MAGNETNI MATERIALI :13 Magnetni materiali 1 MAGNETNO POLJE. Oersted, Amper: Magnetno polje je posledica gibanja elektrine.

Transcript

1 MAGNETNI MATERIALI :13 Magnetni materiali 1 MAGNETNO POLJE Oersted, Amper: Magnetno polje je posledica gibanja elektrine Magnetno polje gibajoče elektrine opisujemo z: magnetnim momentom (tok, ploskev tokovne zanke) r r m = I S N m S I r r magnetizacijo m M = (volumen) V S Na gibajočo elektrino deluje v magnetnem polju sila: r r r r ( ) = I( l ) r df = dqv d :13 Magnetni materiali 2 1

2 Gibanje elektrin v atomu: Magnetno polje v materialu Nihanje protonov v jedru majhen vpliv ga zanemarimo Kroženje elektronov po orbitah diamagnetizem. Vrtenje elektronov okrog lastne osi (spin) paramagnetizem, feromagnetizem, ferimagnetizem atom Vsaka snov je zgrajena iz atomov obstajajo vse tri oblike gibanja elektrin vsaka snov je magnetna. Uporabne so le feromagnetne in ferimagnetne snovi :13 Magnetni materiali 3 Matematični zapis magnetnih razmer v materialu Gostota magnetnega pretoka: r r r μ + M μ 0 = 4*π*10-7 (Vs/Am) = 0 ( ) r r M = χ χ - mag. susceptibilnost r μ 1 r r r r r μ r 0 0 r 0 0 Trajni magnet ( + χ ) = μ μ = μ = μ + μ χ = + J = 0 mnogokratnik μ 0 neke snovi r S J P N μ 0 P J :13 Magnetni materiali 4 2

3 OSNOVNA RAZDELITEV MAGNETNI MATERIALOV materiali diamagnetni paramagnetni feromagnetni ferimagnetni antiferomagnetni :13 Magnetni materiali 5 Vzrok: Magnetni moment: Usmeritev momentov: μ, χ Predstavniki: Vpliv na magnetno polje: DIAMAGNETIZEM kroženje elektronov po orbitah, zapolnjene orbite kompenzacija spinskega momenta. brez prisotnosti tujega zaradi naključnega kroženja elektronov ni momenta. atom = 0 0 kompenzacija moment je spinskih m v atomu nasproten μ r < 1, je konstantna, χ < 0 μ rcu = , χ Cu = i, Cu, Ag, Au, Ge, g, Pb, e, Sn (sivi), Si, Zn, Cd, Ga, In, Ti, S,, C, Al 2 O 3, CO 2, 2 SO 4, 2 O, N S J idealni diamagnetik je superprevodnik. Meissner-jev efekt: izriv magnetnega polja. i J + m v e - lastnosti neodvisne od T in :13 Magnetni materiali 6 3

4 Vzrok: Magnetni moment: Usmeritev momentov: μ, χ Predstavniki: Vpliv na magnetno polje: PARAMAGNETIZEM spinsko gibanje elektronov, nezapolnjene orbite spinski moment se ne kompenzira. obstaja brez prisotnosti tujega, zaradi naključnega termičnega nihanja atomov je majhen. Makroskopsko je 0. = 0 0 odvisno od trenutne moment lege nezapolnjenih orbit. podpira μ r > 1, je konstantna, χ > 0 μ ral = , χ Al = J, m Al, Sn (beli), Pt, Cr, Mn, Ce, Li, Na, Ti, Zr, Ta, Ir Ca, Mg, Mn, U, W, Cr 2 O 3, CeO 2, CuCl 2, FeO 3, N S T 1 <T 2 <T 3 T 1 J T 2 T e - lastnosti odvisne od T in :13 Magnetni materiali 7 Vzrok: Magnetni moment: Usmeritev momentov: μ, χ Predstavniki: Vpliv na magnetno polje: FEROMAGNETIZEM enak kot pri paramagnetizmu + razmerje medatomske razdalje v kristalu proti polmeru pol zasedene orbite. obstaja brez prisotnosti tujega, poravnani v področju domen (spontana magnetizacija). Makroskopsko je 0. = 0 0 od domene do m domen v domene različna. smeri μ r >> 1, ni konstantna, χ >> 0 J μ rfe = 7000, χ Fe μ rfe Fe, Co, Ni, Dy, Gd, Tb, njihove zlitine N S rast domen z m. vrtenje domen. T 1 <T 2 <T C <T 3 T 1 = 0 K T 2 T C T lastnosti odvisne od T in :13 Magnetni materiali 8 4

