MATERIAŁY MAGNETYCZNE Rodzaje Diamagnetyki, Paramagnetyki, Ferromagnetyki Ferrimagnetyki Diamagnetyki magnetyzują się w bardzo słabym stopniu w kierunku przeciwnym do kierunku działania zewnętrznego pola magnetycznego. osłabiają działanie pola magnetyzacja ta jest proporcjonalna do natężenia pola zewnętrznego i niezależna od temperatury; Gazy szlachetne; miedź; srebro; cynk; złoto; węgiel; kadm; rtęć; ołów; itd Paramagnetyki magnetyzują się w bardzo słabym stopniu, lecz w kierunku zgodnym z kierunkiem działania zewnętrznego pola magnetycznego. nie osłabia go, ale wzmacnia w bardzo niewielkim stopniu. magnetyzacja ta jest na ogół proporcjonalna do zewnętrznego pola magnetycznego i odwrotnie proporcjonalna do temperatury bezwzględnej. Metale alkaliczne; platyna; magnez; aluminium; cyna; wanad; wolfram; itd M = X H Namagnesowanie: M namagnesowanie (moment magnetyczny jednostki objętości substancji) χ objętościowa podatność magnetyczna H natężenie pola magnetycznego. Ferromagnetyki Magnetyzują się bardzo silnie w kierunku zgodnym z kierunkiem działania zewnętrznego pola magnetycznego, Wzmacnia zewnętrzne pole magnetyczne, Przy okresowej zmianie kierunku pola magnetycznego wykazują własności histerezy (tzn. w mniejszym lub w większym stopniu zachowują magnetyzację po zaniknięciu zewnętrznego pola), Ten rodzaj magnetyzacji nie jest proporcjonalny do zewnętrznego pola magnetycznego i jest odwrotne proporcjonalny do różnicy temp. Bezwzględnej i punkt Curie charakterystyczną dla każdego materiału Żelazo; nikiel; kobalt, gadolin Podział: twarde zachowują stan namagnesowania pomimo zmian zewnętrznego pola magnetycznego, półtwarde zachowują stan namagnesowania, ale jest on stosunkowo łatwy do usunięcia. miękkie tracą zewnętrzne namagnesowanie po usunięciu pola magnetycznego zachowując jedynie namagnesowanie resztkowe znacznie mniejsze od maksymalnego, Materiały magnetycznie twarde Umowna grupa materiałów wykazujących własności ferromagnetyczne, dla których wartość natężenia koercji H C jest powyżej 10 ka/m (typowo powyżej 100 ka/m, do 24 MA/m). Materiały magnetycznie twarde nazywane są również magnesami trwałymi.
Stosuje się wszędzie tam, gdzie wymagane jest silne stałe pole lub indukcja magnetyczna. Wykorzystuje się je również w silnikach lub generatorach synchronicznych (szczególnie w elektrowniach wiatrowych) oraz w siłownikach elektromagnetycznych lub czujnikach. Stosunek Koercji do Indukcji magnetycznej, oraz optymalny punkt pracy magnesu Opis wykresu Energia magnetyczna magnesu (czerwona krzywa), obliczona jako iloczyn indukcji magnetycznej B i natężenia pola magnetycznego H dla krzywej odmagnesowania (niebieska krzywa) przechodzącej przez punkty remanencji B r i koercji B H C. Punkty B a i H a wyznaczają optymalny punkt pracy magnesu dla którego energia magnetyczna przyjmuje maksimum. Materiały magnetycznie miękkie umowna grupa materiałów wykazujących własności ferromagnetyczne, dla których wartość natężenia koercji H C jest poniżej 1000 A/m (H C przyjmuje tylko wartości dodatnie). Magnetyki miękkie stosuje się w maszynach elektrycznych do transformacji energii elektrycznej (transformatory), generacji energii elektrycznej (generatory, alternatory i prądnice) oraz zamiany energii elektrycznej w mechaniczną (silniki elektryczne). Znajdują one również szerokie zastosowanie do ekranowania magnetycznego i czujników magnetycznych. Pętle Histerezy Opis wykresu Rodzina pętli histerezy B=f(H) dla orientowanej blachy elektrotechnicznej, na wykresie zaznaczono remanencję B R oraz koercję H C Materiały magnetycznie półtwarde umowna grupa materiałów wykazujących własności ferromagnetyczne, dla których wartość natężenia koercji H C zawiera się w granicach 1 10 ka/m. Magnetyki półtwarde znajdują zastosowanie głównie do przechowywania informacji. Głównie są one wykorzystywane do:
pamięci magnetycznych, gdzie powierzchnia magnetyczna jest namagnesowana w kierunku dodatnich (logiczna jedynka) lub ujemnych (logiczne zero) wartości indukcji magnetycznej. Informacja może być kasowana lub zmieniana poprzez zmianę kierunku namagnesowania systemów zabezpieczeń towarowych, gdzie taśmy półtwarde mogą rezonować w polu elektromagnetycznym po rozmagnesowaniu (lub namagnesowaniu) zmienia się czestotliwość rezonansowa i tym samym można przenieść towar przez bramkę zabezpieczającą wszelkiego rodzaju czujników Pożądanymi parametrami materiału magnetycznie miękkiego są: duża przenikalność magnetyczna, pozwalająca uzyskać duże wartości indukcji magnetycznej przy użyciu małego prądu magnesowania jak najmniejsza stratność(pole objęte pętlą histerezy), pozwalająca na wysokosprawne przetwarzanie energii duża indukcja nasycenia, pozwalająca na uzyskanie jak największej siły mechaniczej (proporcjonalnej do kwadratu indukcji) duża rezystywność w celu zmniejszenia strat mocy powodowanych prądami wirowymi odpowiednie własnoście mechaniczne (w zależności od zastosowania) Pożądanymi parametrami materiału magnetycznie półtwardego są: duża wartość remanencji, ułatwiająca odczytywanie stanu (kierunku polaryzacji) namagnesowania odpowiednia wartość pola koercji pozwalająca na względnie łatwe przemagnesowanie, w zależności od aplikacji duża stabilność parametrów w zależności od temperatury duża odporność na zewnętrze warunki (np. korozję) odpowiednie własności mechaniczne Pożądanymi parametrami materiału magnetycznie twardego są: 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 Stopy metali ferromagnetycznych: Alnico zawierające Fe, Co, Ni, Al, Cu twarde ferryty, o składzie MOFe 12 O, gdzie MO jest zwykle tlenkiem baru lub strontu magnesy na bazie metali ziem rzadkich, przykładowe składy chemiczne to: Nd 2 Fe 14 B, SmCo 5.
