Magnetyki

Każdy elektron wirujący po orbicie posiada orbitalny moment magnetyczny (rys.a), którego wektor jest prostopadły do płaszczyzny orbity.

Z wirowaniem elektronu wokół własnej osi związane jest istnienie momentu magnetycznego spinowego (rys.b).

W zjawiskach magnetycznych zachodzących w magnetykach decydujaca rolę odgrywają magnetyczne momenty spinowe.

Podział i podstawowe własności materiałów pod względem magnetycznym.

- 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 to temperatury bezwzględnej. Przykładami takich materiałów są: metale alkaliczne oraz platyna, magnez, aluminium itd.

Podział i podstawowe własności materiałów pod względem magnetycznym.

Układ posiada minimum energii. Sąsiadujące domeny są podzielone warstwami przyściennymi tzw. Ścianki Blocha o grubości 30m.

Przy działaniu zewnętrznego pola magnetycznego scianki Blocha w miarę wzrostu natężenia pola magnetycznego przesuwają się az do ich zupełnego zaniku. Tworzy się jedna domena o kierunku namagnesowania najbardziej zbliżonym do kierunku wektora H.

Pętla histerezy magnetycznej.
Po namagnesowaniu ferromagnetyku zmniejszamy wartość H przez co powstaje zależność B(H) nie pokrywa się ona z pierwotna krzywa magnesowania. B zmniejsza się wolniej i przy H=0 pozostaje wartość indukcji magnetycznej Br większa od 0. Żeby ja zlikwidować należy wytworzyć przeciwne zewnętrzne pole magnetyczne -Hc. Jeżeli będzie ono zwiększane indukcja osiągnie wartość nasycenia -Bn. Krzywa łącząca Bn i -Bn tworzy górna polowe symetrycznej względem początku układu współrzędnych pętli zwanej pętla histerezy. Kształt i wielkość pętli histerezy zależy od składu i własności materiałów magnetycznych.

Wielkości charakterystyczne:
Br- pozostałość magnetyczna
Hc- natężenie powściągające
Hnas,Bnas- pole i indukcja nasycenia.

Przenikalność magnetyczna - rodzaje i sposoby wyznaczania

normalna ( statyczna) odnosi się do pierwotnej krzywej magnesowania. Dla określonego punku pracy P na krzywej przenikalność jest równa m =B/H=tga i jest równa tangensowi kata nachylenia prostej przeprowadzonej przez początek układu współrzędnych i punkt pracy P. Jej wartość zmienia się od wartości minimalnej m =tga p odpowiadającej nachyleniu krzywej w początkowym punkcie charakterystyki do wartości maksymalnej m =tga m. Przy dalszym zwiększaniu H wartość m zbliża się asymptotycznie do m o- przenikalność magnetyczna próżni.

Przenikalność magnetyczna - rodzaje i sposoby wyznaczania

różniczkowa. Definiuje ją zależność md

określa ona tangens kąta nachylenia stycznej do krzywej magnesowania w punkcie pracy P. Porównanie przenikalności normalnej i różniczkowej wykazuje że m m<m d gdyż a max < b max wartości początkowe są natomiast takie same. Dla dużych H wartość md zbliża się asymptotycznie do m0 .

Przenikalność magnetyczna - rodzaje i sposoby wyznaczania

odwracalna(przyrostowa).Mamy z nią doczynienia w przypadku nałożenia na duże stałe pole H, niewielkiego pola zmiennego pola magnetycznego D H. Wartość tej przenikalności jest zazwyczaj mniejsza od poprzednich.

Przenikalność magnetyczna - rodzaje i sposoby wyznaczania

Zależność trzech rodzajów przenikalności od natężenia pola magnetycznego.

Temperatura Curie (punkt Curie %)- temperatura przy której energia drgań cieplnych atomów jest tak duża ze wystarcza do całkowitego unicestwienia spątanicznego namagnesowania się materiału. Ferromagnetyk w tej temperaturze traci swoje własności i staje się paramagnetykiem.

Temperatura Curie dla: Fe=765 0C, Co=1075 0C, Ni=356 0C.

