Магнитные материалы: виды, теория, физика магнетизма

Содержание страницы

1. Физическая природа магнетизма и основные характеристики
2. Классификация магнетиков
3. Физические процессы в ферромагнетиках: Домены и Гистерезис
4. Классификация магнитных материалов по назначению
5. Магнитомягкие материалы: Борьба с потерями и основные виды
6. Магнитотвердые материалы: Современные источники поля
7. Технологии производства и специальные классы материалов
8. Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Заключение

Магнитные материалы — это класс веществ, обладающих способностью изменять свои физические свойства под воздействием внешнего магнитного поля, а также создавать собственное магнитное поле. Они являются основой всей современной электротехники и электроники: от гигантских турбогенераторов на электростанциях и тяговых двигателей электропоездов до микроскопических элементов памяти в компьютерах.

История магнетизма — это путь от мистики к точной науке. Название происходит от античного города Магнесия (территория современной Турции), где древние греки обнаружили залежи странного минерала — магнетита (магнитного железняка $Fe_3O_4$), способного притягивать железные предметы. Долгое время единственным применением этого свойства был компас, изобретенный в Китае. Первое серьезное научное описание свойств магнитов дал врач английской королевы Уильям Гилберт в 1600 году в своем фундаментальном труде «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле».
Однако настоящий технологический прорыв произошел только в XIX веке. Труды Ганса Христиана Эрстеда (обнаружившего связь тока и магнетизма), Андре-Мари Ампера (создавшего теорию молекулярных токов) и Майкла Фарадея (открывшего электромагнитную индукцию) заложили фундамент электротехники. Джеймс Клерк Максвелл объединил эти знания в единую стройную теорию электромагнитного поля.

В ХХ веке, с развитием квантовой механики, физика магнитных явлений получила исчерпывающее объяснение на уровне атомного строения вещества. Сегодня разработка новых магнитных материалов — это высокотехнологичная отрасль, где инженеры борются за каждую долю процента КПД в электродвигателях и за каждый бит плотности записи информации.

1. Физическая природа магнетизма и основные характеристики

Для глубокого понимания работы электрических машин и аппаратов недостаточно знать макроскопические законы. Необходимо разобраться в микроскопической природе магнетизма. Почему одни вещества (например, дерево) безразличны к магниту, другие (алюминий) слабо реагируют, а третьи (железо) притягиваются с огромной силой?

1.1. Квантово-механическая природа магнитного момента

С точки зрения современной физики, магнетизм — это релятивистский эффект, неотъемлемо связанный с движением электрических зарядов. В атоме носителем элементарного магнетизма является электрон. Он участвует в двух типах движения, каждое из которых создает свой вклад в общий магнитный момент атома:

Орбитальное движение: Электрон движется вокруг ядра атома по сложной траектории (орбитали). Это движение аналогично круговому току в рамке и создает орбитальный магнитный момент.
Спиновое движение (Спин): Это фундаментальное квантовое свойство электрона, его собственный момент импульса. Упрощенно (в рамках классической аналогии) это можно представить как вращение электрона вокруг собственной оси. Это создает спиновый магнитный момент.

Аналогия: Представьте Землю в Солнечной системе. Её обращение вокруг Солнца (год) — это аналог орбитального движения. Её вращение вокруг своей оси (сутки) — это аналог спина. Если бы Земля имела электрический заряд, оба этих вращения создавали бы магнитные поля. В большинстве «сильных» магнетиков именно спиновый момент электронов играет доминирующую роль.

Рис. 1. Демонстрация спинов электронов и их магнитных моментов. Показано схематичное (классическое) представление вращения электрона, порождающего магнитный момент $ \vec{p}_m $, направленный по правилу буравчика.

Каждый электрон обладает элементарным магнитным моментом $ \vec{p}_m $, направленным от южного полюса $ S $ к северному $ N $. В большинстве атомов электроны на орбиталях располагаются парами с противоположными спинами (принцип запрета Паули), в результате чего их магнитные моменты взаимно компенсируются. Материал проявляет сильные магнитные свойства только тогда, когда в его атомах есть некомпенсированные спины на внешних электронных оболочках (как у железа, никеля, кобальта и ряда редкоземельных элементов).

1.2. Вектор намагниченности

Макроскопическое магнитное состояние вещества определяется тем, как ориентированы эти элементарные атомные моменты. Чем больше магнитных моментов направлено в одну сторону, тем выше внутреннее магнитное поле материала. Для количественной характеристики этого состояния вводится векторная величина — намагниченность $ \vec{J} $ (в физической литературе часто используется обозначение $ \vec{M} $). Это суммарный магнитный момент единицы объема вещества:

\vec{J} = \frac{1}{V} \sum_{i=1}^{n} \vec{p}_{mi} \quad (1)

где:

$ V $ — объем рассматриваемого образца материала (м³);
$ n $ — общее количество атомов (элементарных магнитных моментов) в этом объеме;
$ \vec{p}_{mi} $ — вектор магнитного момента $ i $-го атома.

