3. Własności magnetyczne materiałów

We wszystkich materiałach znajdują­cych się w polu magnetycznym zacho­dzą dodatkowe procesy wewnątrz­ cząsteczkowe charakteryzujące się powstawaniem dodatkowego pola ma­gnetycznego.

Elek­trony wewnątrz atomu poruszają się po orbitach. Oprócz ruchu orbitalnego do­koła jądra, elektron wykonuje ruch ob­rotowy dokoła własnej osi. Ten ruch obrotowy nazywamy ruchem spinowym przy czym część elektronów w atomie ma spiny dodatnie, a część - ujemne, co jest związane z kierun­kiem obrotu elektronu. Ruch elektro­nów wewnątrz atomu można rozpat­rywać jako okrężne prądy elementarne wewnątrzatomowe, a powstające w wy­niku tego ruchu elektronów pole mag­netyczne nazywamy polem prądów elementarnych (okrężnych). Przy braku pola magnetycznego zewnętrznego,

prądy elementarne atomów niektórych materiałów, ze względu na ruch bezład­ny, wytwarzają pola magnetyczne elementarne, wzajemnie się kompensu­jące. W rezultacie materiały te nie wy­kazują na zewnątrz własności magne­tycznych. Inne materiały, których we­wnętrzne pola magnetyczne prądów elementarnych nie są całkowicie skom­pensowane, wykazują własności mag­netyczne mimo braku działania ze­wnętrznego pola magnetycznego. Zawsze jednak zewnętrzne pole mag­netyczne powoduje dodatkową orienta­cję magnesów elementarnych pocho­dzących od prądów elementarnych, przy czym stopień magnetyzacji róż­nych materiałów jest różny. Z tego punktu widzenia materiały dzielimy na trzy zasadnicze grupy: materiały dia­magnetyczne, paramagnetyczne, ferro­magnetyczne.

Własności magnetyczne elementarnego prądu okrężnego można scharakteryzo­wać za pomocą momentu magnetycznego m,

którego wartość wyznaczamy jako iloczyn prądu elementarnego okrężnego i pola powierzchni wyzna­czonej przez orbitę tego prądu, czyli

m = IS

Moment magnetyczny jest wielkością wektorową, a jego zwrot wyznacza reguła korkociągu.

Rys.1. Ilustracja pojęcia momentu magne­tycznego.

Materiały można podzielić na trzy grupy wg. własności magnetycznych

Do grupy pierwszej zaliczymy materia­ły diamagnetyczne. W materiałach tych pole magnetyczne prądów elementar­nych przeciwdziała polu magnetycznemu przyłożonemu z zewnątrz. W materia­łach diamagnetycznych wypadkowa in­dukcja magnetyczna B jest mniejsza niż w próżni, tzn.

więc przenikalność magnetyczna względna materiałów diamagnetycznych jest mniejsza od jedności (μr<1).

Do materiałów diamagnetycznych na­leżą m.in. woda, kwarc, srebro, bizmut, miedź. Zjawiska diamagnetyczne uwy­datniają się w niewielkim stopniu. Na przykład przenikalność magnetyczna względna bizmutu μr=0,9998, a mie­dzi , μr= 0,999991.

Do grupy drugiej zaliczamy materiały paramagnetyczne.W materiałach tych pole magnetyczne prądów elementar­nych współdziała z polem magnetycznym przyłożonym z zewnątrz i wobec tego wypadkowa indukcja magnetyczna B jest większa niż w próżni, tzn.

a więc przenikalność magnetyczna względna materiałów paramagnetycznych jest większa od jedności (μr > 1).

Do materiałów paramagnetycznych na­leżą m.in. platyna (μr= 1,00027), alu­minium (μr= 1,000020), powietrze i in­ne. Jak wynika z przytoczonych przy­kładowych wartości przenikalności magnetycznych względnych materiałów paramagnetycznych, odchylenie przeni­kalności względnej od jedności jest bar­dzo nieznaczne.

Rys. Zależność indukcji magnetycznej od natężenia pola magnetycznego dla materiałów para i diamagnetycznych.

Wspólną cechą materiałów diamagne­tycznych i paramagnetycznych jest to, że ich przenikalności magnetyczne nie zależą od natężenia pola magnetyczne­go. Dla materiałów należących do obu tych grup charakterystyka B = f(H), zwana charakterystyką magnesowania lub krzywą magnesowania. jest linią prostą.

