Politechnika Śląska

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii

Kształtowanie właściwości materiałów inżynierskich

Seminarium

„Twarde materiały magnetyczne”

Wstęp

Wszystkie istniejące związki oraz pierwiastki możemy poddać klasyfikacji ze względu na ich właściwości magnetyczne. Na tego rodzaju właściwości pierwiastków decydujący wpływ ma struktura elektronowa atomów. Jak wiadomo wszystkie elektrony wytwarzają moment magnetyczny orbitalny jak i spinowy, zachodzi wówczas oddziaływanie z zewnętrznym polem magnetycznym, co prowadzi do powstania indukowanego momentu magnetycznego,

M =  χH

Gdzie w podanym wzorze: χ - oznacza podatność magnetyczną natomiast H – natężenie pola magnetycznego.

Podział materiałów magnetycznych

Materiały magnetyczne dzielimy na pięć głównych kategorii:

• Diamagnetyki

• Paramagnetyki

• Ferromagnetyki

• Ferrimagnetyki

• Antyferromagnetyki

Analizując budowę atomową i charakteryzując wszystkie grupy materiałów magnetycznych poniżej przedstawiono krótki opis materiałów magnetycznych.

2.1 Diamagnetyki

Są to materiały o zerowym momencie magnetycznym, zarówno orbitalnym jak i spinowym, co daje nam całkowicie skompensowany moment pędu elektronów. W przypadku diamagnetyków zewnętrzne pole magnetyczne wpływa na zmianę częstości kątowej ruchu orbitalnego elektronów oraz wytwarza pole magnetyczne o przeciwnym znaku w materiałach o ujemnej podatności magnetycznej.

Najbardziej znane diamagnetyki to: Cu, Ag, Au.

2.2 Paramagnetyki

To wszystkie pierwiastki, których zewnętrzna powłoka elektronowa, nie jest całkowicie zapełniona. W przypadku substancji za paramagnetyki uznaje się substancje o niecałkowicie sparowanych spinach, które wytwarzają wypadkowy moment magnetyczny atomu µ_B w przypadku pierwiastków o małej liczbie elektronów walencyjnych. W przypadku paramagnetyków, jeśli nie ma żadnego pola magnetycznego, moment magnetyczny atomów jest zerowy (związane jest to orientacją losową spinów elektronowych). Podatność magnetyczna jest w tym przypadku odwrotnie proporcjonalna do temperatury T (C/T).

2.3 Ferrimagnetyki

Są to materiały o uporządkowanym rozkładzie spinów. W skład ferrimagnetyków wchodzą zwykle atomy więcej niż jednego pierwiastka. Jeśli przyjrzymy się materiałom ferrimagnetycznym, zauważymy, iż wypadkowe momenty magnetyczne atomów ustawione są antyrównolegle. Podsumowując za ferrimagnetyki uznajemy materiały o różnych momentach magnetycznych oraz atomach zorientowanych antyrównolegle.

2.4 Antyferromagnetyki

Są to materiały o jednakowych momentach magnetycznych natomiast ich atomy zorientowane są antyrównolegle.

2.5 Ferromagnetyki

Przez pojęcie ferromagnetyków rozumiemy materiały o silnych właściwościach magnetycznych. Do pierwiastków z grupy ferromagnetyków, zaliczamy:

• Żelazo

• Nikiel

• Gadolin

• Erb

• Dysproz

• Tul

• Holm

• Kobalt

Analizując wymienione pierwiastki najczęściej stosowane są żelazo, nikiel oraz kobalt. Właściwości ferromagnetyczne możemy uzyskać ze stopów pierwiastków ferromagnetycznych, ferromagnetycznych z nieforromagnetycznymi jak również samych nieferromagnetyków. Materiały ferromagnetyczne posiadają szereg użytecznych właściwości, m.in.:

• Przenikalność magnetyczna zależy od natężenia zewnętrznego pola magnetycznego,

• Właściwość magnetyzmu szczątkowego

• Malejąca podatność magnetyczna wraz ze wzrostem temperatury

• Utrata właściwości ferromagnetycznych w temperaturze Curie

• W przypadku przekroczenia temperatury Curie zachowują się jak paramagnetyki

Ferromagnetyki – opis atomowy

W przypadku materiałów ferromagnetycznych konieczne jest wystąpienie nieskompensowanych spinów elektronów w atomach ferromagnetycznych, w przypadku, gdy stosunek parametru sieci krystalicznej do średnicy orbity elektronowej, gdzie znajdują się owe spiny jest większa niż 1,5.

Rys1. Opis atomowy ferromagnetyku

Domeny magnetyczne

W przypadku ferromagnetyków wyróżniamy obszary zwane domenami. Są one spontanicznie namagnesowane oraz występuje w nich uporządkowanie momentów magnetycznych. Zachodzi tutaj zjawisko namagnesowana do stanu nasycenia. Pojedyncze domeny oddzielone są od siebie tzw. ściankami domenowymi, to właśnie w nich następuje zmiana orientacji momentów. Domeny nie są jednak stanem stałym, powyżej temperatury Curie – zanikają.

