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