Если материал полностью размагничен, это не значит, что атомные моменты исчезли. Это значит, что они ориентированы хаотично, и их векторная сумма равна нулю ($ \vec{J} = 0 $). При намагничивании векторы выстраиваются упорядоченно, и величина $ \vec{J} $ растет, пока не достигнет предела насыщения, когда все возможные моменты выстроены в одном направлении.

1.3. Взаимодействие полей и магнитная проницаемость

Когда мы помещаем материал во внешнее магнитное поле с напряженностью $ \vec{H}_{ext} $, полное магнитное поле внутри вещества (магнитная индукция $ \vec{B}_{in} $) оказывается суммой двух полей: внешнего и собственного поля, созданного намагниченностью вещества. В системе СИ это фундаментальное соотношение записывается как:

\vec{B}_{in} = \mu_0 (\vec{H}_{ext} + \vec{J}) \quad (2)

На практике инженерам неудобно работать с вектором намагниченности напрямую. Гораздо удобнее связать реакцию материала с внешним воздействием через коэффициент. Для многих материалов намагниченность пропорциональна внешнему полю: $ \vec{J} = \chi \vec{H}_{ext} $, где $ \chi $ — магнитная восприимчивость. Подставив это в формулу (2), получаем:

\vec{B}_{in} = \mu_0 (\vec{H}_{ext} + \chi \vec{H}_{ext}) = \mu_0 (1 + \chi) \vec{H}_{ext}

Безразмерная величина $ \mu = (1 + \chi) $ называется относительной магнитной проницаемостью. Она является важнейшей технической характеристикой материала, показывающей, во сколько раз индукция поля в данном веществе больше (или меньше), чем в вакууме при той же напряженности внешнего поля.

\vec{B}_{in} = \mu_0 \mu \vec{H}_{ext} \quad (3)

где:

$ \mu_0 = 4\pi \cdot 10^{-7} \, \text{Гн/м} $ — магнитная постоянная (проницаемость физического вакуума);
$ \vec{H}_{ext} $ — напряженность внешнего магнитного поля (измеряется в А/м).

Для вакуума $ \chi = 0 $, и, соответственно, $ \mu = 1 $.

Примечание: В анизотропных материалах (например, в текстурированной стали) векторы $ \vec{B} $ и $ \vec{H} $ могут быть не параллельны, и магнитная проницаемость $ \mu $ является не скалярным числом, а тензором второго ранга.

1.4. Зависимость свойств от внешних факторов

Для ферромагнетиков относительная магнитная проницаемость $ \mu $ не является константой, что усложняет расчеты магнитных цепей. Она нелинейно зависит от множества факторов.

[

Зависимости относительной магнитной проницаемости: а — от напряженности магнитного поля; б — от частоты; в — от температуры

Рис. 2. Зависимости относительной магнитной проницаемости: а — от напряженности магнитного поля $ H $; б — от частоты $ f $; в — от температуры $ \theta $.

Зависимость от напряженности поля (Рис. 2, а): При малых полях $ \mu $ имеет некоторое начальное значение. С ростом поля $ H $ проницаемость резко возрастает, так как облегчается процесс переориентации доменов (об этом ниже). Достигнув максимума $ \mu_{max} $, она начинает падать. В очень сильных полях, когда наступает магнитное насыщение, материал больше не может усиливать поле, и $ \mu $ стремится к единице, как у вакуума.
Зависимость от частоты (Рис. 2, б): В переменном магнитном поле с ростом частоты $ f $ проницаемость падает. Это связано с двумя эффектами: инерционностью процессов перемагничивания (доменные стенки не успевают двигаться за полем) и возникновением вихревых токов, которые экранируют внутренние области материала, вытесняя магнитный поток к поверхности (магнитный скин-эффект).
Зависимость от температуры (Рис. 2, в): С повышением температуры тепловое движение атомов усиливается, что сначала даже облегчает перемагничивание, и $ \mu $ растет, достигая пика (эффект Гопкинсона). Однако при достижении критической температуры — точки Кюри ($ \theta_K $) — тепловая энергия полностью разрушает магнитный порядок. Материал скачкообразно теряет ферромагнитные свойства и становится обычным парамагнетиком с $ \mu \approx 1 $.

Примечание: Точка Кюри для железа составляет около 770°C, для никеля — 358°C. Если нагреть постоянный магнит выше этой температуры (например, при пожаре или неправильной эксплуатации двигателя), он безвозвратно размагнитится и превратится в обычный кусок металла.

2. Классификация магнетиков

Абсолютно все вещества во Вселенной взаимодействуют с магнитным полем. Разница лишь в характере и силе этого взаимодействия. Глобально материалы делятся на слабомагнитные (эффекты обнаруживаются только точными приборами) и сильномагнитные (эффекты очевидны в быту). Рассмотрим основные классы.

