Μαγνητικά και Υπεραγώγιμα Υλικά

Transcript

1 Μαγνητικά και Υπεραγώγιμα Υλικά Τα μαγνητικά υλικά είναι μία σπουδαία κατηγορία βιομηχανικών υλικών και χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικές εφαρμογές όπως ηλεκτρομηχανολογικές εφαρμογές αλλά και σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές, κυρίως κεραμικά υλικά) Κατηγορίες Μαγνητικών φαινομένων: 1) Μαγνήτιση με επαγωγή (μαγνήτιση μόνο όταν βρεθούν μέσα σε μαγνητικό πεδίο) Τέτοια είναι τα Διαμαγνητικά και τα Παραμαγνητικά Υλικά. 2) Αυθόρμητος Μαγνητισμός (διατηρούν τη μαγνήτισή τους και έξω από το πεδίο) Τέτοια είναι τα Σιδηρομαγνητικά, Αντισιδηρομαγνητικά και Σιδηριμαγνητικά (Σιδηρίτες) Αυτά θα μπορούσαν να είναι Μαλακά και Σκληρά μαγνητικά Υλικά

2 Βασικές έννοιες από το μαγνητισμό u n m A I μ m =Ι Α Definition of a magnetic dipole moment.

3 B m A I A magnetic dipole moment in an external field experiences a torque. B

4 µ m S N O µ m r P B A magnetic dipole moment puts out a magnetic field just like bar magnet. The field B depends on µm.

5 orb r I A -e L An orbitting electron is equivalent to a magnetic dipole moment orb.

6 z B z µ spin S z The spin magnetic moment precesses about an external magnetic field along z and has an average value of z along z.

7 Η ηλεκτρονική μαγνητική ροπή του spin, που είναι ενδογενής ιδιότητα του ηλεκτρονίου και μία καθαρά κβαντομηχανική έννοια, δίνεται από την έκφραση: μ B = eh / 4πme όπου μ Β ορίζεται ως μαγνητόνη Bohr και έχει την τιμή x10-24 Am 2. Είναι δυνατόν να γίνουν ορισμένες γενικεύσεις γύρω από την τάξη μεγέθους της μαγνητικής ροπής ατόμων ή ιόντων με βάση την βασική ηλεκτρονική κατάσταση των ατόμων. Θα αναφερθεί μόνον, ότι για ένα ελεύθερο άτομο ή ιόν, που βρίσκεται στη βασική κατάσταση με κβαντικούς αριθμούς L και S η μαγνητική ροπή είναι: μ=[l( L+1)+4S(S+1)] 1/2 μ B

8 Τα Μαλακά Μαγνητικά Υλικά χρησιμοποιούνται: Σε πυρήνες μετασχηματιστών σε στάτορες και ρότορες για μοτέρ και γεννήτριες γιατί έχουν την ιδιότητα να μαγνητίζονται και να απομαγνητίζονται εύκολα Τα Σκληρά Μαγνητικά Υλικά χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που απαιτούν μόνιμους μαγνήτες δηλαδή να μην απομαγνητίζονται εύκολα όπως μεγάφωνα συσκευές τηλεφώνων κ.λ.π Τα Κεραμικά Υλικά με μαγνητικές ιδιότητες που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή Μνήμης Υπολογιστών

9 Διάκριση μεταξύ μαγνητικού πεδίου ή Μαγνητίζον Πεδίο (Η) και μαγνητικής επαγωγής (Β). 1Η= Ρεύμα 1 Α που διαρρέει έναν ευθύγραμμο αγωγό μήκους 1 m παράγει ένταση εφαπτομενικού μαγνητικού πεδίου 1/4π Α/m σε ακτινική απόσταση 1 m. Όταν ένα μαγνητικό πεδίο παράγεται σε ένα μέσο από ένα ηλεκτρικό ρεύμα, η απόκριση του μέσου είναι η μαγνητική του επαγωγή Β. Η μαγνητική επαγωγή ορισμένες φορές αναφέρεται και σαν πυκνότητα μαγνητικής ροής, που είναι σωστός όρος, ενώ άλλες φορές αναφέρεται, ατυχώς, και σαν μαγνητικό πεδίο. Όταν στον κενό χώρο δημιουργείται ένα μαγνητικό πεδίο εμφανίζεται η μαγνητική ροή Φ. Η μαγνητική ροή δίνεται σε μονάδες weber (Wb) και ο ρυθμός μεταβολής της μπορεί να μετρηθεί, καθώς παράγει ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) σε ένα κλειστό κύκλωμα αγωγού μέσα από τον οποίο περνά η μαγνητική ροή. Όμως, το ποσό μαγνητικής ροής, που παράγεται από μία δοσμένη ένταση μαγνητικού πεδίου Η, εξαρτάται από τις ιδιότητες του μέσου και μεταβάλλεται από μέσο σε μέσο. Η μαγνητική επαγωγή μπορεί να ορισθεί σαν η μαγνητική ροή 1 Wb, που περνά από επιφάνεια εμβαδού 1m 2. Καθώς η μαγνητική ροή εξαρτάται από το μέσο, η μαγνητική επαγωγή είναι κι αυτή ιδιότητα του μέσου, σε αντίθεση με την ένταση του μαγνητικού πεδίου, που είναι μία ιδιότητα του χώρου. Σε πολλά μέσα, και στο κενό, η μαγνητική επαγωγή Β είναι μία γραμμική συνάρτηση της έντασης του μαγνητικού πεδίου Η. Ειδικότερα, στον κενό χώρο ισχύει: B = μ o H όπου μο είναι η διαπερατότητα του κενού, η οποία είναι παγκόσμια σταθερά.

