Referat Materiały Magnetyczne PDF

Preview

Summary

Download Referat Materiały Magnetyczne PDF

Description

UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNO-RZYRODNICZY IM. J. I J. ŚNIADECKICH W BYDGOSZCZY WYDZIAŁ TELEKOMUNIKACJI, INFORMATYKI I ELEKTROTECHNIKI

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA

REFERAT Temat referatu: MATERIAŁY MAGNETYCZNE

Autor referatu /imię i nazwisko/

Podpis autora referatu: ……………………………….

Grupa ćwiczeniowa

Spis treści 1.Wstęp..................................................................................................................................................3 2.Podział materiałów..............................................................................................................................3 2.1.Materiały diamagnetyczne...........................................................................................................3 2.2.Materiały paramagnetyczne.........................................................................................................3 2.3.Materiały ferromagnetyczne........................................................................................................4 3.Siły wymiany........................................................................................................................................4 4. Temperatura Curie..............................................................................................................................6 5.Pętla histerezy magnetycznej..............................................................................................................6 6.Przenikalność magnetyczna.................................................................................................................7 7. Literatura............................................................................................................................................7

2

1.Wstęp Materiały magnetyczne to grupa materiałów wykazujących właściwości magnetyczne. Wszystkie pierwiastki chemiczne oraz ich związki wykazują własności magnetyczne. Z punktu widzenia budowy mikroskopowej wszystkie materiały można podzielić na dwie grupy: zawierające w swojej strukturze oraz nie zawierające trwałych dipoli magnetycznych . Materiały ich nie zawierające zwane są diamagnetykami. Pozostałe materiały , których atomy wykazują własności trwałych dipoli magnetycznych, można podzielić w zależności od rodzaju i intensywności oddziaływań między dipolami na ciała paramagnetyczne, ferromagnetyczne, antyferromagnetyczne oraz ferrimagnetyczne.

2.Podział materiałów 2.1.Materiały diamagnetyczne Materiały diamagnetyczne, które magnetyzują się w bardzo słabym stopniu i w kierunku przeciwnym do kierunku działania zewnętrznego pola magnetycznego. Ten rodzaj magnetyzacji jest proporcjonalny do zewnętrznego pola magnetycznego. Przykładem materiałów tego typu są: gazy szlachetne, miedź, srebro, cynk, bizmut, złoto, węgiel, kadm, rtęć, ołów, siarka itd.[1] Namagnesowanie diamagnetyka jest proporcjonalne do natężenia pola magnetycznego, w którym się znajduje i nie zależy od temperatury. Jest ono zawsze bardzo słabe. Przyczyną diamagnetyzmu jest fakt, że zewnętrzne pole magnetyczne zmienia tor elektronów na orbitach (jakby indukuje w układzie prąd elektryczny), który powoduje powstanie pola magnetycznego skierowanego przeciwnie do pola zewnętrznego. Diamagnetyzm występuje we wszystkich substancjach, ale zwykle jest maskowany przez silniejszy paramagnetyzm. Wyjątkiem są przeważnie związki chemiczne posiadające wiązania wielokrotne lub układ aromatyczny. Chociaż efekt indukowania dipolowych momentów magnetycznych występuje we wszystkich materiałach, to jednak jest on tak niewielki, że zaobserwować go można jedynie w materiałach nie mających stałych dipolowych momentów magnetycznych. Materiały te nazwano diamagnetykami. Wypadkowe momenty magnetyczne dipoli indukowanych są skierowane przeciwnie do zewnętrznego pola magnetycznego. W innych materiałach momenty magnetyczne trwałych dipoli, skierowane zgodnie z zewnętrznym polem magnetycznym, są znacznie większe od dipoli indukowanych tak, że efekt diamagnetyczny się nie uzewnętrznia.

2.2.Materiały paramagnetyczne Materiały paramagnetyczne, które magnetyzują się również w niewielkim stopniu, lecz w kierunku zgodnym z kierunkiem działania zewnętrznego pola magnetycznego. Ten rodzaj magnetyzmu jest na ogół proporcjonalny do zewnętrznego pola magnetycznego i odwrotnie proporcjonalny do temperatury bezwzględnej. Przykładami takich materiałów są: metale alkaliczne, platyna, magnez, aluminium, cyna, wanad, wolfram itd.[1] Paramagnetyzm jest zjawiskiem magnesowania się makroskopowego ciała w zewnętrznym polu magnetycznym w kierunku zgodnym z kierunkiem pola zewnętrznego. Substancje wykazujące takie własności to paramagnetyki. Są one przyciągane przez magnes, jednak znacznie słabiej niż ferromagnetyki. W niezbyt niskich temperaturach oraz dla niezbyt silnych pól magnetycznych paramagnetyki wykazują liniową zależność namagnesowania od pola zewnętrznego. Wiele atomów i jonów ma stałe momenty magnetyczne. W nieobecności zewnętrznego pola magnetycznego momenty te ustawiają się na ogół chaotycznie i nie dają żadnego wypadkowego, makroskopowego namagnesowania. Jeśli w nieobecności pola magnetycznego atomy i jony obdarzone momentami magnetycznymi nie oddziałują magnetycznie wzajemnie na siebie, mamy do czynienia ze zjawiskiem paramagnetycznym. W polu magnetycznym natomiast występuje tendencja do porządkowania tych dipoli w kierunku pola, a zatem powstaje wypadkowe namagnesowanie. Ponieważ momenty ustawiają się w 3

kierunku pola, wypadkowy wektor polaryzacji rośnie i podatność magnetyczna ηm jest większa od zera. W rzeczywistych materiałach paramagnetycznych nie 1nożna rozdzielić wpływów efektów paramagnetycznych i diamagnetycznych na wartość podatności magnetycznej. Działąją one w przeciwnych kierunkach, sumując się z przeciwnymi znakami. W mierzonej wartości podatności magnetycznej zawarty jest udział efektu diamagnetycznego. Materiały paramagnetyczne charakteryzują się dodatnimi, bliskimi zeru wartościami podatności magnetycznej. Dla wielu zastosowań inżynierskich można przyjąć, że podatność magnetyczna materiałów paramagnetycznych jest równa zeru.

2.3.Materiały ferromagnetyczne Materiały ferromagnetyczne, które magnetyzują się w bardzo silnym stopniu i w kierunku zgodnym z kierunkiem działania zewnętrznego pola magnetycznego oraz wykazują przy okresowej zmianie kierunku pola własności histerezy (tj. zachowują w mniejszym lub większym stopniu magnetyzację po zaniku zewnętrzne go pola). Ten rodzaj magnetyzmu nie jest proporcjonalny do zewnętrznego pola magnetycznego i jest odwrotnie proporcjonalny do różnicy ( T - Θ ), gdzie T jest temperaturą bezwzględną, a Θ - temperaturą krytyczną (punkt Curie), charakterystyczną dla danego materiału . Typowymi przykładami takich materiałów są: żelazo, nikiel i kobalt. Własności ferromagnetyczne wykazuje również kilka cięższych pierwiastków w grupie lantanowców. Istnieje grupa materiałów, należą do niej przede wszystkim Fe, Ni i Co, która charakteryzuje się szczególnie wysoką wartością podatności magnetycznej, wiele rzędów wyższą niż podatność materiałów paramagnetycznych. Materiały te nazwano materiałami ferromagnetycznymi. Podstawowym warunkiem wystąpienia ferromagnetyzmu jest istnienie w materiale nieskompensowanych spinowych momentów magnetycznych, które mogą występować tylko w atomach z nie zapełni onymi powłokami. Jest to jednak warunek konieczny, ale nie wystarczający, ponieważ nie zapełnione powłoki mają także pierwiastki nie wykazujące ferromagnetyzmu. Drugim warunkiem zaistnienia zjawiska ferromagnetyzmu jest występowanie w strukturze materiału tzw. ił wymiany o odpowiednio dużej wielkości.

Rys.1 Zachowanie się materiałów o różnych własnościach magnetycznych w polu magnetycznym: a) pole magnetyczne; b) diamagnetyk; c) paramagnetyk; d) ferromagnetyk [1]

3.Siły wymiany Zjawiska paramagnetyczne i diamagnetyczne występują głównie w takich układach, w których poszczególne atomy nie oddziałują ze sobą. W rezultacie, kierunek momentu magnetycznego określonego atomu nie zależy od kierunków momentów magnetycznych 4

atomów sąsiednich. W pewnych ciałach stałych wzajemne oddziaływanie atomów wpływa w zasadniczym stopniu na ich własności magnetyczne. Najczęściej są to ciała krystaliczne, w których atomy tworzą periodyczną, ciasno upakowaną sieć przestrzenną. Mechanika kwantowa wskazuje, że w układzie, w którym elektrony oddziałują na siebie siłami elektrycznymi, najbardziej trwały, o najniższej energii stan wystąpi, gdy ich momenty spinowe będą skierowane zgodnie. Siły wzajemnego oddziaływania spinowych momentów elektronów prowadzące do spontanicznego uporządkowania orientacji spinów noszą nazwę sił wymiany, a chrakteryzująca je energia – energii wymiany lub też całki wymiany. Wielkość energii wymiany zależy silnie od odległości między atomami. Gdy atomy są od siebie znacznie bardziej oddalone niż ma to miejsce w sieci krystalicznej, siły wymiany są znikomo małe i ferromagnetyzm nie występuje - ciało ma własności paramagnetyczne (Rys. 2). Przy zbliżaniu atomów siły te rosną i zaczynają oddziaływać porządkująco na magnetyczne momenty elektronów. Przy dalszym zbliżeniu , magnetyczne momenty spinowe ustawiają się coraz bardziej zgodnie. Wartości sił wymiany przechodzą przez maksimum. W jego otoczeniu powstaje układ charakterystyczny dla ferromagnetyzmu. Przy jeszcze mniejszych odległościach spiny ustawiają się przeciwsobnie – energia wymiany staje się ujemna. Stan taki charakteryzuje antyferromagnetyki. Na rysunku 5.21-1 przedstawiono zmianę Rys.2 Zależność energii wymiany A od odległości energii wymiany A w atomach siatek międzyatomowej a oraz promienia nie zapełnionej orbity r krystalicznych kilku pierwiastków ze [1] zmianą wartości a Ir, gdzie: a oznacza odległość między sąsiednimi atomami w krysztale, zaś r - promień orbity nie wypełnionej podpowłoki elektronowej atomu. Rysunek wskazuje, że podstawowe pierwiastki ferromagnetyczne (Fe, Ni, Co) mieszczą się w zakresie 3 < alr 3).

