Ferenc sprawozdanie PDF

Preview

Summary

Magnetyzm, małei duże pole magnetyczne...

Description

Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Materiałowej

Laboratorium Metod Badań Materiałów 2 Ćwiczenie nr 6: Własności magnetyczne materiałów magnetycznie miękkich

Igor Kalinowski Marcin Lipiński Paweł Moroz WIM 3.2

Wstęp. Wszystkie zjawiska fizyczne związane z oddziaływaniem pola magnetycznego na umieszczone w nim obiekty określa się zbiorczo mianem magnetyzmu. Pole magnetyczne jest konsekwencją ruchu ładunku elektrycznego i jest przejawem szerszego zjawiska jakim jest elektromagnetyzm. Podstawową wielkością fizyczną określającą właściwości magnetyczne materiału jest magnetyzacja:

M=

∆m ∆V

Gdzie Δm – magnetyczny moment dipolowy cząstki substancji, natomiast ΔV – objętość cząstki. Magnetyzacja jest związana z indukcją magnetyczną zależnością:

B=μ0 (H +M ) Gdzie µ0 – przenikalność magnetyczna próżni oraz H – natężenie pola magnetycznego. Ze względu na właściwości magnetyczne materiały można podzielić na: o o

Diamagnetyki. Paramagnetyki.

o

Ferromagnetyki.

Diamagnetyki nie wykazują samorzutnych właściwości magnetycznych. Jednakże pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego elektrony na orbitach tworzących diamagnetyk atomów zmieniają tory ruchu. Powoduje to indukowanie się wewnętrznego przeciwnie skierowanego pola magnetycznego. Diamagnetykami są m.in. gazy szlachetne, miedź oraz substancje organiczne. Paramagnetyki są to substancje posiadające niesparowane elektrony. Wskutek działania zewnętrznego pola magnetycznego następuje porządkowanie ich spinów i ciało magnesuje się zgodnie z kierunkiem pola. Po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego, paramagnetyki nie wykazują remanencji magnetycznej. Przykładami paramagnetyków jest cząsteczka tlenu, sód, platyna i aluminium. Ferromagnetyki są zbudowane z obszarów zwanych domenami magnetycznymi, które wykazują własne namagnesowanie. Domeny mogą zmieniać kształt oraz wielkość i są od siebie oddzielone tzw. ścianami domenowymi. Domen nie należy utożsamiać z ziarnami w materiałach metalicznych. Dipole magnetyczne sąsiadujących domen są zorientowane antyrównolegle, przez co ferromagnetyki nie wykazują wypadkowego momentu magnetycznego. Sytuacja ta może ulec zmianie, gdy ferromagnetyk zostanie umieszczony w zewnętrznym polu magnetycznym. Magnesowanie rozpoczyna się od rozrastania się domen zorientowanych w kierunku zbliżonym do kierunku zewnętrznego pola magnetycznego. Dopiero wówczas powiększone domeny o innych kierunkach pierwotnego namagnesowania obracają się. Istnienie domen magnetycznych jest związane z dążeniem układu do osiągnięcia jak najniższej energii. Przykładami ferromagnetyków jest żelazo, nikiel, kobalt. Ważną właściwością, którą wykazują ferromagnetyki jest remanencja magnetyczna. Polega ona na istnieniu magnetyzacji materiału po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego. Ze względu na wielkość remanencji materiały dzieli się na magnetycznie miękkie i twarde. Wielkość ta jest jednym z

głównych parametrów charakteryzujących magnesy trwałe. Z remanencją jest związane zjawisko histerezy magnetycznej, które przedstawia rysunek poniżej.

Rysunek 1. Pętla histerezy magnetycznej materiału ferromagnetycznego: MR – pozostałość magnetyczna (remanencja), HC – pole koercji.

