MATERIAŁY
ELEKTRONICZME
MATERIAŁY MAGNETYCZNE
1
MATERIAŁY
ELEKTRONICZME
MATERIAŁY MAGNETYCZNE
1
Historia
Magnetyt Fe
3
O
4
znany od
500-800 p.n.e.
w starożytnej Grecji i
Chinach
585 p.n.e. Tales z Miletu: magnetyt
przyciąga żelazo ponieważ posiada duszę;
2
Historia
Legenda
: 4000 lat
temu, pasterz o imieniu
Magnes,
w Greckim regionie
Magnesia, odkrył,
że gwoździe w jego
butach przyklejają się
do skały.
Ten rodzaj skały
nazwano magnetytem.
3
221 do 206 p.n.e. – dynastia Qin
- pierwszy kompas w Chinach
(fot.);
1175 - Pierwsze wzmianki o
kompasie docierają do Europy;
1200 - Pierre de Maricourt
pokazuje, że magnes ma dwa
bieguny;
1600 - William Gilbert stawia
hipotezę, że Ziemia jest dużym
magnesem;
Historia
Fot. www.nationalgeographic.com
4
5
Historia
~
1820
Michael
Faraday
stwierdza, że ...
…magnes
wytwarza pole
magnetyczne
wokół siebie.
6
1831-1879 Równania Maxwella
Historia
1905-1930 Rozwój mechaniki kwantowej, wyjaśnienie
istoty magnetyzmu.
7
Po co nam są potrzebne materiały
magnetyczne?
8
Po co nam są potrzebne materiały
magnetyczne?
9
Po co nam są potrzebne materiały
magnetyczne?
10
Podstawowe wielkości i jednostki:
11
Pochodzenie magnetyzmu
Każdy poruszający się ładunek elektryczny jest
źródłem pola magnetycznego;
• Magnetyczne własności materii wynikają
głównie z oddziaływania elektronów z polem
magnetycznym. Zjawiska, w których uczestniczą
jądra atomowe są około 2000 razy słabsze
(jakkolwiek nie zaniedbywalne).
12
Na moment magnetyczny elektronu składają
się dwa czynniki:
– Orbitalny moment magnetyczny związany
z orbitalnym momentem pędu elektronu;
– Spinowy moment magnetyczny wynikający
ze spinu elektronu.
Pochodzenie magnetyzmu
13
Pochodzenie magnetyzmu
Z kolei, moment magnetyczny molekuły wynika z jej
wypadkowych orbitalnych i spinowych
momentów:
Tylko atomy i jony o niezamkniętych powłokach mogą
mieć niezerowy moment magnetyczny (metale
przejściowe, pierwiastki ziem rzadkich).
14
Pochodzenie magnetyzmu
W zewnętrznym polu magnetycznym atomowe
momenty magnetyczne ustawiają się zgodnie
z polem. Wiąże się z tym energia:
15
Moment magnetyczny niektórych jonów
16
Moment magnetyczny niektórych jonów
17
Rodzaje własności magnetycznych
• Diamagnetyzm
• Paramagnetyzm
• Ferromagnetyzm (antyferro- ferrimagnetyzm)
18
Rodzaje własności magnetycznych
19
20
Diamagnetyzm: własność każdej materii
Diamagnetyzm polega na indukowaniu momentu
magnetycznego przeciwnie skierowanego do
zewnętrznego
pola magnetycznego. Efekt ten występuje wszędzie, ale
jest bardzo słaby, dlatego obserwuje się go tylko w
niektórych materiałach:
-bizmut, miedź, srebro, złoto, ołów;
-większość związków organicznych, ludzie i żaby;
-woda;
-gazy szlachetne, H
2
, N
2
(ale nie: O
2
)
-nadprzewodniki (efekt Messnera)
Diamagnetyk jest odpychany od magnesu, osłabia pole
magnetyczne.
21
Diamagnetyzm: własność każdej materii
22
Paramagnetyzm
• Jeśli w materiale istnieją niezerowe momenty
magnetyczne, wówczas w polu zewnętrznym
ustawiają się one ( starają ustawić) zgodnie z nim.
• Występuje w:
– atomach, cząsteczkach o nieparzystej liczbie
elektronów (NO, wolne rodniki organiczne, itd.);
– niektórych metalach;
– atomach i jonach o częściowo zapełnionej
wewnętrznej powłoce (pierwiastki przejściowe).
23
Paramagnetyzm
24
Ferromagnetyzm
Zjawisko spontanicznego
porządkowania się momentów
magnetycznych.
Może to być uporządkowanie
równoległe (ferromagnetyzm)
lub antyrównolegle
(antyferromagnetyzm, bądź
ferrimagnetyzm).
