Магнитные материалы: типы, свойства, характеристики

Содержание страницы

1. Магнитомягкие материалы
2. Магнитотвердые материалы
3. Интересные факты о магнитных материалах
4. Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Заключение

Магнитные материалы — это класс веществ, которые обладают способностью взаимодействовать с магнитным полем, прежде всего, проявляя свойства ферромагнетизма или ферримагнетизма. Эти материалы являются основой для множества устройств в электротехнике, электронике, приборостроении и вычислительной технике.

Исторически первым известным магнитным материалом был природный минерал магнетит (магнитный железняк), из которого изготавливали первые компасы. Однако научное и промышленное развитие магнитных материалов началось в XIX-XX веках. Фундаментальные открытия в области электромагнетизма позволили создать специализированные сплавы, такие как электротехническая сталь для трансформаторов и пермаллои для устройств связи.

Все многообразие магнитных материалов принято разделять на два основных типа: магнитомягкие и магнитотвердые. Эти классы кардинально различаются по своим магнитным свойствам, что определяет их совершенно разное назначение. В данной статье мы рассмотрим оба типа, их ключевые характеристики и области применения.

1. Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы — это материалы, которые легко намагничиваются и размагничиваются. Их ключевые свойства:

Высокая магнитная проницаемость ($\mu$): Способность материала концентрировать в себе магнитные силовые линии.
Малая коэрцитивная сила ($H_c$): Требуется очень небольшое внешнее поле, чтобы полностью размагнитить материал.
Большая индукция насыщения ($B_s$): Высокий предел магнитной индукции, которую может «вместить» материал.
Узкая петля гистерезиса: Графическое отображение зависимости индукции от поля. Узкая петля означает, что при перемагничивании (например, в переменном токе) теряется очень мало энергии.
Малые магнитные потери: Суммарные потери на гистерезис и вихревые токи.

Примечание: Малая коэрцитивная сила и узкая петля гистерезиса являются определяющими для магнитомягких материалов. Они идеально подходят для устройств, работающих на переменном токе (трансформаторы, электродвигатели, генераторы), где материал постоянно перемагничивается. Малые потери на гистерезис означают высокий КПД и меньший нагрев устройства.

Можно выделить несколько основных групп магнитомягких материалов:

1.1. Низкоуглеродистая сталь (Технически чистое железо)

Это наиболее простой и доступный магнитомягкий материал. Используется в основном в магнитопроводах устройств, работающих на постоянном токе (например, электромагниты, реле), где не важны потери на перемагничивание.

1.2. Кремнистая электротехническая сталь

Это основной материал для магнитопроводов силовых трансформаторов, электрических машин и других устройств с большими магнитными потоками, работающих на промышленных частотах (50-60 Гц).

Преимущества: Обладает большой индукцией насыщения ($B_s$) и высокой магнитной проницаемостью в сильных полях. Ключевое преимущество — легирование кремнием (до 4.5%) резко повышает удельное электрическое сопротивление, что значительно снижает потери на вихревые токи.
Недостатки: Из-за сравнительно небольшой *начальной* магнитной проницаемости эти стали неэффективны в слабых магнитных полях.
Нормативная база: Выпускается в виде листов, рулонов или ленты. Свойства и марки регламентируются стандартами, например, ГОСТ 32482-2013.

1.3. Пермаллои

Пермаллои представляют собой железоникелевые сплавы (с различным содержанием Ni, обычно 40-80%).

Преимущества: Их уникальное свойство — чрезвычайно высокая магнитная проницаемость, особенно в слабых магнитных полях.
Недостатки: Индукция насыщения у пермаллоев в 1.5–2.0 раза ниже, чем у электротехнических сталей. По этой причине пермаллои не используют в магнитопроводах силовых трансформаторов — они быстро «насытятся» и не смогут провести большой магнитный поток.
Применение: Выпускаются в виде листов и прутков. Незаменимы в слаботочной технике: магнитопроводы малогабаритных и импульсных трансформаторов (например, в аудиотехнике), дроссели, магнитные экраны для защиты от полей, сердечники датчиков.

1.4. Магнитомягкие ферриты

Ферриты — это неметаллические магнитные материалы, по сути, являющиеся керамикой (оксидами железа, спеченными с оксидами других металлов — марганца, цинка, никеля).

