Materiały magnetyczne Istota magnetyzmu Elektron w atomie wykonuje dwojakiego rodzaju ruchy: 1) ruch po orbicie wokół jądra; 2) ruch wirowy elektronu wokół własnej osi w obydwu możliwych kierunkach Ruch elektronu po orbicie wywołuje moment magnetyczny orbitalny, natomiast ruch wirowy elektronu wywołuje moment magnetyczny spinowy ( o dwóch możliwych zwrotach ). Moment magnetyczny orbitalny jest mniejszy niż spinowy , dlatego o właściwościach materiału decydują momenty magnetyczne spinowe. Jeden elektron wywołuje moment spinowy nazwany magnetonem Bohra. Momenty spinowe w zasadzie występują parami ( w 1 parze wzajemnie się znoszą ). Pierwiastki o parzystej liczbie elektronów w zasadzie posiadają moment wypadkowy spinowy = 0, a pier. o nieparzystej liczbie elektronów posiadają wypadkowy moment = 1 magnetonowi Bohra. Z technicznego punktu widzenia pierw. posiadające 1 magneton Bohra są nie do wykorzystania w sensie wł. magnetycz. ( za mało ). Istnieją pierwiastki o niesparowanych spinach. Są to pierw. które posiadają niezapełnioną do końca 3 powłokę i jednocześnie posiadają elektrony na 4 powłoce. x - stan metastabilny Niesparowane elektrony występują powyżej stanu metastabilnego na 3 powłoce.
Każdy atom posiadający stały wypadkowy moment magnetyczny ( w nieobecności pola zewnętrznego ) można traktować jako elementarny dipol magnetyczny. Właściwości magnetyczne materiałów zależą od wartości wypadkowego momentu magnetycznego ale również od wzajemnego usytuowania dipoli. W zależności od wzajemnego ułożenia dipoli rozróżniamy następ. rodz. materiałów : 1) paramagnetyki 2) ferromagnetyki 3)antyferromagnetyki 4)ferrimagnetyki Paramagnetyki : elementarne dipole magnetyczne ułożone są w sposób przypadkowy. Wypadkowy moment magnetyczny = 0. W obcym polu magnetycznym ulegają dipola orientującemu działaniu, część odwraca się zgodnie z kierunkiem pola a część przeciwnie ale wypadkowy moment dalej = 0. Do tej grupy należy wiele metali i sole. Ferromagnetyki : między sąsiednimi dipolami występują silne porządkujące działania. Dzieje się to spontanicznie, bez żadnego oddziaływania zewnętrznego. Uporządkowany obszar ma ograniczone wymiary i nazywany jest domeną magnetyczną. Wypadkowe momenty w domenach są ułożone przypadkowo, tak że w dużym obszarze stan namagnesowania =0, a w domenie jest wysoki stopień namagnesowania. W obcym polu magnetycznym występ. zjawisko magnesowania materiału w całym obszarze. |
Antyferromagnetyki : w obrębie domeny wysoki stopień uporządkowania ale wypadkowy `moment w domenie =0
Ferrimagnetyki : są szczególnym przypadkiem antyferromagnetyków. Materiał ferrimagnetyków musi być niejednorodny. Samoistne uporządkowanie w obrębie domeny. Wypadkowy moment w domenie może być znaczny ( czasem nawet większy niż w ferromagnetykach). W makroobszarze wypadkowy moment = 0. W obcym polu magn. występuje zjawisko porządkowania w makroobszarze ( magnesują się ). Za wzajemne usytuowanie dipoli odpowiedzialna jest wartość a/r ( gdzie : a - odległość środków atomów, r - promień trzeciej niezapełnionej powłoki).
