Μαγνητικά Υλικά. Κρίμπαλης Σπύρος

Transcript

1 Μαγνητικά Υλικά Κρίμπαλης Σπύρος

2 Τα μαγνητικά υλικά είναι μία σπουδαία κατηγορία βιομηχανικών υλικών και χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικές εφαρμογές όπως ηλεκτρομηχανολογικές εφαρμογές αλλά και σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Ο μαγνητισμός έχει διπολική φύση, ενώ όπως είναι γνωστό μαγνητικά μονόπολα δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί. Κάθε μαγνητικό πεδίο συνεπάγεται την ύπαρξη δύο μαγνητικών πόλων (ή κέντρων) σε ορισμένη απόσταση μεταξύ τους. Κατηγορίες Μαγνητικών φαινομένων: 1) Μαγνήτιση με επαγωγή (μαγνήτιση μόνο όταν βρεθούν μέσα σε μαγνητικό πεδίο). 2) Αυθόρμητος Μαγνητισμός (διατηρούν τη μαγνήτισή τους και έξω από το πεδίο)

3 Το μαγνητικό πεδίο Το μαγνητικό πεδίο παράγεται σε κάθε περίπτωση που υπάρχει κίνηση ηλεκτρικού φορτίου. Η κίνηση αυτή μπορεί να οφείλεται στο ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέει έναν αγωγό, όπως ανακαλύφθηκε από τον Oersted to Μαγνητικό πεδίο παράγεται και από έναν μόνιμο μαγνήτη. Στην περίπτωση αυτή το πεδίο δεν δημιουργείται από συμβατικό ηλεκτρικό ρεύμα, αλλά από τις τροχιακές κινήσεις και τα spin των ηλεκτρονίων, τα καλούμενα και Αμπεριανά ρεύματα, μέσα στον μόνιμο μαγνήτη. Οι κινήσεις αυτές των ηλεκτρονίων έχουν ως αποτέλεσμα την μαγνήτιση στο εσωτερικό του υλικού αυτού και τη δημιουργία του μαγνητικού πεδίου έξω απ αυτό.

4 Όταν ένα μαγνητικό πεδίο παράγεται σε ένα μέσο λόγω ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, η απόκριση του μέσου είναι η μαγνητική του επαγωγή Β. Η μαγνητική επαγωγή ορισμένες φορές αναφέρεται και σαν πυκνότητα μαγνητικής ροής. 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 μ ο είναι η διαπερατότητα του κενού, η οποία είναι παγκόσμια σταθερά. Μαγνήτιση υλικού. Όταν ένα υλικό υφίσταται την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου, τότε αυτό μαγνητίζεται. Η μαγνήτιση του υλικού έχει ως συνέπεια να αλλάξει η μαγνητική επαγωγή. Η μαγνήτιση ορίζεται ως η μαγνητική ροπή ανά μονάδα όγκου του υλικού. M= m/v Εάν ένα υλικό τοποθετηθεί μέσα σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο έντασης Η, η μαγνητική επαγωγή στο υλικό θα δίνεται από τη σχέση: B =μ ο Η + μ o M=μ o (H+M) Μανγητική διαπερατότητα Μαγνητική επιδεκτικότητα μ= Β/Η χ= Μ/Η

