Klassifizierung und grundlegende Eigenschaften magnetischer Materialien
Alle Stoffe in der Natur sind magnetisch in dem Sinne, dass sie bestimmte magnetische Eigenschaften haben und auf bestimmte Weise mit einem äußeren Magnetfeld interagieren.
Die in der Technologie verwendeten Materialien werden aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften als magnetisch bezeichnet. Die magnetischen Eigenschaften des Stoffes hängen von den magnetischen Eigenschaften von Mikropartikeln, der Struktur von Atomen und Molekülen ab.
Klassifizierung magnetischer Materialien
Magnetische Materialien werden in schwach magnetische und stark magnetische Materialien unterteilt.
Zu den schwach magnetischen Magneten zählen Diamagnete und Paramagnete.
Stark magnetisch – Ferromagnete, die wiederum magnetisch weich und magnetisch hart sein können. Formal kann der Unterschied in den magnetischen Eigenschaften von Materialien durch die relative magnetische Permeabilität charakterisiert werden.
Als Diamagnete werden Materialien bezeichnet, deren Atome (Ionen) kein resultierendes magnetisches Moment haben. Äußerlich machen sich Diamagnete dadurch bemerkbar, dass sie vom Magnetfeld abgestoßen werden. Dazu gehören Zink, Kupfer, Gold, Quecksilber und andere Materialien.
Als Paramagnete werden Materialien bezeichnet, deren Atome (Ionen) ein vom äußeren Magnetfeld unabhängiges magnetisches Moment ergeben. Äußerlich manifestieren sich Paramagnete durch Anziehung inhomogenes Magnetfeld… Dazu gehören Aluminium, Platin, Nickel und andere Materialien.
Als Ferromagnete werden Materialien bezeichnet, deren eigenes (inneres) Magnetfeld hunderte und tausende Male höher sein kann als das äußere Magnetfeld, das es verursacht hat.
Jeder ferromagnetische Körper ist in Regionen unterteilt – kleine Bereiche spontaner (spontaner) Magnetisierung. Ohne ein äußeres Magnetfeld stimmen die Richtungen der Magnetisierungsvektoren verschiedener Regionen nicht überein und die resultierende Magnetisierung des gesamten Körpers kann Null sein.
Es gibt drei Arten ferromagnetischer Magnetisierungsprozesse:
1. Der Prozess der reversiblen Verschiebung magnetischer Domänen. In diesem Fall kommt es zu einer Verschiebung der Grenzen der Bereiche, die der Richtung des äußeren Feldes am nächsten liegen. Wenn das Feld entfernt wird, verschieben sich die Domänen in die entgegengesetzte Richtung. Der Bereich der reversiblen Domänenverschiebung liegt am Anfang der Magnetisierungskurve.
2. Der Prozess der irreversiblen Verschiebung magnetischer Domänen. In diesem Fall wird die Verschiebung der Grenzen zwischen magnetischen Domänen mit abnehmendem Magnetfeld nicht beseitigt. Die Ausgangspositionen der Domänen können durch den Ummagnetisierungsprozess erreicht werden.
Zum Auftreten führt eine irreversible Verschiebung von Domänengrenzen magnetische Hysterese — die Verzögerung der magnetischen Induktion von Feldstärke.
3. Domänenrotationsprozesse. In diesem Fall führt der Abschluss der Verschiebungsprozesse der Domänengrenzen zu einer technischen Sättigung des Materials.Im Sättigungsbereich drehen sich alle Bereiche in Feldrichtung. Die Hystereseschleife, die den Sättigungsbereich erreicht, wird als Grenze bezeichnet.
Die begrenzende Hystereseschaltung hat die folgenden Eigenschaften: Bmax – Sättigungsinduktion; Br – Restinduktion; Hc – verzögernde (Zwangs-)Kraft.
Materialien mit niedrigen Hc-Werten (enger Hysteresezyklus) und hohen magnetische Permeabilität werden weichmagnetisch genannt.
Materialien mit hohen Hc-Werten (breite Hystereseschleife) und geringer magnetischer Permeabilität werden als hartmagnetische Materialien bezeichnet.
Bei der Magnetisierung eines Ferromagneten in magnetischen Wechselfeldern kommt es immer zu thermischen Energieverlusten, das heißt, das Material erwärmt sich. Diese Verluste sind auf Hysterese und zurückzuführen Wirbelstromverluste… Der Hystereseverlust ist proportional zur Fläche der Hystereseschleife. Wirbelstromverluste hängen vom elektrischen Widerstand des Ferromagneten ab. Je höher der Widerstand, desto geringer sind die Wirbelstromverluste.
Magnetisch weiche und magnetisch harte Materialien
Zu den weichmagnetischen Materialien gehören:
1. Technisch reines Eisen (elektrischer kohlenstoffarmer Stahl).
2. Elektrotechnische Siliziumstähle.
3. Eisen-Nickel- und Eisen-Kobalt-Legierungen.
4. Weichmagnetische Ferrite.
Die magnetischen Eigenschaften von kohlenstoffarmem Stahl (technisch reines Eisen) hängen vom Gehalt an Verunreinigungen, der Verformung des Kristallgitters aufgrund von Verformung, der Korngröße und der Wärmebehandlung ab. Aufgrund seines geringen spezifischen Widerstands wird technisch reines Eisen in der Elektrotechnik eher selten verwendet, hauptsächlich für DC-Magnetflusskreise.
Elektrotechnischer Siliziumstahl ist das wichtigste magnetische Material für den Massenverbrauch. Es handelt sich um eine Eisen-Silizium-Legierung. Durch das Legieren mit Silizium können Sie die Koerzitivkraft reduzieren und den Widerstand erhöhen, also Wirbelstromverluste reduzieren.
Elektrobleche, die in einzelnen Blechen oder Rollen geliefert werden, und Bandstahl, die nur in Rollen geliefert werden, sind Halbzeuge, die für die Herstellung von Magnetkreisen (Kernen) bestimmt sind.
Magnetkerne werden entweder aus einzelnen durch Stanzen oder Schneiden erhaltenen Platten oder durch Wickeln aus Streifen geformt.
Sie heißen Nickel-Eisen-Permaloidlegierungen... Sie haben eine große magnetische Anfangspermeabilität im Bereich schwacher Magnetfelder. Permalloy wird für Kerne kleiner Leistungstransformatoren, Drosseln und Relais verwendet.
Ferrite sind magnetische Keramiken mit einem hohen Widerstand, der 1010-mal höher ist als der von Eisen. Ferrite werden in Hochfrequenzschaltungen eingesetzt, da ihre magnetische Permeabilität mit zunehmender Frequenz praktisch nicht abnimmt.
Die Nachteile von Ferriten sind ihre geringe Sättigungsinduktion und geringe mechanische Festigkeit. Daher werden Ferrite häufig in der Niederspannungselektronik verwendet.
Zu den magnetisch harten Materialien zählen:
1. Gegossene magnetisch harte Werkstoffe auf Basis von Fe-Ni-Al-Legierungen.
2. Pulverförmige feste magnetische Materialien, die durch Pressen von Pulvern und anschließender Wärmebehandlung gewonnen werden.
3. Hartmagnetische Ferrite. Magnetisch harte Materialien sind Materialien für PermanentmagneteWird in Elektromotoren und anderen elektrischen Geräten verwendet, die ein permanentes Magnetfeld benötigen.