90 Podać i omówić metody rozmagnesowania ferromagnetycznego

Ferromagnetyk może być rozmagnesowany dwiema

metodami:

-przez podgrzanie powyżej temperatury Curie Θ_C(to temperatura, do której podgrzany ferromagnetyk traci swoje własności i staje się paramagnetykiem) i następne powolne schładzanie w nieobecności pola magnetycznego,

-przez namagnesowanie w przemiennym polu magnetycznym, początkowo do indukcji nasycenia, a następnie przez kolejne magnesowanie go z coraz mniejszą amplitudą, co ilustruje poglądowo rys.

91 Pętla histerezy magnetycznej(narysować, omówić zachodzące procesy)

Jeżeli po namagnesowaniu próbki ferromagnetyka będziemy zmniejszać wartość H, okaże się, że powstająca teraz zależność B(H) nie pokrywa się z pierwotną krzywą magnesowania. Wielkość B zmniejsza się wolniej i przy H=0 pozostaje wartość niezerowa indukcji magnetycznej B>0. Żeby ją zlikwidować należy wytworzyć przeciwnie skierowane zewnętrzne pole magnetyczne H_C. Gdy będzie ono w dalszym ciągu zwiększane, indukcja osiągnie wartość nasycenia - B_n. Krzywa między B_n i -B_n tworzy górną połowę symetrycznej względem początku układu współrzędnych pętli zwanej pętlą histerezy.

Kształt i wielkość pętli histerezy może się zmieniać w szerokich granicach, w zależności od składu i własności materiałów magnetycznych. Pętle histerezy magnetycznej charakteryzują wielkości: pozostałość magnetyczna B_n, natężenie powściągające H_C oraz pole i indukcja nasycenia H_n, B_n.

92 Energia magnesowania

- Energia magnesowania:

- Energia rozmagnesowania

- Energia tracona przy przemagnesowaniu

93 Przenikalność magnetyczna-rodzaje i sposoby wyznaczania

NORMALNA (statyczna)

Odnosi się do pierwotnej krzywej magnesowania.

Dla określonego punktu pracy P na krzywej wartości przenikalności jest określona wartością:

Jej wartość zmienia się od wartości minimalnej równej:

i odpowiadającej nachyleniu krzywej magnesowania w początkowym punkcie charakterystyki do wartości maksymalnej μ_p równej: μ_m=tg αmax i odpowiadającej kątowi αmax (nachylenie prostej OS).

RÓŻNICZKOWA (dynamiczna)

Również odnosi się do pierwotnej krzywej magnesowania.

Jest ona zdefiniowana zależnością:

Tzn. określa ona tangens kąta nachylenia stycznej do krzywej magnesowania w punkcie pracy P.

94 Straty w ferromagnetykach-rodzaje i sposoby wyznaczania

Stratność magnetyczna:

Z przepływem prądu przez cewkę związana jest również strata mocy w uzwojeniu na ciepło Joule'a. Straty magnetyczne jednak odnosi się jedynie do strat powstających w samym rdzeniu. Straty te, mierzone w watach, dzielą się na straty mocy na histerezę ∆P_H oraz straty mocy na prądy wirowe ∆P_W

Jeśli straty te odnosi się do jednostki masy rdzenia otrzymuje się wielkość fizyczną zwaną stratnością magnetyczną, będącą stosunkiem strat mocy w ferromagnetyku ∆P_Fe do jego masy i oznacza sieją ∆p_Fe

a) Straty na histerezę:

Ta strata energii na jednostkę objętości materiału i na jeden cykl przemagnesowania jest proporcjonalna do pola zawartego wewnątrz pętli histerezy

Strata mocy na histerezę, jest proporcjonalna do częstotliwości prądu magnesowania (tj. liczby obiegów pętli histerezy w jednej sekundzie) oraz do kwadratu amplitudy indukcji magnetycznej B_m i odniesiona do jednostki masy materiału.

gdzie: f/f₅₀ jest stosunkiem użytej częstotliwości prądu magnesującego do częstotliwości przemysłowej 50 Hz, a B_m/B₁ jest stosunkiem amplitudy zmiennej indukcji magnetycznej, wyrażonej w T

b) Straty na prądy wirowe:

Drugim rodzajem strat energii, związanych z przepływem prądu zmiennego przez cewkę z rdzeniem ferromagnetycznym są straty na ciepło Joule'a w rdzeniu, spowodowane przepływem prądów wirowych. W rdzeniu o objętości V i rezystywności ρ wynoszą one:

gdzie: j_W jest wartością skuteczną gęstości prądów wirowych.

