Materiały magnetycznie miękkie - badania wybranych własności magnetycznych.pdf - Materiały magnetyczne - goooooosiaq

ĆWICZENIE 2

MATERIAŁY MAGNETYCZNIE MIĘKKIE.

BADANIA WYBRANYCH WŁASNOŚCI MAGNETYCZNYCH

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 wierz-

chołków obiegu histerezy przy różnych natężeniach pola. Krzywa ta jest zbliżona do krzywej

pierwotnej;

•

idealną krzywą magnesowania powstającą przez nałożenie na każdorazowo stałe pole magne-

sujące pola przemiennego.

Rys. 2.1. Krzywe magnesowania. 1 - obieg histerezy; 2 - krzywa

normalna i pierwotna; 3 - krzywa idealna: B r - pozostałość magne-

tyczna; H c – natężenie powściągające.

W praktyce najczęściej korzysta się z pierwotnej lub

normalnej krzywej magnesowania.

Maksymalna wartość magnetyzacji i przenikalności ma-

gnetycznej względnej należą do podstawowych wielko-

ści charakteryzujących materiał magnetyczny. Wartość

natężenia powściągającego decyduje o podziale materia-

łów 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 kla-

syczną twardością mechaniczną.

Na rys. 2.2. pokazano normalną krzywą magnesowania stalowej blachy używanej do budowy ob-

wodu 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.

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 magnetowo-

dów w transformatorach i silnikach elektrycznych) powinny oznaczać się znaczną wartością in-

dukcji nasycenia (magnetyzacją), wąską pętlą histerezy (mała stratność na histerezę), dużą rezy-

stywnością (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 sła-

bych sygnałów magnetycznych z twardych dysków PC. W tym przypadku najważniejszą jest duża

przenikalność magnetyczna początkowa (w pobliżu H = 0) materiału i odpowiednio duża jego re-

zystywność 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 przy-

padku urządzeń elektroenergetycznych (magnetowody transformatorów) oraz materiały magne-

tyczne 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 od-

różnieniu od magnetostrykcji prostej określającej wpływ zmian pola magnetycznego na napręże-

nia mechaniczne w materiale magnetycznym lub na jego odkształcenia.

Rys. 2.3 Diagram przedstawiający podstawowe grupy materiałów magnetycznie miękkich.

1 000 000

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 róż-

nych aktualnie produkowanych materiałów magnetycznie miękkich. Dane orientacyjne

W komórce elementarnej kryształu materiałów magnetycznie miękkich występuje anizotropia wła-

sności magnetycznych, z uprzywilejowaniem pewnych kierunków krystalograficznych. Np. w niklu

jest to kierunek przekątnej przestrzennej sześcianu [111], w żelazie kierunek równoległy do krawę-

dzi 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 ferro-

magnetykach 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 materia-

łów magnetosprężystych np. niklu

na przykładane do nich naprężenia

mechaniczne (rys.2.5.) spowodo-

wała, że znalazły one zastosowanie

przy budowie czujników do pomia-

ru sił i naprężeń mechanicznych

oraz odkształceń sprężystych.

Przekroczenie granicy sprężystości

materiału magnetycznego powoduje poślizgi w kryształach i zaburzenie regularnej sieci krystalicz-

nej 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 ob-

chodzenie 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. Opty-

malna 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 war-

tość równą zeru w temperaturze zwanej temperaturą Curie.

Związek między własnościami magnetycznymi a temperaturą wyjaśnia teoria Weissa-Langevina-

Heisenberga. Zakłada ona, że w materiale ferromagnetycznym znajdują się małe obszary samorzut-

nego (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 magnetycz-

nego wywołuje zmianę orientacji kierunków osi magnetycznych i pojawienie się objawów nama-

Materiały magnetycznie miękkie - badania wybranych własności magnetycznych.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: