1

ĆWICZENIE 2

MATERIAŁY MAGNETYCZNIE MIĘKKIE.

BADANIA WYBRANYCH WŁASNOŚCI MAGNETYCZNYCH

1.

WPROWADZENIE

Związek między natężeniem pola magnetycznego H [Am

-1

] a indukcją magnetyczną B [T] wyraża

się w układzie SI zależnością

B = µ

0

H + I

Gdzie: I - magnetyzacja lub polaryzacja magnetyczna [T],
µ

0

- przenikalność magnetyczna próżni wynosząca 4π10

-7

[V.S.A

-1

m

-1

]

Stosunek B/H = µ nazywa się "bezwzględną przenikalnością magnetyczną” danego materiału.
Natomiast stosunek bezwzględnej przenikalności materiału do bezwzględnej przenikalności próżni
określa się jako przenikalność magnetyczną względną i oznacza µ’. Przebieg krzywej B = f(H)
zależy od sposobu jej wyznaczania oraz od przeszłości magnetycznej materiału.

Rozróżnia się (rys.2.1.):
• pierwotną krzywą magnesowania uzyskaną przez poddanie całkowicie rozmagnesowanego

ferromagnetyka powoli narastającemu działaniu natężenia pola magnetycznego;

• normalną lub komutacyjną krzywą magnesowania będącą miejscem geometrycznym wierz-

chołków obiegu histerezy przy różnych natężeniach pola. Krzywa ta jest zbliżona do krzywej
pierwotnej;

• idealną krzywą magnesowania powstającą przez nałożenie na każdorazowo stałe pole magne-

sujące pola przemiennego.

Rys. 2.1. Krzywe magnesowania. 1 - obieg histerezy; 2 - krzywa
normalna i pierwotna; 3 - krzywa idealna: B

r

- pozostałość magne-

tyczna; H

c

– natężenie powściągające.

W praktyce najczęściej korzysta się z pierwotnej lub
normalnej krzywej magnesowania.

Maksymalna wartość magnetyzacji i przenikalności ma-
gnetycznej względnej należą do podstawowych wielko-
ści charakteryzujących materiał magnetyczny. Wartość
natężenia powściągającego decyduje o podziale materia-
łów magnetycznych na miękkie (H

c

< 8 A/cm) i twarde

(H

c

> 8 A/cm). Przymiotniki te, w przypadku materiałów magnetycznych, informują o podatności

tych materiałów na działanie zewnętrznego pola magnetycznego i nie mają wiele wspólnego z kla-
syczną twardością mechaniczną.

Na rys. 2.2. pokazano normalną krzywą magnesowania stalowej blachy używanej do budowy ob-
wodu magnetycznego w transformatorach. Zwraca się uwagę, że duże wartości µ występują w
stosunkowo niewielkim zakresie natężenia pola magnetycznego. Dlatego szczególnej uwagi
wymaga dobór materiału magnetycznego do określonego zastosowania.

2

natężenie pola magnetycznego H [A.m

-1

]

Rys. 2.2. Przykład krzywej magnesowania blachy magnetycznej anizotropowej oraz

odpowiadającą jej charakterystykę µ

= f(H}

Materiały magnetycznie miękkie do urządzeń elektroenergetycznych (np. do budowy magnetowo-
dów w transformatorach i silnikach elektrycznych) powinny oznaczać się znaczną wartością in-
dukcji nasycenia (magnetyzacją), wąską pętlą histerezy (mała stratność na histerezę), dużą rezy-
stywnością (mała stratność na prądy wirowe) i dużą przenikalnością magnetyczną towarzyszącą
dużym polom magnetycznym występującym w tych urządzeniach.

Zupełnie inne wymagania stawiane są magnetowodom służącym np. do odczytywania bardzo sła-
bych sygnałów magnetycznych z twardych dysków PC. W tym przypadku najważniejszą jest duża
przenikalność magnetyczna początkowa (w pobliżu H = 0) materiału i odpowiednio duża jego re-
zystywność w warunkach dużej częstotliwość sygnałów.

Zwłaszcza druga połowa XX wieku przyniosła wiele nowych propozycji w zakresie materiałów
magnetycznie miękkich. Szczególną rolę odegrały materiały magnetyczne anizotropowe w przy-
padku urządzeń elektroenergetycznych (magnetowody transformatorów) oraz materiały magne-
tyczne bezpostaciowe (szkła metaliczne, amorfiki) i materiały quasikrystaliczne – nanokrystaliki.
Obrazują to rysunki 2.3 i 2.4.

O własnościach magnetycznych materiału decyduje jego skład chemiczny, technologia produkcji,
naprężenia mechaniczne od zgniotów i od sił zewnętrznych oraz temperatura pracy.

Zmiana własności magnetycznych materiału spowodowana działaniem sprężystych odkształceń
mechanicznych nosi nazwę sprężystości magnetycznej lub magnetostrykcji odwrotnej, w od-
różnieniu od magnetostrykcji prostej określającej wpływ zmian pola magnetycznego na napręże-
nia mechaniczne w materiale magnetycznym lub na jego odkształcenia.