Powyższy wykres prezentuje pętlę histerezy. Pole powierzchni obszaru ograniczonego pętlą jest miarą strat energii związanych z magnesowaniem i rozmagnesowywaniem materiału. Początkowo magnetyzacja intensywnie rośnie wraz ze wzrostem natężenia zewnętrznego pola magnetycznego. Na tym etapie dominującym mechanizmem tego wzrostu jest ruch ścian domenowych. Następnie szybkość magnetyzacji spada i osiąga stan nasycenia nazywany magnetyzacją nasycenia MS. Po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego magnetyzacja ciała maleje do wartości MR tj. remanencji. Całkowite rozmagnesowanie ciała wymaga przyłożenia przeciwnie skierowanego zewnętrznego pola magnetycznego o natężeniu wynoszącym HC nazywanym polem koercji. Dalsze działanie pola magnetycznego doprowadzi do osiągnięcia przez ciało magnetyzacji nasycenia – MS, a jego usunięcie i przyłożenie pola magnetycznego o kierunku zgodnym z pierwotnym spowoduje ponowną magnetyzację do wartości magnetyzacji nasycenia. Materiały magnetycznie miękkie wykazują pętle histerezy o małym polu powierzchni, w przeciwieństwie do materiałów magnetycznie twardych. Występowanie zjawiska histerezy w ferromagnetykach jest związane z istnieniem trzech rodzajów anizotropii: o

Magnetokrystalicznej.

o o

Magnetosprężystej. Kształtu.

Anizotropia magnetokrystaliczna jest związana z występowaniem kierunków łatwego i trudnego magnesowania w kryształach. Wektor momentu magnetycznego jest w czasie magnesowania obracany w kierunku zewnętrznego pola magnetycznego i pokrywa się z różnymi kierunkami krystalograficznymi. Ustawienie w kierunku łatwej magnetyzacji wymaga mniejszych nakładów energii.

Anizotropia magnetosprężysta jest związana z istnieniem naprężeń wynikający z przeprowadzonej obróbki plastycznej. Naprężenia powodują zmianę w oddziaływaniach między atomami, co prowadzi do zmiany kształtu histerezy – jej zwężenie lub poszerzenie. Miarą anizotropii magnetosprężystej jest współczynnik KMS:

3 K MS = |σ λ| , 2 gdzie:

σ – wartość naprężeń obecnych w ferromagnetyku, λ=

∆l l

– współczynnik magnetostrykcji, obliczany jako iloraz zmiany długości materiału

umieszczonego w polu magnetycznym od jego długości początkowej Anizotropia kształtu związana jest z geometrią przedmiotu wykonanego z materiału ferromagnetycznego. Kształt ma wpływ na układ linii i wartość pola demagnesującego H d. Obecność zjawiska demagnetyzacji utrudnia pomiar właściwości magnetycznych, ponieważ powoduje odchylanie się pętli histerezy. Wpływ anizotropii kształtu minimalizuje się wytwarzając próbki o długości kilkunastokrotnie przekraczającej wymiary jej przekroju lub wytwarzając próbki w kształcie pierścienia. Wówczas demagnetyzacja jest praktycznie wyeliminowana.

Metodyka. Podczas ćwiczeniu został przeprowadzony pomiar właściwości magnetycznych próbek wytworzonych z następujących materiałów:     

Szkło metaliczne F5 Szkło metaliczne AMM Permaloj P50 o długościach 300mm, 150mm, 75mm i 37,5mm Permaloj P54 walcowany oraz wyżarzany Permaloj P54 wyżarzany

Wymiary próbek zostały zmierzone suwmiarką w celu wyznaczenia pola przekroju, które było potrzebne do wykonania pomiarów. Próbki były w postaci długich, cienkich taśm, ze względu na anizotropię kształtu. Próbki po wyżarzaniu miały wystarczająco duże ziarna, by można je było dostrzec nieuzbrojonym okiem. Szkło metaliczne oznaczone jako F5 miało skład Fe78Si13B9, a szkło metaliczne oznaczone jako AMM składało się z fazy Co71,5Fe2,5Mn2Mo1Si9B14. Permaloj P50 jest stopem o składzie 50% Ni, 50% Fe, a stop P54 ma skład 54%Ni, 45,5%Fe i 0,5%Mn. Pomiar właściwości magnetycznych polegał na umieszczeniu próbek cewce stanowiącej źródło przykładanego pola magnetycznego i mierzenia zmian magnetyzacji próbki w wyniku zmiany zewnętrznego pola. W wyniku analizy komputerowej danych wykreślono pętle histerezy próbek i wyliczono ich magnetyzację oraz pole koercji.

Wyniki i ich omówienie.

