Materiały magnetyczne

Klasyfikacja i własności materiałów magnetycznych:

1. Podział ze względu na reakcję na przyłożone zewnętrzne pole magnetyczne

• Materiały diamagnetyczne - magnetyzują się w bardzo słabym stopniu w kierunku przeciwnym do kierunku działania zewnętrznego pola magnetycznego - osłabiają działanie pola - magnetyzacja ta jest proporcjonalna do natężenia pola zewnętrznego i niezależna od temperatury;

Gazy szlachetne; miedź; srebro; cynk; złoto; węgiel; kadm; rtęć; ołów; itd...

• Materiały paramagnetyczne - magnetyzują się w bardzo słabym stopniu lecz w kierunku zgodnym z kierunkiem działania zewnętrznego pola magnetycznego - nie osłabia go ale też wzmacnia w bardzo niewielkim stopniu - magnetyzacja ta jest na ogół proporcjonalna do zewnętrznego pola magnetycznego i odwrotnie proporcjonalna do temperatury bezwzględnej. metale alkaliczne; platyna; magnez; aluminium; cyna; wanad; wolfram; itd..

• Materiały ferromagnetyczne - magnetyzują się bardzo silnie w kierunku zgodnym z kierunkiem działania zewnętrznego pola magnetycznego - wzmacnia zewnętrzne pole magnetyczne - przy okresowej zmianie kierunku pola magnetycznego wykazują własności histerezy - tzn. w mniejszym lub w większym stopniu zachowują magnetyzację po zaniknięciu zewnętrznego pola - ten rodzaj magnetyzacji nie jest proporcjonalny do zewnętrznego pola magnetycznego i jest odwrotne proporcjonalny do różnicy ( T - θ ) T- temp. bezwzględna; θ - punkt Curie charakterystyczną dla każdego materiału żelazo; nikiel; kobalt,gaddin(?)....

warunki ferromagnetyzmu: 1. nieskompensowany moment magnetyczny

2. 3.2<= a/r <= 6.2

gdzie a - stała sieciowa;

• Materiały antyferromagnetyczne - w grupie tej rozróżniamy: antyferromagnetyki (występuje całkowita kompensacja momentów magnetycznych) ; ferrimagnetyki lub antyferrimagnetyki (gdy wchodzące w skład danego związku - stopu atomy mają różne co do wartości momenty magnetyczne, całkowita kompensacja momentów przy ich antyrównoległym ustawieniu jest wówczas niemożliwa)

np. tlenek żelazawy FeO np. ferryty

tlenek niklu NiO

2. Podział ze względu na zdolności rozmagnesowywania

Materiały magnetycznie twarde

Materiały magnetycznie miękkie

duża pozostałość magnetyczna	łatwo i silnie się magnesują (duża podatność magnetyczna) ale i łatwo się rozmagnesowują (mała pozostałość magnetyczna)
są źródłami pola magnetycznego	są nośnikami pola magnetycznego
Stale węglowe (0,8%-1,5% węgla w stanie zahartowanym Stale chromowe Ferryty Barowe i Strontowe Stopy żelaza, aluminium, niklu, kobaltu z domieszkami miedzi lub tytanu (alnico)	Żelazo technicznie czyste (armco) Stale niskowęglowe i krzemowe Stopy żelaza z niklem (permalloy, supermalloy) Stopy żelaza z kobaltem Stopy żelaza z aluminium Stopy żelaza z krzemem stopy niklu z żelazem i kobaltem ferryty
Zastosowanie różnego typu magnesy trwałe	Zastosowanie rdzenie elektromagnesów prądu stałego obwody magnetyczne pracujące przy okresowo zmiennych strumieniach magnetycznych (masz. el., trafo., dławiki, el. mag. prądu zmiennego)

1. Efekty magnetyczne:

• Efekt ferromagnetyczny

Efekt samorzutnego uporządkowania momentów magnetycznych w materiale, tworzących sieć kryształu w niewielkich obszarach zwanych domenami. Podstawowym warunkiem wystąpienia ferromagnetyzmu jest istnienie w materiale nieskompensowanych spinowych momentów magnetycznych, które mogą występować tylko w atomach z nie zapełnionymi powłokami. Jest to warunek konieczny, warunkiem wystarczającym jest występowanie w strukturze materiału tzw. sił wymiany^* o odpowiednio dużej wielkości.

