MATERIALE MAGNETICE si stari de magnetizatie

MATERIALE MAGNETICE

1 Definitie, clasificare

Materialele magnetice sunt o clasa de materiale care se caracterizeaza prin stari de magnetizatie cu functii de utilizare. Prin stare de magnetizatie se intelege starea materiei caracteritzata prin existenta momentului magnetic al unitatii de volum. Este de natura atomica, fiind generata de miscarea electronilor pe orbite si in jurul axei proprii, care dau nastere momentelor magnetice orbitale si de spin. Suma vectoriala a acestor momente determina momentul magnetic elementar, moment care, in lipsa unui cimp magnetic exterior, poate fi nul sau nenul.

Starea de magnetizatie poate fi temporara, atunci cand exista doar in prezenta cimpului extern, sau permanenta, daca nu este conditionata de acesta.

Vectorul magnetizatie are in general doua componente:

(1)

Magnetizatia temporara depinde de campul magnetic care o induce, conform legii magnetizatiei temporare:

(2)

unde se numeste susceptivitatea (sau susceptibilitatea) magnetica. Ea este o marime scalara la materialele izotrope si una tensoriala la cele anizotrope. Mediile care au susceptibilitatea magnetica independenta de intensitatea cimpului magnetic sunt medii liniare, iar cele care prezinta dependenta intre susceptibilitate si camp magnetic sunt medii neliniare magnetic.

Campul magnetic si magnetizatia dau impreuna inductia magnetica B:

(3)

unde este permeabilitatea magnetica a vidului si reprezinta o constanta universala.

In cazul unui mediu liniar si izotrop, in lipsa pierderilor in material, legea inductiei magnetice in forma scalara se scrie astfel:

(4)

unde este permeabilitatea absoluta a materialului iar este permeabilitatea relativa a acestuia si este o caracteristica de material.

Din punct de vedere al starii de magnetizatie, materialele magnetice cu magnetizatie temporara se impart in diamagnetice si paramagnetice, iar cele cu magnetizatie permanenta in feromagnetice, antiferomagnetice si ferimagnetice.

Diamagnetismul apare datorita interactiunii dintre cimpul magnetic aplicat din exterior si electronii atomici. Campul magnetic exterior modifica miscarea electronilor producind o miscare de precesie peste miscarea orbitala. Precesia creaza un cimp magnetic propriu care se opune cauzei, micsorindu-l. Rezulta o susceptibilitate magnetica negativa, si . Materialele diamagnetice au caracter liniar.

Paramagnetismul este propriu materialelor care au moment magnetic propriu dar la care, in lipsa unui camp extern, aceste momente sunt orientate aleator si nu se manifesta la nivel macroscopic. Sub influenta campului magnetic exterior, aceste momente elementare se orienteaza in directia campului avand ca rezultat si . Materialele paramagnetice sunt neliniare.

Materiale diamagnetice sunt: Cu, Au, Ag, Zn, Pb, Ge, Si, H₂ etc. si au valori ale lui in gama (-0.3

Materiale paramagnetice sunt: Al, Cr, Pb, Mn, Na, K, O₂, Fe₂O₃ etc. si au susceptibilitatea magnetica cuprinsa intre (0.02

La camp magnetic constant susceptibilitatea paramagnetica depinde invers de temperatura conform legii lui Curie-Weiss:

(5)

unde C este constanta Curie.

Feromagnetismul este propriu materialelor care au momente magnetice elementare necompensate reciproc, care se orienteaza omniparalel pe domenii, formand domenii magnetice cu magnetizatie spontana. La aceste materiale si au valori foarte mari si depind de H (caracter neliniar), de temperatura, de solicitari mecanice etc.

Ferimagnetismul si antiferomagnetismul sunt proprii materialelor care prezinta momente magnetice spontane orientate antiparalel, manifestate pe domenii de magnetizatie.

2 Functiile materialelor magnetice

Functia de miez magnetic folosita la construirea bobinelor, transformatoarelor etc. Reactanta unei bobine in vid, fara miez magnetic este:

(6)

unde L₀ este inductivitatea bobinei in vid. In prezenta unui miez maagnetic cu permeabilitatea magnetica relativa , reactanta este:

(7)

adica este proportionala cu si se poate modifica (creste, scadea), poate avea variatie neliniara, ciclu dreptunghiular etc., ceea ce este foarte util in unele aplicatii.