5 Ταξινόμηση μαγνητικών υλικών Τα διάφορα μαγνητικά υλικά ταξινομούνται με βάση την επιδεκτικότητά τους. Η πρώτη κατηγορία υλικών έχει μικρό και αρνητικό χ Τα υλικά αυτά καλούνται διαμαγνητικά και η μαγνητική τους ροπή εξαιτίας της τροχιακής κίνησης τείνει να αντιτεθεί στο εξωτερικά επιβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Παραδείγματα τέτοιων υλικών είναι ο χαλκός, ο άργυρος, ο χρυσός, το βισμούθιο και το βηρύλιο. Μία υποκατηγορία διαμαγνητικών υλικών είναι οι υπεραγωγοί, για τους οποίους το χ - 1. Μία δεύτερη κατηγορία υλικών, για τα οποία το χ είναι μικρό αλλά θετικό με τιμές που κυμαίνονται 10-5 χ 10-3 είναι οι παραμαγνήτες. Η μαγνήτιση των υλικών αυτών είναι ασθενής και προσανατολίζεται προς την ίδια διεύθυνση με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Παραδείγματα αυτής της κατηγορίας είναι το αλουμίνιο, ο λευκόχρυσος και το μαγγάνιο. Η πιο διαδεδομένη κατηγορία μαγνητικών υλικών είναι οι σιδηρομαγνήτες. Η επιδεκτικότητα των υλικών αυτών είναι θετική, πολύ μεγαλύτερη από 1 και οι τιμές της κυμαίνονται 50 χ Παραδείγματα αυτών των υλικών είναι ο σίδηρος, το κοβάλτιο, το νικέλιο και διάφορες σπάνιες γαίες καθώς και κράματά τους. Αντισιδηρομαγνητισμός (Cr, Mn): έχουν δομή ανάλογη του Fe αλλά τα δίπολα των γειτονικών ατόμων προσανατολίζονται αντιπαράλληλα στην επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Σιδηριμαγνητισμός όταν σε κεραμικά υλικά (μονωτικά) οι μαγνητικές ροπές προσανατολίζονται αντιπαράλληλα με την επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

6 a) 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. b) 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. c) 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

7 Παραμαγνητικά Υλικά

8 Σιδηρομαγνητικά Υλικά

9 Διαμαγνητικά Υλικά

10 Αντισιδηρομαγνητικά Υλικά

11 Σιδηριμαγνητικά Υλικά

12 Σιδηρομαγνητικά Υλικά Μακράν η πιο σημαντική κατηγορία μαγνητικών υλικών είναι οι σιδηρομαγνήτες. Η διαπίστωση αυτή προκύπτει τόσο από τη θεωρία όσο και από πρακτικές εφαρμογές. Οι εφαρμογές που έχουν τα υλικά αυτά είναι πολλαπλές. Στις εφαρμογές στη μηχανική, οι σιδηρομαγνήτες χρησιμοποιούνται εξαιτίας των υψηλών τιμών διαπερατότητας, οι οποίες επιτρέπουν την επίτευξη υψηλών μαγνητικών επαγωγών από μέτρια μαγνητικά πεδία Η. Εξαιτίας της ιδιότητάς τους να διατηρούν την μαγνήτισή τους και να δρουν ως πηγή μαγνητικού πεδίου και φυσικά εξαιτίας της ροπής μαγνητικού διπόλου που εμφανίζουν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ηλεκτρικούς κινητήρες. Είναι πραγματικά εκπληκτικό πως τα λίγα αυτά στοιχεία (σίδηρος, νικέλιο, κοβάλτιο και μερικές λανθανίδες) είναι τόσο ζωτικής τεχνολογικής σημασίας. 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 Οι υψηλότερες τιμές συναντιούνται σε ειδικά κράματα, όπως το permalloy και το supermalloy, που είναι κράματα νικελίου-σιδήρου.

13 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.

14 Βρόχος Υστέρησης Ο πιο περιεκτικός και απλός τρόπος για να απεικονίσουμε τις μαγνητικές ιδιότητες των μαγνητικών υλικών, είναι με γραφική αποτύπωση της μαγνητικής επαγωγής Β για διάφορα μαγνητικά πεδία Η. Εναλλακτικά, χρησιμοποιούνται διαγράμματα της μαγνήτισης Μ συναρτήσει του Η.

15 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.

16 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 Βr και η αντίστοιχη τιμή της μαγνήτισης παραμένουσα μαγνήτιση Μr.

