Materija u magnetskom polju

Transcript

1 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij Materija u magnetskom polju Vrste magnetskih materijala snove elektrotehnike I Elektroni pri svojoj vrtnji oko jezgre stvaraju tzv. orbitalni magnetski moment. Sami elektroni imaju vlastiti magnetski moment - spin. i momenti se mogu u pojedinom atomu (molekuli) poništavati u potpunosti ili samo djelomično, a mogu se i zbrajati. Prema magnetskim svojstvima materijali se dijele na: dijamagnetike, paramagnetike, feromagnetike.

2 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij snove elektrotehnike I Materija pokazuje dijamagnetska svojstva ako se magnetski momenti molekula poništavaju. Štap od dijamagnetskog materijala se u magnetskom polju postavi okomito na smjer polja. Po tome su dobili naziv dijamagnetski materijali. Dijamagnetski efekt je uvijek slabo izražen. Primjeri dijamagnetskih materijala - srebro, bizmut i voda.

3 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij snove elektrotehnike I Paramagnetski materijali - magnetski momenti molekula nisu jako izraženi, ali se u magnetskom polju postavljaju u smjer polja. Štap od paramagnetskog materijala se u magnetskom polju postavi u smjer magnetskog polja. Štap se postavlja paralelno silnicama polja - po tome se materijali nazivaju paramagnetski materijali. Paramagnetski efekt nije jako izražen. Primjeri paramagnetskih materijala - platina, aluminij i kisik. 3

4 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij snove elektrotehnike I eromagnetski materijali - magnetski dipoli pojedinih molekula su jako izraženi. U magnetskom polju se postavljaju u smjer polja. vi materijali se nazivaju feromagnetski - po osnovnom predstavniku, željezu. Imaju veliku primjenu u praksi. Primjeri feromagnetskih materijala - željezo, kobalt, nikal i gadolinij, te neke njihove legure i kemijski spojevi. 4

5 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij snove elektrotehnike I Vektor magnetizacije Vektor magnetizacije ili vektor gustoće magnetiziranja predstavlja gustoću dipolnog magnetskog momenta magnetiziranog materijala: v M = v m d V dv Mjerna jedinica za vektor magnetizacije je: [ M ] [ ] Am A = = [ ] 3 m m = V m 5

6 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij snove elektrotehnike I Vektor magnetizacije ima istu jedinicu mjere kao i vektor jakosti magnetskog polja naziva se i unutrašnja uzbuda i označava s H u. Vektor magnetizacije raspostire se samo unutar magnetiziranog materijala. S makro stajališta daje najbolji prikaz pojave unutar magnetiziranog materijala - ipak se rijetko koristi. 6

7 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij snove elektrotehnike I Magnetska susceptibilnost i permeabilnost Najbolju magnetsku vodljivost imaju feromagnetici. o su: željezo, kobalt, nikal i gadolinij, te neke njihove legure i kemijski spojevi. eromagnetski materijal u vanjskom magnetskom polju ima veću magnetsku indukciju, nego što je bila prije u vakuumu. o objašnjavamo djelovanjem vanjskog magnetskog polja H i unutarnje uzbude H u. 7

8 v Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij v = 0 H 0 = 4π 0 indukcija u materijalu unesenom u magnetsko polje 7 ( H ) + = 0 Vs Am H u za vakuum vanjsko magnetsko polje ( ) = +κ 0 H = snove elektrotehnike I unutarnja uzbudaopćenito ovisi o vanjskom magnetskom polju H u = κ H = 0 r H = H magnetska susceptibilnost relativna magnetska permeabilnost = 0 r apsolutna magnetska permeabilnost 8

9 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij snove elektrotehnike I Relativna permeabilnost r feromagnetskih materijala: iznosi od nekoliko stotina do nekoliko tisuća, znatno ovisi o iznosu indukcije u materijalu - nije konstanta. stali materijali imaju relativnu permeabilnost: r Apsolutna permeabilnost iznosi: = 0 r 9

10 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij snove elektrotehnike I Uvjeti na granici dvaju magnetskih materijala v H t H v α = 0 r > v H n α = 0 r v H t H v v H n H = t = H t H = H sinα H sin Vektor jakosti magnetskog polja na granici dvaju materijala t α Na granici dvaju materijala s različitim permeabilnostima dolazi do loma silnica magnetskog polja. 0

11 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij v t snove elektrotehnike I v α v n v n α = 0 r = v t > 0 r v = n = n cosα = = cosα n Vektor magnetske indukcije na granici dvaju materijala