Преимущества: Обладают колоссальным удельным электрическим сопротивлением, которое в $10^3$…$10^{13}$ раз превышает сопротивление металлических сплавов. Это практически полностью исключает потери на вихревые токи даже на очень высоких частотах (мегагерцы и гигагерцы). Магнитная проницаемость достаточно высокая (600–35 000).
Недостатки: Имеют небольшую индукцию насыщения ($B_s \approx 0.1 \div 0.2$ Тл).
Применение: Изготавливают в виде кольцевых сердечников (по ГОСТ 16541-76), Ш-образных и других форм. Применяются исключительно в высокочастотных магнитных полях: радиоэлектроника (антенны, катушки индуктивности, ВЧ-трансформаторы), вычислительная техника, помехоподавляющие фильтры.

1.5. Сводные характеристики магнитомягких материалов

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики для некоторых типичных представителей магнитомягких материалов.

Таблица 1. Характеристики некоторых магнитомягких материалов
Материал	Начальная магнитная проницаемость $\mu_{\text{нач}}$	Максимальная магнитная проницаемость $\mu_{\text{max}}$	Индукция насыщения $B_s$, Тл	Коэрцитивная сила $H_c$, А/м	Удельное электрическое сопротивление $\rho$, Ом·м
Технически чистое железо	250–400	3500–4500	2.18	50–100	0.1 · 10⁻⁶
Карбонильное железо	2000–3000	20 000–21 500	2.18	6.4	0.1 · 10⁻⁶
Электротехническая сталь	200–600	3000–8000	1.95–2.02	10–65	(0.17–0.6) · 10⁻⁶
Низконикелевые пермаллои	1500–4000	15 000–60 000	1.0–1.6	5–32	(0.45–0.9) · 10⁻⁶
Высоконикелевые пермаллои	7000–100 000	50 000–300 000	0.65–1.05	0.65–6.00	(0.16–0.85) · 10⁻⁶
Супермаллой	100 000	1 500 000	0.8	0.3	0.6 · 10⁻⁶
Феррит 20000НМ	15 000	35 000	0.11	0.24	10⁻³

2. Магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы являются полной противоположностью магнитомягким. Они обладают повышенными значениями коэрцитивной силы ($H_c$) и большой площадью петли гистерезиса. Это означает, что их трудно намагнитить, но, что более важно, их очень трудно размагнитить.

Их основное и единственное назначение — служить постоянными магнитами. Постоянные магниты являются автономным источником для создания постоянных магнитных полей в окружающем пространстве, чаще всего — в воздушном зазоре $\delta_в$, где создается индукция $B_в$ и напряженность $H_в$.

Классификация, марки и общие требования к постоянным магнитам в РФ во многом определяются ГОСТ Р 58885-2020 «Магниты постоянные общепромышленного применения».

2.1. Принцип работы и кривая размагничивания

В замкнутом состоянии (без зазора) материал намагничен до остаточной индукции $B_r$. При появлении воздушного зазора материал частично размагничивается под действием собственного поля и его рабочая точка смещается по «спинке» петли гистерезиса. Эта «спинка» называется кривой размагничивания.

Рис. 1. Кривая размагничивания (кривая 1) и изменение магнитной энергии в зазоре постоянного магнита (кривая 2). Точка А — рабочая точка, Точка Б — точка максимальной магнитной энергии.

На рис. 1 представлены график размагничивания (кривая 1) и график изменения магнитной энергии в зазоре (кривая 2). При изменении величины воздушного зазора $\delta_в$ рабочая точка (А) скользит по кривой размагничивания.

В соответствии с законом полного тока для замкнутой магнитной цепи (постоянный магнит + зазор):

$$H_м l_м + H_в \delta_в = 0$$

где $H_м$ — напряженность поля внутри сердечника магнита; $l_м$ — длина средней силовой магнитной линии сердечника. Индукция в воздушном зазоре (пренебрегая рассеянием) равна индукции в магните ($B_в \approx B_м$) и связана с напряженностью в зазоре:

$$B_в = \mu_0 H_в$$

В результате упрощения и подстановки из закона полного тока, выражая $H_м$ через $B_в$, получаем уравнение рабочей линии:

$$H_м(B_м) = -\frac{\delta_в}{l_м \mu_0} B_в = -k B_в$$

где $H_м(B_м)$ — это функция, описывающая кривую размагничивания (спинку) магнита, а $k$ — коэффициент наклона рабочей линии, зависящий от геометрии магнита и зазора:

$$k = \tan \alpha$$

Пересечение кривой размагничивания $H_м(B_м)$ с прямой линией $H = -k B_в$ (линия нагрузки) позволяет найти индукцию $B_в$ и напряженность $H_в$ магнитного поля в зазоре (точка А на рис. 1). При увеличении зазора $\delta_в$ угол $\alpha$ растет, и рабочая точка А смещается вниз по кривой.