17 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

18 Σκληρά και Μαλακά Μαγνητικά Υλικά Με βάση το συνεκτικό πεδίο τα σιδηρομαγνητικά υλικά χωρίζονται σε μαλακά και σκληρά. Υλικά από σίδηρο ή χάλυβα με μεγάλη σκληρότητα εμφανίζουν υψηλό συνεκτικό πεδίο και σχετικά χαμηλή σχετική μαγνητική διαπερατότητα μ, δηλαδή είναι σκληρά μαγνητικά υλικά. Αντίθετα τα μαλακά υλικά εμφανίζουν μικρό συνεκτικό πεδίο και σχετικά μεγάλη σχετική μαγνητική διαπερατότητα μ και ονομάζονται μαλακά μαγνητικά υλικά.

19 Θεωρία Μαγνητικών Περιοχών (Weiss Theory) Η θεωρία των μαγνητικών περιοχών εξηγεί πως μεταβάλλεται η μαγνήτιση μικροσκοπικά μέσα στο μαγνητικό υλικό. Σύμφωνα με τη θεωρία που προτάθηκε από τον Weiss, οι σιδηρομαγνήτες έχουν μαγνητικές περιοχές. Σε κάθε μία από τις περιοχές αυτές, τα μαγνητικά δίπολα είναι προσανατολισμένα παράλληλα, έτσι ώστε η μαγνήτιση μέσα σ αυτήν να φτάνει μέχρι κορεσμό. Ωστόσο η διεύθυνση προσανατολισμού διαφέρει από περιοχή σε περιοχή με τυχαίο τρόπο, αν και τα δίπολα επιλέγουν να προσανατολιστούν σε διευθύνσεις κύριων κρυσταλλογραφικών αξόνων, όταν δεν υπάρχει εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

20 Διαδικασία μαγνήτισης

21 Μαγνητική ανισοτροπία Είναι η τάση της μαγνητισής να προσανατολιστεί με τους λεγόμενους εύκολους άξονες. Υπάρχουν τρία κύρια είδη ανισοτροπίας: α) Μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία, είναι αποτέλεσμα της σύζευξης των ηλεκτρονικών τροχιακών με το κρυσταλλογραφικό πλέγμα μέσω του κρυσταλλικού ηλεκτρικού πεδίο. Καμπύλες μαγνήτισης για το νικέλιο στους τρείς άξονες <100>, <110> και <111>. Καμπύλες μαγνήτισης για τον σίδηρο στους άξονες <100>, <110> και <111>. Καμπύλες μαγνήτισης για το κοβάλτιο στον άξονα <0001> και στον άξονα του επιπέδου <1010>.

22 β) Η ανισοτροπία σχήματος: Οφείλεται στην εξάρτηση της μαγνητοστατικής ενέργειας από την διεύθυνση κατά την οποία ένα δείγμα μαγνητίζεται όταν το σχήμα του δεν είναι σφαιρικά συμμετρικό.

23 Εφαρμογές των σιδηρομαγνητικών υλικών 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. 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.

24 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.

25 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. Μαγνητοαντιστασση OMR (ordinary magnetoresistance) Στην περίπτωση αυτή η μεταβολή της αντίστασης οφείλεται στην απόκλιση των αγώγιμων ηλεκτρονίων από τις τροχιές τους λόγω της επίδρασης του μαγνητικού πεδίου. (,1%) Ανισοτροπική μαγνητοαντίσταση AMR Η μεταβολή του προσανατολισμού της μαγνήτισης από την κατεύθυνση της λεγόμενης εύκολης μαγνήτισης υπό την επίδραση μαγνητικού πεδίου έχει ως αποτέλεσμα τη μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης. (2-5%). Γιγαντιαία μαγνητοαντίσταση GMR Δεν είναι ιδιότητα ενός υλικού, αλλά συνδυασμού υλικών. Πρόκειται για μια πολυστρωματική κατασκευή. Η μεταβολή στη μαγνήτιση των στρωμάτων με την εφαρμογή μαγνρητικού πεδίου έχει ως συνέπεια την επίτευξη της μαγνητοαντίστασης μεγαλύτερης του 80%.

26