKμ_r=α_(μ_r )=1/μ_rt (dμ_r)/dt (14.2)
Егер де сызықты магнит ферромагнитті бәсең магниттеуін өткізсек, ал кейбір негізгі магниттеу қисықтың нүктесінен бастап өрістің кернеулігін азайтуын бастасақ, онда магнит индукциясы да азаяды, бірақ негізгі қисық бойынша емес, себебі гистерезис құбылыстың салдарынан кешігеді. Кері бағытталған өрістің мәні өскенде өрнектің магниттік қасиеттерін жоюға болады, ал содан кейін қайта магниттеліп және магнит өрістің бағыты қайтадан өзгергенде өрнектің магниттелуін мінездейтін бастапқы мінездемесіне қайтып келеді, яғни гистерезистің ілмегі пайда болады (14.2 — сурет).
Сурет 14.2 — Гистерезис тұзағы, яғни B магнит индукциясының
сыртқы магнит өрісінің H кернеулігінің тәуелділігі
Қаныққанға дейін магниттеліп, содан кейін магниттенсіздендірілген өрнектің H=0 кездегі мәні B_r қалдық индукция деп аталады. Индукция B_r мәнінен нөлге дейін азайту үшін коэрцитивті күш (H_с) деп аталатын кері бағытталған H_с кернеулікке ынта салу керек. Үлкен магниттік өтімділігі бар және H_с шамалы мәндері бар заттар деп, ал магниттік өтімділігі шамалы және H_с үлкен мәндері бар заттар қатты магниттік заттар деп аталады. Ферромагниттерді айнымалы магнит өрістерде қайта — қайта магниттеу кезінде энергияның жылулық шағымдары әрдайым байқалады. Олар гистерезиске және құйынды тоқтар себеп болатын шағымдармен қамтамасыз етіледі. Құйынды тоқтарға кететін шығындар ферромагниттің электр кедергісіне тәуелді, яғни неғұрлым ферромагниттің меншікті кедергісі үлкен болса, соғұрлым құйынды тоқтарға кіретін шығындар аз болады. Гистерезиске заттың көлем бірлігінде бір цикл кедергі шығындар мынаған тең.
W_H1=ηB_макс^n (12.3)
мұнда η — заттан тәуелді коэффицент; B_макс — цикл ішінде максималды индукция; n=1,6—2 тең дәреже көрсеткіші.
Гистерезиске жұмсалатын қуат мынаған тең
P_H=η〖∙B〗_макс^n∙f∙V (12.4)
мұнда f – тоқтың жилігі; V – ферромагниттің көлемі.
Құйынды тоқтарға жұмсалатын қуат мынаған тең
P_f=ξ∙B_макс^2 〖∙f〗^2∙V, (12.5)
мұнда ξ – ферромагниттің түріне тәуелді коэффициент.
P_f – жиіліктің екінші дәрежесінен, ал P_H – бірінші дәрежесінен тәуелді болғандықтан, бірінші кезде жоғары жиілік кезде P_f, яғни құйынды тоқтардың шығындарын есепке алу керек. Айнымалы ток тізбектерде кейбір кезде индуктивті орауыштарда қуаттың шашырап тарауын магнит шығындардың тангенс бұрышымен бағалайды. Магнит заттан өзекшесі бар индуктивтік орауышты тізбектеп қосылған L индуктивтен және r_1 кедергіден құралған сұлба ретінде көрсетуге болады (өздік сыйымдылықты және ораманың кедергісін есепке алмағанда), ал бұл жағдайда векторлық диаграммадан табамыз (14.3 сурет).
tgδ_м=r_1/ωL (12.6)
Молибден және хром пермаллойдың меншікті кедергісін басты магниттік өтімділігін үлкейтеді және деформацияға әсерлігіштігін азайтады. Бірақ та, сонымен бірге қанығу индукция да төмендейді. Мыс μ-дың тұрақтылығын үлкейтеді, температуралық тұрақтылықты және меншікті кедергіні көтеріңкі етеді және қорытпаларды механикалық өңдеуге жеңіл етеді. Кремний және маргнец меншікті кедергіні үлкейтеді. Пермаллойдың маркаларында Н әрпі никельді көрсетеді, К – кобальтті, М – марганецті, Х – хромды, С – кремнийді, Д – мысты.
Сурет 14.3 — Индуктивтік орауыштың балама сұлбасы
және векторлық диаграммасы
Марканың сындық белгісі никельдің қорытпа ішіндегі пайызын көрсетеді. Пермаллойды қолдану. 45Н және 50Н және 50Н қорытпалар жоғары индукция кезде жұмыс істейтін көлемі шамалы күшті трансформаторлардың өзекшелерін, дыбысты және жоғары жилікті байланыс аппаратураны жасайды. 79НМ, 80НХС, 76НХД қорытпаларды шамалы және серпінді трансформаторлардың өзекшелерін, магнит экранды, магнит күшейткіштерді жасауға қолданылады. Пермаллойдан жасалған жіңішке таспалар есептеу техника құралдардың есте сақтау қуыстарының заты ретінде пайдаланылады.