Do grupy trzeciej zaliczamy materiały ferromagnetyczne. W materiałach tych pole magnetyczne prądów elementar­nych współdziała z polem magnetycznym przyłożonym z zewnątrz, czyli tak jak w materiałach paramagnetycznych, z tą różnicą że wypadkowa indukcja mag­netyczna B jest dużo większa niż w próżni, tzn.

a więc μr >> 1.

Materiały te wykazują duży stopień magnetyzacji, przenikalność magne­tyczna względna jest setki i tysiące razy większa od jedności. Do materiałów tych należą żelazo, kobalt, nikiel i ich .stopy.

Istotną cechą materiałów ferromagne­tycznych jest to, że ich przenikalność magnetyczna nie jest stała i zależy od natężenia pola magnetycznego H. Cha­rakterystyka B = f(H) jest nieliniowa.

4.Magnesowanie materiałów ferromagnetycznych

Materiały ferromagnetyczne są często stosowane w elektrotechnice dzięki swym własnościom magnesowania się i „wzmacniania" zewnętrznego pola magnetycznego. W celu zbadania tych własności można przeprowadzić doświad­czenie, które pozwoli na wyzna­czenie charakterystyki magnesowania. Uzwojenie cewki pierścieniowej nawinię­tej na rdzeń wykonany z materiału ferro­magnetycznego dołączamy do źródła napięcia, np. ogniwa lub akumulatora, przez rezystor nastawny, którym zmie­niać będziemy wartość prądu płynącego w uzwojeniu cewki (rys.1).

Rys.1 Schemat układu do wyznaczania charakterystyki magnesowania

Znając wymiary cewki i jej liczbę zwojów N oraz wartość prądu I, możemy obliczyć natę­żenie pola H ze wzoru H=IN/l. Mierząc strumień magnetyczny w rdzeniu (odpo­wiednim przyrządem, zwanym strumie­niomierzem), możemy z zależności Φ=BS obliczyć indukcję B w rdzeniu.

Chcąc uzyskać charakterystykę magne­sowania B = f(H) zmieniamy wartość prądu w cewce (począwszy od zera). W miarę zwiększania prądu, a więc i natężenia pola magnetycznego H, indu­kcja magnetyczna będzie się zmieniała.

Charakterystykę magnesowania rdze­nia, który przed rozpoczęciem do­świadczenia był rozmagnesowany, z rozbiciem na dwie składowe: linio­wą μoH i nieliniową μoHi, przedsta­wiono na rys.2. Krzywa ta, która nosi nazwę krzywej magnesowania pierwotnego,ma charakterystyczną małą stromość w początkowym zakresie, da­lej stromość ta znacznie się zwiększa, a stopniowo maleje w zakresie koń­cowym, wchodząc w stan nasycenia.

Rys.2 Charakterystyka magnesowania mate­riału ferromagnetycznego

Po osiągnięciu stanu nasycenia zmniej­szamy wartość prądu w cewce (regulu­jąc wartość rezystora nastawnego), co powoduje zmniejszenie natężenia pola magnetycznego. Wartości indukcji ma­gnetycznej, które odpowiadają warto­ściom natężenia pola magnetycznego, przy zmniejszaniu go do nasycenia, wy­znaczają nową krzywą odbiegającą od poprzedniej. Na rys.3 wykreślono raz jeszcze krzywą magnesowania pier­wotnego (krzywa 0-1) oraz przebieg indukcji magnetycznej w funkcji natę­żenia pola magnetycznego podczas:

• zmniejszania jego wartości od Hn do zera (krzywa 1-2);

Rys.3 Pętla histerezy magnetycznej

• zmiany zwrotu H i osiągnięcia w p. 3 wartości -Hc, przy której indukcja B jest równa zeru (krzywa 2-3);

• dalszego zmniejszania natężenia pola aż do nasycenia w p. 4;

• ponownej zmiany zwrotu H i przejś­cia poprzez p.5 i 6 do nasycenia w p. 1.

Otrzymaliśmy w rezultacie krzywą za­mkniętą, zwaną pętlą histerezy magnetycznej a samo zjawisko magneso­wania materiału ferromagnetycznego nazywamy zjawiskiem histerezy magnetycznej.

Zwrot obiegu pętli histerezy podczas opisanych zmian natężenia pola mag­netycznego zaznaczono na rys.3 strzałkami. Indukcję magnetyczną, ja­ka występuje w rdzeniu przy natężeniu pola magnetycznego równym zeru (p. 2 i 5 ), nazywamy indukcją pozostałości magnetycznej lub indukcją remanencji i oznaczamy przez Br.

Natężenie pola magnetycznego, ko­nieczne do uzyskania indukcji magne­tycznej w rdzeniu równej zeru (p. 3 i 6), nazywamy natężeniem powściągającym lub natężeniem koercji i oznaczamy przez Hc.