Lub jeszcze inne:
25
Różne aspekty oddziaływań magnetycznych
26
Oddziaływanie wymiany
Oddziaływanie, które powoduje porządkowania
dipoli magnetycznych to oddziaływanie
wymiany.
27
Oddziaływanie wymiany może być różnego
rodzaju:
Wymiana bezpośrednia
Nadwymiana
Wymiana pośrednia
28
Anizotropia magnetokrystaliczna
Komórka elementarna jest komórką regularną
objętościowo centrowaną, ale uporządkowanie
magnetyczne powoduje,że istnieje pewien wyróżniony
kierunek. Zmiana kierunku namagnesowania wymaga
energii
29
Energia ścian domenowych
30
Energia magnetosprężysta
31
Pierwiastki magnetyczne:
32
Własności niektórych ferromagnetyków:
33
Materiały magnetyczne: zestawienie
34
Własności magnetyków
35
Podatność magnetyczna
• Jej wartość jest przeważnie bardzo duża;
• Zależy od temperatury;
• Zależy od pola magnetycznego;
36
Zależność od temperatury
• Namagnesowanie maleje
wraz ze wzrostem
temperatury;
• Powyżej temperatury
krytycznej Tc nie ma
spontanicznego
namagnesowania.
37
Porównanie z paramagnetykiem:
38
Temperatura krytyczna: temperatura Curie
39
Zależność od pola magnetycznego
• Zależność podatności magnetycznej od
zewnętrznego pola magnetycznego wynika
z istnienia domen magnetycznych (podobnie jak to
było w ferroelektryku).
• Domeny magnetyczne: obszary, w których
momenty magnetyczne poszczególnych atomów są
do siebie równoległe.
40
Sąsiednie domeny mają momenty magnetyczne
skierowane różnie:
Zależność od pola magnetycznego
Wypadkowy moment magnetyczny, bez pola
zewnętrznego może (ale nie musi) być równy zeru.
41
Zależność od pola magnetycznego
Ściany domenowe mają pewną grubość (i energię).
W Fe jest to np. około 300 stałych sieci krystalicznej.
Wielkość domen i ich orientacja są, w każdych
warunkach takie, że całkowita energia swobodna jest
minimalna.
42
Zależność od pola magnetycznego
W polu magnetycznym domeny skierowane
zgodnie z polem – rosną, pozostałe – maleją.
To właśnie powoduje, że ferromagnetyk wzmacnia
zewnętrzne pole magnetyczne.
43
Zjawisko zmiany orientacji momentu
magnetycznego domen wymaga energii.
Dlatego obserwujemy tzw. histerezę
magnetyczną.
Zależność od pola magnetycznego
44
45
46
47
48
• Materiały, w których ściany domenowe łatwo się
przemieszczają. Dlatego pętla histerezy jest
wąska, a straty małe. Stosuje się je tam, gdzie
potrzebna jest szybka reakcja na zmianę pole
zewnętrznego (transformatory, taśmy i dyski
magnetyczne).
• Najczęściej są to ceramiki magnetyczne (np.
ferryty)
Materiały magnetycznie miękkie
49
Materiały magnetycznie miękkie
• Żelazo
• stopy Fe-Si
• stopy Fe-Ni
• stopy Fe-Al i Fe-Al-Si
• Miękkie ferryty MoFe2O3, [M,Zn]Fe2O4
• Stopy amorficzne (np.,Fe72Co8Si5B15)
• Stopy nanokrystaliczne np.,Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9)
50
Stopy Ni-Fe
• Magnetyczne właściwosci zależą głównie
od stosunku zawartosci Fe, Ni i Mo.
Pozostałe dodatki (S, C, O) wpływają na
właściwości mechaniczne.
51
Stopy Ni-Fe
52
Typowe wartości parametrów miękkich
materiałów magnetycznych (W
h
– straty energii na
jeden cykl J m
-3
cycle
-1
).
Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2002)
53
Porównanie właściwości
54
Właściwości materiałów miękkich zależą od
wielkości ziarna krystalicznego
55
56
(A) : czyste żelazo;
(B) stop 97Fe-3Si o
zorientowanych
ziarnach.
57
Pętla histerezy stopu Fe-Ni (65% Ni),
wygrzewanego w (A) i bez pola magnetycznego (B)
58
Ultra miękkie magnesy
59
Ultra miękkie magnesy
60
Ultra miękkie magnesy
61
Ultra miękkie magnesy
62
Ultra miękkie magnesy
EKRANY MAGNETYCZNE:
MS-F and MS-FR
PRZEŁĄCZNIKI
TRANSFORMATORY
ELECTROMAGNESY
63
Materiał magnetycznie twardy
• Są to materiały, w których ściany
domenowe nie są ruchliwe. Pętla histerezy
jest szeroka.Są to tzw. stałe magnesy.