^* siły wzajemnego oddziaływania spinowych momentów elektronów prowadzące do spontanicznego upożądkowania orientacji spinów

• Efekt diamagnetyczny

Jest to właściwość wszystkich ciał polegająca na tym, że pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego diamagnetyki magnesują się przeciwnie do tego pola. Diamagnetyki w przeciwieństwie do ferro i paramagnetyków są wypychane przez jednorodne pole magnetyczne. Cząsteczka lub atom diamagnetyka wykazują zerowy wypadkowy moment magnetyczny, ponieważ ich wewnętrzne momenty znoszą się.

• Efekt paramagnetyczny

Jeżeli w nieobecności pola magnetycznego atomy i jony obdarzone momentami magnetycznymi nie oddziałują magnetycznie wzajemnie na siebie mamy do czynienia z efektem paramagnetycznym. (momenty te na ogół ustawiają się chaotycznie i nie dają żadnego wypadkowego namagnesowania)

3. Pojęcia:

domena magnetyczna - ( obszar Weissa) obszar w którym spiny atomów pod działaniem sił wymiany porządkują się równolegle, a ich momenty magnetyczne ustawiają się zgodnie z osiami łatwego magnesowania kryształu. -²⁾ małe obszary samorzutnego magnesowania(tworzą obwód zamknięty).Jest to spowodowane dążeniem systemu do osiągnięcia jak najniższej sumarycznej energii magnetycznej.

siły wymiany - siły wzajemnego oddziaływania spinowych momentów elektronów prowadzące do spontanicznego uporządkowania orientacji spinów

podatność magnetyczna - Jest to cecha materiału, która porównuje własności magnetyczne danego materiału względem powietrza i mówi o ile dany mterił jest lepszy od powietrza; jest wielkością bezwymiarową oznaczoną jako η_m B=μ_oH+μ_oHη_m

magnetyzacja - zjawisko częściowego lub całkowitego uporządkowania momentów magnetycznych; parametr I=μ_oHη_m B=μ_oH+I

Teoria Weissa - założenia teorii to:

1. Istnienie wewnętrznego pola magnetycznego

2. Istnienie małych obszarów samorzutnego magnesowania zwanych domenami (opisane wcześniej)

B=μ_oμ_wH=μH jeżeli μ_w=1+η to

B=μ_oH+μ_oηH gdzie μ_oηH=J [magnetyzacja]

Magnetostrykcja - Zjawisko zmiany kształtu i rozmiarów materiałów magnetycznych pod wpływem pola magnetycznego lub przeciwnie zjawisko zmiany własności magnetycznych pod wpływem przyłożonej siły. Zjawisko to wykorzstywane jest:

• do stabilizacji częstości drgań w generatorach lampowych

• do wytwarzania drgań ultradźwiękowych w przetwornikach magnetostrykcyjnych

• w echosondach

• defektoskopii ultradźwiękowej

materiały: nikiel, permendur, inwar, ferryty

Materiały Magnetycznie Miękkie

1. Cechy dobrego materiału magnetycznie miękkiego

• duża wartość indukcji nasycenia B_n

• duża wartość przenikalności magnetycznej względnej maksymalnej μ_wm

• małą stratnością magnetyczną

• stabilnością powyższych własności w czasie eksploatacji

• łatwością kształtowania gotowych wyrobów

• niską ceną

2. Czyste odmiany żelaza - charakterystyka (materiał na obwody o stałym strumieniu)

Chemicznie czyste żelazo jest doskonałym materiałem magnetycznie miękkim dla którego przenikalność magn. względna maksymalna μ_wm = 1 500 000 oraz natężenie powściągające H_c= 1,2 A/m.