Natężenie pola magnetycznego oraz odpowiadającą mu indukcję magne­tyczną w p. 1 i 4 nazywamy odpowied­nio natężeniem pola nasycenia i indukcją magnetyczną nasycenia.

Dla danej próbki materiału ferromag­netycznego można otrzymać dowolną liczbę pętli histerezy, przy czym każda będzie odpowiadała innej wartości ma­ksymalnej natężenia pola magnetyczne­go. Krzywa poprowadzona przez wie­rzchołki uzyskanych pętli histerezy jest zwana charakterystyką podstawową magnesowania (rys.4).

Przebieg charakterystyki podstawowej jest zbliżony do przebiegu krzywej ma­gnesowania pierwotnego. Do obliczeń technicznych wykorzystuje się charak­terystykę podstawową, którą dla róż­nych gatunków stali można znaleźć w literaturze technicznej lub katalo­gach.

Rys.4. Wyznaczanie charakterystyki podsta­wowej magnesowania materiału ferromagnetycz­nego

Ze względu na nieliniową charakterys­tykę B=f(H) dla materiałów ferroma­gnetycznych, stosuje się dwa pojęcia przenikalności magnetycznej: statyczną i dynamiczną.

Przenikalnością magnetyczną statyczną nazywamy stosunek indukcji magnetycznej do natężenia pola magnetycznego w każdym punkcie charakterystyki magnesowania.

Dla p.l na charakterystyce magneso­wania (rys.5) indukcja wynosi B₁, , a natężenie pola H₁, ,odpowiednio prze­nikalność magnetyczna statyczna

Przenikalność magnetyczna statyczna jest proporcjonalna do tangensy kąta nachylenia prostej przechodzącej przez początek układu współrzędnych oraz p. 1, natomiast współczynnik propor­cjonalności m zależy od przyjętej po­działki na osi indukcji magnetycznej i natężenia pola magnetycznego.

Rys.5. Ilustracja pojęcia przenikalności magnetycznej statycznej i dynamicznej.

Przenikalnością magnetyczną dynamiczną nazywamy stosunek przyrostu indukcji magnetycznej ΔB na odcinku charakterystyki między p.1 a p.2 do przyrostu natężenia pola magnetycznego ΔH, czyli

przy założeniu, że przyrosty te są małe (nieskończenie małe: dB i dH). Przenikalność magnetyczna dynamicz­na jest proporcjonalna do tangensa ką­ta nachylenia stycznej do charakterys­tyki magnesowania w p. 1, natomiast m jest współczynnikiem proporcjonal­ności zależnym od przyjętej podziałki. Przebieg pętli histerezy zależy od ga­tunku materiału ferromagnetycznego. W zależności od kształtu pętli histerezy materiały dzielimy na: magnetycznie twarde i magnetycznie miękkie (rys. 6).

Materiały magnetyczne twarde majią szeroką pętlę histerezy magnetycznej i w związku z tym dużą wartość po­zostałości magnetycznej Br i natężenia koercji Hc. Do grupy tej należą stale: chromowolframowe, chromomolibdeno­we, (Br - ok. 1 T, Hc - ok. 60 000 A/m), stopy A1NiCo itp. Materiały te stoso­wane są do wyrobu magnesów trwa­łych.

Rys.6. Pętle histerezy magnetycznej

l - materiału magnetycznie miękkiego,

2 - materiału magnetycznie twardego

Materiały magnetyczne miękkie mają wąską pętlę histerezy magnetycznej i w związku z tym małą wartość natęże­nia koercji. Do grupy tej należą stal elektrotechniczna, żeliwo, stop zwany permalojem. Przykładowo blacha prąd­nicowa zimnowalcowana może być na­sycana magnetycznie do wartości Bm = 2 T, a natężenie koercji Hc=12 A/m

Materiały magnetycznie miękkie stosu­je się w obwodach magnetycznych ma­szyn elektrycznych, transformatorów, aparatów elektrycznych, elektromagne­sów itp.

Materiały ferromagnetyczne tracą swoje własności po nagrzaniu do tem­peratury, w której ruchy termiczne uniemożliwiają równoległe układanie się momentów magnetycznych.. Tem­peratura ta jest zwana temperaturą przemiany lub temperaturą Curie i dla stali wynosi ok. 1040 K. Podgrzanie materiału ferromagnetycznego do tem­peratury przemiany powoduje utratę przez materiał indukcji remanencji, a więc powoduje odmagnesowanie ma­teriału.

---