Тип магнетика	Восприимчивость $ \chi $	Проницаемость $ \mu $	Поведение в поле	Примеры материалов
Диамагнетики	Отрицательная, малая ($ \approx -10^{-6} $)	$ \mu < 1 $ (немного меньше 1)	Слабо выталкиваются	Медь, Золото, Серебро, Вода, Висмут, Большинство органических веществ
Парамагнетики	Положительная, малая ($ \approx 10^{-6} \dots 10^{-3} $)	$ \mu > 1 $ (немного больше 1)	Слабо втягиваются	Алюминий, Платина, Кислород (жидкий), Титан, Вольфрам
Ферромагнетики	Очень большая, положительная	$ \mu \gg 1 $ (до $ 10^5 $ и выше)	Сильно втягиваются, намагничиваются	Железо (Fe), Никель (Ni), Кобальт (Co) и их сплавы, Гадолиний (ниже 20°C)
*Ферримагнетики (Ферриты)	Большая, положительная	$ \mu \gg 1 $ (высокая, но ниже, чем у ферромагнетиков)	Сильно втягиваются, полупроводники/диэлектрики	Магнетит ($Fe_3O_4$), Ферриты на основе Mn-Zn, Ni-Zn

2.1. Диамагнетики

Диамагнетизм — это универсальное свойство, присущее всем атомам без исключения. Он обусловлен классическим законом электромагнитной индукции (правило Ленца) применительно к внутриатомным электронным токам. Внешнее магнитное поле, воздействуя на движущиеся электроны, слегка изменяет их орбиты, наводя дополнительный магнитный момент, который всегда направлен против внешнего поля. Поэтому диамагнетики всегда выталкиваются из области сильного поля в область слабого.

В большинстве веществ этот эффект перекрывается более сильным пара- или ферромагнетизмом. У «чистых» диамагнетиков собственные магнитные моменты электронов полностью скомпенсированы, поэтому проявляется только этот слабый эффект выталкивания.
Уникальным случаем являются сверхпроводники. Они являются идеальными диамагнетиками с $ \chi = -1 $ и $ \mu = 0 $. Они полностью вытесняют внешнее магнитное поле из своего объема (эффект Мейснера), что приводит к появлению мощнейшей силы отталкивания, используемой для магнитной левитации поездов (Маглев).

2.2. Парамагнетики

У парамагнетиков атомы обладают собственным ненулевым магнитным моментом (есть неспаренные электроны). В отсутствие внешнего поля тепловое движение хаотизирует ориентацию этих моментов, и общая намагниченность равна нулю. При внесении в поле моменты стремятся повернуться вдоль силовых линий, создавая слабое результирующее поле, совпадающее с внешним. Поэтому парамагнетики слабо втягиваются в магнитное поле. Их восприимчивость $ \chi $ обратно пропорциональна температуре (закон Кюри), так как тепловое движение мешает упорядочиванию.

Рис. 3. Поведение материалов в магнитном поле: а — диамагнетика (поле вытесняется, материал выталкивается); б — парамагнетика (поле слабо концентрируется, слабое втягивание); в — ферромагнетика (поле сильно концентрируется внутри материала, сильное притяжение).

2.3. Сильномагнитные материалы: Ферро- и Ферримагнетики

Это «элита» магнитного мира, именно они используются в электротехнике. Их гигантская магнитная проницаемость объясняется не просто наличием неспаренных спинов, а особым квантовым эффектом — обменным взаимодействием. Это взаимодействие заставляет спиновые магнитные моменты соседних атомов выстраиваться строго параллельно друг другу самопроизвольно, даже без внешнего поля.

Существует всего три чистых 3d-металла, являющихся ферромагнетиками при комнатной температуре: Железо, Никель, Кобальт. Это связано с уникальным соотношением расстояния между атомами в их кристаллической решетке и радиусом недостроенной электронной d-оболочки.

Важно: Ферримагнетизм. Многие технически важные материалы, например ферриты (магнитная керамика), являются не ферро-, а ферримагнетиками. В их сложной кристаллической структуре магнитные моменты разных подрешеток атомов направлены антипараллельно (навстречу друг другу), но они не равны по величине. В результате полной компенсации не происходит, и остается значительный результирующий магнитный момент. Внешне они ведут себя как ферромагнетики, но имеют свои особенности (например, низкую электропроводность).

3. Физические процессы в ферромагнетиках: Домены и Гистерезис

Возникает парадокс: если внутри железа действует мощное обменное взаимодействие, выстраивающее спины параллельно, почему обычный гвоздь не является магнитом сам по себе? Ответ кроется в доменной структуре.

3.1. Доменная структура

Природе энергетически невыгодно держать весь кусок металла намагниченным в одном направлении — это создало бы огромное внешнее магнитное поле и потребовало бы большой магнитостатической энергии. Чтобы минимизировать эту энергию, ферромагнетик самопроизвольно разбивается на множество микроскопических областей — магнитных доменов (размером от 1 до 100 мкм).

Внутри каждого домена материал намагничен до насыщения в определенном направлении. Но векторы намагниченности соседних доменов ориентированы хаотично (в поликристаллах) или антипараллельно (в монокристаллах), так что в масштабе всего образца их суммарное магнитное поле равно нулю. Домены разделены переходными слоями — доменными стенками (стенками Блоха или Нееля), где направление намагниченности плавно меняется от одного домена к другому.

Рис. 4. Процесс намагничивания ферромагнетика: а — размагниченное состояние (суммарный момент равен нулю); б — стадия смещения доменных границ (домены, ориентированные по полю, растут за счет соседей); в — стадия вращения магнитных моментов и магнитное насыщение.