10 I B o I A I (a) Επίσης ο λόγος Μ/Β ο αντιπροσωπεύει τη μαγνητική επιδεκτικότητα μ Ο οποίος είναι ένας αδιάστατος αριθμός Και έχει νόημα μόνο για υλικά με ασθενή μαγνητική συμπεριφορά B M (b) I

11 Εάν ένα υλικό τοποθετηθεί μέσα σε εξωτερική μαγνητική επαγωγή Β ο ή σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο έντασης Η η εσωτερική μαγνητική επαγωγή στο υλικό, Β int, θα δίνεται από τη σχέση: B int =Bo+μ o M=μ o (H+M) Στη σχέση αυτή δεν λαμβάνονται υπ όψιν φαινόμενα απομαγνήτισης κι έτσι το Η int δίνεται προσεγγιστικά από το Η. Ως μαγνήτιση Μ ορίζεται η μαγνητική ροπή στη μονάδα του όγκου ενός υλικού: M = n m όπου n είναι ο αριθμός των μαγνητικών διπολικών ροπών m ανά κυβικό μέτρο. Η μονάδα της μαγνήτισης θα είναι τότε A/m, όπως και της έντασης του μαγνητικού πεδίου. σε πολλά υλικά η μαγνήτιση Μ είναι ανάλογη προς το μαγνητίζον πεδίο Η όπου χ είναι ένας απλός αριθμητικός συντελεστής που ονομάζεται μαγνητική επιδεκτικότητα Μ=χ Η B int =Bo+μ o M=μ o (H+M) = μ o (H+χΗ) = μ o (1+χ) Η = κ m Η, όπου κ m απόλυτη διαπερατότητα και κ m > μ o (παραμαγνητικά) κ m >> μ o (σιδηρομαγνητικά) κ m < μ o (διαμαγνητικά)

12 Μαγνητική επαγωγή και ένταση μαγνητικού πεδίου σε υλικό Όταν ένα υλικό τοποθετείται μέσα σε εξωτερική μαγνητική επαγωγή, Βο, τρεις τύποι μαγνητικής συμπεριφοράς είναι δυνατοί: διαμαγνητισμός, παραμαγνητισμός και σιδηρομαγνητισμός. Μέσα σε ένα διαμαγνητικό υλικό η εσωτερική μαγνητική επαγωγή, Β int, είναι λίγο μικρότερη από την εξωτερική μαγνητική επαγωγή, Βο. Μέσα σε ένα παραμαγνητικό υλικό η εσωτερική μαγνητική επαγωγή, Β int, είναι λίγο μεγαλύτερη από την εξωτερική μαγνητική επαγωγή, Βο, ενώ μέσα σε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό η εσωτερική μαγνητική επαγωγή, Β int, είναι πολύ μεγαλύτερη από την εξωτερική μαγνητική επαγωγή, Βο. Με άλλα λόγια, οι δυναμικές γραμμές της μαγνητικής επαγωγής αραιώνουν από ένα διαμαγνητικό υλικό, συγκεντρώνονται από ένα παραμαγνητικό υλικό, και συγκεντρώνονται ισχυρά από ένα σιδηρομαγνητικό υλικό. Μετρήσεις σε διαμαγνητικά και παραμαγνητικά υλικά δείχνουν, ότι σε μικρά εφαρμοζόμενα μαγνητικά πεδία η μαγνητική επαγωγή Βint είναι ευθέως ανάλογη προς την ένταση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου Η:

13 Η επίδραση μαγνητικού πεδίου στα υλικά εξαρτάται από τη δομή των ατόμων που αποτελούν τα υλικά αυτά αλλά και από τις μεταξύ τους επιδράσεις: 1) Διαμαγνητισμός: Η εφαρμογή εξωτερικού πεδίου έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία εσωτερικού μαγνητικού πεδίου που αντιτίθεται στο εξωτερικό Β=Β ο -μ ο Μ και μαγνητική επιδεκτικότητα μ<0. 2) Παραμαγνητισμός: Η εφαρμογή εξωτερικού πεδίου έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία εσωτερικού μαγνητικού πεδίου με μικρή ένταση στη φορά του εξωτερικού Β=Β ο +μ ο Μ όπου Β>Β ο και μαγνητική επιδεκτικότητα μ>0. 3) Σιδηρομαγνητισμός: Ορισμένα υλικά με την επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου αποκτούν μεγάλη μαγνήτιση μέρος της οποίας διατηρούν και μετά την απομάκρυνση του πεδίου (Fe, Co, Ni, Gd). Β=Β ο +μ ο Μ όπου Β>>Β ο