Prądy wirowe są prądami indukowanymi w rdzeniu magnetycznym na skutek zmienności pola magnetycznego. Mechanizm powstawania prądów wirowych opisuje prawo Faradaya:

Praktycznym wzorem na obliczanie strat na prądy wirowe:

gdzie: δ/δ_0,5 jest stosunkiem grubości użytych blach ferromagnetycznych do standardowej grubości blachy 0,5mm,

(Inne oznaczenia jak w wzorze na straty w histerezie)

95 Klasyfikacja materiałów magnetycznych

Dzielimy na dwa zasadnicze rodzaje:

MIĘKKIE:

I) Materiały niemetaliczne:

1) proszkowe niespiekane (magnetodielektryki)

2) proszkowe spiekane (ferryty)

II) Materiały metaliczne:

1) odmiany żelaza czystego

2) stopy żelazo-niklowe

3) stopy żelazo-kobaltowe

4) szkło metaliczne

5)stale o małej zawartości węgla

a) wyroby lite

b) blachy bezkrzemowe nieorientowane

6) stale krzemowe

a) wyroby lite

b) blachy krzemowe gorącowalcowane

c) blachy krzemowe zimnowalcowane

- izotropowe

- anizotropowe

· zwykłej jakości

· typu HiB

Materiały magnetyczne miękkie - łatwo ale nietrwale magnesujące się pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Mają one bardzo wąską graniczną pętle histerezy, natężenie powściągające Hc nie przekracza kilkuset A/m. Cykl histerezy wywołuje stosunkowo niewielką stratę energii. Zastosowanie: wszelkie obwody magnetyczne (transformatory, dławiki, elektromagnesy prądu zmiennego), elektromagnesy prądu stałego. Charakteryzuje je pierwotna krzywa magnesowania (prawa górna ćwiartka układu B=f(H)).

Pętla histerezy dla materiału magnetycznego miękkiego (Permalloy):

TWARDE

I) Materiały niemetaliczne:

1) proszkowe spiekane (ferryty)

a) anizotropowe

b) izotropowe

2) proszkowe niespiekane (ferroplasty)

a) anizotropowe

b)izotropowe

II)Materiały metaliczne:

1) stopy, odlewy (anizotropowe oraz izotropowe)

2) stopy walcowane, plastyczne (anizo oraz izotropowe)

3) proszkowe ze stopów Al-Ni-Co

a) prasowane (anizotropowe oraz izotropowe)

b) spiekane (anizotropowe oraz izotropowe)

4) stopy zawierające domieszki ziem rzadkich

a) proszkowe sprasowywane i spiekane (anizotropowe)

b) otrzymane metodą szybkiego chłodzenia (anizotrop.)

Materiały magnetyczne twarde - Duża powierzchnia pętli histerezy, wymagają do namagnesowania dużego wydatku energetycznego, ale raz namagnesowane do nasycenia zachowują trwale swe własności magnetyczne. Używane są w budowie magnesów trwałych. Cechuje je charakterystyka odmagnesowania (lewa górna ćwiartka pętli histerezy).

Pętla histerezy dla materiału magnetycznego twardego (Alnico):

Ze względu na zachowanie się materiałów pod wpływem pola magnetycznego można je podzielić na 3 grupy:

- diamagnetyczne - magnetyzują się w bardzo słabym stopniu w kierunku przeciwnym do kierunku działania zewnętrznego pola magnetycznego, magnetyzm proporcjonalny do zewn. pola magnet. i niezależny od temperatury (gazy szlachetne, miedź, srebro, cynk, bizmut, złoto, rtęć, ołów)

- paramagnetyczne - magnetyzują się w niewielkim stopniu, lecz w kierunku zgodnym z kierunkiem działania zewn. pola magnetycznego, magnetyzm proporcjonalny do zewn. pola magnet. i odwrotnie proporcjonalny do temperatury bezwzględnej (metale alkaliczne, platyna, magnez, aluminium, cyna, wanad, wolfram itd.)