При включении внешнего поля $ H_{ext} $ процесс намагничивания проходит в два основных этапа:

Смещение доменных границ: Домены, чей вектор намагниченности составляет острый угол с внешним полем, оказываются в энергетически выгодном положении. Они начинают расти, «поедая» соседние, неблагоприятно ориентированные домены, за счет перемещения доменных стенок.
Вращение вектора намагниченности: В сильных полях, когда рост доменов завершен, векторы намагниченности оставшихся доменов принудительно поворачиваются строго вдоль линий внешнего поля, преодолевая силы кристаллической анизотропии. При завершении этого этапа наступает магнитное насыщение ($ B_{max} $).

Эффект Баркгаузена: Смещение доменных стенок в реальных материалах происходит не плавно, а скачками, так как стенки «зацепляются» за дефекты кристаллической решетки, примеси и границы зерен. Если намотать катушку на образец и подключить к усилителю с динамиком, при плавном намагничивании можно услышать шорох и потрескивание — это «звук» скачков доменных границ.

3.2. Магнитный гистерезис

Гистерезис (от греч. «отставание», «запаздывание») — это фундаментальное свойство ферромагнетиков «помнить» свою магнитную историю. Если мы намагнитили образец до насыщения, а затем начнем уменьшать внешнее поле до нуля, доменная структура не вернется в исходное состояние. Индукция $ B_{in} $ будет уменьшаться с запаздыванием, не совпадая с кривой первоначального намагничивания. Часть доменных границ останется закрепленной на дефектах, сохраняя «память» о поле.

Рис. 5. Предельный цикл магнитного гистерезиса. 1 — зона обратимых процессов; 2 — зона необратимых смещений границ (основной гистерезис); 3 — зона вращения и насыщения.

Основные параметры, определяемые по петле гистерезиса:

Остаточная индукция $ B_r $ (Тесла): Значение магнитной индукции, остающееся в материале после снятия внешнего поля ($ H_{ext}=0 $). Это мера «магнитной памяти».
Коэрцитивная сила $ H_c $ (А/м): Напряженность размагничивающего внешнего поля, которую необходимо приложить, чтобы полностью убрать остаточную индукцию ($ B_{in}=0 $). Это мера «магнитной твердости», способности сопротивляться размагничиванию.
Индукция насыщения $ B_{max} $ (Тесла): Максимально возможное значение индукции в материале, которое уже не растет при дальнейшем увеличении внешнего поля.

Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, которая рассеивается в единице объема материала в виде тепла за один полный цикл перемагничивания. Физическая причина потерь — «трение» при движении доменных стенок через дефекты решетки.

3.3. Явление магнитострикции

Важным эффектом, сопутствующим намагничиванию, является магнитострикция — изменение геометрических размеров и формы тела при его намагничивании. Это связано с тем, что при повороте магнитных моментов под действием поля изменяются силы взаимодействия между атомами в кристаллической решетке, что приводит к её деформации.

Практическое проявление: Характерный низкочастотный гул работающих мощных трансформаторов — это во многом звук вибрирующего сердечника из-за магнитострикции пластин электротехнической стали, которые удлиняются и сжимаются с частотой 100 Гц (двойная сетевая частота). Явление также используется полезно в ультразвуковых излучателях и датчиках.

4. Классификация магнитных материалов по назначению

В зависимости от формы петли гистерезиса и значения коэрцитивной силы $ H_c $, магнитные материалы делят на два основных класса, имеющих принципиально разные области применения.

Рис. 6. Гистерезисные циклы различных материалов: а — магнитомягкий материал (узкая петля, малые потери, легко перемагничивается); б — магнитотвердый материал (широкая петля, большая запасенная энергия, трудно размагнитить).

4.1. Магнитомягкие материалы

Характеристики: Малая коэрцитивная сила ($ H_c < 800 $ А/м, у лучших образцов менее 10 А/м), высокая начальная и максимальная магнитная проницаемость, узкая петля гистерезиса.

Назначение: Работа в переменных магнитных полях с минимальными потерями энергии. Они должны легко намагничиваться и так же легко размагничиваться, следуя за изменениями внешнего тока.

Применение: Сердечники трансформаторов, статоры и роторы электродвигателей и генераторов, магнитопроводы реле, магнитные экраны, головки звуко- и видеозаписи.

4.2. Магнитотвердые материалы

Характеристики: Очень большая коэрцитивная сила ($ H_c > 4000 $ А/м, у современных материалов сотни тысяч А/м), большая остаточная индукция $ B_r $, широкая («пузатая») петля гистерезиса.

Назначение: Служить источниками постоянного магнитного поля. После однократного намагничивания они должны как можно дольше сохранять свое состояние, сопротивляясь внешним размагничивающим факторам (полям, температуре, ударам).

Применение: Постоянные магниты в динамиках, микрофонах, электродвигателях постоянного тока (особенно вентильных), в магнитных сепараторах, жестких дисках компьютеров.