14 4) Αντισιδηρομαγνητισμός (Cr, Mn): έχουν δομή ανάλογη του Fe αλλά τα δίπολα των γειτονικών ατόμων προσανατολίζονται αντιπαράλληλα στην επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. 5) Σιδηριμαγνητισμός όταν σε κεραμικά υλικά (μονωτικά) οι μαγνητικές ροπές προσανατολίζονται αντιπαράλληλα με την επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

15 Διαμαγνητικά Υλικά S N M F Ένα διαμαγνητικό υλικό τοποθετείται σε ένα μη ομογενές μαγνητικό πεδίο στο οποίο εκδηλώνεται μία δύναμη η οποία το απωθεί μακριά από το μαγνητικό πεδίο

16 Για τα Παραμαγνητικά Υλικά o H M µ av = 0 and M = 0 µ av 0 and M = m H (a) (b) (a) In a paramagnetic material each individual atom possesses a permanent magnetic moment but due to thermal agitation there is no average moment per atom and M = 0. (b) In the presence of an applied field, individual magnetic moments take alignments along the applied field and M is finite and along B.

17 Για τα Σιδηρομαγνητικά Υλικά M In a magnetized region of a ferromagnetic material such as iron all the magnetic moments are spontaneously aligned in the same direction There is a strong magnetization vector M even in the absence of an applied field.

18 Για τα Αντισιδηρομαγνητικά Υλικά M=0 In this antiferromagnetic BCC crystal (Cr) the magnetic moment of the center atom is cancelled by the magnetic moments of the corner atoms (an eighth of the corner atom belongs to the unit cell).

19 Σιδιριμαγνητικά Υλικά M A B Illustration of magnetic ordering in a ferrimagnetic crystal. All A atoms have their spins aligned in one direction and all B atoms have their spins aligned in the opposite direction. As the magnetic moment of an A atom is greater than that of a B atom, there is net magnetization, M, in the crystal.

20 Συμπεριφορά των υλικών στη μαγνήτιση, όπου μ = μαγνητική επιδεκτικότητα

21 Επίδραση της θερμοκρασίας στη μαγνητική συμπεριφορά των υλικών M sat (T) M sat (0) 1 Μ Τ c Iron Στο απόλυτο μηδέν έχουμε την πλήρη ευθυγράμμιση των μαγνητικών διπόλων σε αντίθεση με την αυξανόμενη θερμοκρασία όπου ο προσανατολισμός σταδιακά χάνεται και τελικά η μαγνητική συμπεριφορά εξασθενεί Το φαινόμενο είναι αντιστρεπτό T / T C Normalized saturated magnetization vs. reduced temperature T/T C where T C is the Curie temperature (1043 K).

22

23 ΘΕΩΡΙΑ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΩΝ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΠΕΡΙΟΧΩΝ (WEISS THEORY) Domain wall (180 ) Closure domain 90 domain wall Closure domains N N S S N N S M S S N S N N S (a) (b) (a) Magnetized bar of ferromagnet in which there is only one domain and hence an external magnetic field. (b) Formation of two domains with opposite magnetizations reduces the external field. There are, however, field lines at the ends. (c) Domains of closure fitting at the ends eliminates the external fields at the ends. (d) A speciment with several domains and closure domains. There is no external magnetic field and the specimen appear sunmagnetized. (c) (d)

24 H θεωρία των μαγνητικών περιοχών, περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο διατάσσονται οι μαγνητικές ροπές στο εσωτερικό των σιδηρομαγνητών. Θεωρώντας τη συμπεριφορά των υλικών αυτών προκύπτουν δύο ερωτήματα. a) Οι μαγνητικές ροπές προϋπάρχουν ή επάγονται από το μαγνητικό πεδίο; b) Είναι οι μαγνητικές ροπές τυχαία προσανατολισμένες ή είναι διατεταγμένες; Η θεωρία των μαγνητικών περιοχών στηρίζεται στην υπόθεση, ότι οι μαγνητικές ροπές στα σιδηρομαγνητικά υλικά προϋπάρχουν και είναι διατεταγμένες παράλληλα στο εσωτερικό περιοχών, που περιέχουν μεγάλο αριθμό ατόμων. Οι μαγνητικές περιοχές, όμως, εμφανίζονται σε μικροσκοπική κλίμακα. Σε μακροσκοπική κλίμακα η μαγνήτιση Μ ενός υλικού είναι, καθαρά, επαγόμενη από το μαγνητικό πεδίο. Σε μικροσκοπική κλίμακα η μαγνήτιση Μ διαφέρει από περιοχή σε περιοχή μέσα στο σιδηρομαγνήτη.