Энергия магнитного поля в зазоре

Энергия, накопленная в воздушном зазоре, определяется как:

$$W_в = \frac{1}{2} B_в H_в$$

Эта энергия пропорциональна площади прямоугольника, построенного на сторонах $B_A$ и $H_A$ на рис. 1. Максимальная энергия $(BH)_{max}$ достигается при определенном соотношении $B$ и $H$ (точка Б) и является главной характеристикой «мощности» магнитотвердого материала. Зависимость $W(B)$ (кривая 2) позволяет найти оптимальный режим работы магнита.

2.2. Основные типы магнитотвердых материалов

Характеристики материалов различаются по остаточной индукции ($B_r$), коэрцитивной силе ($H_c$) и максимальной магнитной энергии $(BH)_{max}$, которую можно получить в воздушном зазоре.

Литые высококоэрцитивные сплавы (например, Alnico)

Сплавы на основе элементов, обладающих магнитными свойствами (Fe, Ni, Co), с добавками меди, титана, алюминия (Al-Ni-Co). Их свойства в РФ стандартизированы, например, в ГОСТ 17809-72.

Преимущества: Высокая остаточная индукция ($B_r$), отличная температурная стабильность (высокая точка Кюри).
Недостатки: Сравнительно невысокая коэрцитивная сила (легче размагничиваются, чем современные материалы), высокая хрупкость и твердость (обрабатываются только шлифованием).

Магнитотвердые ферриты (Бариево-стронциевые)

Широко распространенные порошковые материалы. Марки и параметры определены в ГОСТ 24063-80.

Преимущества: Производство примерно в 10 раз дешевле, чем литых сплавов. Обладают высоким удельным сопротивлением (как и магнитомягкие ферриты) и высокой химической стойкостью (не ржавеют).
Недостатки: Сравнительно низкая остаточная индукция $B_r$, высокая хрупкость и значительная зависимость магнитных свойств от температуры.

Порошковые материалы с редкоземельными металлами (RE)

Это класс наиболее мощных постоянных магнитов, получаемых методами порошковой металлургии.

Самарий-кобальт (SmCo): Материалы на основе самария (Sm) и кобальта (Co). В РФ их свойства описывает ГОСТ 21559-76.
- Преимущества: Очень высокая коэрцитивная сила и высокая $(BH)_{max}$, превосходная температурная стабильность и стойкость к коррозии.
- Недостатки: Высокая стоимость (из-за кобальта и самария), хрупкость.
Неодим-Железо-Бор (NdFeB): Наиболее распространенные и мощные на сегодняшний день магниты. Регламентируются ГОСТ Р 52956-2008.
- Преимущества: Максимально достижимая магнитная энергия $(BH)_{max}$, очень высокие $B_r$ и $H_c$.
- Недостатки: Низкая рабочая температура (низкая точка Кюри, обычно 80-200 °C) и катастрофически низкая коррозионная стойкость (требуют обязательного защитного покрытия, например, никелирования).

2.3. Характеристики магнитотвердых материалов

Наиболее характерные магнитотвердые магнитные материалы и их свойства представлены в табл. 2.

Таблица 2. Характеристики некоторых магнитотвердых материалов
Материал	Остаточная индукция $B_r$, Тл	Коэрцитивная сила $H_c$, А/м	Магнитная энергия в воздушном зазоре $W_{\text{max}}$, кДж/м³
Литые сплавы:
ЮНД4	0,5	40	3,6
ЮНКД18	0,9	55	9,7
ЮН13ДК25БА	1,4	48	28,0
ЮНДК35Т5БА	1,02	110	36,0
Магнитотвердые ферриты:
4БИ145	0,17	145	2,0
28БА170	0,39	170	14,0
28СА250	0,39	250	14,0
Сплавы с редкоземельными металлами:
SmCo₅	0,92	560	75,0
Y₂Co₁₇	1,15	800	156,0
Sm₂Co₁₇	1,1	700	144,0

3. Интересные факты о магнитных материалах

Точка Кюри: У каждого магнитного материала есть критическая температура (точка Кюри), при нагреве до которой он теряет свои ферромагнитные свойства и становится парамагнетиком. Для железа это 770 °C, а для неодимовых магнитов — всего 310-380 °C.
Магнитное экранирование: Нельзя «заблокировать» магнитное поле, но его можно «отвести». Для этого используются экраны из магнитомягких материалов с высокой проницаемостью (например, пермаллоя), которые концентрируют силовые линии в себе, не пропуская их внутрь.
Магнитострикция: Некоторые материалы (включая железо, никель, кобальт) незначительно изменяют свои размеры и форму при намагничивании. Этот эффект используется в ультразвуковых излучателях и сонарах.
Земля — постоянный магнит: Наша планета обладает собственным магнитным полем, генерируемым, предположительно, потоками жидкого железа в ядре. Однако это поле очень слабое (около 50 микротесла), что в тысячи раз слабее поля обычного холодильного магнитика.
Эффект Мейснера: Сверхпроводники, охлажденные ниже своей критической температуры, полностью вытесняют из себя магнитное поле, что позволяет им левитировать над постоянным магнитом.

4. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Что такое коэрцитивная сила ($H_c$)?

Ответ: Коэрцитивная сила — это напряженность внешнего магнитного поля, которое необходимо приложить к предварительно намагниченному материалу, чтобы полностью его размагнитить (снизить магнитную индукцию до нуля). У магнитомягких материалов она очень низкая (материал легко размагнитить), у магнитотвердых — очень высокая (материал «сопротивляется» размагничиванию).

2. Чем принципиально отличается магнитомягкий материал от магнитотвердого?

Ответ: Основное отличие — в назначении, которое диктуется коэрцитивной силой. Магнитомягкий материал (низкая $H_c$) предназначен для *проведения* магнитного потока с минимальными потерями (как проводник для тока). Магнитотвердый материал (высокая $H_c$) предназначен для *хранения* магнитной энергии (как аккумулятор или батарейка).

3. Почему сердечники трансформаторов делают из электротехнической стали, а не из пермаллоя, у которого проницаемость выше?

Ответ: Потому что у электротехнической стали гораздо выше индукция насыщения ($B_s$). Силовой трансформатор должен пропускать через себя большой магнитный поток. Пермаллой, хоть и имеет гигантскую проницаемость в слабых полях, очень быстро «насытится» — достигнет своего предела $B_s$ (которая в 1.5-2 раза ниже, чем у стали) и не сможет «пропустить» больше. Сталь способна работать с гораздо более мощными полями.

4. Что такое петля гистерезиса?

Ответ: Это график, показывающий, как меняется магнитная индукция ($B$) в материале при изменении внешнего магнитного поля ($H$). «Петля» образуется потому, что индукция «отстает» от поля. Площадь этой петли пропорциональна энергии, которая теряется в виде тепла за один цикл перемагничивания. У магнитомягких материалов петля узкая (малые потери), у магнитотвердых — широкая (большие потери).

5. Почему ферриты используют на высоких частотах?

Ответ: Из-за их огромного удельного электрического сопротивления. В металлических сердечниках (сталь, пермаллой) переменное магнитное поле наводит вихревые токи (токи Фуко), которые разогревают сердечник и приводят к огромным потерям энергии. С ростом частоты эти токи растут лавинообразно. Ферриты, будучи по сути керамикой, являются диэлектриками — вихревые токи в них практически отсутствуют, что позволяет им эффективно работать на частотах в сотни килогерц, мегагерц и даже гигагерц.

Заключение

Магнитные материалы, разделяемые на магнитомягкие и магнитотвердые, играют незаменимую роль в современной технике. Выбор материала диктуется задачей: для эффективной трансформации и передачи энергии в переменных полях (моторы, трансформаторы) требуются магнитомягкие материалы с низкой коэрцитивной силой и малыми потерями, такие как электротехническая сталь и ферриты. Для создания автономных источников поля (постоянные магниты в динамиках, датчиках, двигателях) необходимы магнитотвердые материалы с высокой коэрцитивной силой и большой магнитной энергией, такие как сплавы Alnico и современные редкоземельные магниты (NdFeB, SmCo).

Развитие в этой области продолжается, и новые материалы, включая нанокристаллические сплавы и композиты, открывают перспективы для создания более эффективных и компактных электротехнических устройств.

Нормативная база

ГОСТ Р 58885-2020 — Магниты постоянные общепромышленного применения. Классификация. Общие технические требования. Контроль магнитных параметров.
ГОСТ 32482-2013 — Сталь электротехническая холоднокатаная анизотропная тонколистовая. Технические условия.
ГОСТ 21427.2-83 — Сталь электротехническая холоднокатаная изотропная тонколистовая. Технические условия.
ГОСТ 16541-76 — Сердечники кольцевые из магнитомягких ферритов. Основные размеры.
ГОСТ 24063-80 — Ферриты магнитотвердые. Марки и основные параметры.
ГОСТ 17809-72 — Материалы магнитотвердые литые. Марки.
ГОСТ 21559-76 — Материалы магнитотвердые спеченные. Марки.
ГОСТ Р 52956-2008 — Материалы магнитотвердые спеченные на основе сплава неодим-железо-бор. Классификация. Основные параметры.

Магнитные материалы: типы, свойства, характеристики (магнитомягкие, магнитотвердые)