Bài giảng Vật liệu điện và cao áp - Chương 10 Vật liệu từ

CHƯƠNG 10. VẬT LIỆU TỪ 10.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU TỪ TÍNH Các vật liệu từ như: Sắt từ, côban (Co), niken (Ni), gađôli (Gd) các hợp chất hoá học ferít Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính của vật liệu điện là do các điện tích luôn luôn chuyển động ngầm theo các quỹ đạo kín tạo nên những dòng điện vòng. Hiện tượng sắt từ là do trong một số vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Quyri (Curie) đã phân sẵn thành những vùng vĩ mô mà trong từng vừng ấy các spin điện tử đều định hướng song song với nhau. Các vùng ấy gọi là đômen từ. • Tính chất đặc trưng cho trạng thái sắt từ của các chất là nó có độ nhiễu từ tự phát ngay khi không có từ trường ngoài. • Từ giảo: là hiện tượng khi từ hóa chất sắt từ đơn tinh thể thì kích thước của chúng có thay đổi. • Quá trình từ hóa vật liệu sắt từ thể đặc trưng bằng đường cong từ (Đường cong từ trễ) hóa B = f (H). H B • Hiện tượng từ trễ: Là một đặc trưng dễ thấy nhất ở chất sắt từ. Khi từ hóa một khối chất sắt từ các mômen từ sẽ có xu hướng sắp xếp trật tự theo hướng từ trường ngoài do đó từ độ của mẫu tăng dần đến độ bão hòa khi từ trường đủ lớn (khi đó các mômen từ hoàn toàn song song với nhau). Khi ngắt từ trường hoặc khử từ theo chiều ngược, do sự liên kết giữa các mômen từ và các đômen từ, các mômen từ không lập tức bị quay trở lại trạng thái hỗn độn như các chất thuận từ mà còn giữ được từ độ ở giá trị khác không. Có nghĩa là đường cong đảo từ sẽ không khớp với đường cong từ hóa ban đầu, và nếu ta từ hóa và khử từ theo một chu trình kín của từ trường ngoài, ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ. Có nhiều cơ chế khác nhau để tạo ra hiện tượng trễ như cơ chế dịch chuyển vách, cơ chế quay mômen từ, cơ chế hãm sự phát triển của các mầm đảo từ • Độ từ thẩm µ = B/H B: cảm ứng từ ( 1 gaus = 10-4 tesla (T)) H: cường độ từ trường ( 1 ơcstet = 80A/m) • Độ từ thẩm ban đầu (µbd) là từ độ tử thẩm khi H = 0 • Giá trị lớn nhất của độ từ thẩm gọi là độ từ thẩm cực đại µmax. • Hệ số từ thẩm động µ~ là đại lượng đặc trưng cho vật liệu sắt từ trong từ trường xoay chiều µ~ = Bmax/ Hmax Khi tần số từ trường xoay chiều tăng thì µ~ tăng. • µ = f(to) + Điểm quiry của vật liệu từ là điểm mà nhiệt độ ở đó làm cho độ từ thẩm đạt giá trị cực đại + Nếu nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ ở điểm quiry thì từ tính của vật liệu bị mất Sắt: 1043 K Côban: 1388 K Niken: 627 K Gađôli: 292,5 K Dysproxium (Dy): 88 K MnBi: 630 K MnSb: 587 K • Để đặc trưng cho sự biến đổi của µ theo nhiệt độ người ta dùng hệ số nhiệt của độ từ thẩm • Vật liệu có trị số Hk nhỏ và độ từ thẩm lớn gọi là vật liệu sắt từ mềm. • Vật liệu có trị số Hk lớn và độ từ thẩm tương đối bé thì gọi là vật liệu sắt từ cứng dt d Tk    . 