- ferromagnetyczne - magnetyzują się w bardzo silnym stopniu w kierunku zgodnym z kierunkiem działania zewn. pola magnet. , magnetyzm nie jest proporcjonalny do zewn. pola magnet. i odwrotnie proporcjonalny do różnicy (T-Θ),

T - temp. bezwzględna, Θ- temp. krytyczna (żelazo, nikiel, kobalt)

96 Charakterystyki magnetyków twardych i miękkich

TWARDE:

Do scharakteryzowania materiału magnetycznie twardego używa się następujących parametrów:

- pozostałości magnetycznej Br

- natężenia powściągającego Hc

- krzywej odmagnesowania

- wartości iloczynu (BH)_max

Krzywa odmagnesowania stanowi wycinek granicznej pętli histerezy (w drugiej ćwiartce układu B, H). Charakteryzuje ją pozostałość magnetyczna Br (indukcja pozostająca w materiale po zmniejszeniu H do zera), natężenie powściągające Hc (wartość natężenia zewnętrznego pola magnetycznego potrzebna do sprowadzenia indukcji magnetycznej od wartości Br do zera, maksymalna wartość gęstości energii pola magnetycznego (BH)_max równa iloczynowi współrzędnych B i H przy których pole prostokąta wpisanego w krzywą odmagnesowania osiąga wartość maksymalną). Kształt krzywej odmagnesowania określa stosunek [(BH)_max /Br Hc]<1 zwany współczynnikiem wybrzuszenia lub wypełnienia. Jest on tym większy, im bardziej krzywa odmagnesowania wypełnia prostokąt [Br Hc].

Krzywa odmagnesowania materiału magnetycznego twardego

Przy indukcji B_opt występują najkorzystniejsze warunki pracy magnesu, bo materiał magnetyczny jest wtedy najlepiej wykorzystany, a punkt P_opt jest optymalnym punktem pracy. W ogólnym przypadku punkt pracy zależy od kształtu i wymiarów magnesu trwałego oraz kształtu i wymiarów szczeliny powietrznej. Zastosowanie magnetyków twardych - magnesy trwałe itd.

MIĘKKIE:

W celu scharakteryzowania materiałów magnetycznych miękkich używa się następujących parametrów:

- przenikalność magnetycznych względnych normalnych: początkowej - µ_wp i maksymalnej - µ_wm

- indukcji nasycenia BN

- stratności magnetycznej ∆pFe

-komutacyjnej krzywej magnesowania

Materiały magnetyczne miękkie powinny odznaczać się przede wszystkim:

- dużymi wartościami Bn i µ_wm

- małą wartością ∆pFe

- stabilnością powyższych własności w czsie eksploatacji

- korzystnymi własnościami technologicznymi (łatwość kształtowania gotowych wyrobów)

-niską ceną

97 Rodzaje materiałów magnetycznych miękkich i twardych:

Materiały magnetyczne miękkie:

-czyste odmiany żelaza - µ_wm ≈ 1 500 000 oraz Hc ≈ 1,2A/m, znikome domieszki innych pierwiastków gwałtownie pogarszają własności magnetyczne żelaza, gdyż ich atomy zakłócają prawidłowość budowy siatki krystalicznej, wywołując powstawanie naprężeń krystalicznych. Żelazo oczyszcz się przez przetapianie w próżni lub wodorze (znacznie wyższy stopień oczyszczenia żelaza)

- stale krzemowe - dodatek kilku procent krzemu znakomicie polepsza własności magnetyczne stali:

· zwiększa rezystywność materiału co zmniejsza straty na prądy wirowe

· zmniejsza wartość Hc , co odpowiada zwężeniu pętli histerezy i zmniejszeniu strat na histerezę