12 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij snove elektrotehnike I H t = Ht izotropno sredstvo = t t t t = > n = n H n H n = H H n n =

13 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij snove elektrotehnike I H sinα = H sinα H sinα H sinα = cosα = cosα cosα cosα tgα tgα tg tg α = r α r = zakon loma magnetskih silnica 3

14 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij snove elektrotehnike I Izotropni materijali: normalne komponente magnetskog polja H n obrnuto su proporcionalne permeabilnostima, tangencijalne komponente magnetske indukcije t proporcionalne su vrijednostima permeabilnosti materijala. Zakon loma magnetskih silnica - kvocijent tangensa upadnih kuteva silnica na granicu jednak je omjeru permeabilnosti. Na granici neferomagnetskog i feromagnetskog materijala magnetske silnice se oštro lome. 4

15 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij Krivulja magnetiziranja Krivulja magnetiziranja prikazuje ovisnost magnetske indukcije o jakosti magnetskog polja H za neki feromagnetski materijal. snove elektrotehnike I Mjeri se na tankom torusu od tog materijala točku po točku. 0 H Krivulja magnetiziranja visnost magnetske indukcije o jakosti magnetskog polja H za feromagnetske materijale je nelinearna. Krivulja magnetiziranja nije pravac. 5

16 torusna jezgra od ispitivanog materijala IN H = l sr Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij H v S, l sr N gusto namotana zavojnica za magnetsku uzbudu napon u svitku naboj kroz balistički galvanometar e = N Q = I Φ t N R N Φ instrument za mjerenje količine naboja Q balistički galvanometar zavojnica za mjerenje magnetskog toka =? porast indukcije = Φ = S N R S snove elektrotehnike I I skokovit porast struje ' = I + I skokovit porast polja IN H = l sr skokovit porast toka Φ ' = Φ + Φ Q 6

17 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij snove elektrotehnike I područje zasićenja željezo koljeno krivulje magnetiziranja zrak 0 H Krivulja prvog magnetiziranja željeza 7

18 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij snove elektrotehnike I Izmjerene točke spoje se u karakteristiku - krivulja magnetiziranja. Ako željezo još nikad nije bilo magnetizirano, dobivena se krivulja naziva krivulja prvog magnetiziranja: na početku magnetiziranja indukcija raste sporo, linearni dio - indukcija vrlo naglo raste, koljeno krivulje - dio na kojem se ona naglo savija, zasićenje - za velike iznose indukcije krivulja postaje paralelna s karakteristikom magnetiziranja vakuuma. 8

19 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij snove elektrotehnike I Željezo i svi metali imaju kristalnu strukturu. Pri tome veće grupe atoma imaju jednako usmjerene magnetske dipole - Weissove domene. U nemagnetiziranom materijalu Weissove domene su kaotično magnetski orijentirane. Pri pojačavanju magnetskog polja Weissove domene se ispočetka polako, a onda sve brže usmjeravaju u smjeru vanjskog polja. 9

20 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij snove elektrotehnike I Kad su sve domene orijentirane u smjeru vanjskog polja, vektor magnetizacije materijala je dostigao svoj maksimum. Materijal je u zasićenju. Daljnje pojačavanje vanjskog polja doprinosi pojačavanju indukcije samo toliko koliko bi pojačanje bilo u vakuumu. Zato krivulja magnetiziranja za visoke indukcije postaje paralelna s pravcem magnetiziranja vakuuma. 0

21 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij snove elektrotehnike I Magnetska histereza H m remanentna indukcija m r koercitivnost H c 0 H H m zatvorena petlja histereze indukcija pri smanjenju jakosti magnetskog polja krivulja prvog magnetiziranja Krivulja histereze pri polaganom izmjeničnom nom magnetiziranju

22 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij meki magnetski materijal ima malu koercitivnost m snove elektrotehnike I tvrdi magnetski materijal ima veliku koercitivnost 0 H H m Petlje histereze tvrdog i mekog magnetskog materijala

23 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij snove elektrotehnike I Karakteristika magnetskog materijala - širina petlje histereze, koercitivnost. vrdi magnetski materijali - (kaljeni čelik s % ugljika). velika koercitivnost Meki magnetski materijali - mala koercitivnost (kemijski čisto željezo ). Permanentni magneti - tvrdi magnetski materijali. 3

24 Sveučilište J. J. Strossmayera u sijeku E Elektrotehnički fakultet sijek Stručni studij Permeabilnost željeza m = H snove elektrotehnike I = H = tgα p t α 0 α p 0 H H asimptota permeabilnosti 4