Można skutecznie oddziałują na atomy zmieniać ich przynależność do poszczególnych grup np. do antyferromagne. można wprowadzić dodatek stopowy o odpowiednio dużym wymiarze atomowym, wprowadzić metodą podstawiania atom większy w miejsce mniejszego i zwiększyć a i otrzymać ferromagnetyk. Osobnym problemem jest działanie temp. Podgrzewanie mat. powoduje rozszerzalność cieplną i wzrost wartości a . Każdy ferromagnetyk może stracić swoje właściwości i stać się paramagnetykiem. Temperatura powyżej której ferromagnetyk traci swoje własności nazywa się ferromagnetyczną temperaturą Curie ( np. dla żelaza - 1043 [K], Kobaltu - 1394 [K], gadolin - 293 [K]). Ferromagnetyki w obcym polu magnetycznym Zewnętrzne pole powoduje efekt magnesowania. Miarą pola magnesującego jest natężenie pola a efektem magnesowania jest indukcja. Bs - indukcja nasycenia Br - pozostałość magnetyczna Hc - natężenie koercji |
Efekty zachodzące w materiale w procesie magnesowania
1 - natężenie pola = 0 ( H = 0 ), wypadkowy stan namagnesow. w makroobszarze = 0. 2 - następuje powiększenie objętości domen najbardziej uprzywi- lejowanych tzn. o wektorach namagnesowania najbardziej zgodnych z wekt. natężenia pola H. W umowny sposób jest to nazywane ruchem granic domen. Pojawia się wypadkowy mom. namagnesowania w makroobsz. Odwracalny ruch granic domen. 3 - dalsze powiększenie uprzywilejowanych domen, wyraźny wzr- ost momentu magnes. Efekt częściowo nieodwracalny. 4 - pojawia się nowe zjawisko - obrót dipoli magnet. ( obrót cał- ych domen - kier. wektora domeny dąży do kierunku działania pola). Nieodwracalny obrót wektora namagnesowania. 5 - dalszy obrót wektora namagnesowania. Odbywa się to przec- iwko dużym oporom ośrodka. Pojawiają się naprężenia w mat- eriale ( mechaniczne ). Odwracalny obrót wek. magnesowania. 6 - odwracalny efekt - jest to nasycenie. Nieodwracalne efekty decydują o pozostałości magnetycznej ( Br ), natomiast Bs zależy od sumy wszystkich efektów. Pole powierzchni histerezy ( w umownych jednostkach B i H ) jest proporcjonalne do energii zużywanej w procesie magnesowania. ( nazywa się to potocznie stratami na histerezę ΔPh) Zjawiska towarzyszące procesowi magnesowania materiałów 1. Straty na prądy wirowe Jeśli strumień jest zmienny to powoduje wyindukowanie SEM. Jeśli ośrodek jest o określonej przewodności to pojawiają się prądy wirowe i powodują straty ΔPw. 1). Można ograniczyć te straty budując bloki z ferromagnetyków poprzedzielanych dielektrykami. Rezystancja na drodze prądów wirowych wzrasta o rzędy. ΔPw tym mniejsze im cieńsze blachy, ale są ograniczenia : 0,35 - 0,5 mm dla 50 Hz
|
2). Zmniejszyć rezystywność ferromagnetyka nie tracąc jego właściwości magnetycznych, poprzez specjalne stopy metali o dobrych właściwościach magnetycznych i dużej rezystywności. Ferromagnetyki są tutaj najlepsze ( tlenki - z zasady dielektryki ( duża rezystywność ) i bardzo małe straty na prądy wirowe). Dobre dla dużych częstotliwości. 2. Anizotropia Polega na posiadaniu przez materiał różnych własności w różnych kierunkach. Większość ferromagnetyków jest natury krystalicznej. Elementarny kryształ jest magnetycznie anizotropowy ( posiada kierunki magnet. uprzywilejowane, Bs większe, μ większe, ΔP mniejsze). Przeważnie kierunki magnetycznie uprzywilejowane pokrywają się z głównymi osiami krystalograficznymi a czasem z przekątną (bryły lub ściany). W większości mater. kryształy ułożone są przypadkowo i materiał magnetyczny w makroobszarze nie wykazuje anizotropii. Czasami w niektórych procesach technologicznych np. walcowanie na zimno z dużym zgniotem, większość krystalitów układa się w podobny sposób i obserwujemy anizotropię materiałów, np. kierunek zgodny z kierunkiem walcowania jest magnetycznie uprzywilejowany. 