2) Functia de generare a campului magnetostatic prin construirea de magneti permanenti. Magnetii permanenti sunt circuite magnetice cu intrefier, formate din materiale magnetice magnetizate la saturatie, care isi mentin aceasta stare in lipsa unui camp magnetic exterior. Campul magnetic se manifesta intre polii magnetici.

3) Functia de inregistrare magnetica a informatiei se bazeza pe proprietetea materialelor fero si ferimagnetice de a avea magnetizare remanenta dependenta de campul magnetic de excitatie. Pentru a conserva cat mai bine starea de magnetizare permanenta, materialul trebuie sa aiba cimpul coercitiv cat mai mare.

4) Functiile neliniare si parametrice se bazeaza pe caracteristica neliniara a ciclului de magnetizare a unor materiale neliniare, in special cele cu histerezis dreptunghiular. Se folosesc la fabricarea bobinelor de comutatie, a releelor, a amplificatoarelor magnetice etc.

5) Functia de ecran magnetic este utila pentru protejarea unor dispozitive si circuite electronice contra perturbatiilor electromagnetice. Efectul de ecranare depinde de adancimea de patrundere a campului magnetic in material si se poate exprima prin relatia:

(8)

unde f este frecventa campului electromagnetic, s este conductivitatea electrica a materialului, m permeabilitatea magnetica absoluta.

6) Functia de traductor piezomagnetic Materialele fero si ferimagnetice sufera modificari ale dimensiunilor exterioare daca sunt supuse magnetizatiei. Fenomenul se numeste peizomagnetism si pe baza sa se construiesc traductoare piezomagnetice. Aceste dispozitive transforma energia electromagnetica in energie mecanica si invers si stau la baza construirii de generatoare sonore, ultrasonore etc.

7) Functia de traductor de temperatura se bazeaza pe dependenta permeabilitatii de temperatura, in special in apropierea temperaturii Curie.

3 Feromagnetismul

Se manifesta pregnant la materialele feromagnetice cum ar fi Fe, Ni, Co si aliajele lor. Materialele feromagnetice sunt caracterizate prin existenta momentelor magnetice elementare spontane si orientarea lor omoparalela pe domenii de magnetizatie spontana. Alte proprietati sunt anizotropia magnetica, neliniaritarea susceptibilitatii si altele. Starea de magnetizatie se explica prin existenta dipolilor magnetici elementari dati de rotirea electronilor in atom.

O bucla de curent cu aria A prin care circula un curent I este echivalenta cu un dipol magnetic avand momentul:

(9)

Sensul vectorului este dat de sensul de parcurgere al ariei A de catre curentul I.

Intr-un camp de inductie va actiona asupra dipolului un cuplu de forte dat de ecuatia:

(10)

care va roti dipolul magnetic in directia vectorului .

Momentul magnetic al unui atom este dat de suma momentelor de spin a nucleului, de rotatie pe orbita a electronilor si de spin a electronilor. Elementele care au straturi electronice complet ocupate (numar par pe fiecare substrat) nu au moment magnetic deoarece numarul par de electroni presupune ca miscarea de spin este orientata in sens opus, momentele compensandu-se reciproc. Fiecare electron are momentul magnetic de spin egal in modul cu magnetonul lui Bohr, , deci momentul magnetic elementar va fi multiplu al magnetonului lui Bohr.

Domeniile de magnetizare spontana in care momentele magnetice elementare sunt omniparalele se numesc domenii Weiss. Dimensiunile acestor domenii sunt de ordinul zecilor de microni. Trecerea de la un domeniu la altul se face prin zone numite perete Bloch, de grosime 50 la 50 000 constante de retea.

Tabelul 1 Momentele magnetice spontane ale unor elemente chimice

4 Anizotropia magnetica

La unele materiale fero si ferimagnetice se constata ca proprietatile lor magnetice depind de directia in material. Pe anumite directii preferentiale se produce o magnetizare mai usoara, cu consum mai mic de energie de la campul de inductie exterior. Originea anizotropiei poate fi in structura intima a materialuli (aizotropie magnetocristalina) sau poate fi indusa de factori externi.

Momentele magnetice ale diferitelor domenii pot avea orientari opuse, iar in zona dintre ele (peretele Bloch) momentul magnetic sufera o rotatie treptata.

In cazul fierului care are o structura cristalina cubica cu fete centrate, exista 3 directii in care magnetizarea se face usor (mu), mediu (mm) sau greu (mg). Aceste directii sunt urmatoarele:

mu - directie paralela cu muchiile cubului

mm - paralela cu diagonalele fetelor cubului

mg - paralela cu diagonalele principale ale cubului

Anizotropia indusa poate aparea prin mai multe procedee tehnologice:

laminarea la rece (Fe-Si, Fe-Co, Fe-Ni etc.)

tratament termic

racirea materialului.