25 Περιοχές Weiss Σε δύο εργασίες το 1906 και το 1907 ο Weiss έδωσε μία σημαντική συμβολή στην κατανόηση του σιδηρομαγνητισμού. Βασισμένος σε προγενέστερες ιδέες των Ampère, Weber και Ewing, πρότεινε την ύπαρξη μαγνητικών περιοχών στους σιδηρομαγνήτες, όπου οι ατομικές μαγνητικές ροπές είναι διατεταγμένες παράλληλα σε πολύ μεγαλύτερο όγκο μέσα στο στερεό, από ότι πιστεύονταν μέχρι τότε. Σε αυτές τις περιοχές μεγάλος αριθμός ατομικών μαγνητικών ροπών της τάξης των είναι διατεταγμένες παράλληλα, με τρόπο, ώστε η μαγνήτιση μέσα στην περιοχή είναι σχεδόν κορεσμένη. Η διεύθυνση προσανατολισμού διαφέρει από περιοχή σε περιοχή με έναν, λίγο πολύ, τυχαίο τρόπο. Βέβαια, οι μαγνητικές ροπές προτιμούν να διατάσσονται κατά μήκος συγκεκριμένων ισοδύναμων κρυσταλλογραφικών διευθύνσεων, οι οποίες ονομάζονται άξονες εύκολης μαγνήτισης. Οι άμεσες συνέπειες αυτής της θεωρίας είναι: α) οι ατομικές μαγνητικές ροπές προϋπάρχουν, β) είναι διατεταγμένες ακόμη και στην κατάσταση απομαγνήτισης, γ) στην κατάσταση απομαγνήτισης οι περιοχές είναι τυχαία προσανατολισμένες και δ) η διαδικασία της μαγνήτισης δεν είναι τίποτε άλλο, από τον αναπροσανατολισμό των περιοχών, έτσι ώστε, είτε περισσότερες περιοχές προσανατολίζονται παράλληλα προς το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, είτε ο όγκος των περιοχών, που είναι ήδη σχεδόν προσανατολισμένες ως προς το πεδίο μεγαλώνει εις βάρος του όγκου των περιοχών, που είναι αντίθετα προσανατολισμένες ως προς το πεδίο.

26 [100] (a) A B A B H (b)

27 Small grain with a single domain A grain with domains Schematic illustration of magnetic domains in the grains of an umagnetized polycrystalline iron sample. Very small grains have single domains.

28 ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΟΙ ΣΗΜΑΝΤΙΚΟΤΕΡΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΣΙΔΗΡΟΜΑΓΝΗΤΩΝ Τόσο από θεωρητική, όσο και από πρακτική σκοπιά, η σπουδαιότερη κατηγορία μαγνητικών υλικών είναι οι σιδηρομαγνήτες (κατ οικονομία στην έννοια αυτή συμπεριλαμβάνονται και τα σιδηριμαγνητικά υλικά). Οι εφαρμογές των υλικών αυτών καταλαμβάνουν ένα ευρύτατο τεχνολογικό φάσμα. Η χρησιμότητα των σιδηρομαγνητών πηγάζει από την υψηλή τους διαπερατότητα, που επιτρέπει την επίτευξη υψηλών τιμών μαγνητικής επαγωγής σε μέτρια μαγνητικά πεδία, την ικανότητά τους να παραμένουν μαγνητισμένα, και να δρουν, έτσι, ως πηγές μαγνητικού πεδίου, και από το γεγονός, ότι η ροπή στρέψης ενός μαγνητικού διπόλου παρουσία μαγνητικού πεδίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί στους ηλεκτρικούς κινητήρες. Xαρακτηριστικά στοιχεία των σιδηρομαγνητών 1) Διαπερατότητα Η υψηλή διαπερατότητα είναι η πιο σημαντική ιδιότητα των σιδηρομαγνητών. Η διαπερατότητα ενός σιδηρομαγνητικού υλικού δεν είναι σταθερή συνάρτηση του μαγνητικού πεδίου, όπως συμβαίνει στα παραμαγνητικά υλικά. Για να περιγράψει κανείς τις ιδιότητες ενός συγκεκριμένου σιδηρομαγνήτη είναι απαραίτητο να μετρηθεί η μαγνητική επαγωγή Β σαν συνάρτηση του εξωτερικού εφαρμοζόμενου πεδίου Η σε ένα συνεχές διάστημα τιμών του Η, δηλαδή να παραχθεί η καμπύλη Β συνάρτηση με το Η, γνωστή ως βρόχος υστέρησης. Στους σιδηρομαγνήτες η αρχική σχετική διαπερατότητα παίρνει τιμές από 10 έως 105. Οι υψηλότερες τιμές συναντιούνται σε ειδικά κράματα, όπως το permalloy και το supermalloy, που είναι κράματα νικελίου-σιδήρου.