· zwiększa przenikalność początkową i maksymalną

· zwiększa stabilność charakterystyk magnetycznych

Niekorzystnym zaś efektem jest zmniejszenie indukcji nasycenia oraz zwiększenie twardości blachy

Ze względu na zastosowania blachy ze stali krzemowej dzieli się na: prądnicowe, transformatorowe - mniejsza stratność i mniejsza grubość od prądnicowych. Własności które decydują o ich zastosowaniu: magnesowalność, stratność magnetyczna, zawartość krzemu, współczynnik wypełnienia, odporność na starzenie, grubość

Ze względu na sposób walcowania blachy dzieli się na walcowane na gorąco i na zimno. Gorącowalcowane mają większą stratność, gorszą magnesowalność, mniejszy współczynnik wypełnienia i większe tolerancje grubości

-stal krzemowa zimnowalcowana - blachy orientowane mają lepszą magnesowalność i mniejszą stratność w kierunku walcowania od nieorientowanych. W wyniku walcowania na zimno i wyżarzania uzyskuje się uporządkowanie kryształów wzdłuż kierunku walcowania (tekstura krawędziowa) Stratność magnetyczna w kierunku magnesowania jest nawet 4-krotnie mniejsza, a magnesowalność o 35% większa niż w kierunku do niego prostopadłym. Blachy orientowane są bardzo wrażliwe na naprężenia mechaniczne i zgnioty. Powyższe blachy wytwarza się w postaci taśm o dużej gładkości, co pozwala osiągnąć wysokie wartości współczynnika wypełnienia (powyżej 0,97). Ich powierzchnie pokrywa się cienką warstwą izolacji ceramicznej, która wytrzymuje nagrzanie do temp. 800ºC. Blach orientowanych używa się na rdzenie transformatorów energetycznych, rzadziej na rdzenie dwubiegunowe maszyn wirujących. Blachy nieorientowane o własnościach izotropowych stosuje się w silnikach i generatorach. Blachy nieorientowane są dużo tańsze od orientowanych.

- stale bezkrzemowe - wyroby w postaci litej lub postaci walcowanych na zimno, nieorientowanych blach i taśm. Zawartość węgla nie przekracza 0,3% przy obecności niewielkich ilości Mn, Mo, V i S. Tańsze od blach krzemowych, charakteryzują się bardzo dobrą magnesowalnością, wysokim współczynnikiem wypełnienia i dobrą wykrywalnością. Wykroje poddawane obróbce cieplnej w celu uzyskania odpowiednich własności magnetycznych. Zastosowanie - wirujące maszyny elektryczne małej mocy.

- stopy żelazo-niklowe (permaloje) - zawartość od 30 do 80% Ni, wytwarza się w postaci taśm o grubości 0,05 - 0,35mm.

Przenikalność magnetyczna większa niż w stalach krzemowych, małe straty na prądy wirowe. Zastosowanie - budowa rdzeni pracujących w wyższych częstotliwościach, znacznie droższe od blach ze stali krzemowej i mają mniejszą wartość indukcji nasycenia Bn. Własności blach Fe-Ni zależą w dużej mierze od % zawartości niklu w stopie.

-stopy żelazo-kobaltowe - zawartość 30- 40% Co odznaczają się dużą indukcją nasycenia przy niższej przenikalności magnetycznej i wyższych stratach, są to materiały o własnościach izotropowych, bardzo kruche i trudne do obróbki. Zwiększając zawartość kobaltu polepszają się własności magnetyczne oraz zwiększa się twardość materiału. Z powodu bardzo wysokich kosztów ich stosowanie jest ograniczone do specjalnych celów (miniaturowe elementy wyposażenia lotniczego i kosmicznego, rdzenie dławików i transformatorów, membrany słuchawek telefonicznych)

Materiały magnetyczne twarde:

- stal węglowa -zawiera około 1% C, Hc =4,8 kA/m, Br =0,86T (BH)_max =2kJ/m³, odpowiednio zahartowana po uprzednim uformowaniu magnesu przez obróbkę plastyczną i wiórową. Wadą jest duża wrażliwość na wstrząsy oraz nagrzewanie, co pogarsza własności magnetyczne. Zastosowanie - magnesy trwałe o dużych wymiarach oraz magnesy małych maszyn synchronicznych.