5 Vzrok: Magnetni moment: Usmeritev momentov: ANTIFEROMAGNETIZEM nezapolnjene orbite + določena kristalna struktura (majhne razdalje med atomi v kristalu). popolna kompenzacija m sosednjih atomov v domeni. = 0 0 m = 0 m μ, χ Predstavniki: Vpliv na magnetno polje: μ r 1, χ 0 = f(t) χ področje antiferomagnetizma T N področje paramagnetizma T Cr, Mn, O, Nd, Sm, MnO, MnS, MnF 2, FeO, NiO,.. N S T 1 <T 2 <T 3 T 2 = T N J T 1 T 3 lastnosti odvisne od T, delno od :13 Magnetni materiali 9 Vzrok: Magnetni moment: Usmeritev momentov: μ, χ Predstavniki: Vpliv na magnetno polje: FERIMAGNETIZEM nezapolnjene notranje orbite + določena kristalna struktura. obstaja brez prisotnosti tujega, nepopolna kompenzacija m med skupinami atomov. Makroskopsko je 0. = 0 0 od kristala do m kristalov v kristala različna. smeri μ r >> 1, ni konstantna, χ >> 0 μ r - manjša od feromagnetikov Eu, o, Er, Tm, magnetit: Fe 3 O 4, spinel: MgAl 2 O 4 feriti: MFe 2 O 4, M 3 Fe 5 O 12, N S J T 1 <T C <T 2 obnaša se podobno kot feromagnetik. Manjši s. T 1 T C T 2 lastnosti odvisne od T in. 3 valentne redke zemlje. kovine :13 Magnetni materiali 10 5

6 MAGNETNE LASTNOSTI MAGNETNI MATERIALOV Ugotovitev: vsi materiali so magnetni, Tehnično uporabni so: le tisti, ki imajo ob šibkem 0 velik prispevek k (ovrednotimo z M, J, μ, χ) feromagnetni in ferimagnetni materiali. Po električnih lastnostih spadajo: feromagnetni materiali med prevodnike, ferimagnetni materiali med polprevodnike. Magnetne lastnosti fero- in ferimagnetnih materialov so: odvisne od zunanjega magnetnega polja, mnogo večje kot pri drugih tipih magnetizma (dia- in paramagnetikih), odvisne od temperature (Curiejeva temperatura) :13 Magnetni materiali 11 OPIS MAGNETNI LASTNOSTI MAGNETNI MATERIALOV Zaradi nelinearnosti magnetnih lastnosti jih opisujemo v obliki funkcije: J = f() s J = f() r r r J = μ 0 J r = r razmagnetilna krivulja (2. kvadrant) - s - J C - C C J C s histerezna zanka -J r =- r - s magnetilna krivulja :13 Magnetni materiali 12 6

7 MAGNETNE DOMENE ali WEISSOVA OMOČJA so področja kristala feromagnetnih materialov s spontano magnetizacijo, Znotraj domene so magnetni momenti atomov m enako usmerjeni M domene, Smeri M domen so različne in so odvisne od kristalne strukture, kobalt: antiparalelno usmerjeni m železo: m poravnani z robovi kristala Število in razporeditev domen določa minimum magnetne energije kristala, Prehod m med domenami je postopen, lochova pregrada: 180, lochova pregrada, (40 nm) :13 Magnetni materiali 13 2 MAGNETENJE IN PREMAGNETENJE MAGNETNI MATERIALOV Vpliv smeri magnetenja kristala glede na njegovo lego: Fe Co [0001] [1 1 0] [1 0 0] [1 1 1] <1010> [0001] <1010> :13 Magnetni materiali 14 7

