1tom118

5. MATERIAŁOZNAWSTWO ELEKTROTECHNICZNE 238

S, = Ba

gdzie: B_i — wektor polaryzacji magnetycznej; II — wektor natężenia zewnętrznego p₀|_a magnetycznego; ■/.„ — podatność magnetyczna (bezwymiarowy współczynnik materiałowy); Bo — przenikalność magnetyczna próżni (stała magnetyczna).

W ciele stałym zachowanie się atomów, których wypadkowe momenty magnetyczne różnią się od zera, zależy od ich wzajemnego oddziaływania, uwarunkowanego z kolej odległością między atomami i rozłożeniem elektronów na poszczególne orbity. Charakterystycznym parametrem jest stosunek a/r, w którym: a — odległość atomów: r — p_ro_ mień orbity niecałkowicie obsadzonej elektronami. Przy a/r > 6,2 wzajemne ustawienie wypadkowych momentów' magnetycznych atomów (dipoli magnetycznych) jest chaotyczne, czego powodem są ruchy cieplne. Nosi to nazwę efektu paramagnetycznego. Ruch ten przeciwdziała ustawianiu się dipoli zgodnie z kierunkiem przyłożonego pola. Podatność magnetyczna materiału w takim przypadku jest wprawdzie dodatnia, ma jednak wartość niewielką, malejącą ze wzrostem temperatury. Jeśli stosunek a/r =$ 6,2, to między sąsiednimi atomami działają tzw. siły wymiany, które porządkują wzajemne ustawienie sie względem siebie sąsiadujących ze sobą dipoli magnetycznych, bez udziału zewnętrznego pola magnetycznego. Zjawisko to nosi nazwę polaryzacji spontanicznej. W zakresie 3,2 a/r =$ 6,2 polaryzacja spontaniczna polega na równoległym ustawianiu się dipoli. Jest to tzw. efekt ferromagnetyczny. Przy ajr s; 3,2 następuje natomiast antyrównolegie ustawienie się dipoli (kompensacja); jest to efekt antyferromagnetyczny. Istnienie wszelkiego rodzaju zakłóceń sieci krystalicznej jest powodem, że polaryzacja spontaniczna ogranicza się do małych obszarów (domen).

Wartość stosunku ajr jest uwarunkowana nie tylko budową atomowy danego materiału, lecz także jego temperaturą, od której zależy odległość między atomami. Pojawienie się efektów antyferromagnetycznego, ferromagnetycznego i paramagnetycznego zależy od temperatury. Temperatura, przy której zanika efekt ferromagnetyczny na korzyść paramagnetycznego, nosi nazwę temperatury Curie T_c. Wartość tej temperatury jest cechą charakterystyczną danego materiału (tabl. 5.1). Efekty ferromagnetyczny i antyferromagnetyczny wykazuje zarówno grupa pierwiastków o dużej liczbie atomowej oraz odznaczających się dużym magnetycznym momentem spinowym, jak i stopy tych pierwiastków.

Materiały charakteryzujące się efektem ferromagnetycznym (ferromagnetyki) odznaczają się bardzo dużą podatnością magnetyczną zależną od natężenia pola.

W grupie materiałów wykazujących efekt antyferromagnetyczny rozróżnia się:

—    antyferromagnetyki — gdy występuje całkowita kompensacja momentów’ magnetycznych;

—    ferrimagnetyki lub antyferrimagnetyki — gdy wchodzące w skład danego związku (stopu) atomy mają różne co do wartości momenty magnetyczne. Przy ich antyrów-noległym ustawieniu całkowita kompensacja momentów' jest niemożliwa. Polaryzacja materiału nie poddanego działaniu zewnętrznego pola jest zerowa, gdyż

domeny magnetyczne ustawiają się tak, żc tworzą zespoły zamkniętych obwodów magnetycznych. W zewnętrznym polu następuje stopniowa zmiana sposobu uporządkowania domen, prowadząca do quasi-jednokierunkow^;ego ich ułożenia i wystąpienia maksymalnej polaryzacji magnetycznej, charakteryzowanej przez indukcję nasycenia B_y Ferromagnetyki i ferrimagnetyki wykazują zjawisko histerezy, które wyraża się nieodwracalnymi zmianami indukcji magnetycznej w następstwie zmian natężenia zewnętrznego pola magnetycznego. Przedstawia się je w postaci wykresu BtH). zwanego pętlą histerezy. Przykład przebiegu takiej pętli (pełny cykl przemagnesowania materiału) jest pokazany na rys. 5.12.