- stal wolframowa - zawartość kilku procent W, Hc =5,2kA/m Br =1,05T, (BH)_max =2,4kJ/m³, znacznie lepsza stabilność własności magnetycznych. Jest to materiał drogi, stosowany w licznikach indukcyjnych, maszynach elektrycznych, induktorach.

- stopy Fe-Al-Ni (Alni) oraz Fe-Al-Ni-Co (Alnico) -Hc =45kA/m, Br =0,54T, (BH)_max =10kJ/m³, znacznie tańsze, o łatwiejszej technologii wykonania oraz lepszych własnościach magnetycznych. Są to materiały twarde i kruche o stabilnych własnościach magnetyce. nawet w temp. 500ºC

Niewielkie zanieczyszczenia węglem lub krzemem silnie pogarszają ich własności magnetyczne. Często dodaje się niewielkie ilości Cu, Ti, Nb, w celu polepszenia określonych własności. Zastosowanie - przyrządy pomiarowe, przekaźniki, maszyny, liczniki, głośniki. Poprzez poddanie stopu Alnico specjalnej obróbce cieplnej można uzyskać zorientowaną mikrostrukturę materiału polikrystalicznego. Przez podgrzanie materiału do temp. powyżej Tr oraz jego rekrystalizację w zewnętrznym polu magnetycznym, uzyskuje się materiał anizotropowy, o znacznie lepszych własnościach magnetycznych: dużych wartościach Hc i (BH)_max.

- stopy metali ferromagnetycznych z pierwiastkami ziem rzadkich, jak: Nd-Fe-B, czy Sm-Pr-Ca. Charakteryzują się one bardzo wysoką wartością (BH)_max, ale niedostateczną stabilnością własności magnetycznych i mechanicznych.

300

98 Magnetodielektryki i ferryty

Magnetodielektryki są kompozycjami materiału magnetycznego dielektrykiem. Stosowane są zwykle w postaci rdzeni proszkowych w cewkach wysokiej częstotliwości oraz na rdzenie cewek obwodów wysokiej częstotliwości od 20 kHz do kilku MHz. Mają własności materiałów magnetycznych miękkich. Charakteryzują się dużą rezystywnością , małą stratnością, małą przenikalnością magnetyczną i niewielką zależnością µ od częstotliwości.

Wytwarza się je rozdrabniając czyste żelazo lub stop Fe-Ni na cząstki o średnicy 0,5 - 10µm, na ich powierzchni wytwarza sę warstwę tlenku lub powleka ją cienką warstwą lakieru. Tak przygotowany proszek miesza się z żywicą termoutwardzalną i poddaje procesowi utwardzenia. Do produkcji rdzeni proszkowych nadaje się żelazo karabonylkowe - charakteryzuje się małą wartością Hc, alsifer (stop Al Si Fe)-charakteryzuje się korzystnymi własnościami magnetycznymi, jest kruchy.

Ferryty - materiały o własnościach ferrimagnetycznych, są tlenkami metali, a więc ceramikami o własnościach charakterystycznych dla materiałów ceramicznych; są: twarde, kruche, trudno obrabialne, źle przewodzą elektryczność, odznaczają się bardzo dużą rezystywnością, występują w nich domeny magnetyczne, zjawiska nasycenia i histerezy. Pewne rodzaje ferrytów wykazują własności materiałów magnet. miękkich, inne - twardych.

Ferrimagnetyzm pojawia się tylko w związkach i stopach, gdyż występuje on w obecności co najmniej dwóch grup różnego rodzaju jonów o momentach magnetycznych różnej wielkości. Przykładem ferrimagnetyka jest magnetyt Fe₃O₄

Rozróżnia się 3 podstawowe rodzaje ferrytów:

- ferrospinele - krystalizują w takiej samej strukturze jak spinale i mają podobną formułę chemiczną MgO · Fe2O3, symbol M oznacza jon metaliczny dwuwartościowego metalu z szeregu (Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd itd.)

