CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ
2.4.3. Phân loại và ứng dụng của vật liệu từ
Dựa vào vòng từ trễ người ta chia vật liệu từ làm 2 loại:
• Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao và lực kháng từ nhỏ (Hc nhỏ và μ lớn).
• Vật liệu từ cứng có độ từ thẩm nhỏ và lực kháng từ cao (Hc lớn và μ nhỏ).
a. Vật liệu từ mềm:
Vật liệu từ mềm dùng ở tần số thấp:
Vật liệu từ mềm làm việc ở tần số thấp thường được dùng rộng rãi là sắt, hợp kim sắt - silic, sắt - niken, lá thép kỹ thuật điện... để làm lõi biến áp, nam châm điện.
+B
HC 0 +H Bd
+B
Hmax
HC 0 Bd
+B
0 +H
a/ b/ c/
Hiện nay hợp kim sắt từ dùng rộng rãi nhất là sắt- silic. Sắt- niken có độ từ thẩm cao hơn. Vật liệu sắt dùng trong các cuộn dây và biến áp thường ở dạng tấm mỏng.
Một cách khác, hợp kim sắt từ được tạo thành bằng cách nung dính một hỗn hợp bột kẽm nguyên chất, sau đó được cán nguội và ủ. Khi cán nguội, nhờ tác động sắp xếp lại trục tinh thể nên tính chất từ theo hướng cán là tốt nhất và được gọi là vật liệu từ có định hướng. Để giảm độ tiêu hao do các dòng điện xoáy trong lõi biến áp người ta dùng vật liệu từ có điện trở suất cao. Để thay đổi tính chất từ và điện trở suất của vật liệu sắt từ ta phải thay đổi tỉ lệ thành phần hợp kim. Các tính chất của vật liệu từ thường cho dưới dạng các đường cong từ hóa và các đường cong độ từ thẩm. Độ dễ từ hóa của một vật liệu từ được đo bằng độ từ thẩm. Với sắt- silic có độ từ thẩm cực đại khoảng 7500H/m, còn sắt -niken khoảng 60000H/m. Các khoảng tần số làm việc của các vật liệu từ thông dụng như biểu diễn trong Hình 2.12.
Vật liệu từ mềm dùng ở tần số cao:
(thường ở tần số vài trăm đến vài ngàn KHz).
+ Ferit là vật liệu từ được dùng rộng rãi nhất ở tần số cao.
Ferit là vật liệu từ có độ từ thẩm cao, tổn thất nhỏ. Ferit là hợp chất ôxit sắt 3 (Fe2O3) kết hợp với các ôxit kẽm loại hóa trị một hoặc hai (ZnO; Zn2O). Nguyên vật liệu sau xử lý được nghiền thành bột mịn, trộn lại và ép định hình theo khuôn thành dạng thanh hay ống, sau đó được nung ở nhiệt độ cao trong môi trường thích hợp, Đây là quá trình gia công nhiệt đặc biệt để hợp chất cho điện trở suất cao.
Ferit có nhiều loại nhưng thông dụng nhất là Ferit-Mangan- Kẽm và Ferit -Niken- Kẽm.
Ferit có đặc điểm là điện dẫn suất thấp, độ từ thẩm ban đầu cao và giá trị cảm ứng từ bão hòa thích hợp. Ferit được dùng trong các cuộn dây, có hệ số phẩm chất cao, các biến áp có dải thông tần rộng, các cuộn dây trung tần, thanh anten, các cuộn làm lệch tia điện tử, các biến áp xung, v.v..
Ferit mangan kẽm (MnZn ferit) được chế tạo thành nhiều loại khác nhau tuỳ theo ứng dụng với những cuộn dây có hệ số phẩm chất cao (Q cao) trong khoảng tần số từ 1 đến 500KHz, có loại tổn thất nhỏ, có hệ số nhiệt của độ từ thẩm thấp và độ ổn định cao.
Dùng trong truyền hình có loại thích hợp làm việc với điện cảm ứng từ cao; cũng có loại có độ từ thẩm thích hợp với các biến áp thông tin dải rộng và các biến áp xung.
Ferit niken kẽm (NiZn ferit) cũng có nhiều loại có thành phần oxit niken và oxit kẽm khác nhau, đồng thời chúng đều có điện trở suất cao.
+ Pecmaloi có độ từ thẩm cao (có thể tới hàng trăm ngàn H/m).
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 thường được dát mỏng. Chúng thường được dùng làm biến áp Micrô, đầu từ, biến áp kích thước nhỏ, chất lượng cao. Nhược điểm của Pecmaloi rất dễ vỡ, dễ biến dạng nên cẩn thận khi sử dụng và gia công chế tạo.
Hình 2.12 - Khoảng tần số làm việc của của các vật liệu từ thông dụng b. Vật liệu từ cứng:
Theo ứng dụng chia vật liệu từ cứng thành 2 loại:
• Vật liệu để chế tạo nam châm vĩnh cửu.
• Vật liệu từ để ghi âm, ghi hình, giữ âm thanh, v.v..
Theo công nghệ chế tạo, chia vật liệu từ cứng thành:
• Hợp kim thép được tôi thành Martenxit là vật liệu đơn giản và rẻ nhất để chế tạo nam châm vĩnh cửu.
• Hợp kim lá từ cứng.
• Nam châm từ bột.
• Ferit từ cứng: Ferit Bari (BaO.6Fe2O3) để chế tạo nam châm dùng ở tần số cao.
• Băng, sợi kim loại và không kim loại dùng để ghi âm thanh.
Đặc điểm của nam châm vĩnh cửu là:
f(Hz) 1 10 102 103 104 105 106 107 108
đặc đặc 16 mile
5 mile 2 mile 1 mile
TSHD, Ni (công suất, xung) TSHD, Ni (công suất, xung) TSHD (âm tần, tổn thất nhỏ)
TSHD, Ni (công suất) TS.Ni (âm tần)
TS (công suất)
Lõi sắt bụi (Q cao) Ferit mangan (Q cao, xung) Bề dày
Năng lượng từ cực đại bao quanh không gian xung quanh chất sắt từ được tính bằng Oat (W):
d d
d B .H
W = 2
như vậy, năng lượng bao quanh không gian chất sắt từ được tính theo công thức:
W B.H
= 2
Nam châm trong trạng thái khép kín sẽ không truyền năng lượng ra không gian xung quanh. Khi tồn tại 1 khe không khí giữa các cực thì sẽ xuất hiện sự truyền năng lượng vào không gian xung quanh, trị số của nó phụ thuộc nhiều vào chiều dài khe không khí.
Các đặc tính của nam châm vĩnh cửu là các đại lượng:
• Lực kháng từ HC.
• Độ cảm ứng từ dư Bdư.
• Năng lượng cực đại bao quanh không gian quanh chất sắt từ Wd.
• Độ từ thẩm của vật liệu từ cứng nhỏ hơn của vật liệu từ mềm và với sự tăng của HC thì độ từ thẩm giảm.
• Đại lượng H.B/ 2 tỉ lệ với năng lượng cực đại của từ trường bao quanh chất sắt từ.