5. Магнитомягкие материалы: Борьба с потерями и основные виды

При работе в переменных полях (например, в трансформаторе с частотой 50 Гц) магнитомягкий сердечник постоянно перемагничивается, что сопровождается выделением тепла. Суммарные потери мощности $ P_{\Sigma} $ складываются из трех составляющих:

P_{\Sigma} = P_{h} + P_{eddy} + P_{anom}

Потери на гистерезис ($ P_h $): Энергия, затрачиваемая на перемещение доменных границ и переориентацию спинов. Пропорциональна площади статической петли гистерезиса и частоте $ f $. Для их снижения материал должен быть химически чистым и иметь правильную кристаллическую структуру с минимумом дефектов.
Потери на вихревые токи (токи Фуко) ($ P_{eddy} $): Переменное магнитное поле, согласно закону Фарадея, индуцирует в проводящем материале сердечника ЭДС, которая вызывает протекание замкнутых электрических токов. Эти токи нагревают материал по закону Джоуля-Ленца. Потери $ P_{eddy} $ пропорциональны квадрату частоты $ f^2 $, квадрату индукции $ B_{max}^2 $, и, что критически важно, квадрату толщины листа $ d^2 $ и обратно пропорциональны удельному электрическому сопротивлению $ \rho $ материала: $P_{eddy} \sim \frac{f^2 B_{max}^2 d^2}{\rho}$
Аномальные (избыточные) потери ($ P_{anom} $): Дополнительные потери, связанные с динамическими эффектами движения доменных стенок на высоких частотах, не описываемые классической теорией вихревых токов.

Борьба с потерями определила эволюцию магнитомягких материалов и конструкций.

5.1. Кремнистая электротехническая сталь

Это основной «рабочий конь» мировой электроэнергетики. Монолитное железо не используется из-за огромных потерь на вихревые токи (низкое сопротивление $ \rho $).

Решение: Легирование железа кремнием (Si). Введение 0.5% – 4.5% кремния резко (в разы) увеличивает удельное электрическое сопротивление стали, подавляя вихревые токи. Кроме того, кремний связывает вредные примеси кислорода и способствует укрупнению зерна, что снижает гистерезисные потери.

Ограничение: Кремний делает сталь хрупкой и жесткой. При содержании Si > 4.5% сталь становится непригодной для холодной прокатки.

Конструктивные меры: Для борьбы с вихревыми токами магнитопроводы никогда не делают сплошными. Их собирают (шихтуют) из тонких, изолированных друг от друга листов стали толщиной 0.1 – 0.5 мм. Тонкий слой изоляционного лака или оксида разрывает пути для вихревых токов, не мешая прохождению магнитного потока вдоль листов.

Рис. 7. Магнитопроводы: а — шихтованный сердечник из листов электротехнической стали (видна слоистая структура для подавления вихревых токов); б — лента из аморфного сплава (метастекла), получаемая сверхбыстрой закалкой.

Анизотропная (текстурированная) сталь: С помощью сложной технологии прокатки и отжига добиваются того, что кристаллы в стали (зерна) выстраиваются своими осями легкого намагничивания вдоль направления проката (текстура Госса). В этом направлении сталь имеет фантастические свойства ($ \mu $ очень высока, потери минимальны), но поперек проката свойства гораздо хуже. Идеально подходит для трансформаторов, где поток идет в одном направлении.

5.2. Аморфные и нанокристаллические сплавы (Метастекла)

Это материалы нового поколения с уникальными свойствами. Их получают методом сверхбыстрого охлаждения (спиннингования) расплава металла на вращающемся охлаждаемом барабане со скоростью около $ 10^6 $ К/с. При такой скорости атомы не успевают выстроиться в кристаллическую решетку и застывают в хаотичном «жидком» состоянии.

Преимущества: Отсутствие кристаллической решетки и границ зерен означает отсутствие препятствий для движения доменных стенок. Коэрцитивная сила ничтожно мала, а удельное сопротивление высокое. Потери в сердечниках из аморфной стали в 3-5 раз ниже, чем у лучшей кремнистой стали.

Недостатки: Материал получается только в виде очень тонкой (20-30 мкм) и хрупкой ленты. Это усложняет технологию сборки трансформаторов.

5.3. Прецизионные сплавы (Пермаллои) и Ферриты

Пермаллои: Сплавы железа с высоким содержанием никеля (45-80% Ni). Обладают рекордной магнитной проницаемостью в очень слабых полях (начальная $ \mu $ до 100 000 и выше). Очень чувствительны к механическим напряжениям, требуют финишного отжига после изготовления детали. Применяются в магнитных экранах, датчиках, головках для магнитной записи.

Рис. 8. Компоненты для электроники: а — тороидальные сердечники из пермаллоя для высокочувствительных трансформаторов тока; б — изделия из магнитомягких ферритов для силовой и сигнальной электроники.

Ферриты (Магнитная керамика): Огромный класс материалов, являющихся химическими соединениями оксида железа $ Fe_2O_3 $ с оксидами других металлов (Mn, Zn, Ni).

Главное свойство: Ферриты — это не металлы, а полупроводники или даже диэлектрики. Их удельное электрическое сопротивление в миллионы и миллиарды раз выше, чем у стали.

Применение: Благодаря гигантскому сопротивлению, в них практически не возникают вихревые токи даже на очень высоких частотах. Это безальтернативный материал для сердечников импульсных трансформаторов блоков питания, фильтров помех, антенн, работающих в диапазоне от сотен килогерц до сотен мегагерц (радиочастотный и СВЧ диапазон).