H [A/m]

P 50 małe pole magnetyczne

-800

-600

-400

10000 8000 6000 4000 2000 0 -200 0 -2000 -4000 -6000 -8000 -10000

200

400

600

800

37,5 mm 75mm 150 mm 300 mm

M [Gs] M [Gs]

W trakcie doświadczenia użyto dwóch różnych cewek generujących odpowiednio małe i duże pole magnetyczne. Poniższe wykresy przedstawiają zestawienia pętli histerezy uzyskanych podczas obu Wykres 1 Magnetyzacja próbek wykonanych z P50 w małym polu magnetycznym

pomiarów w poszczególnych grupach próbek.

Wykres 2 Magnetyzacja próbek z P50 w dużym polu magnetycznym

P54 15000 10000

H[A/m]

5000 0

-40000 -30000 -20000 -10000 0 -5000

10000 20000 30000 40000

-10000 Wy

-15000

M [Gs]

Wykres 4 Magnetyzacja szkieł metalicznych w małym polu magnetycznym

Wykres 5 Magnetyzacja szkieł metalicznych w dużym polu magnetycznym

Wyżarzony i walcowany wyżarzony

ło F5 ło AMM

Program komputerowy użyty do przeprowadzenia pomiaru na podstawie danych wstępnych obliczył też maksymalną magnetyzację próbki (M max) i jej pole koercji (Hc). Obrazuje to poniższa tabela (tabela 1) P54 w Duże pole Małe pole

M max [Gs] Hc [A/m] M max [Gs] Hc [A/m]

P54 ww

11856 -

11667 -

F5

AMM 8506 6,85 4727 24,01

5587 0,39 5004 1,01

P50 37,5 10864 84,53 1901 31,34

P50 75 12135 40,61 5608 36,86

P50 150

12601 12481 21,59 49,56 7800 9946 62,91 80,53

Tabela 1 magnetyzacja i pole koercji próbek

Na wykresie 1 i wykresie 2 dostrzec można duże zależności w kształcie pętli od długości próbki. Wykresy próbek długości 150mm i 300mm praktycznie się pokrywają, jednak próbki o rozmiarach 75mm i 37,5mm znacząco od nich odbiegają, zwłaszcza przy przyłożeniu małego pola. Jest to spowodowane oddziaływaniem ze sobą dwóch powstających na przeciwległych końcach próbki biegunów magnetycznych, których oddziaływanie stanowi błąd pomiarowy i maleje wraz odległością. Oddziaływanie to jest tak mocne, że w przypadku próbki o długości 37,5mm w dużym polu magnetycznym nie doszło do osiągnięcia magnetyzacji wysycenia. W przypadku zastosowania małego pola magnetycznego również można dojść do wniosku, że nie osiągnięto magnetyzacji nasycenia, na co wskazuje różna maksymalna wartość magnetyzacji w tym samym stopie. Wykres 3 przedstawia wykres magnetyzacji stopu P54 w dwóch stanach. Z porównania wykresów oraz analizy danych z tabeli 1, wyprowadzić można obserwację, iż proces walcowania ulega łatwiejszemu przemagnesowaniu, o czym świadczy łagodniejszy przebieg pętli histerezy oraz niższe M max. Przebieg wykresu magnetyzacji szkła metalicznego F5 w porównaniu ze szkłem AMM na wykresie 4 pokazuje, że szkło F5 nie osiągnęło wartości nasycenia, za to została przez nie osiągnięta w polu dużym. W przypadku szkła AMM wartość została osiągnięta w obu polach. W dodatku wartość pola magnetyzacji szkła AMM jest niższa w dużym polu niż szkła F5. Szkło F5 cechuje się też mniej ostrym przebiegiem pętli histerezy.

Wnioski. 





P50 300

W badaniach właściwości magnetycznych istotnym jest by pamiętać o odpowiednim dobraniu parametrów próbek i procesów, aby uniknąć dyskwalifikujących pomiar błędów jak miało to miejsce w przypadku badania stopu P50. Wyżarzanie bez procesu walcowania powoduje rozrost ziaren próbki, co przekłada się na zmianę właściwości magnetycznych próbki i utrudnienie jej przemagnesowania w wyniku działania anizotropii magnetokrystalicznej. Szkła metaliczne AMM nadają się gorzej od szkieł F5 na transformatory ze względu na trudniejsze ich przemagnesowywanie, jednak ich niższa wartość magnetyzacji wysycenia powoduje, że mogą działać w szerszym zakresie pól magnetycznych....