Wyróżniamy następujące odmiany żelaza:

• żelazo elektrolityczne - stosunkowo czysta odmiana oczyszczane w pocesie elektrolizy, dobry surowiec do wyrobu bardzo czystych odmian Fe metodą przetapiania w wodorze (zanieczyszczenia: 0,02% C, 0,01% O₂, μ_wm= 15000, B_n=2,16 [T])

• żelazo armco - technicznie czyste żelazo uzyskiwane ze specjalnie prowadzonych wytopów stali, stosowane w obwodach magnetycznych magnesowanych prądem stałym (mierniki, przekaźniki) (zanieczyszczenia: 0,025% C, 0,035% O₂, μ_wm=5000,B_n=2[T] )

Nawet znikome domieszki innych pierwiastków gwałtownie pogarszają własności magnetyczne żelaza ( zmniejszenie μ_wm , zwiększenie H_c) i powodują powstanie naprężeń wewnętrznych.

Sposoby oczyszczania żelaza:

• Przetapianie w próżni - stosowane na skalę przemysłową, oczyszcza Fe z domieszek C i O, które wiążą się w lotny CO₂, oraz z domieszek azotu, który ulatnia się.

• Przetapianie w atmosferze wodoru - kosztowniejsze ale daje znacznie wyższy stopień oczyszczenia żelaza, wodór tworzy lotne związki z węglem, tlenem, azotem, siarką, fosforem

Naprężenia wewnętrzne w siatce krystalicznej żelza mogą być wywołane również przez obróbkę plastyczną lub termiczną, usuwa się je przez wyżarzanie i powolne studzenie materiału.

3. Stale krzemowe - elektrotechniczne blachy magnetyczne

stale krzemowe:

Do stali dodaje się zaledwie kilka procent krzemu a ich własności magnetyczne ulegają bardzo znakomitemu polepszeniu:

• zwiększa się rezystywność materiału (zmniejszenie strat na prądy wirowe)

• zmniejszenie wartości natężenia powściągającego Hc' (zwężenie pętli histerezy i zmniejszenie strat na histerezę)

• zwiększenie przenikalności początkowej i maksymalnej

• zwiększenie stabilności charakterystyk magnetycznych

• zmniejszenie indukcji nasycenia

• zwiększenie twardości blachy (mniej podatna na obróbkę zbyt krucha)

Aby zachować dobre właściwości do obróbki nie stosuje się większych domieszek krzemu niż 5 %, powyżej tej wartości blachy stają się zbyt kruche i niepodatne na obróbkę przez cięcie i wykrawanie.

*wycinanie nożycami krążkowymi

*po nawijaniu trzeba rekrystalizować

*izolowanie- kiedyś papierem - teraz izolacją ceramiczno- fosforanową, nakladaną w hucie przez lakierowanie

*metody chemiczne:fosforanowanie, oxydowanie;

*walcuje się blachy na zimno bo tylko tak można uzyskać struktury Gossa

Łączenie elementów: po wykrojeniu trzeba spakietować. Zadziory mają się układać dokładnie jeden na drugim więc wykroje należy składać dokladnie tak jak zostały wycięte( jak najmniejsze straty na prądy wirowe)

*wszystkie elementy muszą być symetryczne

*elementy klei się żywicą termoutwardzalną, kiedy nie będą one poddawane obciążeniom mechanicznym(np.styczniki nie mogą być klejone);

*można w niektórych miejscach nitować, wiercić, skręcać, ale te miejsca nie mogą leżeć na drodze strumienia magnetycznego;

*pakietowanie za pomocą jaskółczych ogonów

Ze względu na zastosowanie blach ze stali krzemowej dzieli się je na dwie główne grupy: Blachy prądnicowe i Blachy transformatorowe

Blachy prądnicowe

Blachy transformatorowe

blachy te jako materiały stosowane do budowy maszyn synchronicznych są grubsze, mają większe straty, natomiast mniejsza domiesza krzemu pozwala na łatwiejszą obróbkę mechaniczną.

