M = XH - ZSMEiE

MATERIAŁY MAGNETYCZNE
Rodzaje - Diamagnetyki, Paramagnetyki, Ferromagnetyki Ferrimagnetyki
Diamagnetyki
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…
Paramagnetyki
magnetyzują się w bardzo słabym stopniu, lecz w kierunku zgodnym z kierunkiem działania
zewnętrznego pola magnetycznego.
nie osłabia go, ale 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
M = XH
Namagnesowanie:
M - namagnesowanie (moment magnetyczny jednostki objętości substancji)
χ - objętościowa podatność magnetyczna
H - natężenie pola magnetycznego.
Ferromagnetyki
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 temp. Bezwzględnej i punkt Curie charakterystyczną dla każdego materiału
Żelazo; nikiel; kobalt, gadolin
Podział:
•
•
•
twarde - zachowują stan namagnesowania pomimo zmian zewnętrznego pola
magnetycznego,
półtwarde - zachowują stan namagnesowania, ale jest on stosunkowo łatwy do
usunięcia.
miękkie - tracą zewnętrzne namagnesowanie po usunięciu pola magnetycznego
zachowując jedynie namagnesowanie resztkowe znacznie mniejsze od maksymalnego,
Materiały magnetycznie twarde - Umowna grupa materiałów wykazujących własności
ferromagnetyczne, dla których wartość natężenia koercji HC jest powyżej 10 kA/m (typowo powyżej
100 kA/m, do 24 MA/m). Materiały magnetycznie twarde nazywane są również magnesami trwałymi.
Stosuje się wszędzie tam, gdzie wymagane jest silne stałe pole lub indukcja magnetyczna.
Wykorzystuje się je również w silnikach lub generatorach synchronicznych (szczególnie w
elektrowniach wiatrowych) oraz w siłownikach elektromagnetycznych lub czujnikach.
Stosunek Koercji do Indukcji magnetycznej, oraz optymalny punkt pracy magnesu
Opis wykresu
•
Energia magnetyczna magnesu (czerwona krzywa), obliczona jako iloczyn indukcji magnetycznej B i natężenia
pola magnetycznego H dla krzywej odmagnesowania (niebieska krzywa) przechodzącej przez punkty remanencji Br
i koercji BHC. Punkty Ba i Ha wyznaczają optymalny punkt pracy magnesu dla którego energia magnetyczna
przyjmuje maksimum.
Materiały magnetycznie miękkie - umowna grupa materiałów wykazujących własności
ferromagnetyczne, dla których wartość natężenia koercji HC jest poniżej 1000 A/m (HC przyjmuje
tylko wartości dodatnie).
Magnetyki miękkie stosuje się w maszynach elektrycznych do transformacji energii elektrycznej
(transformatory), generacji energii elektrycznej (generatory, alternatory i prądnice) oraz zamiany energii
elektrycznej w mechaniczną (silniki elektryczne).
Znajdują one również szerokie zastosowanie do ekranowania magnetycznego i czujników magnetycznych.
Pętle Histerezy
Opis wykresu
•
Rodzina pętli histerezy B=f(H) dla orientowanej blachy elektrotechnicznej, na wykresie zaznaczono remanencję BR
oraz koercję HC
Materiały magnetycznie półtwarde – umowna grupa materiałów wykazujących własności
ferromagnetyczne, dla których wartość natężenia koercji HC zawiera się w granicach 1 – 10 kA/m.
Magnetyki półtwarde znajdują zastosowanie głównie do przechowywania informacji.
Głównie są one wykorzystywane do:
•
•
•
pamięci magnetycznych, gdzie powierzchnia magnetyczna jest namagnesowana w kierunku
dodatnich (logiczna jedynka) lub ujemnych (logiczne zero) wartości indukcji magnetycznej. Informacja
może być kasowana lub zmieniana poprzez zmianę kierunku namagnesowania
systemów zabezpieczeń towarowych, gdzie taśmy półtwarde mogą rezonować w polu
elektromagnetycznym - po rozmagnesowaniu (lub namagnesowaniu) zmienia się czestotliwość
rezonansowa i tym samym można przenieść towar przez bramkę zabezpieczającą
wszelkiego rodzaju czujników
Pożądanymi parametrami materiału magnetycznie miękkiego są:
•
•
•
•
•
duża przenikalność magnetyczna, pozwalająca uzyskać duże wartości indukcji
magnetycznej przy użyciu małego prądu magnesowania
jak najmniejsza stratność(pole objęte pętlą histerezy), pozwalająca na wysokosprawne
przetwarzanie energii
duża indukcja nasycenia, pozwalająca na uzyskanie jak największej siły mechaniczej
(proporcjonalnej do kwadratu indukcji)
duża rezystywność w celu zmniejszenia strat mocy powodowanych prądami
wirowymi
odpowiednie własnoście mechaniczne (w zależności od zastosowania)
Pożądanymi parametrami materiału magnetycznie półtwardego są:
•
•
•
•
•
duża wartość remanencji, ułatwiająca odczytywanie stanu (kierunku polaryzacji)
namagnesowania
odpowiednia wartość pola koercji pozwalająca na względnie łatwe
przemagnesowanie, w zależności od aplikacji
duża stabilność parametrów w zależności od temperatury
duża odporność na zewnętrze warunki (np. korozję)
odpowiednie własności mechaniczne
Pożądanymi parametrami materiału magnetycznie twardego są:
•
•
•
duża wartość remanencji (indukcji szczątkowej), pozwalająca uzyskać siły
mechanicznej (proporcjonalnej do kwadratu indukcji)
duże natężenie koercji, pozwalające na uzyskanie jak największej energii
magnetycznej
odpowiednie własności mechaniczne (w zależności od zastosowania)
odporność na korozję
•
•
•
Stopy metali ferromagnetycznych:
Alnico zawierające Fe, Co, Ni, Al, Cu
twarde ferryty, o składzie MOFe12O, gdzie MO jest zwykle tlenkiem baru lub strontu
magnesy na bazie metali ziem rzadkich, przykładowe składy chemiczne to: Nd2Fe14B, SmCo5.