4. Temperatura Curie Wszystkie materiały ferromagnetyczne charakteryzuje określona temperatura, zwana temperaturą Curie lub punktem Curie Θc , przy której energia drgań cieplnych atomów jest już tak duża, że wystarcza do całkowitego unicestwienia spontanicznego namagnesowania materiału. Jest to więc temperatura, do której podgrzany ferromagnetyk traci swoje własności i staje się paramagnetykiem. w Tablicy 2 zestawiono wartości Θc dla ferromagnetyków. Tablica 2 [1]

5.Pętla histerezy magnetycznej. Jeżeli po namagnesowaniu próbki ferromagnetyka będziemy zmniejszać wartość H , okażę się, że powstająca teraz zależność B(H) nie pokrywa się z pierwotną krzywą magnesowania (Rys. 3 ). Wielkość B zmniejsza ę wolniej i przy H = O pozostaje wartość niezerowa indukcji magnetycznej Br> O. Żeby ją zlikwidować należy wytworzyć przeciwnie skierowane zewnętrzne pole magnetyczne - H c. Gdy będzie ono w dalszym ciągu zwiększane, indukcja osiągnie wartość nasycenia - Bn. Krzywa między Bn i - Bn tworzy górną połowę symetrycznej względem początku układu współrzędnych pętli zwanej pętlą histerezy. Nazwa histereza (gr. hysteresis - pozostawanie w tyle) generalnie określa zjawiska polegające na tym, że zmiana parametrów charakteryzujących stan układu, wywołana zmianami czynników zewnętrzych, zależy od stanów poprzedzających dany stan. Tak więc zależność indukcji magnetycznej od zewnętrznego pola magnetycznego nie jest jedoznacznie określona – zależy ona od tego czy jest ona magnesowana czy rozmagnesowywana.

Rys. 3 Pętla histerezy

6

6.Przenikalność magnetyczna Własności magnetyczne wszelkich materiałów są scharakteryzowane przez ich podatność magnetyczną ηm lub przenikalność magnetyczną względną µ w. Wartości przenikalności magnetycznej względnej materiałów diamagnetycznych są nieco mniejsze od jedności , materiałów paramagnetycznych - nieco większe od jedności, a materiałów ferromagnetycznych - znacznie większe od jedności(Tablica 3). Tablica 3

Wartości względnych przenikalności magnetycznych niektórych materiałów

9.Podsumowanie Dla scharakteryzowania właściwości materiałów magnetycznych stosowanych na rdzenie różnorakich elementów w urządzeniach, aparatach i maszynach elektrycznych oraz w układach elektronicznych i energoelektronicznych istnieje potrzeba zdefiniowania i określenia wartości wielu parametrów. Ich liczbę powiększa fakt silnej nieliniowości między wielkościami charakteryzującymi te materiały. Znajomość parametrów pozwala projektantom urządzeń przewidzieć dokładniej jak zachowa się materiał i pomóc im projektować bardziej sprawne energetycznie i tańsze produkty końcowe, także poprzez optymalizację wykorzystania materiałów magnetycznych. Jedną z podstawowych wielkości określających ich jakość jest stratność. Straty energii elektrycznej w rdzeniach transformatorów budowanych z taśm amorficznych wynoszą zaledwie ok. 25% strat w rdzeniach z materiału konwencjonalnego. Uwzględniając ten fakt, wymiana wszystkich rdzeni w transformatorach rozdzielczych w Stanach Zjednoczonych pozwoliłaby zaoszczędzić 23 mld kWh (lub 1,2 mld dolarów) , co wystarcza do zasilania w ciągu roku kilkusettysięcznego miasta.

8. Literatura [1] Celiński Z. „Materiałoznawstwo elektrotechniczne”-Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej , Warszawa 1998.

7...