Ferromagnetyki charakteryzuje anizotropia magnetokrystaliczna np. kryształ żelaza mający kształt sześcianu ma trzy kierunki wzdłuż których może zachodzić magnesowanie kierunkiem uprzywilejowanym jest kierunek 100- magnesowanie zachodzi najłatwiej, najtrudniej magnesowanie zachodzi w kierunku 111(dla atomu Fe). Wektor namagnesowania dąży do kierunku łatwego magnesowania. Energia wymagana do obrócenia wektora pola mag. z kierunku łatwego magnesowania do kierunku trudnego magnesowania nazywa się energia anizotropii magnetokrystalicznej.

Straty w ferromagnetykach - rodzaje i sposoby wyznaczania.

Straty w ferromagnetykach możemy podzielić na straty w na histerezę
D Ph i straty na prądy wirowe D Pw. Jeżeli straty te odniesiemy do masy rdzenia otrzymamy wielkość nazywaną stratnością D pFe magnetyczną , która jest stosunkiem strat mocy w ferromagnetyku D PFe do jego masy.
D pFe=D pw+D ph

Straty na histereze. Energia pola magnetycznego zużywana na zmianę orjętacji domen Weissa wydzielana w postaci ciepła w ferromagnetyku wyraża się wzorem.

W praktyce używane są straty na histerezę proporcjonalne do częstotliwości prądu magnesowania (tj. liczby obiegów pętli histerezy w jednej sekundzie ) oraz od kwadratu amplitudy indukcji magnetycznej Bm i odniesiona do jednostki masy materiału.

Klasyfikacja materiałów magnetycznych.

Cechą odróżniającą te grupy jest szerokość pętli histerezy, co łączy się z diametralną różnica własności.

Materiały mag. miękkie maja wąską pętle histerezy ,natężenie powściągające Hc do 80 A/m.
Magnesują się i rozmagnesowują łatwo pod wpływem zewnętrznego pola mag. Histereza wywołuje w tych materiałach niewielkie straty energii. Zastosowanie: na rdzenie elektromagnesów prądu stałego, oraz na obwody pracujące przy okresowo zmiennym strumieniu magnetycznym
( transformatory, dławiki, maszyny elekt., elektromagnesy prądu zmiennego ).

Materiały magnetycznie twarde mają dużą ( szeroką ) pętlę histerezy, raz namagnesowane do nasycenia zachowują trwałe własności magnetyczne. Dlatego używa się ich do budowy magnesów trwałych różnego rodzaju.

Klasyfikacja materiałów magnetycznych.
Rodzaje materiałów magnetycznych miękkich.
1.Czyste odmiany żelaza (doskonały materiał magnetyczny miękki ):
- żelazo elektrolityczne tj. oczyszczone w procesie elektrolizy. Służy ono jako surowiec do wyrobu b. czystych odmian żelaza przez przetapianie w wodorze.
- żelazo karbonylkowe, uzyskiwane w postaci proszku przez termiczny rozkład pięciokarbonylku żelaza. Wykorzystywane do wytwarzania rdzeni proszkowych.
- żelazo armco (stal niskowęglow a), stosowana w miernikach, przekaźnikach itp.

2.Stale krzemowe (elektrotechniczne blachy magnetyczne ). Dodatek kilku procent krzemu znakomicie polepsz własności magnetyczne stali prowadząc do:
- zwiększenia rezystywności materiału, co zmniejsza straty na prądy wirowe,
- zmniejszenia wartości Hc, co odpowiada zwężeniu pętli histerezy i zmniejszeniu strat na histerezę,
- zwiększenie przenikalności początkowej i maksymalnej,

- znacznego zwiększenia stabilności charakterystyk magnetycznych materiału.

Wady: zmniejszenie indukcji nasycenia oraz zwiększenie twardości blach. Stosowana w transformatorach i prądnicach.