3. Magnetostrykcja Próbka materiału ferromagnetycznego w polu magnet. ulega wydłużeniu lub skróceniu. W procesie magnesowania pojawiają się znaczne naprężenia mechaniczne w materiale, a te naprężenia mogą wywołać odkształcenia. Próbka zmienia swoje wymiary w takt częstotliwości strumienia ( przy odpowiedniej częst. może stać się generatorem dźwięku). Magnetostrykcję dodatnią mają : żelazo, permalloy, kobalt. Magnetostrykcję ujemną ma : nikiel. Podz. materiałów na magnetycznie twarde i magnetycznie miękkie Zasadniczym kryterium tego podziału jest : kształt pętli histerezy, pole jej powierzchni, indukcja nasycenia Bs , Br i natężenie koercji Hc . Materiały mag. miękkie - mają bardzo wąską pętlę histerezy o bardzo małej powierzchni a jednocześnie o dużej nasycenia Bs . Łatwo się przemagnesowują. Materiały mag. twarde - mają szeroką pętlę histerezy, dużą powierzchnię, bardzo duże Hc i duże Br . Wymagają bardzo dużej energii na proces namagnesowania ale skutki namagnesowania są w dużej mierze nieodwracalne ( używane są jako magnesy trwałe) |
Materiały magnetycznie miękkie Wielkości charakteryzujące mat. magnetycznie miękkie : 1) indukcja nasycenia Bs - duża 2) pozostałość mabnetyczna Br 3) nat. koercji Hc - jak najmniejsze 4) przenikalność początkowa μp - duże 5) przenikalność maksymalna μmax - duże 6) rezystywność materiału ρ 7) stratność ΔP - jest to całkowita moc tracona na magnesowanie 1 kg materiału przy indukcji B=1T lub B=1,5T, częstotliwości 50 Hz, temp 200C i sinusoidalnym przebiegu napięcia ( całkowita stratność wynika ze strat na histerezę i na prądy wirowe. ) Przegląd materiałów magn. miękkich
1. czyste żelazo - stosuje się kilka gat. czystego żelaza różniących się technologią wytwarzania i właściwościami 1.1 żelazo armco - pochodzi z procesu wytopu z pieca, mało zanieczyszczeń, produkowane głównie w postaci litej lub w postaci blach walcowanych na gorąco. 1.2 żelazo elektrolityczne - otrzymywane w procesie elektrolizy w postaci proszku 1.3 żelazo karbonylkowe - otrzymywane w procesie termicznego rozkładu związków żelaza w postaci proszku Właściwości magnetyczne silnie zależą od gat. żelaza i procesu technologicznego. Zastosowanie : głównie w obwodach prądu stałego, bo ma małą rezystywność i duże straty na prądy wirowe. 2. stal stopowa walcowana na gorąco - dodatkiem stopowym jest krzem Si ( do ok. 4%), dodaje się go ze względu na rezystywność ( 1% Si - ρ=25 μΩcm ; 4% Si - ρ=55 μΩcm). W konsekwencji maleją bardzo straty na prądy wirowe i na histerezę ( ΔP dla 1% Si - 2,6 W/kg ; ΔP dla 4% Si - 1,2 W/kg). Dodatek Si powoduje większą kruchość mechaniczną , przy 4% Si możliwe jest cięcie blachy na pasy, natomiast bardziej skomplikowane elementy wymagają zawart. Si nie więcej niż 3,5% 3. stal stopowa walcowana na zimno - dodatkiem stopowym jest Si ( zwykle 2,5 ÷ 3,5% ). Blacha jest silnie anizotropowa. Kierunek uprzywilejowany wzdłuż kierunku walcowania. W kierunku wzdłużnym wszystkie własności mag. są bardzo dobre i o kilkadziesiąt % lepsze od blach walcowanych na gorąco ( np. ΔP 0,6 ÷ 0,7 W/kg ) Zastosowanie : transformatory. Dzięki zastosowaniu blach zimnowalcowanych zmniejszono wymiary rdzeni trafo nawet o 40 %.