Często spotykane materiały ferromagnetyczne Nazwa Magnesu Wygląd Skład chemiczny BaFe 12O 19 Remanencja (Br) zakres zakres Koercja (jhc) Gęstość energii (BH)max Gęstość kgs ka/m kj/m 3 g/cm 3 zakres Temp. Curie Max Temp. pracy o C C Ferrytowe (ceramiczne) lub 2,00 4,30 210 290 6,5 35,0 4,0 5,1 450 250 N e o d y m o w e SrFe 12O 1 Wiązane Nd 2 Fe 14B 4,0 8,0 7,0 17,0 Spiekane Nd 2Fe 14B 10,212,2 11,0 30,0 32 100 199 406 4,5 6,6 7,4 7,6 310 330 310 340 150 160 80 200 SmCo 5 Samarowo Kobaltowe lub 8,012,0 454 1432 127 255 8,0 8,5 700 800 250 Sm 2 Co 17 Alnico (odlewane) Związki glinu niklu kobaltu (AlNi Co). Gs 6800 13000 Oe 380 1750 9,0 72,0 6,9 7,3 810 860 450 550 Ferrytowe Przy produkcji magnesów anizotropowych operacja prasowania odbywa się w polu magnetycznym orientującym ziarna osiami łatwego namagnesowania wzdłuż linii sił pola. Metody wytwarzania tych magnesów są zbliżone do sposobów produkcji innych materiałów ceramicznych. W procesie wytwarzania izotropowych magnesów ferrytowych podczas prasowania nie stosuje się zewnętrznego pola magnetycznego. Wiązane W procesie produkcji magnetyczny proszek na bazie związku Nd 2 Fe 14 B spajany jest tworzywem sztucznym. Typ tworzywa wiążącego dobiera się w zależności od przewidzianej metody formowania magnesów. Neodymowe Produkcja Spiekane Wytwarzane są metodami metalurgii proszków. dzięki prasowaniu w polu magnetycznym lub obróbce plastycznej w podwyższonej temperaturze uzyskują strukturę anizotropową. Samarowo Kobaltowe Są one produkowane metodami metalurgii proszków, z reguły jako magnesy anizotropowe. Alnico Magnesy alnico mogą być produkowane metodami metalurgicznymi (odlewy) albo metalurgii proszków (spiekanie).
Każdy Magnes tworzy pole magnetyczne Natężenie pola magnetycznego wielkość wektorowa charakteryzująca pole magnetyczne. Indukcja magnetyczna jest definiowana przez siłę działającą na poruszający się ładunek elektryczny (noszącą nazwę siły Lorentza) siła działająca na ładunek elektryczny z powodu jego ruchu w polu magnetycznym [N] ładunek elektryczny prędkość ładunku indukcja Więc: JEDNOSTKA: tesla Jeżeli w pewnym obszarze na poruszający się ładunek działa siła określona przez następujący iloczyn wektorowy to w obszarze tym występuje pole magnetyczne o indukcji. Przenikalność magnetyczna jest to wielkość określająca zdolność danego materiału (ośrodka) do zmiany indukcji magnetycznej pod wpływem natężenia pola magnetycznego. Między ę indukcją ą magnetyczną B a natężeniem pola magnetycznego H zachodzi relacja: gdzie: to przenikalność magnetyczna ośrodka, wyrażona w henrach na metr.
Przenikalność Magnetyczna Schematyczne porównanie przenikalności: ferromagnetyka (μ f ) paramagnetyka (μ p ), próżni (μ 0 ) diamagnetyka (μ d ) Dodatkowe Pojęcia: domena magnetyczna ( obszar Weissa) obszar w którym spiny atomów pod działaniem sił wymiany porządkują się równolegle, a ich momenty magnetyczne ustawiają się zgodnie z osiami łatwego magnesowania kryształu. 2) małe obszary samorzutnego magnesowania(tworzą obwód zamknięty).jest to spowodowane dążeniem systemu do osiągnięcia jak najniższej sumarycznej energii magnetycznej. siły wymiany siły wzajemnego oddziaływania spinowych momentów elektronów prowadzące do spontanicznego uporządkowania orientacji spinów podatność magnetyczna Jest to cecha materiału, która porównuje własności magnetyczne danego materiału względem powietrza i mówi o ile dany materiał jest lepszy od powietrza;
separatory magnetyczne: Wałki magnetyczne inaczej nazywane separatory magnetyczne zbudowane z magnesów neodymowych w osłonie ze stali kwasoodpornej 1H18N9T. Wykorzystywane do konstruowania niezależnych separatorów magnetycznych. Z powodzeniem wykorzystywane w przemyśle spożywczym, przetwórstwie tworzyw sztucznych, ceramice i innych dziedzinach przemysłu, gdzie potrzebna jest separacja ferromagnetyczna materiałów sypkich i lejnych.