1  • Giá trị B khi H = 0 trong vòng từ trễ giới hạn gọi là cảm ứng từ dư Bd. Để giảm Bd về trị số 0 cần đặt từ trường có chiều ngược lại gọi là lực giữ từ ( lực kháng từ Hk) 10.2. CÁC VẬT LIỆU TỪ MỀM • Là các vật liệu sắt từ dễ từ hóa và dễ bị khử từ • Có độ từ thẩm cao, lực kháng từ và tổn hao từ trễ nhỏ, được dùng làm lõi MBA, Nam châm điện, lõi dẫn từ, cảm biến từ trường, trong các dụng cụ đo điện và trong các trường hợp cần có cảm ứng từ lớn nhất với lượng tiêu phí năng lượng nhỏ nhất. • Để giảm tổn hao dòng điện xoáy, trong các MBA dùng vật liệu sắt từ mềm có điện trở lớn, thường là dùng gông từ bằng cách ghép những tấm tôn silic cách điện với nhau. • Tổn hao dòng xoáy: vật liệu từ mềm được sử dụng trong từ trường ngoài, và nếu sử dụng trong trường xoay chiều, sẽ sinh ra các dòng điện Foucault gây mất mát năng lượng và tỏa nhiệt. Công suất tổn hao Foucault được tính theo công thức: với: Bs : là cảm ứng từ bão hoà của lõi d : độ dày của lõi (mm) kf : là một hệ số dạng đường cong từ hóa f : Tần số từ trường xoay chiều (Hz) γ : Khối lượng riêng vật liệu (g/cm3) ρ : điện trở suất (Ωmm2/m) (W/kg) • Từ công thức này ta lý giải được việc các lõi biến thế tôn Si (FeSi) được chế tạo thành các lá mỏng nhằm làm giảm độ dày, giảm tổn hao dòng xoáy. Đồng thời, lõi FeSi chỉ có thể sử dụng cho biến thế tần số thấp vì ở tần số cao, tổn hao sẽ rất lớn (do FeSi có điện trở suất thấp), trong khi các vật liệu gốm ferrite có thể sử dụng ở các tần số rất cao do chúng có bản chất gốm, có điện trở suất rất lớn, làm giảm tổn hao dòng xoáy. 10.2.1. Sắt • Sắt kỹ thuật tinh khiết: + Có trị số cảm ứng từ bão hòa cao (Bs = 21580 gauss) + Có điện trở nhỏ chủ yếu làm mạch từ từ thông không đổi. + Chế tạo bằng cách tinh chế gang trong lò Máctanh hay lò thổi, hàm lưọng tạp chất tổng cộng < 0,08 - 0,1% (còn được gọi là “sắt armcô”). • Thép là kỹ thuật điện cácbon thấp. Đó là 1 dạng của sắt kỹ thuật tinh khiết được sản xuất thành tấm mỏng từ 0,2 - 4mm, thành phần < 0,04% các bon và < 0,6% các tạp chất khác. Trị số độ từ thẩm tương đối không nhỏ hơn 3500 – 4500, lực kháng từ không lớn hơn 0,8 - 1,2 ơcstet. • Sắt đặc biệt tinh khiết: + Lượng tạp chất < 0,05% + Thu được bằng 2 phương pháp: 1) Sắt điện phân chế tạo bằng cách điện phân dung dịch sunfát hay clorua sắt trong đó anốt là sắt tinh khiết, còn catot là phiến thép mềm. Sắt bám ở catốt sau khi rửa cẩn thận được gỡ ra và nghiền thành bột trong máy nghiền bi sau đó được ủ hay luyện lại trong chân không. 2) Sắt cácbonyl thu được bằng cách nhiệt phân sắt cácbonyl theo phương trình: Fe(CO)5 = Fe + 5CO Sắt cácbinyl-5 là chất lỏng được thu khi tác dụng axít các bon lên sắt ở nhiệt độ gần -2000C, áp suất gần 150ata. Sắt cacbonyl có dạng bột mịn rất thuận tiện để chế lõi sắt cao tần nén. 10.2.2. Thép • Thép lá kỹ thuật điện là vật liệu từ mềm được dùng rộng rãi nhất. • Việc đưa silic vào thành phần của thép:(Tôn silic) + Làm tăng điện trở suất, do đó hao do dòng điện xoáy giảm xuống. ρ = 0,1 + (0,12.%Si) (Ωmm2/m) + Tạo khả năng tách cácbon ở dạng garfít, cũng như khử gần toàn bộ ôxy của thép. Điều này làm tăng , giảm Hk và giảm tổn hao từ trễ. + Ảnh hưởng xấu đến tính cơ học của thép như tăng độ giòn và khó cán thành tấm. Hàm lượng silic đến 4% thép còn có đặc tính cơ tương đối tốt, nhưng >5% nó trở nên rất giòn. + Si là ion không từ tính nên làm loãng các ion Fe dẫn đến giảm từ tính. Theo công thức : Bs = 21580 – (480.