29 2) Διατήρηση της μαγνήτισης Είναι γνωστό, ότι οι σιδηρομαγνήτες μπορούν να μαγνητιστούν. Αυτό σημαίνει, πως, αφού εκτεθούν σε ένα μαγνητικό πεδίο η μαγνήτισή τους διατηρείται ακόμη και όταν απομακρυνθεί το μαγνητικό πεδίο. Η διατήρηση της μαγνήτισης διακρίνει τους σιδηρομαγνήτες από τα παραμαγνητικά υλικά, τα οποία αν και εμφανίζουν μαγνητική ροπή παρουσία ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου δεν παραμένουν μαγνητισμένα μετά την απομάκρυνση του πεδίου. 3) Το φαινόμενο της υστέρησης Ο συνηθέστερος τρόπος να παρουσιασθούν οι μακροσκοπικές μαγνητικές ιδιότητες ενός σιδηρομαγνητικού υλικού είναι η σχεδίαση καμπύλης της μαγνητικής επαγωγής Β για διάφορα πεδία Η, που ονομάζεται βρόχος υστέρησης. Εναλλακτικά, είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν καμπύλες μαγνήτισης Μ vs Η, οι οποίες, όμως, περιέχουν την ίδια πληροφορία, καθώς Β ο = μ ο (Η+Μ). Το φαινόμενο της υστέρησης σε ένα κομμάτι σιδήρου παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από τον Warburg το Ο όρος υστέρηση εισήχθη από τον Ewing, ο οποίος πρώτος μελέτησε συστηματικά το φαινόμενο. Οι ιδιότητες των σιδηρομαγνητικών υλικών, που είναι χρήσιμες στις διάφορες εφαρμογές, καθορίζονται ουσιαστικά από τον βρόχο υστέρησής τους. Έτσι, υλικά κατάλληλα για μετασχηματιστές πρέπει να έχουν υψηλή διαπερατότητα και μικρές απώλειες υστέρησης λόγω της απαίτησης για αποδοτική μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας. Τα υλικά για ηλεκτρομαγνήτες πρέπει να έχουν μικρή παραμένουσα μαγνήτιση ώστε εύκολα η μαγνήτισή τους να μηδενίζεται, όταν αυτό είναι απαραίτητο. Οι μόνιμοι μαγνήτες πρέπει να έχουν υψηλή παραμένουσα μαγνήτιση ώστε να διατηρούν τη μαγνήτισή τους όσο περισσότερο γίνεται.

30

31 4) Μαγνήτιση κόρου Από το βρόχο υστέρησης είναι εμφανές, ότι ένα σιδηρομαγνητικό υλικό στην αρχική του κατάσταση δεν είναι μαγνητισμένο. Η εφαρμογή ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου Η προκαλεί την αύξηση της μαγνητικής επαγωγής προς την διεύθυνση του πεδίου. Μετά από μία τιμή του Η η μαγνήτιση φθάνει στον κόρο και παίρνει μία τιμή Μ ο. Στην κατάσταση αυτή οι μαγνητικές ροπές μέσα στο υλικό είναι προσανατολισμένες παράλληλα προς την διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου Η. Η μαγνήτιση κόρου εξαρτάται μόνον από το μέγεθος της ατομικής μαγνητικής ροπής m και τον αριθμό των ατόμων στη μονάδα του όγκου n: Με την έννοια αυτή το Μ ο εξαρτάται μόνον από το υλικό και όχι από τη μικροδομή του. Ορισμένες τυπικές τιμές μαγνήτισης κόρου για διαφορετικά υλικά δίνονται : Μαγνήτιση κόρου διαφόρων σιδηρομαγνητών {Υλικό (10 6 Α/m)} Σίδηρος Κοβάλτιο Νικέλιο Permalloy (78% Ni, 22% Fe) Supermalloy (80% Ni, 15% Fe, 5% Mo) Metglas 2605 (Fe80B20) ) Παραμένουσα μαγνήτιση Αφού ένα υλικό μαγνητισθεί, όταν το πεδίο μηδενίζεται η μαγνητική επαγωγή δεν μηδενίζεται αλλά διατηρεί μία θετική τιμή. Η τιμή αυτή ονομάζεται παραμένουσα μαγνητική επαγωγή Β r και η αντίστοιχη τιμή της μαγνήτισης παραμένουσα μαγνήτιση Μ r. 6) Συνεκτικό πεδίο Η μαγνητική επαγωγή Β μηδενίζεται όταν εφαρμοσθεί ένα αντίστροφο μαγνητικό πεδίο έντασης Η C, το οποίο ονομάζεται συνεκτικό πεδίο. Εξαρτάται ισχυρά από την κατάσταση του δείγματος και μπορεί να επηρεαστεί από εξωγενείς παράγοντες όπως, π.χ., η μικροδομή, η θερμική επεξεργασία και η παραμόρφωση. Το συνεκτικό πεδίο, που προκύπτει από τον μηδενισμό της μαγνήτισης Μ δεν ταυτίζεται υποχρεωτικά με το συνεκτικό πεδίο, που προκύπτει από τον μηδενισμό της μαγνητικής επαγωγής Β.