|
4. stopy specjalne - stosuje się je w sytuacjach kiedy wymaga się specjalnych własności np. duża przenikalność . Jeden z nich to stop Fe-Ni, ma on nieograniczoną wzajemną rozpuszczalność i Ni może być od 1÷ 99 atomów w Fe. Stwierdzono występowanie pewnych ekstremów np. : ekstremalna rezystywność 35 ÷ 40 % Ni w stopie ; ekstrema. przenikalność początkowa ok. 70 % Ni w stopie ; ekstre. przenikal. maksymalna ok. 75% Ni w stopie. Tak więc produkując permalloye wybieramy zawartość Ni zależnie od wybranych eksterm. właściwości. Stop pośredni - 45 ÷ 50 % Ni - przeciętny permalloy, który ma wszystkie właściwości dość dobre. 5. magnetodielektryki - składają się ze sproszkowanego materiału magnet. oraz żywicy. Żywica też sproszkowana. Miesza się oba rodzaje proszków i prasuje. Dwa rodzaje prasowania : 1) na zimno i wygrzewan w temp. topn. żywicy 2) na gorąco. Otrzymujemy materiał o rezystywności zbliżonej do rezystywności żywicy. Właściwości magnet. zależą od użytego proszku. Używane chętnie do wysokich częstotliwości. 6. ferryty miękkie - zawsze MeOn*Fe203 ( Me : Mn. Ni, Zn, Li ). Ferryty należą do materiałów ceramicznych. Otrzymywanie ferrytów to jest klasyczna technologia materiałów ceramicznych. ( właściwości : Ni - Zn ρ=5 Ωcm Mn - Zn ρ=50 Ωcm ; Li - Zn ρ=105 Ωcm) Materiały magnetycznie twarde Używane są do wytwarzania magnesów trwałych ( jednorazowo namagnesowane, poddane procesom stabilizacji i stan namagnesowania może się nie zmieniać przez kilkadziesiąt lat). Wielkości charakteryzujące materiał magnetycznie twardy : Br - pozostałość magnetyczna Hc - natężenie koercji BHmax - maksymalna energia tg α0 = ( H0/B0 ) B0 - indukcja optymalna , H0 - natęż. maksymalne |
Przegląd materiałów magnetycznie twardych 1. stale stopowe - najdawniej znane mat. magnet. twarde to stale szlachetne ( [ marka stali; skład reszty Fe %; BHmax] EH4 - 1%C , 4%Cr - 2380 [ T*A/m] ; EW6 - 0,75%C , 6%W - 2460 ; EH9K15M - 1%C, 9% Cr, 1% molibd., 15% kobaltu - 5170). Te stale mają bardzo dobre właściwości przetwórcze - możliwa wszelka obróbka plastyczna , słabe własności magnetyczne. 2. stopy specjalne - najpopularniejsze to stopy alni ( 24,5% Ni, 13% Al, 3,5% Cu, reszta Fe ; BHmax = 7600) i alnico ( 13,5% Ni, 9% Al, 24% Co, 3% Cu , BHmax = 30 - 200). Własności magnetyczne są dobre lub bardzo dobre ale złe właściwości przetwórcze ( są bardzo twarde, kruche, nieodporne na udar, utrudniona obróbka skrawaniem ( tylko szlifować)) 3. spieki metaliczne specjalne - wiele materiałów magnetycznie twardych można produkować wykorzystując technologię spiekania metali np. bardzo dobre efekty uzyskuje się produkując alni i alnico spiekane. Otrzymujemy materiał o bardzo dobrych własnościach magnetycznych BHmax spiek = 0.95BHmax lanych. Materiał jest niekruchy, praktycznie nie wymaga obróbki. 4. ferryty twarde - I grupa ( 44% Fe2O4 , 30%Fe2O3 , 26%Co2O3)⇒ Hc = 80 000 [ A/m ], BHmax =4000 [ T*A/m ] II grupa barowo- ołowiowe ( BaO*6Fe2O3 lub PbO*4Fe2O3 )⇒ Hc = 96 000 [ A/m ], BHmax =20 000 [ T*A/m ] Można uzyskać jeszcze lepszy ferryt bar - ołów spiekając w silnym polu magnetycznym. Wówczas BHmax=30 000. Centra rozproszania 1. drgający ruch cieplny 2. obce atomy w 3. obce atomy w przest- 4. dyslokacje sieci sieci dodatnich jonów węzłach sieci rzeniach międzywęzłowych
|
5. błędy ułożenia 6. skręcenia płaszczyzn krystalograficznych 7. granice ziaren