3

Rys. 2.3 Diagram przedstawiający podstawowe grupy materiałów magnetycznie miękkich.

1 000 000

µ

amorfiki

100 000 nanokrystaliki





10 000
amorfiki
ferryty Fe stopy
Fe - Si

1 000
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
polaryzacja nasycenia [T]

Rys. 2.4. Osiągane wartości przenikalności magnetycznej maksymalnej względnej µ oraz polaryzacji nasycenia róż-

nych aktualnie produkowanych materiałów magnetycznie miękkich. Dane orientacyjne

4

W komórce elementarnej kryształu materiałów magnetycznie miękkich występuje anizotropia wła-
sności magnetycznych, z uprzywilejowaniem pewnych kierunków krystalograficznych. Np. w niklu
jest to kierunek przekątnej przestrzennej sześcianu [111], w żelazie kierunek równoległy do krawę-
dzi sześcianu [100]. W przypadku, gdy ferromagnetyk jest obciążony naprężeniami zewnętrznymi
na anizotropię magnetyczną nakłada się anizotropia magnetyczna spowodowana odkształceniami
struktury atomowej kryształu i wynikającymi stąd dodatkowymi oddziaływaniami magnetycznymi
atomów. Różna budowa atomowa i krystalograficzna materiałów powoduje, że w różnych ferro-
magnetykach naprężenia mechaniczne o tym samym kierunku wywołują efekt magnetosprężysty o
przeciwnych znakach.

Rys.2.5. Wpływ naprężeń rozciągających

na stopy żelazo-nikiel. a) 84%,Ni 16% Fe

b) 65% Ni, 35% Fe

Duża czułość niektórych materia-
łów magnetosprężystych np. niklu
na przykładane do nich naprężenia
mechaniczne (rys.2.5.) spowodo-
wała, że znalazły one zastosowanie
przy budowie czujników do pomia-
ru sił i naprężeń mechanicznych
oraz odkształceń sprężystych.

Przekroczenie granicy sprężystości

materiału magnetycznego powoduje poślizgi w kryształach i zaburzenie regularnej sieci krystalicz-
nej określane jako zjawisko zgniotu. W konsekwencji występuje znaczne pogorszenie własności
magnetycznych, wyraźnie widoczne na kształcie pętli histerezy. Najczęściej źródłem tak dużych
naprężeń są procesy obróbki mechanicznej przy wytwarzaniu magnetowodu oraz niewłaściwe ob-
chodzenie się z materiałem magnetycznym w okresie jego transportu i składowania.

Przy niewielkich szerokościach wykrawanego z blachy paska materiału magnetycznego następuje
wyraźny wpływ pogorszenia się własności magnetycznych w strefie zgniotu w pobliżu krawędzi
cięcia na własności magnetyczne całego paska. To niekorzystne zjawisko można usunąć poprzez
odpowiednią obróbkę cieplną „uszkodzonego” materiału. Przywrócenie wyjściowych własności
magnetycznych materiału może nastąpić przez ogrzanie go do temperatury rekrystalizacji. Opty-
malna temperatura wyżarzania rekrystalizacyjnego blach transformatorowych zimnowalcowanych
wynosi 780 do 820°C. Proces wyżarzania powinien odbywać się przez co najmniej 1 godzinę w
atmosferze ochronnej obojętnej lub słabo redukującej zależnie od rodzaju powierzchniowej izolacji
blach

.

Materiały magnetyczne bezpostaciowe uzyskuje się poprzez gwałtowne (ok.10

6

K/sec!) ostudzenie

stopów metali ferromagnetycznych (Fe, Ni, Co) z metaloidami (B, Si, C). Przedstawia to rys.2.7.

Wpływ temperatury na przenikalność magnetyczną początkową materiału pokazano na przykładzie
miękkiego żelaza (rys. 2.8.). Wzrost temperatury ułatwia proces magnesowania w zakresie małych
natężeń pola magnetycznego. Niestety zmniejsza magnetyzację nasycenia materiału osiągając war-
tość równą zeru w temperaturze zwanej temperaturą Curie.

5

Związek między własnościami magnetycznymi a temperaturą wyjaśnia teoria Weissa-Langevina-
Heisenberga. Zakłada ona, że w materiale ferromagnetycznym znajdują się małe obszary samorzut-
nego (spontanicznego) namagnesowania wewnętrznego, tzw. domeny, o zgodnych kierunkach osi
magnetycznych znajdujących się na tym obszarze atomów lub cząsteczek. Wartość magnetyzacji
wewnątrz domeny zależy od temperatury.

Rys. 2.6

.

Wzrost przenikalności magnetycznej blach transformatorowych

spowodowany wyżarzaniem po wykrawaniu

czas studzenia

Rys. 2.7. Wpływ czasu studzenia, od temperatury topnienia, na uzyskaną strukturę materiału.