6. Магнитотвердые материалы: Современные источники поля

Задача постоянного магнита — запасти энергию при намагничивании и затем длительно отдавать её в виде статического магнитного поля в воздушном зазоре. Основной энергетической характеристикой магнита является максимальное энергетическое произведение $ (BH)_{max} $ — это максимальная площадь прямоугольника, который можно вписать в кривую размагничивания (второй квадрант петли гистерезиса). Чем больше эта величина, тем меньший объем магнита требуется для создания заданного поля в зазоре.

W_{max} = \frac{(BH)_{max}}{2} \quad [Дж/м^3] \quad (7)

Рис. 9. Работа постоянного магнита: а — магнит создает поле $ B_d, H_d $ в рабочем зазоре; б — кривая размагничивания. Рабочая точка магнита должна находиться вблизи $ (BH)_{max} $ для наиболее эффективного использования материала.

6.1. Эволюция и типы постоянных магнитов

Прогресс в этой области за последние 100 лет был колоссальным. Магнитная энергия увеличилась более чем в 100 раз.

Альнико (в России ЮНДК): Литые сплавы системы Al-Ni-Co-Fe. Появились в 1930-х. Обладают высокой остаточной индукцией $ B_r $ и отличной температурной стабильностью (работают до 500-550°C). Главный недостаток — низкая коэрцитивная сила. Их легко размагнитить встречным полем, поэтому магниты из Альнико обычно делают длинными (в виде подковы или бруска), чтобы избежать саморазмагничивания.
Магнитотвердые ферриты: Керамика на основе оксидов бария ($BaO \cdot 6Fe_2O_3$) или стронция ($SrO \cdot 6Fe_2O_3$) с гексагональной кристаллической решеткой. Появились в 1950-х. Обладают самой низкой стоимостью, не подвержены коррозии, имеют высокое электрическое сопротивление. Несмотря на невысокие магнитные характеристики, это самые массовые магниты в мире по тоннажу: используются в динамиках, микроволновках (магнетронах), уплотнителях холодильников, магнитных сепараторах.
Редкоземельные магниты (РЗМ): Революция, начавшаяся в 1970-х. Основаны на интерметаллических соединениях переходных металлов (Co, Fe) с редкоземельными элементами (Sm, Nd, Pr). Гигантская коэрцитивная сила в них обеспечивается высочайшей магнитокристаллической анизотропией — магнитные моменты «намертво» привязаны к определенным осям кристаллической решетки.
- Самарий-Кобальт (SmCo): Первое поколение РЗМ. Очень дорогие из-за кобальта и самария. Обладают высочайшей коррозионной стойкостью и отличной температурной стабильностью (работают до 300-350°C). Применяются в авиации, космосе, военной технике и высокотемпературных двигателях.
- Неодим-Железо-Бор (NdFeB): Второе поколение РЗМ, появились в 1980-х. На сегодня это самые мощные постоянные магниты в мире с рекордными значениями $ (BH)_{max} $. Они дешевле самариевых, так как железо и неодим более доступны. Главные недостатки: низкая температура Кюри (около 310°C), быстрая потеря свойств при нагреве выше 80-150°C (в зависимости от марки) и крайне низкая коррозионная стойкость (в влажном воздухе рассыпаются в порошок, поэтому всегда покрываются защитным слоем никеля, цинка или эпоксидной смолы).

Рис. 10. Современные постоянные магниты: а — неодимовый магнит (NdFeB) с защитным никелевым покрытием, обладающий колоссальной силой притяжения при малых размерах; б — магнитотвердый феррит сложной формы, изготовленный методом прессования порошка.

Техника безопасности: Крупные неодимовые магниты представляют реальную опасность. Сила притяжения между двумя магнитами размером с ладонь может достигать сотен килограммов. Попадание пальцев между ними гарантированно приводит к тяжелым травмам и переломам.

6.2. Сравнительная таблица характеристик постоянных магнитов

Таблица 1.

Тип материала	Остаточная индукция $ B_r $, Тл	Коэрцитивная сила $ H_{cB} $, кА/м	Энергия $ (BH)_{max} $, кДж/м³	Макс. рабочая T, °C	Ключевые особенности
Альнико (ЮНДК) AlNiCo	0.8 – 1.35	40 – 160	40 – 80	500 – 550	Отличная термостабильность, но легко размагничиваются.
Ферриты (Ba, Sr)	0.2 – 0.45	150 – 400	10 – 35	250 – 300	Самые дешевые, не ржавеют, диэлектрики. Слабые.
Sm-Co (Самариевые)	0.8 – 1.15	600 – 2000+	150 – 240	300 – 350	Мощные, термостойкие, коррозионностойкие. Очень дорогие и хрупкие.
Nd-Fe-B (Неодимовые)	1.0 – 1.45+	800 – 2000+	280 – 450+	80 – 200*	Рекордная мощность. Сильно ржавеют, боятся перегрева. *Зависит от добавки Диспрозия (Dy)

7. Технологии производства и специальные классы материалов

Современная промышленность требует не просто «сильных» магнитов, но изделий сложной формы, устойчивых к температурам и коррозии. Исходя из этого, классификация по химическому составу дополняется классификацией по технологии изготовления. Наиболее распространены металлокерамические (спеченные) и полимерные (композитные) магниты.