32 7) Θερμoκρασία Curie Όλα τα σιδηρομαγνητικά υλικά, όταν θερμανθούν σε υψηλές θερμοκρασίες γίνονται παραμαγνητικά. Η θερμοκρασία μετάβασης από την σιδηρομαγνητική στην παραμαγνητική συμπεριφορά ονομάζεται θερμοκρασία Curie. Στη θερμοκρασία αυτή η διαπερατότητα μειώνεται απότομα και το συνεκτικό πεδίο και η παραμένουσα μαγνήτιση μηδενίζονται. Στις πρακτικές εφαρμογές, όταν το υλικό πρέπει να λειτουργήσει σε υψηλές σχετικά θερμοκρασίες είναι σημαντικό να εμφανίζει υψηλή θερμοκρασία Curie.

33 Αιτίες του φαινομένου της υστέρησης Πολύ πριν διατυπωθούν οι θεωρίες της μαγνητικής υστέρησης, ήταν γνωστά δύο εμπειρικά γεγονότα. Όταν ένα κομμάτι σιδήρου ή χάλυβα υποστεί ψυχρή κατεργασία το συνεκτικό πεδίο και οι απώλειες υστέρησης αυξάνουν. Το ίδιο συμβαίνει, όταν στο σίδηρο προστεθούν μικρές ποσότητες μη μαγνητικού υλικού. Από τις παρατηρήσεις αυτές προκύπτει, ότι ατέλειες, είτε στη μορφή εξαρμόσεων, είτε ως προσμίξεις προκαλούν αύξηση των απωλειών ενέργειας κατά τη διαδικασία της μαγνήτισης, σαν ένα είδος εσωτερικής τριβής. Είναι αυτές οι ατέλειες, που προκαλούν το φαινόμενο της υστέρησης. Με την έννοια αυτή, εξωγενείς παράγοντες, που προκαλούν μεταβολές στη μικροδομή των υλικών είναι τεράστιας σημασίας στην τεχνολογία των μαγνητικών υλικών. Ένας άλλος σημαντικός μηχανισμός, ενδογενής αυτήν τη φορά, είναι το φαινόμενο της μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας. Υλικά με ισχυρή ανισοτροπία εμφανίζουν εντονότερη υστέρηση. Σε ένα ανισότροπο μαγνητικά στερεό οι μαγνητικές ροπές προτιμούν να προσανατολίζονται κατά μήκος συγκεκριμένων κρυσταλλογραφικών αξόνων γιατί αυτό οδηγεί σε κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας. Οι μαγνητικές ροπές μπορούν να αποσπαστούν από αυτές τις διευθύνσεις με την εφαρμογή ενός ισχυρού εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, αλλά όταν αυτό συμβαίνει πηδούν προς ισοδύναμους κρυσταλλογραφικά άξονες, που οι διευθύνσεις τους βρίσκονται πλησιέστερα στη διεύθυνση του πεδίου, είναι δηλαδή θέσεις χαμηλότερης ενέργειας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ασυνεχείς και μη αντιστρεπτές στροφές των μαγνητικών ροπών, δηλαδή, με άλλα λόγια το φαινόμενο της υστέρησης.

34 H H a Reversible boundary motion b Irreversible boundary motion M Παραμένουσα μαγνήτιση e M sat M r e c d H M H M c Rotation of M d Saturation of M -H H f -H c -x a b O Απομαγνητίζουσα δύναμη +x H

35 M sat ΒΡΟΓΧΟΣ ΥΣΤΕΡΗΣΗΣ M d B sat B d M r e B r -H -H c f i -H sat O Hc Hsat H -H H h -M r -B r g -M sat g -B sat -M (a) -B (b) (a) A typical M vs. H hysterisis curve (b) The corresponding B vs. H hyterisis curve. The shaded area inside the hyterisis loop is the energy loss per unit volume per cycle.

36 B Magnetized to saturation B sat B m -H H m H sat H Small cyclic applied field -B The B vs. H hyterisis loop depends on the magntitude of the applied field in addition to the material and sample shape and size.