%Si) (gauss) • Thép lá kỹ thuật điện ở Liên Xô (cũ) chia thành các loại sau: Э11; Э12; Э13; Э21; Э22; Э31; Э32 Э41; Э42; Э43; Э43A; Э44; Э45; Э46; Э47; Э48. Э310; Э320; Э330; Э330A; Э340; Э370; Э380. Э1100; Э1200; Э3100; Э3200. • Con số thứ nhất chỉ hàm lượng gần đúng của silic theo phần trăm, khi tăng hàm lượng silic khối lượng riêng của thép giảm và điện trở suất của nó tăng . + Con số thứ hai đặc trưng cho tính chất điện và từ của thép. Các con số 1,2,3 đảm bảo suất tổn hao xác định khi từ hoá lại (ở 50Hz) và cảm ứng từ trong từ trường mạnh + Chữ A ký hiệu tổn hao rất thấp. + Số 4 cho biết thép được định mức tổn hao khi từ hoá ở tần số 400Hz và cảm ứng từ trong trường có cường độ trung bình. + Số 5, 6 dùng trong trường yếu từ 0,002 đến 0,008 A/cm và trị số của chúng được bảo đảm. + Số 7,8 chỉ đặc điểm chủ yếu của độ từ thẩm trong cường độ trường trung bình từ 0,03 đến 20A/cm. + Số 0 thứ ba chỉ rằng thép cán nguội (thép có thớ), có hai số 0 liên tiếp là thép được cán nguội và ít thớ. • Các tiêu chuẩn quy định tính chất điện và từ đối với các nhãn thép kỹ thuật điện là: + Cảm ứng từ (ký hiệu bằng chữ B với con số chỉ cường độ từ trường tương ứng tính theo A/cm); + Tổng suất tổn hao công suất dòng điện xoay chiều tính bằng w trên 1kg thép đặt trong từ trường xoay chiều, được ký hiệu bằng chứ P 10.2.3 Pecmaloi - Là hợp kim của Fe và Ni, là chất dễ từ hóa có hệ số từ thẩm ban đầu cao do hệ số dị hướng có thế tiến tới 0 (phụ thuộc vào thành phần Ni) • Pecmaloi là hợp kim gồm có 50%÷ 80% là Niken, 18%÷ 18,5% là Fe còn lại là Mangan, Crôm, Đồng, Silic và còn lại là Moliden - Pecmaloi có độ thừ thẩm lớp gấp 10 lần độ từ thẩm của sắt kỹ thuật điện - Thường có 2 loại Pecmaloi: Pecmaloi có nồng độ Ni cao, và Pecmaloi có nồng độ Ni thấp. + Loại có nồng độ Ni cao không thể dùng làm biến thế công suất mà chỉ dùng ở các loại biến thế có dòng nhỏ, đòi hỏi thế cao - Ngoài người ta còn pha vào pecmaloi một số tạp chất như: Cr, Mo, Cu, Si. - Nhược điểm của pecmaloi: + Bị ảnh hưởng của các nhân tố bên ngoài đặc biệt là ứng suất cơ học, rất dễ vỡ + Giá thành vật liệu cao - Ứng dụng: Pecmaloi thườngđược dát mỏng. Chúng thườngđược dùng làm biến áp Micrô,đầu từ,biến áp kích thước nhỏ, chất lượng cao 10.2.4. Điện môi từ - Là vật liệu điện môi trộn với sắt từ Điện môi thường là: Bakelit, polisterol, thủy tinh lỏng, ngoài ra để tăng độ kết dính còn có parafin - Có thể làm việc ở tần số cao - Nhược điểm là có từ tính kém 10.2.5. Ferit từ mềm • Là tên gọi chung của nhóm các vật liệu có trật tự từ mà trong cấu trúc từ của nó gồm 2 phân mạng đối song song nhưng có độ lớn khác nhau. Ferri từ còn được gọi là phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn. • Là nhóm các vật liệu gốm có công thức hóa học chung là XO.Y2O3 với X là một kim loại hóa trị 2, Y là kim loại hóa trị 3 (mà dùng phổ biến nhất là sắt - Fe) • Phân loại và ứng dụng: + Các ferit từ mềm có đường từ trể dạng tròn, điển hình như đó là ferit họ NiZn, MnZn và được dùng trong từ trường biến đổi tần số f = 103 – 107. + Các ferit từ giảo, dùng để thu, phát siêu âm thường là họ firit Ni + Các ferit có dạng tử trể chữ nhật, như họ ferit MnMg. Dùng trong môi trường có tần số cao + Các ferit siêu cao tần, như họ ferit AlNi, AlFe, dùng trong các trường hợp có tần số siêu cao 10.3. VẬT LIỆU TỪ CỨNG. • Các vật liệu làm nam châm vĩnh cửu được đặc trưng bằng các tham số: Lực khánh từ, từ du và năng lượng lớn nhất đưa vào không gian xung quanh. Độ từ thẩm của vật liệu này thấp hơn vật liệu từ mềm và lực kháng từ càng cao thì độ từ thẩm càng nhỏ. • Nam châm kín (dạng hình xuyến) không mất năng lượng cho không gian bên ngoài. Khi có khe hở không khí giữa các cực sẽ xuất hiện năng