1 ĆWICZENIE 6B 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 wierzchołków obiegu histerezy przy różnych natężeniach pola. Krzywa ta jest zbliżona do krzywej pierwotnej; idealną krzywą magnesowania powstającą przez nałożenie na każdorazowo stałe pole magnesujące pola przemiennego. Rys. 2.1. Krzywe magnesowania. 1 - obieg histerezy; 2 - krzywa normalna i pierwotna; 3 - krzywa idealna: B r - pozostałość magnetyczna; H c natężenie powściągające. W praktyce najczęściej korzysta się z pierwotnej lub normalnej krzywej magnesowania. Maksymalna wartość magnetyzacji i przenikalności magnetycznej względnej należą do podstawowych wielkości charakteryzujących materiał magnetyczny. Wartość natężenia powściągającego decyduje o podziale materiałów 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 klasyczną twardością mechaniczną. Na rys. 2.2. pokazano normalną krzywą magnesowania stalowej blachy używanej do budowy obwodu 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 magnetowodów w transformatorach i silnikach elektrycznych) powinny oznaczać się znaczną wartością indukcji nasycenia (magnetyzacją), wąską pętlą histerezy (mała stratność na histerezę), dużą rezystywnością (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 słabych sygnałów magnetycznych z twardych dysków PC. W tym przypadku najważniejszą jest duża przenikalność magnetyczna początkowa (w pobliżu H = 0) materiału i odpowiednio duża jego rezystywność 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 przypadku urządzeń elektroenergetycznych (magnetowody transformatorów) oraz materiały magnetyczne 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 odróżnieniu od magnetostrykcji prostej określającej wpływ zmian pola magnetycznego na naprężenia 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 różnych aktualnie produkowanych materiałów magnetycznie miękkich. Dane orientacyjne
4 W komórce elementarnej kryształu materiałów magnetycznie miękkich występuje anizotropia własności magnetycznych, z uprzywilejowaniem pewnych kierunków krystalograficznych. Np. w niklu jest to kierunek przekątnej przestrzennej sześcianu [111], w żelazie kierunek równoległy do krawędzi 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 ferromagnetykach 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 materiałów magnetosprężystych np. niklu na przykładane do nich naprężenia mechaniczne (rys.2.5.) spowodowała, że znalazły one zastosowanie przy budowie czujników do pomiaru sił i naprężeń mechanicznych oraz odkształceń sprężystych. Przekroczenie granicy sprężystości materiału magnetycznego powoduje poślizgi w kryształach i zaburzenie regularnej sieci krystalicznej 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 obchodzenie 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. Optymalna 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 wartość 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 samorzutnego (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 magnetycznego 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 materiałach. 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 badana 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 eksperymentów będą omawiane i określane w czasie zajęć. Pracę domową wykonuje się odpowiadając pisemnie, na tzw. ZAGADNIENIA (pytania). Szczegółowe zasady związane z wyborem i opracowaniem 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 Politechniki Warszawskiej, 1998. 3. Kolbiński K., Słowikowski J.: Materiałoznawstwo elektrotechniczne. Warszawa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 1998. 4. Kittel 0.: Wstęp do fizyki ciała stałego. Warszawa. PWN, 1976.