7.1. Металлокерамические магниты (Спеченные)

Термин «металлокерамика» здесь используется потому, что технология производства этих магнитов идентична производству керамики, хотя исходным сырьем являются металлические порошки. Процесс включает следующие этапы:

Получение сплава и его размол в тонкий порошок (размер зерна 3-5 мкм).
Прессование в магнитном поле: Порошок засыпают в пресс-форму и подвергают воздействию сильного внешнего магнитного поля. Это необходимо, чтобы каждая микрочастица порошка, являющаяся монокристаллом, повернулась своей осью легкого намагничивания вдоль будущего поля магнита. Это создает анизотропию.
Спекание: Спрессованные заготовки («зеленые тела») помещают в печи и спекают при температурах 1100–1200 °C в инертной атмосфере или вакууме. Частицы срастаются, материал уплотняется.

Особенности обработки: Полученный спеченный магнит чрезвычайно тверд и хрупок (как стекло). Его нельзя сверлить или точить на токарном станке. Обработка возможна только алмазным инструментом или электороэрозионной резкой.

Самариевые магниты (SmCo) — Элита высокотемпературных материалов

Как было указано в исходных данных, наилучшими характеристиками среди спеченных материалов для жестких условий эксплуатации обладают самариевые магниты. Они представляют собой интерметаллическое соединение редкоземельного самария и кобальта.

Рис. 11.Спеченный магнит из самария и кобальта (SmCo)

Существует два основных поколения этих сплавов:

SmCo5 (1:5): Первое поколение. Обладает коэрцитивной силой до 2000 кА/м.
Sm2Co17 (2:17): Второе поколение с добавлением железа, меди и циркония. Обладает более высокой магнитной энергией.

Главное преимущество: Как вы отметили, они способны работать при температурах до 350 °C (а специальные серии до 550 °C). Для сравнения, неодимовые магниты часто теряют свойства уже при 80–120 °C. Кроме того, SmCo обладает исключительной коррозионной стойкостью и не требует защитных покрытий, в отличие от неодима.

7.2. Магнитотвердые ферриты (Керамические магниты)

Это особый класс оксидных материалов, который также относится к металлокерамике по способу производства (спекание оксидов), но отличается химической природой. Это не металлические сплавы, а ионные кристаллы — ферримагнетики.

Основой их кристаллической структуры является гексагональная решетка. Именно эта специфическая анизотропная форма кристаллов обеспечивает высокую коэрцитивную силу материала (сопротивляемость размагничиванию).

Наибольшее распространение в технике получили:

Бариевые ферриты: Химическая формула $ BaO \cdot 6Fe_2O_3 $ (или $ BaFe_{12}O_{19} $).
Стронциевые ферриты: Химическая формула $ SrO \cdot 6Fe_2O_3 $. В настоящее время они постепенно вытесняют бариевые благодаря чуть более высокой магнитной энергии.

Рис. 12. Ферритовый магнит. Технология спекания позволяет получать изделия сложных форм (дуги, кольца, сегменты) сразу готовыми к установке в двигатель, требуя лишь минимальной шлифовки посадочных поверхностей.

Преимущества и недостатки: Согласно данным сравнения (Табл. 2), по магнитной энергии $ W_{max} $ ферриты в 10–30 раз уступают редкоземельным магнитам. Однако они занимают около 70% мирового рынка магнитов. Почему?

1. Низкая стоимость: Сырье (оксид железа — по сути, ржавчина, и карбонат бария) очень дешевое.

2. Диэлектрические свойства: Ферриты не проводят ток, что исключает потери на вихревые токи в высокочастотных устройствах.

3. Химическая инертность: Они не ржавеют даже в соленой воде.

7.3. Сравнительный анализ энергии (по Таблице 2)

Ниже приведена расширенная таблица сравнения энергетических характеристик различных классов постоянных магнитов, демонстрирующая эволюцию материалов.

**Таблица 2. Ориентировочные значения магнитной энергии $ W_{max} $**
Тип магнита	Материал	$ W_{max} $ (кДж/м³)	Относительная мощность
Феррит (Керамика)	$ BaO \cdot 6Fe_2O_3 $	10 — 30	Низкая (Базовая)
Альни (Alni)	Al-Ni-Fe	5 — 20	Очень низкая (Устарел)
Альнико (Alnico)	Al-Ni-Co-Fe	40 — 60	Средняя (Термостойкий)
Самариевый (SmCo)	$ SmCo_5 $, $ Sm_2Co_{17} $	200 — 240	Высокая (Элита)
Неодимовый (NdFeB)	$ Nd_2Fe_{14}B $	350 — 450+	Максимальная

Аналогия: Если сравнить магниты с источниками света, то феррит — это надежная старая лампочка накаливания: дешевая и работает везде. Самариевый магнит — это специализированный прожектор для горячих цехов. А неодимовый магнит — это современный сверхъяркий лазер: компактный, но требующий осторожного обращения и охлаждения.