lượng truyền ra không gian, giá trị năng lượng phụ thuộc vào chiều dài khe hở. Từ cảm BL trong khe hở nhỏ hơn từ dư Bd do tác dụng khử từ của các nam châm. • Năng lượng đưa vào một đơn vị thể tích khe hở không khí có thể biểu diễn bằng đẳng thức: Với: HL Cường độ trường ứng với từ cảm BL. Chiều nam châm càng ngắn, khe hở càng lớn thì độ khử từ của các cực càng lớn và BL càng nhỏ. • Với nam châm kín BL = Bd thì năng lượng đưa ra ngoài bằng không vì HL = 0. • Khe hở giữa các cực rất lớn, năng lượng đưa ra cũng tiến tới không vì BL = 0; HL = HK. • Ứng với một vài giá trị BL và HL năng lượng đưa ra đạt giá trị lớn nhất = Wmax.Giá trị này xác định mức độ sử dụng nam châm tốt nhất và cũng là giá trị quan trọng nhất đặc trưng cho chất lượng vật liệu làm nam châm vĩnh cửu L L L B H W = 8π Theo thành phần, trạng thái và phương pháp chế tạo vật liệu từ cứng được chia thành các loại: 1. Thép hợp kim hoá được tôi đến trạng thái mactenxít • Loai thép này là vật liệu đơn giản và dễ kiếm nhất để làm nam châm vĩnh cửu • Được hợp kim hoá với các chất phụ như: vonfram, crôm, molipđen, côban • Bảng 10.7 là thành phần và tính chất. • Giá trị BLHL đối với thép mactenxít khoảng (2,5- 10)105 gaus.ớcstet, hay 2000-8000T.A/m. 2. Hợp kim từ cúng đúc. • Hợp kim ba nguyên tố Al-Ni-Fe, còn gọi là kim Alumi có năng lượng từ lớn. • Khi cho thêm côban hay silic tính chất từ của hợp kim tăng lên. Hợp kim aluni có chất phụ silic gọi là alunisi, còn hợp kim aluni có côban gọi là alunicô. Hợp kim alunicô có hàm lượng côban lớn nhất gọi là macnicô. • Tính chất phụ thuộc vào cấu tạo tinh thế và cấu trúc từ. Và chúng đạt được tính chất từ tốt khi có sự biến dạng mạng tinh thể lớn. • Hợp kim macnicô có đặc tính mạnh là không đẳng hướng. Tính chất từ tốt nhất theo hướng khi làm nguội nó có từ trường tác động. • Nhược điểm của các hợp kim aluni, alnico và manico là khó chế tạo các chi tiết có kích thước chính xác do hợp kim giòn và cứng, chỉ có thể gia công bằng phương pháp mài 3. Các nam châm bột • Nam châm bột loại gốm: Được chế tạo bằng ép bột nghiền từ các hợp kim từ cứng sau đó thiêu kết ở nhiệt độ cao tương tự quá trình nung gốm. Chế tạo với các chi tiết nhỏ và tương đối chính xác. • Nam châm bột có các hạt gắn bằng chất kết dính nào đó (nam châm kim loại dẻo). Tương tự như ép các chi tiết bằng chất dẻo nhưng chất độn ở đây nghiền từ hợp kim từ cứng. • Tính chất từ của các nam châm kim loại dẻo kém nhiều: lực kháng từ giảm 10 ÷ 15%, từ dư giảm 35÷ 50%, năng lượng tích luỹ giảm 40 ÷ 60% so với nam châm đúc. • Nam châm kim loại dẻo có điện trở cao, do đó có thể sử dụng nó trong các thiết bị có từ trường biến đổi tần số cao. 4. Ferits từ cứng. • Điển hình là ferít bari BaO6Fe2O3. khác với ferít từ mềm nó không có cấu trúc lập phương mà là mạng tinh thể hình lục giác có tính dị hướng một trục • Nam châm bari được sản xuất ở dạng rông đen và đĩa mỏng. Chúng có tính ổn định cao đối với tác dụng của tử trường ngoài, chịu được lắc, va đập. Khối lượng ferít bari là 4,4 ÷ 4,9g/cm3, nhỏ hơn hợp kim sắt – niken đúc 1,5 lần, cho nên nam châm nhẹ hơn. Điện trở suất ferit bari: 106 ÷ 109 Ω.cm. Chúng có thể làm ở tần số cao và giá thành rẻ • Nhược điểm: độ bên cơ thấp, độ giòn lớn, tính chất từ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. • Có tính chất từ không thuận nghịch