5 Curba de magnetizare

La scara macroscopica, materialele feromagnetice au o curba de magnetizare asemanatoare dependentei . La magnetizarea in curent continuu se obtine curba din fig. 4, iar in camp variabil se obtine ciclul de magnetizare numit ciclu histerezis. Principalele marimi caracteristice sunt inductia si campul maxim (B_m, H_m), inductia si campul de saturatie (B_s, H_s) si inductia remananta (Br) si campul coercitiv (H_c).

Caracterizarea materialului feromagnetic in jurul unei anumite stari definita prin perechile (B,H) se face prin urmatoarele marimi ale permeabilitatii magnetice relative:

permeabilitatea relativa statica

(11)

care variaza cu H atingand un maxim si tinzand la 1 la valori mari ale lui H;

permeabilitatea relativa diferentiala (specifica ciclului direct):

(12)

permeabilitatea relativa reversibila (specifica ciclului invers)

(13)

permeabilitatea relativa initiala

(14)

permeabilitatea relativa efectiva ce caracterizeaza circuitul magnetic realizat cu bobina, miez si intrefier:

(15)

unde este factorul de demagnetizare.

Proprietatile materialelor feromagnetice sunt influentate de mai multi factori: temperatura, frecventa, timp, impuritati etc.

Influenta temperaturii scade magnetizatia ca urmare a cresterii agitatiei termice si micsorarii domeniilor Weiss. La temperatura Curie (T_c) agitatia termica depaseste energia de interactiune de schimb si domeniile de magnetizare dispar complet. Ca ordine de marime, T_C=770^oC la Fe, 362 ^oC la Ni, 112 ^oC la Cr etc.

Influenta frecventei se manifesta in special la frecvente mari, peste o valoare critica data de relatia:

. (16)

unde este permeabilitatea relativa initiala, este conductivitatea electrica, grosimea materialului. Pana la , este practic constanta iar peste ea incepe sa scada.

Influenta timpului duce la imbatranirea materialului, fenomen manifestat prin cresterea permeabilitatii relative initiale, cresterea valorii necesare a campului H pentru a obtine o magnetizare data etc.

Impuritatile cresc valorile campului coercitiv, remanentei si energiei de magnetizare. Unele impuritati ca Ni, Co, Cr, Mo existente in Fe, dimpotriva, imbunatatesc caracteristicile magnetice.

6 Ferimagnetismul

Materialele ferimagnetice au caracteristic faptul ca momentele magnetice au orientare antiparalela. Materialele ferimagnetice se mai numesc si ferite si au in compozitie elemente bivalente de tipul Mn, Zn, Ni, Co, Fe, Mg, Ba dupa formula generala M²⁺O₂ F³⁺O₃^2-, unde M este unul dintre metalele specificate mai sus. Feritele au o larga utilizare in industria electronica si electrotehnica.

Structura feritelor este cristalina de tipul spinelica, hexagonala sau granat.

Structura spinelica este caracteristica feritelor de tipul , cu structura cristalina cubica, in care unitatea elementara denumita spinel este un cub cu latura a/4, a fiind constanta retelei. La randul lor, spinelii sunt asezati in structuri cubice cu latura a/2. Ferimagnetismul structurii este datorat interactiunii de schimb ale cationilor metalici si care au momentele magnetice elementare orientate antiparalel.

Structura hexagonala este caracteristica feritelor cu formula , unde M poate fi Ba, Sr, Pb. Este caracterizata prin existenta structurii spinelice S srparata prin zone de trecere notate R. Molecula feritei contine un bloc S si un bloc R. Doua molecule apropiate au momentele magnetice elementare orientate in antiparalel.

Structura de tip granat este caracteristica feritelor cu formula , unde M este un element din categoria pamanturilor rare, Y, Ga, Tb. Dy, Ho, Lu. Aranjarea atomilor este complicata. Au o mare stabilitate structurala si sunt folosite in domeniul frcventelor foarte inalte.

Proprietatile feritelor Din punct de vedere al conductibilitatii electrice, majoritatea feritelor au caracter semiconductor, cu . Existenta domeniilor Weiss de magnetizare spontana determina proprietati de magnetizare asemanatoare materialelor feromagnetice: neliniaritate, ciclu histerezis, permeabilitate magnetica relativa mare, inductie de saturatie si remananta de cateva ori mai mici decat la materiale feromagnetice, temperatura Curie mai mica (60 450 ^oC). Feritele sunt dure, casante, nu pot fi prelucrate mecanic in afara de slefuire. Se fabrica sub forma de miezuri masive prin sinterizare.