Przyglądając się bliżej omówionym wyżej domenom, uwagę przykuwa pojęcie ścianki domenowej. Grubość takiej ścianki jest rzędu kilkuset atomów. Wyróżniamy dwa rodzaje ścianek domenowych:

• Ścianki Blocha – są to ścianki, w których obrót momentów następuje równolegle do powierzchni ścianki,

• Ścianki Neela – obrót momentów następuje prostopadle do powierzchni ścianki

Pętla histerezy

Struktura danego materiału wpływa na postać pętli histerezy magnetycznej, decydując tym samym o ruchliwości ścianek Blocha pomiędzy domenami magnetycznymi.

Skład każdego materiału wpływa natomiast na wartość namagnesowania nasycenia. W przypadku wzmożonej ruchliwości ścianek Blocha, szerokość pętli histerezy jest niewielka, zachodzi również zjawisko stratności magnetycznej i jest to proces charakterystyczny dla materiałów magnetycznie miękkich. W przypadku małej ruchliwości ścianek Blocha, pętla histerezy jest szeroka – i jest to charakterystyczne dla materiałów magnetycznie twardych.

Rys2. Pętla histerezy

Podstawowe pojęcia

• Remanencja – inaczej zwana indukcją magnetyczną szczątkową, B_r, jest to wartość indukcji magnetycznej utrzymująca się w ferromagnetyku po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego magnesującego go do stanu nasycenia.

• Koercja magnetyczna (zwana również natężeniem powściągającym) jest to wartość zewnętrznego pola magnetycznego, jaką trzeba przyłożyć do ferromagnetyka, aby zmniejszyć do zera pozostałość magnetyczną.

Zależnie od wartości koercji ferromagnetyki dzieli się umownie na magnetycznie twarde (o dużej wartości koercji, powyżej 10 000 A/m), magnetycznie półtwarde (o wartościach pośrednich) oraz magnetycznie miękkie (o stosunkowo niewielkich wartościach koercji, poniżej 1000 A/m).

Twarde materiały magnetyczne

Jest to umowna grupa materiałów, która wykazuje właściwości ferromagnetyczne dla wartości koercji, HC powyżej 10kA/m. Materiały te nazywamy również magnesami trwałymi.

7.1 Magnes trwały

Magnes trwały jest elementem wykonanym z materiału magnetycznie twardego, kóry jak wspomniano wyżej charakteryzuje się szeroką pętlą histerezy magnetycznej. Jeśli chodzi o strukturę magnesu, to jego podstawowym elementem są ziarna (mikrokryształy), które posiadają oś łatwego namagnesowania.

Za stan idealny uznaje się stan, w którym ferromagnetyczne ziarna są zbliżone rozmiarem do wielkości domen magnetycznych (ok. 10 mm lub mniej) i znajdują się w osnowie nieferromagnetycznej (tzw. izolacji magnetycznej).

Magnesy trwałe możemy podzielić ze względu na sposób uporządkowania ziaren, i tak wyróżniamy magnesy izotropowe lub anizotropowe.

Do głównych właściwości magnesów trwałych zaliczamy fakt, iż po namagnesowaniu magnes zachowuje swój stan namagnesowania, dzięki czemu znajduje zastosowanie tam, gdzie wymagane jest wzajemne oddziaływanie pól magnetycznych lub lokalne wytworzenie stałego pola magnetycznego np. w silnikach elektrycznych, miernikach, przetwornikach, czujnikach, licznikach, siłownikach, uchwytach i separatorach magnetycznych oraz wielu innych. Zależnie od zastosowania wybiera się magnesy o odpowiednich parametrach i rozmiarach oraz buduje się obwody magnetyczne, które pozwalają na pełne wykorzystanie ich własności.

7.2 Właściwości twardych materiałów magnetycznych

• 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

7.3 Zastosowanie twardych materiałów magnetycznych

• Materiały magnetyczne- twarde stosujemy wszędzie tam, gdzie potrzebne jest silne stałe pole lub indukcja magnetyczna.

• Najprostszym zastosowaniem ferromagnetyków jest wykorzystanie siły mechanicznego przyciągania (np. magnesy na lodówkę, zapięcia w damskich torebkach).

• Wykorzystuje się je również w silnikach lub generatorach synchronicznych (szczególnie w elektrowniach wiatrowych) oraz w siłownikach elektromagnetycznych lub czujnikach.

• Znajdują zastosowania, jako magnesy trwałe, między innymi przy budowie silników i prądnic, szczególnie małych mocy.

• Dyskietki, dyski twarde

Podsumowanie

Twarde materiały magnetyczne należą do grupy materiałów magnetycznych, ferromagnetyków. Mimo, iż grupę tę stanowi niewiele pierwiastków, posiadają one niezwykłe właściwości magnetyczne. Dzięki temu, znajdują one swoje zastosowanie w otaczającym nas świecie. Być może ciężko wyobrazić sobie dalszy rozwój w dziedzinie materiałów magnetycznych, gdyż znamy już dokładnie ich właściwości, potrafimy badać ich zachowanie w różnych środowiskach oraz wiemy jak zachowują się w połączeniu z innymi materiałami. Trwają jednak badania na temat nanomateriałów magnetycznych, które w dobie minimalizacji stają się kolejną szansą na rozwój technologiczny.

Bibliografia

1. Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, L.Dobrzański

2. Magnetyzm, Joanna Bujak

3. http://www.magnesy.pl/terminologia/terminologia.php#BH

4. http://www.blusz.brunng.com/Art:Materia%C5%82y_magnetycznie_twardes.php