37 ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ ΣΙΔΗΡΟΜΑΓΝΗΤΩΝ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Οι περισσότερο γνωστές εφαρμογές των σιδηρομαγνητικών υλικών είναι στους μόνιμους μαγνήτες, στις ηλεκτρικές γεννήτριες, στη μαγνητική εγγραφή, στις γεννήτριες ισχύος και στους μετασχηματιστές. Κατάταξη των μαγνητικών υλικών Μία απλή κατάταξη των μαγνητικών υλικών γίνεται, συνήθως, με βάση το συνεκτικό τους πεδίο. Το συνεκτικό πεδίο είναι εξωγενής ιδιότητα, που εξαρτάται σημαντικά από τη θερμική, μηχανική και χημική επεξεργασία του υλικού. Κάτι, βέβαια, που δεν ισχύει για άλλες μαγνητικές παραμέτρους, όπως είναι, π.χ., η μαγνήτιση κόρου. Στο παρελθόν παρατηρήθηκε, ότι ο σίδηρος και ορισμένοι χάλυβες, που παρουσίαζαν μηχανική σκληρότητα εμφάνιζαν, επίσης και υψηλό συνεκτικό πεδίο, ενώ άλλοι χάλυβες, που ήταν μηχανικά μαλακοί εμφάνιζαν χαμηλές τιμές συνεκτικού πεδίου. Για το λόγο αυτό οι όροι σκληρό και μαλακό χρησιμοποιήθηκαν για την διάκριση των μαγνητικών υλικών με βάση το συνεκτικό πεδίο. Γενικότερα, σκληρά μαγνητικά υλικά θεωρούνται εκείνα, που εμφανίζουν συνεκτικά πεδία μεγαλύτερα από 10 ka/m (125 Οe), ενώ μαλακά εκείνα με συνεκτικά πεδία μικρότερα από 1 ka/m (12.5 Οe). 1) Ηλεκτρομαγνήτες Τα μαλακά μαγνητικά υλικά βρίσκουν εφαρμογές στους ηλεκτρομαγνήτες, κινητήρες, μετασχηματιστές και ηλεκτρονόμους. Κριτήριο για τη χρήση ενός υλικού ως πυρήνα σε ηλεκτρομαγνήτη είναι η υψηλή διαπερατότητα, που επιτρέπει την επίτευξη υψηλής μαγνητικής επαγωγής και το χαμηλό συνεκτικό πεδίο, ώστε να είναι εύκολη η αντιστροφή της μαγνητικής επαγωγής. Στους ηλεκτρομαγνήτες χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά μαλακός σίδηρος. Τυπική τιμή για το συνεκτικό του πεδίο είναι 80 A/m (1 Oe). Το υλικό, που χρησιμοποιείται αποκλειστικά στους μετασχηματιστές είναι ένα κράμα σιδήρου πυριτίου με προσανατολισμένους κόκκους, το οποίο περιέχει 3-4% κ.β. πυρίτιο για τη μείωση της αγωγιμότητας.

38 2) Ηλεκτρομαγνητικοί ηλεκτρονόμοι Ο ηλεκτρονόμος (ρελές) είναι ένα είδος ηλεκτρομαγνήτη, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν διακόπτης για το άνοιγμα και το κλείσιμο ενός ηλεκτρικού κυκλώματος. Το κύκλωμα ελέγχου του ηλεκτρονόμου αποτελείται από ένα πηνίο με πυρήνα, που μπορεί να μαγνητισθεί, και ένα κινητό μέρος, που ονομάζεται οπλισμός. Τα κριτήρια για τα υλικά, που είναι κατάλληλα για αυτήν την εφαρμογή είναι παρόμοια με αυτά των ηλεκτρομαγνητών, δηλαδή, χαμηλό συνεκτικό πεδίο, χαμηλή παραμένουσα μαγνήτιση και υψηλή μαγνητική επαγωγή σε συνδυασμό με χαμηλές απώλειες του πυρήνα και υψηλή διαπερατότητα. Τα υλικά, που κυρίως χρησιμοποιούνται είναι κράματα σιδήρου, όπως Fe-Si ή Fe-Ni. Η προσθήκη πυριτίου και νικελίου επιτρέπει τη μείωση του συνεκτικού πεδίου από 100 Α/m για τον καθαρό σίδηρο μέχρι 1 Α/m. 3) Υλικά για μαγνητική εγγραφή Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για μαγνητική εγγραφή έχουν παρόμοια χαρακτηριστικά με τους μόνιμους μαγνήτες. Χρειάζεται να έχουν σχετικά υψηλή παραμένουσα μαγνήτιση και αρκετά υψηλό συνεκτικό πεδίο, ώστε να αποτρέπεται απρόβλεπτη απομαγνήτισή τους, που θα οδηγούσε σε απώλεια της αποθηκευμένης πληροφορίας. Η μαγνητική εγγραφή μπορεί να είναι είτε αναλογική, όπως είναι η εγγραφή ακουστικών σημάτων σε μαγνητικές ταινίες ή δίσκους, είτε ψηφιακή, όπως είναι η αποθήκευση δεδομένων σε μαγνητικούς δίσκους και ταινίες στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Το ευρύτερα χρησιμοποιούμενο υλικό μαγνητικής εγγραφής είναι το γ-fe 2 O 3 ενώ χρησιμοποιούνται ακόμη και CrO 2 ή γ-fe 2 O 3 εμπλουτισμένο με Co. Οι ταινίες μαγνητικής εγγραφής αποτελούνται από μικρά βελονοειδή σωματίδια αυτών των οξειδίων, που είναι εμποτισμένα σε ένα πλαστικό υλικό και ο άξονάς τους κείται στο επίπεδο της ταινίας. Κατά την διαδικασία κατασκευής των ταινιών τα σωματίδια προσανατολίζονται από ένα μαγνητικό πεδίο.