Każde centrum rozpraszania charakteryzuje się swoistym prawdopodobieństwem. Rezystywność materiału jest wprost proporcjonalna do prawdop. rozpraszania. Wszystkie centra rozpraszania mogą działać niezależnie od siebie. Prawdop. charakteryzujące rozpraszanie przez poszczególne centra są addytywne i w rezultacie rezystywność materiału zależy od sumy prawdopodobieństw. Możemy wyeliminować wszystkie centra rozpraszania od 2 do 7, tworząc idealny przewodnik - monokryształ, natomiast 1 zawsze pozostanie, co najwyżej skuteczność rozpraszania możemy obniżyć obniżając temp. ρ=ρi+ρr (ρ - rezystywność przewodnika, ρi - zależy tylko od temp ( rezyst. przewod. idealnego), ρr - rez. resztkowa ( zależy od 2 do 7). Stwierdzono że ρi = T*a czyli jest propor. do temp. i do stałej materiałowej. Mamy ρ=T*a+ρr . W szerokim zakresie temp. rezystywność jest propr. do temp. Droga swobodna elektronów związana z rozpraszaniem na drganiach cieplnych jest rzędu 100 odległości międzyatomowych. Innego rodzaju defekty musiałyby być rozmieszczone w odległościach tego samego rzędu aby ich wpływ był porównywalny z wpływaem drgań cieplnych. Porównując skutki wszystkich centr rozpraszania obcy atom w przestrzeni międzywęzłowej daje największe efekty rozpraszania.
|
Rezystywność stopów Aby zrozumieć mechanizm przewodzenia stopów należy poznać struktury stopów. Stopy mogą mieć postać : 1) roztworów stałych 2) faz międzymetalicznych 3) mieszanin różnych faz Roztwór stały - jest jednorodną fazą zbudowaną z sieci jednego ze składników zwanego rozpuszczalnikiem. Atomy dodatku stopowego mogą zajmować miejsca w węzłach sieci ( przez podstawienie ) lub w przestrzeniach międzywęzłowych. W związku z tym rozróżniamy roztwory stałe : a) substytucyjne b) interstycyjne
Rozpuszczalność dodatku stopowego może być nieograniczona, ograniczona lub zerowa. Faza międzymetaliczna - jest to szczególny przypadek roztworu stałego substytucyjnego, ale położenie atomów obu składników jest ściśle określona i stosunek ilościowy składników jest też określony. Ta struktura może być rozumiana jako przenikanie się dwóch uporządkowanych struktur. Mówi się że składnik B supersieć.
Mieszaniny różnych faz - w stopie mogą występować równocześnie mieszaniny: - czystych składników A + B - roztworów stałych BwA + AwB - faz międzymetalicznych A3B+AB - wszystkie wersje
|
Rezystywność stałego roztworu o nieograniczonej rozpuszczalności Stop Ag - Au Ag - ma sieć regularną ściennie centrowaną. Wymiar atomowy a = 0,40779 nm Au - ma sieć regularną ściennie centrowaną. Wymiar atomowy a = 0,40704 nm
Rys.1 Rys. 2 Jest to wynik zaburzenia, wynik rozpraszania elektronów przez obcy atom w węźle. Stan największego zaburzenia : 50% Au i 50%Ag. ( rys 1 ) Rezystywnośc zależy od wymiarów atomowych dodatku stopowego. ( rys 2 ) W przypadku roztworów stałych substytucyjnych im większy wprowadzimy atom tym większe rozpraszanie. W roztworach substytucyjnych w których istnieje możliwość utworzenia związku międzymetalicznego rezystywność zależy od zawartości dodatku stopowego w bardzo charakterystyczny sposób ( rys. na odwrocie ) Jeśli próbki są szybko chłodzone to stop zachowuje się typowo jak substytucyjny. Jeśli próbki są wolno chłodzone i atomy zdążą się ustawić w uporządkowany sposób to przy 25%Au tworzy się związek międzymetaliczny Cu3Au i przy 50% Au tworzy się związek międzymetaliczny CuAu. Związek międzymetaliczny jest b. uporządkowany i dlatego występuje małe rozpr. elektronów. |