- ferryty metali rzadkich -3M₂O₃ · 5Fe₂O₃ , jako składniki M wystepują trójwartościowe jony lantanowców (Y,Sm,Eu itd)

- ferryty barowe - nazwa pochodzi od BaO , który razem z Fe₂O₃ tworzypodstawowe składowe związku. Ogólny wzór l(BaO) · m(MO) · n(Fe₂O₃) , l,m,n są liczbami całkowitymi.

Technologia wytwarzania ferrytów wpływa w dużym stopniu na ich własności magnetyczne.

Proces ich wytwarzania

- mieszanie odpowiednio dobranych tlenków

- wstępna obróbka termiczna - wysuszenie, zmielenie, brykietowanie, spiekanie w temp. 1000 ºC

- przemiał powtórny

- prasowanie lub wytłaczanie (kontrola jakości)

- spiekanie w temp 1000 - 1400ºC

- ewentualna obróbka końcowa (przez szlifowanie)

W zależności od składu i sposobu wytwarzania ferryty mogą mieć własności materiałow magnet. twardych lub miękkich, izotropowych i anizotropowych. Ferryty nabrały praktycznego znaczenia dzięki dużej rezystywności rzędu 10²….10⁶ Ωm, dzięki temu nadają się do pracy przy wielkich częstotliwościach bo straty na prądy wirowe są minimalne. Przewodnictwo elektryczne ferrytów zwiększa się ze wzrostem temperatury.

Najczęściej stosowanymi ferrytami magnetycznie miękkimi, obok ferrytów prostych (tlenek Fe + 1 metal) są złożone (mieszaniny 2 lub więcej ferrytów prostych np. niklowo - cynkowe). Ferryty magnetycznie miękkie charakteryzują się niewielkimi indukcjami nasycenia 0,2…0,6 T, dosyć dużą przenikalnością magnetyczną (do 6000), małą wartością Hc (niekiedy rzędu 1 A/m). Wartość µ_wp zależy od technologi wyk. oraz od temp. pracy ferrytów. Poprzez odpowiedni dobór składu chemicznego, obróbki termicznej i chemicznej można zmieniać ich własności magnetyczne i kształtować odpowiednio pętlę histerezy. Zastosowanie: transformatory, dławiki, filtry, pamięciach magnetycznych).

Ferryty magnetycznie twarde są materiałami tlenkowymi o składzie m(MO) + n(Fe₂O₃). Ferryt baru wytwarzany z: tlenku żelazowego i węglanu barowego. Duża rezystywność 10⁷ Ωm, małą gęstością 4,3…5 g/cm³ i bardzo dużą wartością natężenia powściągającego 160 kA/m. Pozostałość magnetyczna wynosi 0,2…0,4 T, (BH)_max= 30· 10³ J/m³ Zastosowanie: magnesy trwałe, głośniki, sprzęgła, mikrosilniki, w technice impulsowej i wielkiej częstotliwości.

H

B

Ilustracja procesu rozmagnesowania ferromagnetyka

Pętla histerezy magnetycznej

B

H

b

a

c

d

e

f

Hn

Hc

-Bn

Bn

Br

B

Hn

b

Hn

a

c

H

H·dB

0

c

0

a

B

H

B

b

0

a

Hn

P

H

Energia magnetyczna proporcjonalna do powierzchni pętli histerezy jest tracona bezpowrotnie przy każdym obiegu pętli, zmieniając się na ciepło.

część energii uwięzionej uprzednio w polu magnetycznym (pole abc na rys).

Przy zmniejszaniu pola H do zera, głównym występującym zjawiskiem jest spontaniczny obrót wektora M, od kierunku wektora H do kierunku łatwego magnesowania poszczególnych domen. Uwalnia się przy tym

Aby doprowadzić ferromagnetyk do określonego stanu namagnesowania wymaga wydatkowania energii, której odpowiada zakreskowane pole „ac0”.

Energia ta zmagazynowana

Bn

dB

w materiale w postaci energii magnetycznej jest równa:

B

H

B

B

α

S

βp

H

H

B

H

α max

αp

β max

P

B

H

β

D

---