blachy te jako materiały stosowane do budowy rdzeni transformatorów muszą mieć jak najmniejsze straty gdyż transformator jest urządzeniem o bardzo dużej sprawności, tak więc blachy te są cieńsze od blach prądnicowych, zawierają więcej krzemu, posiadają większą rezystywność, co skutecznie zmniejsza straty na prądy wirowe, mają szerszą pętlę histerezy, a także większą przenikalność magnetyczną względną

Własności blach, które decydują o podziale i zastosowaniach blach

• magnesowalność (indukcja przy określonych wartościach natężenia prądu)

• stratność magnetyczna

• zawartość krzemu

• współczynnik wypełnienia (stosunek objętości, którą zajmuje pakiet blach do objętości którą zajmowałaby jednolita masa materiału)

• falistość

• grubość

• tolerancje wymiarów

• odporność na starzenie

Ze względu na sposób walcowania blachy dzieli się na gorącowalcowane i zimnowalcowane ,

Blachy gorącowalcowane - te blachy przechodzą już do historii jeśli chodzi o ich zastosowanie w elektrotechnice te blachy były grubsze niż blachy zimnowalcowane, miały gorsze własności magnetyczne ( większą stratność, gorszą magnesowalność, gorszy współczynnik wypełnienia i większą tolerancję grubości)

Blachy zimnowalcowane - te blachy z kolei dzielą się na blachy orientowane i nieorientowane;

Blachy orientowane - posiadają uprzywilejowany kierunek magnesowania zgodny z kierunkiem walcowania, co związane jest z powstaniem struktury krawędziowej lub kostkowej. Jest to przyczyną silnej anizotropii własności magnetycznych blachy - korzystniejsze własności w kierunku walcowania (stratność magn. nawet 4x mniejsza, magnesowalność nawet 35% większa niż w kierunku prostopadłym). Blachy orientowane są bardzo wrażliwe na naprężenie mechaniczne i zgnioty - sposobem przywrócenia dobrych własności jest wyżarzanie rekrystalizacyjne w temp. do 800 ^oC.

Wytwarzane w postaci taśm o stsunkowo dużej gładkości powierzchni (wysoki współ. wypełnienia), powlekane cienką warstwą izolacji ceramicznej (karlit), która wytrzymuje temp. 800 ^oC w procesie wyżarzania rekrystalizacyjnego.

Zastosowanie:

- rdzenie transformatorów energetycznych

- rzadziej rdzenie dwubiegunowe maszyn wirujących

struktura krawędziowa (Gossa)

struktura kostkowa

Blachy nieorientowane - niższe zawartości krzemu (0,5 - 2%) zawierają blachy, w których ważniejsza jest większa magnesowalność i lepsza wykrawalność niż podwyższona stratność (np. silnki małej mocy); w przypadku odwrotnym zawartość krzemu wzrasta do 2,5 - 3,5% (np. silniki dużej mocy i generatory)

Zastosowanie:

- Silniki, generatory

Cena blach nieorientowanych jest znacznie niższa niż orientowanych.

4. Stale niskowęglowe - bezkrzemowe (do 0,3% C, niewielkie ilości Mn, Mo, V, S)

Cechy:

- tańsze od blach krzemowych

- bardzo dobra magnesowalność

- wysoki współczynnik wypełnienia

- dobra wykrawalność

- wyroby wytwarzane są w postaci litej lub walcowanych na zimno nieorientowanych blach i taśm

- wykroje wyżarza się w temp. ok. 770^oC w atmosferze ochronnej w celu uzyskania pożądanych własności magnetycznych

Zastosowanie:

- wirujące maszyny el. małej mocy

5. Stopy żelazo-nikiel

Cechy:

- stopy te zawierają od 30 do 80% Ni.

- wytwarzane w postaci taśm o gr. 0,05 do 0,35mm,

- większa przenikalność magnetyczna niż w stali krzemowej

- małe straty na prądy wirowe dzięki małej grubości

- znacznie droższe od stali krzemowej

- mniejsza wartość indukcji nasycenia B_n

- własności tych blach zależą w zasadniczy sposób od zawartości Ni w stopie.