39 B Hard Soft -H H -B Μαλακά και Σκληρά μαγνητικά Υλικά

40 Μαγνητικά Υλικά Μαλακά Μαγνητικά Υλικά- Κράματα Fe-Si Οι πρώτοι μαγνητικοί πυρήνες για συσκευές ισχύος χαμηλής συχνότητας (60Hz) για μετασχηματιστές-μοτέρ-γεννήτριες Η προσθήκη πυριτίου (3-4%) αυξάνει τη μαγνητική διαπερατότητα και ελαττώνει τις απώλειες ενέργειας. Η προσθήκη Si έχει σαν αποτέλεσμα: 1) Αυξάνει την ειδική ηλεκτρική αντίσταση και μειώνει τις απώλειες λόγω δινορευμάτων 2) Αυξάνει τη μαγνητική διαπερατότητα και μειώνει τις απώλειες λόγω υστέρησης. 3) Ελαττώνει τη μαγνητοπαραμόρφωση και το θόρυβο του μετασχηματιστή. 4) Εμποδίζει τη δημιουργία καρβιδίων άρα ευννοείτε η μετακίνηση των μαγνητικών τοιχωμάτων ΑΛΛΑ: Ελαττώνει τη μαγνήτιση κορεσμού και υποβαθμίζει τις μαγνητικές ιδιότητες του υλικού και ελαττώνει τη θερμοκρασία Curie.

41 Κράματα Ni-Fe Χρησιμοποιούνται σε φαρμογές όπου τα υλικά πρέπει να παρουσιάζουν υψηλή μαγνητική διαπερατόττητα σε πεδία χαμηλής έντασης. Π.χ σε συσκευές επικοινωνίας υψηλής ευαισθησίας για τη λήψη και αναμετάδοση ασθενών σημάτων, αυτόματους διακόπτες και ηλεκτρονικούς μετασχηματιστές Εμπορικά υπάρχουν: 1) με 50% Ni (με μέση μαγνητική διαπερατότητα και ψηλή επαγωγή κορεσμού) και 2) με 79% Ni (με ψηλή μαγνητική διαπερατότητα και μέση επαγωγή κορεσμού)

42 Σκληρά μαγνητικά Υλικά Έχουν ψηλή παραμένουσα επαγωγή Β r και ψηλή απομαγνητίζουσα δύναμη Η c Η καμπύλη απομαγνήτισης καθορίζει την ποιότητά τους Παρασκευάζονται με χύτευση ή με την τεχνική της κονιομεταλλουργίας

43

44

45 m g A permanent magnet with a small air gap.

46 Μαγνητοαντίσταση είναι η μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης ενός υλικού λόγω της εφαρμογής ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Συνήθως ως μέτρο της μαγνητοαντίστασης λαμβάνεται το μέγεθος ΔR/R, όπου ΔR είναι η διαφορά της αντίστασης χωρίς και με την παρουσία μαγνητικού πεδίου. Το φαινόμενο της μαγνητοαντίστασης δεν βρήκε εφαρμογή για πολλές δεκαετίες κυρίως για δύο λόγους. Ο ένας είναι, ότι για την πλειοψηφία των υλικών δεν ξεπερνά την τιμή του 1-2% και ο δεύτερος, ότι απαιτούνται πολύ υψηλά μαγνητικά πεδία για την εμφάνιση του φαινομένου. Το 1988 οι M.N. Beibich et al. ανακάλυψαν, ότι η αντίσταση μιας κατηγορίας πολυστρωματικών υμενίων (Fe/Cr) μειώνεται κατά 50% με την εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου μόλις 2Τ στη θερμοκρασία των 4 Κ. Η ανακάλυψη αυτή προκάλεσε επανάσταση στον τομέα αυτό και γρήγορα ανακαλύφθηκαν και άλλα συστήματα πολυστρωματικών υμενίων, όπως Co/Cu, Co/Ag κλπ, που παρουσιάζουν ΔR/R της τάξης του 100% στη θερμοκρασία δωματίου. Τα υλικά αυτού του τύπου ονομάστηκαν υλικά γιγαντιαίας μαγνητοαντίστασης (giant magnetoresistance - GMR). Ένα κύριο χαρακτηριστικό των πολυστρωματικών υμενίων, που εμφανίζουν GMR είναι, ότι αποτελούνται από διαδοχικά στρώματα ενός μαγνητικού και ενός μη μαγνητικού υλικού. Τα υλικά γιγαντιαίας και κολοσσιαίας μαγνητοανίστασης έχουν ήδη βρει πολλές εφαρμογές κυρίως ως αισθητήρες μαγνητικού πεδίου. Η πιο διαδεδομένη εφαρμογή τους σήμερα είναι σε κεφαλές ανάγνωσης δεδομένων από υλικά μαγνητικής εγγραφής. Όπως και στα μαγνητοσυστολικά υλικά το συγκριτικό τους πλεονέκτημα είναι η απλοποίηση των συστημάτων λόγω της απευθείας απόκρισής τους σε μαγνητικά πεδία.

47

48 Digital information track Constant current Signal voltage Write current GMR sensor Shield Coil Inductive thin film write head Magnetic film Rotating disk Write and read head Substrate The principle of the hard disk drive magnetic recording. The write inductive head and the GMR read sensor have been integrated into a single tiny read/write head