8 3 MAGNETENJE IN PREMAGNETENJE MAGNETNI MATERIALOV Materiali z naključno usmerjenimi kristali: izotropne lastnosti, r magnetne lastnosti določa povprečje vseh domen, okrogle histerezne zanke (R oblika). - C - r C Materiali z usmerjenimi kristali: anizotropne lastnosti, pri magnetenju v prednostni smeri je histerezna zanka pravokotna (Z oblika). pri magnetenju pravokotno na prednostno smer je histerezna zanka ploska in položna (F oblika). - C r - r C :13 Magnetni materiali 15 4 MAGNETENJE IN PREMAGNETENJE MAGNETNI MATERIALOV Kristali brez nepravilnosti: za premikanje lochovih pregrad in vrtenje domen je potrebna majhna energija, histerezna zanka je ozka, mehkomagnetni material (za jedra v izmeničnih poljih). r Kristali z mnogimi nepravilnostmi: potrebna velika energija za magnetenje, nepravilnosti ustvarimo z notranjimi napetostmi, vključki, histerezna zanka je široka, trdomagnetni materiali (za trajne magnete). - C - C - r C C :13 Magnetni materiali 16 8

9 5 GOSTOTA NASIČENJA IN CURIEJEVA TEMPERATURA SNOV s (T) T C ( C) Fe 2, Co 1, Ni 0, Gd 1, Fe 3 C 1, Mni 0, MnO Fe 2 O 3 0, FeO Fe 2 O 3 0, NiO Fe 2 O 3 0, MgO Fe 2 O 3 0, LiO Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 0, ao Fe 2 O 3 0, :13 Magnetni materiali 17 6 MAGNETENJE IN PREMAGNETENJE MAGNETNI MATERIALOV Počasno magnetenje: zanemarljiv vpliv vrtinčnih tokov, statična magnetilna in histerezna zanka, simetrična histereza. 1,5 1, (T) itro magnetenje: 0,5 0,0 1 z - statična -0,5 50 z 200 z -1,0 500 z 750 z -1, (A/m) prisoten vpliv vrtinčnih tokov deformacija histereze, dinamična magnetilna in histerezna zanka, histereza ni vedno simetrična (enosmerno predmagnetenje) :13 Magnetni materiali 18 9

10 r VRSTE PERMEAILNOSTI r r μ μ = μ = 0 r Absolutna permeabilnost μ : v vakuumu μ μ 0 μ = Vs Am Relativna permeabilnost μ r : μ μ r = = 1+ χ = μ μ 0 je mnogokratnik μ 0. odvisna je od ( μ 50, μ , 100 A/m) 0 m r m m tg ( α ) μ = = tg ( β ) μ tg ( γ ) :13 Magnetni materiali 19 m r m i 1 b g a μ m i 2 VRSTE PERMEAILNOSTI Maksimalna permeabilnost μ m, μ max : je največja vrednost μ r, določamo jo na magnetilni krivulji. μ m Začetna permeabilnost μ i (initial): 1 μi = lim μ 0 0 vrednost dobimo z ekstrapolacijo 0, pri meritvi mora biti < 1(A/m), materiali z velikimi μ i visoko permeabilni materiali, odvisna od temperature in frekvence :13 Magnetni materiali 20 μ r μ m μ i 1 μ i 10

11 6 VRSTE PERMEAILNOSTI Permanentna permeabilnost μ p : je primer inkrementalne permeabilnosti na razmagnetilni krivulji, 1 Δ μp = μ Δ 0 m p r Δ Δ pomembna za trajne magnete. - c c :13 Magnetni materiali 21 MAGNETNE IZGUE Obravnava je odvisna od področja uporabe materiala: Elektronika: preko izgubne upornosti (vernost prenosa informacije), Energetika: preko magnetnih razmer (izkoristek, segrevanje, vernost prenosa informacije višji harmoniki) Izgubna upornost: magnetne izgube želimo ovrednotiti s joulovim zakonom, P iz = I 2 R ta način določanja izgub uporabljamo pri magnetenju v šibkih poljih, upornost jedra R j : R = R R j c R c celotna upornost tuljave R - ohmska upornost pri f = 0 z :13 Magnetni materiali 22 11