Materiały łatwo, ale nietrwale polaryzujące się (magnesujące) pod wpływem działania zewnętrznego pola magnetycznego noszą nazwę materiałów magnetycznie miękkich. Gdy stan namagnesowania wymaga dużego wydatku energetycznego, lecz jest trwały, mowa jest o materiałach magnetycznie trwardych. W praktyce — w zależności od rodzaju materiału magnetycznego korzysta się tylko z jednego z dwóch charakterystycznych fragmentów pętli histerezy, wyznaczanych na próbkach materiału. W przypadku materiału magnetycznie miękkiego jest to fragment I pętli, zwany krzywą (charakterystyką I

Rys. 5.12. Pętla histerezy

1 krzywa magnesowania pierwotnego; 2 — krzywa odmagnesowania (termin stosowany w odniesieniu do materiałów magnetycznie twardych); B_r pozostałość magnetyczna (remanencja);

H_cB — kocrcja dla indukcji;    indukcja i natężenie pola

odpowiadające stanowi nasycenia magnetycznego materiału

magnesowania pierwotnego, a dla materiału magnetycznie twardego — fragment 2 pętli, zwany krzywa. (charakterystyką¹) odmagnesowania (rys. 5.12). Krzywe magnesowania pierwotnego zamieszczane w katalogach materiałów są zwykle krzywymi magnesowania statycznego, czyli są wyznaczane przy wolnych zmianach natężenia pola magnetycznego. Przy szybkich zmianach natężenia pola uzyskuje się zmianę przebiegu krzywej w stosunku do krzywej magnesowania statycznego. W przypadku materiałów magnetycznie miękkich, wraz ze wzrostem szybkości zmian pola magnesującego, następuje rozszerzanie pętli histerezy, co jest równoznaczne wzrostowi strat na magnesowanie. W niektórych materiałach magnetycznie twardych przy szybkościach powyżej pewnych wartości, można w ogóle nie uzyskać stanu pełnego namagnesowania materiału. W materiałach o dużej konduktywności przy' dużych szybkościach zmian pola będą występowały prądy wirowe wytwarzające własne pole, przeciwdziałające polu magnesującemu. Krzywa o przebiegu zmienionym w wyniku zwiększenia szybkości zmian pola nazywa się krzywą magnesowania dynamicznego. Aby uzyskać krzywą pierwotnego magnesowania, na ogół potrzebne jest rozpoczęcie procesu od stanu pełnego rozmagnesowania próbki. Praktycznie. magnesowanie może być poprzedzone rozmagnesowaniem cieplnym lub rozmagnesowaniem w polu przemiennym o malejącej amplitudzie. Za stan rozmagnesowania cieplnego uważa się stan uzyskany w wyniku powolnego obniżenia temperatury próbki od temperatury nieco powyżej punktu Curie do temperatury otoczenia przy braku zewnętrznego pola magnetycznego.

Przebiegi wymienionych wyżej dwóch fragmentów pętli histerezy odgrywają istotną role w ocenie właściwości materiałów magnetycznych. Przyjęcie kilku charakterystycznych punktów na krzywych 1 i 2 (rys. 5.12) umożliwia dokonywanie podziału materiałów magnetycznych na grupy oraz ułatwia sprecyzowanie wymagań dotyczących pożądanych wartości parametrów, a w konsekwencji prowadzi do normalizacji zarów-no w zakresie parametrów, jak i metod pomiarowych.

Rozpatrując górną połówkę pętli histerezy. można wyróżnić co najmniej trzy ważne punkty leżące na obu fragmentach krzywych. Charakteryzują one:

—    indukcję nasycenia B_s występującą w' materiale w stanie nasycenia magnetycznego;

—    remanencję B_r lub inaczej pozostałość magnetyczną czyli indukcję szczątkową materiału wyprowadzonego ze stanu nasycenia w wyniku monotonicznego zmniejszania pola magnetycznego;

—    natężenie powściągające, zwane koercją H_cB, czyli natężenie pola magnetycznego, przy którym indukcja jest równa zeru.

Stopień uporządkowania domen zależy od temperatury. Największy stopień uporządkowania osiąga się w temperaturze zera bezwzględnego, najmniejszy w pobliżu temperatury Curie.

Na rysunku 5.13 przedstawiono przebiegi charakteryzujące zachowanie się modułu Rektora polaryzacji magnetycznej w stanie nasycenia B_is w funkcji temperatury dla ■erromagnetyków i ferrimagnetyków. Na osi rzędnych układu współrzędnych odłożono na

1

Obecnie, zgodnie z zaleceniami TF.C, istnieje tendencja do stosowania pojęcia krzywa, np. magnesowania,

^magnesowania.