-! pozwalają na uzyskanie takiej charakterystyki magnesowania jaką chcemy uzyskać

- przy 73% Fe + 27% Ni - traci własności magnetyczne

- supermalloy μ_max=10⁶

- invar 30%Ni

- perminvar - brak pętli histerezy

- większa rezystywność niż u blach krzemowych, poza tym stopy magnetyczne są mniejsze;

Maksymalne wartości:

rezystywność - dla 36% Ni

indukcja nasycenia - dla 50% Ni

przenik. magn. wzgl. pocz. - dla 78% Ni

Stopy 36% Ni

Dzięki wysokiej wartości rezystywności występują małe straty na prądy wirowe. Dalsze ograniczenie tych strat można osiągnąć poprzez zmniejszanie grubości taśmy do ok. 0,03 mm. Umożliwia to stosowaie tych materiałów na rdzenie transformatorów teletransmisyjnych, pracujących w obwodach wysokiej częstotliwości np. Hyperm 36 M

Stopy 50% Ni

W prawdzie indukcja nasycenia jest niższa niż dla stali krzemowej ale pozostałe własności stopu są znacznie korzystniejsze. Prostokątny kształt pętli histerezy. Stosowane na rdzenie wzmacniaczy magnetycznych małej mocy. np. Hyperm 50

Stopy 78% Ni (permalloy)

Wybitnie wąsk pętla histerezy, bardzo duże przenikalności względne (początkowa i maksymalna), własności izotropowe, niewielka indukcja nasycenia, kosztowne. Stosowane na rdzenie bardzo dokładnych przekładników prądowych w układach magnetycznych mierników elektromagnetycznych itp.

μ_p=8.000 μ_max=80.000 Bnas=1[T]

Zastosowanie:

- rdzenie pracujące przy częstotliwościach do 800 Hz ( ze względu na małe straty na prądy wirowe)

- wyłączniki samoczynne

5. Stopy żelazo-kobaltowe

Stopy te zawierają 30 - 40% Co.

!!! Dają najwyższą indukcję nasycenia Bmax= 2,36 T !!!

Cechy:

- bardzo duża indukcj nasycenia

- stosunkowo niska przenikalność magnetyczna

- stosunkowo wysokie straty

- wykazują własności izotropowe

- bardzo kruche i trudne do obróbki

- wysoka cena

Zwiększenie zawartości kobaltu prowadzi do polepszenia własności magnetycznych, ale zwiększa twardość materiału.

Zastosowanie: (ze względu na wysoki koszt ograniczone do specjalnych celów)

- miniaturowe, lekkie elementy wposażenia lotniczego i kosmicznego

- prądniczki instalacji elektrycznych samolotów

- membrany słuchawek telefonicznych

- rdzenie dławików i transf. o specjalnych wymaganiach

6. Szkło metaliczne

Cechy:

- stop ferromagnetyczny,

- struktura amorficzna (bezpostaciowa), powstaje gdy szybkość schładzania ciekłego stopu jest większa od szybkości krystalizacji. W skład takiego stopu wchodzi: Fe, Co, Ni, z dodatkiem B, Si, C lub P (skracają czas stygnięcia poniżej 1/10⁶s)

- izotropia magnetyczna

- b. wąska pętla histerezy

- niższa niż u blach orientowanych indukcja nasycenia ok. 1,6 T

- niższa temp. Curie

- około 3-krotnie niższa stratność

- wytwarzane w postaci bardzo cienkich taśm 0,03 do 0,05 mm o szerokości 25 do 300 mm.

- bardzo duża przenikalność pocz. rzędu kilkuset tys.

- poważną wadą jest wysoka cena

Zastosowanie:

- czytniki kart magnetycznych

!!! Magnetorezystancyjne zjawisko anizotropowe Thomsona !!!

Polega na zmiane rezystywności materiału (stopów metali) pod wpływem pola magnetycznego [efekt 100 razy silniejszy niż w zjawisku Halla w półprzewodnikach]

Otrzymywanie:

Cienką strużką wylewa się na zimny medziany bęben, na którym od razu zastyga

7. Ferryty

Tlenki żelaza i innych metali:

złożone: OX+Y₂O₃ XY₂O₄

proste: OX*Fe₂O₃ np. FeOFe₂O₃

X,Y Ni, Mn, Zn, Mg, Cu, Ba, Fe

Cechy:

- własności ferrimagnetyczne i ceramiczne: są twarde, kruche, trudno obrabialne, lekkie, odporne chemicznie

- słabo przewodzą prąd, są prawie dielektrykiem

- duża przenikalność magnetyczna do 6000

- bardzo duża rezystywność 10² - 10⁸ ohm*cm (np. blachy 10 ^-5 ohm*cm, 13 rzędów różnicy)

- czarne

- przez odpowiedni dobór składu chem., obróbki term. i chem. można znacznie zmieniać ich własności magn. i kształtować odpowiednio pętlę histerezy.

- niska temp Curie

- niska indukcja nasycenia < 1T

- H_{koercji metali} < H_{koercji ferrytów}

_- struktura ferrytyczna

- prawie nie występują prądy wirowe

Otrzymywanie: (ma silny wpływ na własności magn.)

- mielenie

- wstępne spiekanie ok. 1000^oC

- mielenie wtórne

- prasowanie lub wytłaczanie

- wypalanie w temp. 1000 - 1400 ^oC

* przy obwodach magnetycznych trzeba ciąć gotowy kształt gdyż nie podlega obróbce.

Zastosowanie:

- transformatory, dławiki, filtry, przełączniki elektroniczne, pamięci magnetyczne, telefonia i TV

Materiały nanokrystaliczne: drogą obróbki cieplnej wytwarza się pewne obszary

krystaliczne jeszcze lepsze własności magnetyczne;kHz

8. Magnetodielektryki

Kompozyt z drobinek materiału magn. miękkiego, zatopionego w dielektryku; niska przenikalność pocz., nieco lepsza od powietrza. Wykorzystuje się tu 2 efekty: magnetorezystancyjny( zachowanie się cienkich warstw m.m. w polu magn. - zmiana pola zmienia rezystancję- nie zależy od prędkości zmian pola) oraz magnetorezystancyjne zjawiko anizotropowe; czytniki kart magnetycznych;

Materiały Magnetycznie Twarde

dla scharakteryzowania materiału magnetycznie twardego używa się następujących parametrów:

- pozostałośc magnetyczna Br

- natezenie powściągające Hc

- krzywa odmagnesowania

- wartość iloczynu (BH)max

Magnesy trwałe: są jedynym zastosowaniem magnetyków twardych, wytwarzają zewnętrzne pole magnetyczne - stąd wytwarza się je ze szczeliną powietrzną jako przestrzenią roboczą, w której magnes wytwarza użyteczne pole magn.

wykonanie:

• odlewanie odp. kształtów połączone zwykle z dod. obróbką przez szlifowanie

• walcowanie na goraco lub zimno, z uzyskanego półfabrykatu w postaci taśm, prętów lub blach przez cięcie, wykrawanie lub toczenie wytwarza się magnesy o odp. kształtach;

• prasowanie pod ciśnieniem proszków uzyskanych z reakcji chem. lub przez kruszenie i mielenie materiałów stopowych;

• prasowanie proszków i następnie ich spiekanie w temp. pow. 1000^oC

M.m.t. charakteryzuje 2-ga ćw. pętli histerezy;

Rodzaje:

• Stal węglowa: ( ok.1%C) wadą jest duża wrażliwość na wstrząsy oraz nagrzewanie w wyniku czego własności magn. pogarszają się;

• Stal wolframowa: (kilka %) znacznie lepsza stabilność, materiał stosunkowo drogi; zastosowanie: liczniki indukcyjn, maszyny el., induktory;

• stopy Fe-Al-Ni lub Fe-Al-Ni-Co: znacznie tańsze, łatwiejsza technologia wykonania, lepsze własności magn., nawet niewielkie zanieczyszczenia C lub Si pogarszają ich własności magn., twarde i kruche o stabilnych własności magn., nawet w temp. 500^oC; zastosowanie: przyrz. pom., przekaźniki, maszyny, liczniki, przetworniki akustyczne, głośniki, itd.;

Strona 8 z 11

---