•
Często spotykane materiały ferromagnetyczne
Nazwa Magnesu
Wygląd
Skład
chemiczny
BaFe12O19
Ferrytowe
(ceramiczne)
lub
Remazakres Gęstość Gęstość
nencja (Br) Koercja energii
zakres
(jHc)
(BH)max
kGs
kA/m
kJ/m3
g/cm3
zakres
Temp.
Curie
o
C
Max
Temp.
pracy
°C
2,00 4,30
210290
6,5 35,0
4,0 5,1
450
250
SrFe12O1
N
e
o
d
y
m
o
w
e
Wiązane
Nd2Fe14B
4,0 - 8,0
7,0 17,0
32 100
4,5 6,6
310 330
150 160
Spiekane
Nd2Fe14B
10,2-12,2
11,0 30,0
199 406
7,4 7,6
310 340
80 200
8,0-12,0
454 1432
127 255
8,0 8,5
700 800
250
Gs
6800
13000
Oe
380
1750
9,0
72,0
6,9
7,3
810
860
450
550
SmCo5
Samarowo Kobaltowe
lub
Sm2Co17
Związki
glinu niklu
kobaltu
(Al-NiCo).
Alnico (odlewane)
Produkcja
Ferrytowe
Przy produkcji magnesów
anizotropowych operacja
prasowania odbywa się w
polu magnetycznym
orientującym ziarna osiami
łatwego namagnesowania
wzdłuż linii sił pola.
Metody wytwarzania tych magnesów
są zbliżone do sposobów produkcji
innych materiałów ceramicznych. W
procesie wytwarzania izotropowych
magnesów ferrytowych podczas
prasowania nie stosuje się
zewnętrznego pola magnetycznego.
Neodymowe
Wiązane
Samarowo Kobaltowe
Alnico
Spiekane
W procesie
produkcji
magnetyczny
proszek na bazie
związku Nd2Fe14B
spajany jest
tworzywem
sztucznym.
Wytwarzane są
metodami metalurgii
proszków.
Typ tworzywa
wiążącego dobiera się
w zależności od
przewidzianej metody
formowania
magnesów.
dzięki prasowaniu w
polu magnetycznym lub
obróbce plastycznej w
podwyższonej
temperaturze uzyskują
strukturę anizotropową.
Są one produkowane
metodami metalurgii
proszków, z reguły jako
magnesy anizotropowe.
Magnesy alnico mogą
być produkowane
metodami
metalurgicznymi
(odlewy) albo
metalurgii proszków
(spiekanie).
Każdy Magnes tworzy pole magnetyczne
Natężenie pola magnetycznego – wielkość wektorowa charakteryzująca pole magnetyczne.
magnetyczne
Indukcja magnetyczna - jest definiowana przez siłę działającą na poruszający się ładunek elektryczny
(noszącą nazwę siły Lorentza)
•
•
•
•
– siła działająca na ładunek elektryczny z powodu jego ruchu w polu magnetycznym [N]
– ładunek elektryczny
– prędkość ładunku
indukcja
Więc:
JEDNOSTKA:
tesla
Jeżeli w pewnym obszarze na poruszający się ładunek działa siła określona przez następujący iloczyn
wektorowy to w obszarze tym występuje pole magnetyczne o indukcji
.
Przenikalność magnetyczna - jest to wielkość określająca zdolność danego materiału (ośrodka) do
zmiany indukcji magnetycznej pod wpływem natężenia pola magnetycznego.
Między
ę
indukcjąą magnetyczną B a natężeniem pola magnetycznego H zachodzi relacja:
gdzie:
– to przenikalność magnetyczna ośrodka, wyrażona w henrach na metr.
metr
Przenikalność Magnetyczna
Schematyczne porównanie przenikalności:
ferromagnetyka (μf)
paramagnetyka (μp), próżni (μ0)
diamagnetyka (μd)
Dodatkowe 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 materiał jest lepszy od powietrza;
separatory magnetyczne:
Wałki magnetyczne inaczej nazywane separatory magnetyczne zbudowane z magnesów
neodymowych w osłonie ze stali kwasoodpornej 1H18N9T. Wykorzystywane do konstruowania
niezależnych separatorów magnetycznych. Z powodzeniem wykorzystywane w przemyśle
spożywczym, przetwórstwie tworzyw sztucznych, ceramice i innych dziedzinach przemysłu, gdzie
potrzebna jest separacja ferromagnetyczna materiałów sypkich i lejnych.