7 Pierderi in materiale fero si ferimagnetice

Un material fero sau ferimagnetic introdus intr-un camp magnetic exterior consuma o parte din energia acestuia ca urmare a unor procese fzice care au loc in acestea. Energia activa consumata se transforma, de regula, in caldura. Principalele tipuri de pierderi sunt: prin curenti turbionari, prin histerezis, prin magnetizare si prin rezonanta magnetica.

Modelarea matematica a bobinei cu inductanta L₀, in care se introduce un miez cu circuit inchis, cu pierderi, fara scapari de flux, alimentata in curent alternativ, se face cu urmatoarele marimi:

impedanta

(17)

unde este rezistenta echivalenta de pierderi;

puterile activa si reactiva din circuit

(18)

tangenta unghiului de pierderi (constanta de material)

(19)

factorul de calitate (inversa tangentei unghiului de pierderi)

(20)

Pierderile prin curenti turbionari Curentii turbionari apar ca urmare a actiunii legii inductiei electromagnetice conform careia un camp magnetic variabil produce in acelasi loc si timp un camp electric variabil si reciproc. Campul electric generat produce curenti de conductie locali, numiti curenti turbionari. La randul lor, curentii turbionari produc un camp magnetic variabil care se opune celui initial. Existenta curentilor turbionari intr-un material cu rezistivitate finita genereaza, prin efect Joule, caldura care se disipa in mediul ambiant. Reducerea curentilor turbionari se poate face prin cresterea rezistivitatii materialului. O posibilitate eficienta de crestere a rezistivitatii este realizarea sa sub forma de straturi subtiri perpendiculare de directia curentilor, izolate intre ele, numite in literatura de specialitate tole.

8 Tipuri de materiale magnetice

Materialele fero si ferimagnetice se clasifica in functie de forma si dimensiunile curbei de histerezis si de panta curbelor de magnetizare, .

Materialele magnetice moi au ciclu de histerezis ingust, camp coercitiv mic, inductie de saturatie mare si permeabilitate magnetica relativa mare. In functie de raportul k, materialele au mic, mediu sau mare si aplicatii diferite. Cele care au au ciclu histerezis dreptunghiular (CHD) si sunt folosite pentru fabricarea miezurilor destinate functiilor de memorare si comutatie.

Materialele magnetice dure au ciclul de histerezis lat, valori mari pentru inductia remanenta si campul coercitiv. Cele cu se utilizeaza pentru inregistrarea magnetica a informatiei iar cele cu pentru magneti permanenti.

Materiale pentru miezuri magnetice.

Sunt materiale magnetice moi, cu rezistivitate ridicata, care pot fi prelucrate mecanic (laminare, slefuire). In compunerea lor intra in primul rand aliaje ale fierului.

Aliaje Fe-Si laminate la cald au grosimi, de regula, 0.35 0.5 mm. Prezenta siliciului determina cresterea rezistivitatii, scaderea campului coercitiv, diminuarea fenomenului de imbatranire. Daca procentul de Si depaseste 4.5 aliajul devine friabil si nu mai poate fi prelucrat prin stantare pentru a obtine diferite profile de tole. Izolarea tolelor in scopul reducerii curentilor turbionari se face cu depuneri de oxizi, impregnare cu lacuri sau uleiuri minerale etc.

Aliaje Fe-Si laminate la rece prezinta o anumita anizotropie si au proprietati magnetice superioare pe directia de laminare. Prelucrarile ulterioare scad proprietatile magnetice. Prin recoacere, proprietatile se restabilesc.

Aliaje Fe-Si-Al (alsifer) contin pana la 12 Al si 14 Si. Au valori mari ale campului de saturatie, se pot turna si lamina la rece.

Aliaje Fe-Ni (permaloy) au proprietati magnetice puternic dependente de compozitie si de tratamentul termic. In general, au foarte mare (>100 000) dar piederi mari prin curenti turbionari. Necesita laminarea in folii foarte subtiri. Sunt folosite la miezuri de transfoarmatoare, bobone de soc.

Aliaje Fe-Co au inductie de saturatie mare (pana la 2.5 T). Daca alierea cu cobalt ajunge la 30 , materialul devine dur si casant.