64
Materiały magnetycznie twarde
•
Stopy Fe-Co
• Stopy Ni-Co (alnicos)
• Tlenki (twarde ferryty)
• Związki międzymetaliczne pierwiastków
ziem rzadkich.
65
Typowe wartości parametrów twardych materiałów
magnetycznych
Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2002)
66
Wytwarzanie stałych magnesów (zgrzewanych)
67
Materiały super twarde magnetycznie
Nowoczesne materiały magnetyczne, takie jak
samarowo-kobaltowe lub neodymowo-żelazowe są
tak twarde magnetycznie, że nie da się ich
rozmagnesować.
68
Wytwarzanie super twardych magnesów
Proszek złożony z igłokształtnych kryształów
heksagonalnego kobaltu z samarem jest mieszany z
żywicą epoksydową. Pasta umieszczana jest w
formie, w polu magnetycznym kilku tesli. Kryształy
porządkują się wzdłuż osi c, równolegle do pola B.
W tych warunkach żywica zastyga. Blok może być
Wyjęty z formy i jest gotowy do użycia jako silny
magnes.
69
Magnetostrykcja
Zjawisko sprężystego
odkształcenia materiału
magnetycznego podczas
magnesowania.
70
Magnetostrykcja
• Została po raz pierwszy
zaobserwowana przez Joule’a
w 1842.
• Po raz pierwszy wykorzystana
w czasie II wojny światowej do
echolokacji.
• Od 1980 – ych lat materiały
magnetostrykcyjne są
w powszechnym użyciu;
James Prescott Joule
71
Magnetostrykcja
• Jest spowodowana zmianą orientacji domen
magnetycznych w czasie magnesowania.
Zmiana orientacji domen powoduje zmianę
położeń równowagi atomów, a w konsekwencji
deformację sieci krystalicznej i zmianę rozmiarów
ciała.
• Największa zmiana względna długości występuje
w ferro- i ferrimagnetykach (10
-5
– 10
-3
).
72
Własności materiałów magnetostrykcyjnych
• Przetwarzają energię magnetyczną w mechaniczną.
• W zewnętrznym polu magnetycznym występują w
nich naprężenia.
• Zmiana rozmiarów może być kontrolowana przez
pole magnetyczne – możliwe zastosowania.
73
Przykład: TERFENOL-D
Opracowany ponad 25 lat temu
przez U.S.Navy
Producent:
Etrema Company
74
Przykład: kompozyty magnetostrykcyjne
• Połączenie metalu magnetostrykcyjnego z
polimerem, co polepsza wytrzymałość na
pękanie.
75
Zastosowania: aktuatory
Etrema TERFENOL-D Actuator
76
Zastosowania:
magnetostrykcyjne czujniki.
• Mierzy liniowe
przemieszczenie
kontrolowanego obiektu.
77
Ferryty: ceramiczne magnesy
Większość ferrytów są to spinele,
odwrotne spinele lub częściowo
odwrotne spinele.
78
Ceramiczne materiały magnetyczne
Era magnesów ceramicznych
zaczęła się w 1946 roku. J.L.
Snoeck z Philips Laboratory w
Holandii zsyntezował pierwszy
silny magnes ferrytowy.
79
Struktura spinelu
AB
2
O
4
8 atomów A w położeniach
tetraedrycznych
,
16 atomów B w
położeniach
oktaedrycznych
,
32 atomy tlenu
80
Spinele
MgO.Al
2
O
3
= MgAl
2
O
4
ZnO.Fe
2
O
3
= ZnFe
2
O
4
FeO.Al
2
O
3
= FeAl2O
4
CoO.Al
2
O
3
= CoAl
2
O
4
MnO.Al
2
O
3
= MnAl
2
O
4
NiO.Al
2
O
3
= NiAl
2
O
4
81
Odwrotne spinele
Struktura jest taka sama, ale: położenia
tetraedryczne są zajęte przez atomy B,
natomiast położenia oktaedryczne: w
połowie przez A i w połowie przez B.
82
Odwrotne spinele
MgO.Fe
2
O
3
= FeMgFeO
4
NiO. Fe
2
O
3
= FeNiFeO
4
CoO. Fe
2
O
3
= FeCoFeO
4
FeO. Fe2O
3
= FeFeFeO
4
=
Fe
3
O
4
Fe
3
O
4
=
Fe
3
+(Fe
2
+Fe
3
+)O
4
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99