Жұмсақ магниттік заттар. Жұмсақ магниттік заттардың жоғары магниттік өтімділіктері, шамалы коэрцивтік күштері және гистерезиске шығындары аз болады, олар трансформаторлардың өзекшелері ретінде және электр өлшегіш аспаптарда қолданылады.
Көміртегі төмен электротехникалық табақты болат – қалыңдығы 0,2 – 4 мм табақтар түрде шығарылады, көміртегі 0,04 % және басқа қоспалар 0,6 % — дан аспайды. Магниттік өтімділінің максмалды мәні — 3500 – 4500, коэрцивтік күші 60 – 100 А/м.
Кремнийлік электротехникалық болат – жалпы тұтынатын негізгі магниттік жұмсақ зат. Бұл болат ішіне кремнийді кіргізгенде меншікті кедергісі өседі, ал сондықтан құйынды тоқтардың шығындарының төмендеуі қамтамасыз етілді. Болат ішіндегі кремний көміртегінің графит түрде шығуы және болаттың толық ашылуына себепші болады, ал бұл жағдай μ_rн үлкейюіне, H_с азайюына және гистерезиске кететін шығындарының төмендеуі қамтамасыз етілді. Болаттың ішінде кремнийдің мөлшері 5 % — дан асатын болса, онда болат морт болады.
Электротехникалық болатты ұсақтап бөледі және маркалайды:
а) құрылыс күйі және жаю түрі бойынша кластарға (маркасының бірінші сандық белгісі): 1 – ыстық жайылған; 2 – сұйық жайылған изотопты; 3 – сұйық жайылған анизотропты;
б) кремнийдің мөлшері бойынша (маркасының екінші сандық белгісі): 0 – кремнийдің мөлшері 0,4 % дейін; 1 – 0,8 %; 2–1,8 % дейін; 3 -2,8 % дейін; 4 – 3,8 % дейін; 5 – 4,8 % дейін;
в) негізгі мөлшерленген мінездеме бойынша топтарға (маркасының үшінші сандық белгісі): 0 – магниттік индукциясы 1,7 Тл және жиілігі 50 Гц (P_(1,5/50)) кезде, 2–1 Тл және 400 Гц (P_(1/400)) кезде.
Болат төрт сандық белгімен маркаланады. Бірінші үш сандық белгі бірге болаттың түрін көрсетеді; төртінші – болаттың түрінің реттік нөмірін. Болат рулондар, табақтар және кесілген таспалар түрде шығарылады.Табақтардың қалыңдығы 0,1-1 мм әртүрлі кластары бар болаттар аппараттардың, трансформаторлардың, аспаптардың, электр машиналардың магнит тізбектерін дайындауға тағайындалған. Бұл болаттар күштік трансформаторларда қолданғанда олардың салмағын және габариттерін 20 –25 % азайтады, ал радио трансформаторларда — 40 %-ға дейін.
Кесте 14.1 — 2 класы бар болаттың меншікті шығындардың және индукцияларының шекті мәндері
Маркасы Қалыңдығы, мм Меншікті шығындар Вт/кг Магнит өрісінің кернеулігі А/м кездегі магнит индукция, Тл
(P_(1/50)) (P_(1,5/50)) 1000 2500 5000 10000 3000
2013 0,65 3,1 7 1,53 1,64 1,74 1,85 2,05
0,55 2,5 5,6 1,54 1,65 1,75 1,85 2,05
2112 0,65 3,5 8 1,46 1,59 1,67 1,77 2,02
0,5 2,6 6 1,46 1,6 1,68 1,77 2,02
2212 0,65 2,6 6,3 1,42 1,58 1,67 1,77 2
0,5 2,2 5 1,42 1,6 1,68 1,77 2
2312 0,65 2,4 5,6 1,38 1,54 1,64 1,72 1,96
0,5 1,75 4 1,4 1,56 1,66 1,74 1,96
2412 0,5 1,3 3,1 1,35 1,5 1,6 1,7 1,95
0,35 1,15 2,5 1,35 1,5 1,6 1,7 1,95
14.1 кестеде 2 класы бар болаттың меншікті шығындардың және индукцияларының шекті мәндері келтірілген.
Пермаллойлар. Бұл анизотропиясы және магнитострикациясы жоқ өте үлкен μ_rн басты магниттік өтімділігі бар темір – никельді қорытпа. Жоғары никельді (70 – 85% Ni) және төмен никельді (40 – 50% Ni) пермаллойларды ажыратады.
Пермаллойлардың сипаттамасы. Негізгі магнит қасиеттер және меншікті кедергі никельдің мөлшеріне тәуелді.
Перрамойлардың магниттік қасиеттері сыртқы механикалық күштерге, қорытпа ішіндегі жат қоспаларға және химиялық құрамына тәуелді.
Сурет 14.5 — Магнит қасиеттерінің және меншікті кедергінің
никельдің мөлшерінен тәуелділіктері
Қоспалы қосындылардың әсері. Қорытпаларға керекті қасиеттер беру үшін пермаллойдтың құрамына қосындыларды кіргізеді.