3.Stal krzemowa zimnowalcowana . Blachy walcowane na zimno dzieli się na:
- orientowane - mają one lepszą magnesowalność (wyższe B przy określonym H) i mniejszą stratność w kierunku walcowania. Są one bardzo czułe na naprężanie mechaniczne i zgnioty i w czasie poddawania ich naciskowi znacznie pogarszają się ich własności magnetyczne. Używa się ich do wytwarzania rdzeni transformatorów energetycznych, rzadziej na rdzenie dwubiegunowe maszyn wirujących.
- nieorientowane - mają one własności izotropowe i stosuje się je w silnikach i generatorach. Są one znacznie tańsze od blach orientowanych.

4.Stale bezkrzemowe . Wyroby ze stali bezkrzemowych wytwarzane są w postaci walcowanych na zimno, nieorientowanych blach i taśm. Zawartość węgla nie przekracza 0.3% przy obecności niewielkich ilości Mn, Mo, V i S. Są tańsze od blach krzemowych, charakteryzują się b. dobrą magnesowalnością, wysokim współczynnikiem wypełnienia i dobrą wykrawalnością. Stosuje się przede wszystkim w wirujących maszynach małej mocy.

5.Stopy żelazo-niklowe. Zawartość niklu od 30 do 80%, zwane są potocznie "permalojami", wytwarza się je w postaci taśm o grubości 0.05-0.35 mm. Mają one większą przenikalność magnetyczną niż stale krzemowe i małe straty na prądy wirowe. Stąd używa się ich przede wszystkim do budowy rdzeni pracujących prze wyższych częstotliwościach. Wada: znacznie droższe od blach ze stali krzemowej.

Rodzaje materiałów megnetycznych twardych.
1.Stal węglowa, zawiera ok. 1% C, odpowiednio zahartowana po uprzednim uformowaniu przez obróbkę plastyczną i wiórową, stosowana na magnesy trwałe o dużych wymiarach, jak również na magnesy małych maszyn synchronicznych. Wady: duża wrażliwość na wstrząsy oraz nagrzewanie.

2.Stal wolframowa o zawartości kilku procent W, jest materiałem stosunkowo drogim, używanym w licznikach indukcyjnych, maszynach elektrycznych, induktorach.

3.Stal kobaltowa o zawartości do 36% Co. Jest to materiał drogi używany na magnesy w przekaźnikach, miernikach magnetoelektrycznych, głośnikach i słuchawkach.

4.Stopy typu Fe-Al.-Ni (Alni) oraz Fe-Al.-Ni-Co (Alnico). Są to materiały twarde i kruche o stabilnych własnościach magnetycznych nawet w podwyższonej temperaturze. Stosowane w przyrządach pomiarowych, przekaźnikach, maszynach, licznikach, przetwornikach akustycznych, głośnikach itd. Materiał tani.

Magnetodielektyki i ferryty.

1.Magnetodielektryki są kompozycjami materiału magnetycznego z dielektrykiem. Stosowane są zwykle w postaci tzw. Rdzeni proszkowych w cewkach wysokiej częstotliwości, wykonanych z proszków ferromagnetyków metalicznych, spojonych utwardzoną żywicą. Mają wł. Materiałów magnetycznych miękkich. Charakteryzują się dużą rezystywnością, małą stratnością, małą przenikalnością magnetyczną, znaczną niezależnością przenikalności magnetycznej od natężenia pola magnetycznego i niewielką zależnością m od częstotliwości. Stosowane są na rdzenie cewek obwodów wysokiej częstotliwości od 20 kHz do kilku MHz.

2.Ferryty są materiałami o własnościach ferrimagnetycznych. Są one tlenkami metali, a więc ceramikami o własnościach charakterystycznych dla materiałów ceramicznych; są: twarde, kruche, trudno obrabialne, źle przewodzą elektryczność.

- ferryty magnetycznie miękkie stosuje się w transformatorach, dławikach, filtrach małej i wielkiej częstotliwości, przełącznikach elektronicznych, pamięciach magnetycznych, w telefonii, technice TV i technice wielkiej częstotliwości.

- ferryty magnetycznie twarde stosuj e się w magnesach trwałych, głośnikach, sprzęgłach, mikrosilnikach, w technice impulsowej i technice wielkiej częstotliwości.

2