7.4. Полимерные магниты (Магнитопласты)

Это быстрорастущий сегмент рынка, решающий проблему хрупкости спеченных магнитов.
Технология изготовления: Магнитопласты (Bonded magnets) изготавливаются путем смешивания магнитного наполнителя (мелкодисперсного порошка феррита, неодима или самария-кобальта) со связующим полимером.

Рис. 13. Полимерный магнит (Магнитопласт)

В качестве связующего вещества используются:

Эластомеры (Винил, Резина, Каучук): Позволяют создавать гибкие магнитные листы (магнитная резина), используемые в уплотнителях холодильников и рекламных носителях.
Термопласты (Полиамид/Нейлон, PPS): Используются для жестких изделий.

Методы формовки:

Литье под давлением (Injection molding): Позволяет получать магниты сложнейшей формы (например, роторы с интегрированными шестернями и валами), с тонкими стенками, которые невозможно получить спеканием.
Экструзия: Выдавливание профилей (лент) бесконечной длины.

Компромисс: Поскольку от 30% до 50% объема магнитопласта занимает немагнитный полимер, его магнитные характеристики всегда ниже, чем у спеченного магнита того же состава. Однако точность геометрических размеров и механическая прочность компенсируют этот недостаток в точной механике.

8. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Почему нержавеющая сталь часто не магнитится?

Это зависит от кристаллической структуры. Самая распространенная «пищевая» нержавейка (например, серия 300, сплав 18/10) имеет аустенитную структуру (гранецентрированную решетку), которая является парамагнитной, то есть не притягивается к магниту. Однако ферритные и мартенситные нержавеющие стали (используемые, например, для ножей) прекрасно магнитятся.

Как экранировать магнитное поле? Можно ли его «заблокировать»?

Заблокировать магнитное поле изолятором (как электрический ток резиной) невозможно — магнитных изоляторов не существует. Поле можно только перенаправить. Для экранирования используют материалы с высокой магнитной проницаемостью (пермаллой, мягкое железо). Они служат «ловушкой» для силовых линий, замыкая их внутри стенок экрана и не выпуская наружу. Это называется магнитным шунтированием.

Теряют ли постоянные магниты свою силу со временем?

Современные магниты чрезвычайно стабильны. Неодимовый магнит в нормальных условиях теряет менее 1% своей намагниченности за 10 лет. Однако они могут мгновенно потерять свойства при нагреве выше рабочей температуры (80–120°C для стандартных марок), при сильных механических ударах или под воздействием мощного внешнего размагничивающего поля.

Что сильнее: неодимовый магнит или самариевый?

При комнатной температуре неодимовый магнит (NdFeB) сильнее — его остаточная индукция и магнитная энергия выше. Однако при температурах выше 150°C лидерство переходит к самариевым магнитам (SmCo), так как они гораздо стабильнее термически. Поэтому в горячих двигателях и авиации используют самарий, а в бытовой технике — неодим.

Вредно ли находиться рядом с сильными магнитами?

Постоянные статические магнитные поля, создаваемые бытовыми и промышленными магнитами, не оказывают доказанного вредного воздействия на организм человека (в отличие от сильных переменных высокочастотных полей). Более того, в аппаратах МРТ человек находится в полях в десятки тысяч раз мощнее. Главная опасность — механические травмы (защемление пальцев) и воздействие на кардиостимуляторы.

Заключение

Мы прошли путь от понимания квантовой природы спина электрона до анализа характеристик промышленных магнитных материалов. Магнетизм — это уникальное явление, связывающее микромир с макромиром техники. Глубокое понимание физики процессов — доменной структуры, механизмов гистерезиса, природы потерь на вихревые токи и анизотропии — позволяет инженерам делать осознанный выбор материала для конкретной задачи. Не существует «идеального» магнитного материала. Есть оптимальный выбор для конкретных условий: дешевый феррит для магнитного замка, мощнейший неодим для тягового двигателя электромобиля, аморфная сталь для высокоэффективного сетевого трансформатора или термостабильный самарий-кобальт для космического аппарата.

Нормативная база

ГОСТ 19693-74 Материалы магнитные. Термины и определения. (Базовый стандарт по терминологии).
ГОСТ 21427.1-83 Сталь электротехническая холоднокатаная анизотропная тонколистовая. Технические условия. (Основной стандарт для трансформаторной стали).
ГОСТ 21427.2-83 Сталь электротехническая холоднокатаная изотропная тонколистовая. Технические условия. (Основной стандарт для стали двигателей и генераторов).
ГОСТ 10994-74 Сплавы прецизионные. Марки. (Включает пермаллои и другие спецсплавы).
ГОСТ 24936-89 Магниты постоянные спеченные. Общие технические условия.
IEC 60404 (Серия международных стандартов МЭК) — Magnetic materials (Магнитные материалы).

Список литературы

Вонсовский С.В. Магнетизм. — М.: Наука, 1971. Классическая фундаментальная монография, считающаяся «библией» магнетизма в отечественной науке. Описывает глубокую физику процессов.
Преображенский А.А., Бишард Е.Г. Магнитные материалы и элементы. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1986.
Стародубцев Ю.Н. Магнитомягкие материалы. Энциклопедический справочник. — М.: Техносфера, 2011.