1, 2, 3 – przykłady różnych prędkości studzenia prowadzące do uzyskania różnych struktur

W dowolnej temperaturze poniżej temperatury Curie domeny magnetyczne są magnesowane do
wartości odpowiadającej tej temperaturze. W temperaturze Curie domeny rozpadają się i natężenie
magnetyzacji wewnątrz domeny spada do zera

Przypadkowy rozkład kierunków osi magnetycznych domen powoduje, że na zewnątrz materiał nie
wykazuje żadnych własności magnetycznych. Dopiero przyłożenie zewnętrznego pola magnetycz-
nego wywołuje zmianę orientacji kierunków osi magnetycznych i pojawienie się objawów nama-

6

gnesowania próbki. Przesunięcie granic domen (ścianek Blocha) odbywają się w sposób nieciągły
(skoki Barkhausena).

Rys. 2.8

.

Wpływ temperatury na wartość przenikalności

magnetycznej początkowej

Wzrost przenikalności magnetycznej w zakresie
małych natężeń pola magnetycznego tłumaczy się
tym, że następuje zmniejszenie naprężeń
wewnętrznych w materiale, co ułatwia orientację
domen zgodnie z kierunkiem linii sił pola.

2. PRZEBIEG ĆWICZENIA

2.1. Porównanie własności magnetycznych różnych materiałów magnetycznie miękkich.

W czasie ćwiczenia należy porównać obiegi histerezy:
• blachy transformatorowej zimnowalcowanej ze stalą konstrukcyjną niskowęglową oraz stalą

narzędziową węglową,

• blachy transformatorowej z blachą prądnicową,
• postępując zgodnie ze wskazówkami prowadzącego zajęcia wprowadzić naprężenia plastyczne

do próbki blachy transformatorowej,

• ocenić skutki wpływu wprowadzonych naprężeń na kształt pętli histerezy,

• poprzez odpowiednią obróbkę cieplną usunąć wprowadzone naprężenia i ocenić skutki na

kształt krzywej magnesowania.

Oszacować przenikalność początkową szkła metalicznego.

Obserwując pętle histerezy drutów „Fe” oraz „Ni” ocenić efekt magnetosprężysty w obu tych mate-
riałach. Porównanie przeprowadzić przy naprężeniach mechanicznych skręcających.

2.1.1. Schemat układu pomiarowego

Obiegi obserwowane będą na ferroskopie, którego zasadę działania przedstawia rys. 2.9.

W praktycznie jednorodnym przemiennym polu magnetycznym cewki C

0

umieszczone są dwie

cylindryczne cewki C

1

i C

2

. SEM zaindukowana na zaciskach cewki C

1

, w której znajduje się bada-

na próbka P, jest proporcjonalna do indukcji B w próbce. Natomiast SEM na zaciskach cewki C

2

jest proporcjonalna do natężenia pola magnetycznego H wytwarzanego przez cewkę C

0

.

Po scałkowaniu i wzmocnieniu sygnałów pochodzących z cewek C

1

i C

2

oraz podaniu ich na płytki

odchylające oscyloskopu otrzymuje się obraz zależności B = f (H). Uwzględniając czułość układów
odchylających pionowego i poziomego oraz znając stałe ferroskopu można określić podziałkę na
osi rzędnych i odciętych układu. Dokładność pomiaru ferroskopem wynosi zwykle kilka %.

7

Rys

.

2.9. Uproszczony schemat ferroskopu

2.1.2. Przygotowanie próbek

Próbki materiałow magnetycznych są przygotowane przez prowadzącego ćwiczenie.

3. OPRACOWAMIE WYNIKÓW

Przyjęto jako zasadę obowiązującą w czasie laboratorium, że wszystkie wyniki prowadzonych eks-
perymentów będą omawiane i określane w czasie zajęć. Pracę domową wykonuje się odpowiadając
pisemnie, na tzw. ZAGADNIENIA (pytania). Szczegółowe zasady związane z wyborem i opraco-
waniem zagadnień poda prowadzący zajęcia.

4. ZAGADNIENIA

1. Własności magnetyczne elementarnej komórki krystalicznej ferromagnetyków.
2. Straty energetyczne w materiałach magnetycznych,
3. Wady i zalety różnych sposobów izolowania blach w magnetowodach uwarstwionych.
4. Wpływ krzemu na własności magnetyczne żelaza.
5. Technologia otrzymywania nowoczesnych blach transformatorowych.
6. Stopy żelazo-niklowe jako materiał magnetycznie miękki.
7. Technologia wytwarzania szkieł metalicznych.
8. Nanokrystaliki.

BIBLIOGRAFIA

1. Brailsford F.: Materiały magnetyczne. Warszawa. PWN, 1964.
2. Celiński Z.: Materiałoznawstwo elektrotechniczne. Warszawa. Oficyna Wydawnicza Politech-

niki Warszawskiej, 1998.

3. Kolbiński K., Słowikowski J.: Materiałoznawstwo elektrotechniczne. Warszawa. Oficyna Wy-

dawnicza Politechniki Warszawskiej, 1998.

4. Kittel 0.: Wstęp do fizyki ciała stałego. Warszawa. PWN, 1976.