12 2 Celotna upornost pri f # 0 z MAGNETNE IZGUE R Cuv vpliv vrtinčnih tokov v navitju c = R = + RCu v + Rε + Rv + Rh Rn R ε izolacijska upornost R n posledična upornost R R Cu R j Ločitev izgub v jedru: R = R + R + R j v h vrtinčna upornost: histerezna upornost: n Rv = v L f R / : f L h 2 = h L f Rj = v f + h + n f L posledična upornost: R n = n L f :13 Magnetni materiali 23 3 Grafična ločitev izgub: R j f L ekstrapolirano MAGNETNE IZGUE izmerjeno Rj = v f + h + n f L h 0 v f n f :13 Magnetni materiali 24 12

13 SPECIFIČNE MAGNETENE IZGUE Izgube pri večjih : P + s = Pv P mw/cm 3 informatika, W/kg - energetika h Za energetske namene podajamo P izg za določen in za določeno f (P 10/50, P 15/50, ). Izgube v magnetni pločevini: isterezne: P h Vrtinčne: d P 0.26 v f ˆ.004 ρ 0 c 2 2 f ˆ 2 γ ρ W kg W kg :13 Magnetni materiali 25 d = debelina pločevine (cm) f = frekvenca (z) c = koercitivna poljska jakost (A/m) ˆ = temenska vrednost (T) γ = specifična prevodnost (S/m) ρ = specifična gostota (g/cm 3 ) P s (W/kg) ,1 0,01 0,001 2 SPECIFIČNE MAGNETENE IZGUE Izgube pri različnih frekvencah magnetenja: f (z) , ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 ˆ (T) :13 Magnetni materiali 26 13

14 3 SPECIFIČNE MAGNETENE IZGUE Ukrepi za zmanjšanje magnetnih izgub: zmanjšanje γ (legiranje s: Si,, uporaba drugih mag. mat: feriti krat manjšo γ kot kovinski), uporaba prahaste tehnologije (zdrobitev magnetnega materiala in vezava z izolacijskim materialom), stanjšanje lamel pločevine (običajno 0.5 mm), medsebojna izolacija lamel (z laki, oksidi), uporaba materialov z ozko histerezno zanko, optimalna kristalna struktura materiala :13 Magnetni materiali 27 VPLIVI MAGNETENJA NA IZGUE Magnetne izgube so odvisne od načina magnetenja: Izmenično magnetenje, Magnetenje z vrtilnim poljem. 8 P s (W/kg) Magnetenje z vrtilnim poljem Magnetenje z izmeničnim poljem ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 ˆ (T) :13 Magnetni materiali 28 14

15 MAGNETNA ANIZOTROPIJA je odvisnost magnetnih lastnosti v odvisnosti od smeri, je nezaželen pojav ali pa je ustvarjen namenoma, je posledica tehnološkega postopka (valjanje, vlečenje, mehanske napetosti, ohlajanje v magnetnem polju, določena kristalna struktura, ), ločimo: anizotropijo magnetenja (opazujemo μ) in izgubno anizotropijo (opazujemo izgube premagnetenja). A m (%) μ = μ max max μ + μ min min 100 p smer valjanja v A i P P p v max min (%) = 100 ali A (%) = 100 P + P p v :13 Magnetni materiali 29 i P P max P + P min P s (W/kg) MAGNETNA ANIZOTROPIJA Izgube v odvisnosti od smeri magnetenja pri različnih Smer valjanja [1 1 0] [1 1 1] 55 [1 0 0] ˆ (T) 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0, Smer ( ) :13 Magnetni materiali 30 15

16 RAZDELITEV MAGNETNI MATERIALOV PO MAGNETNI LASTNOSTI Magnetno mehki: za premagnetenje je potrebna mala energija, premikanje lochovih pregrad, c < 1 ka/m, 2.5 ozke histerezne zanke, 2.0 male P h, običajno visok μ. 1.5 Magnetno pol trdi: 1.0 zlitine Fe Co Ni, NiFe Veliki delež Ni 1kA/m < c <10kA/m, 0.5 srednje široke histerezne zanke, zahtevajo se določene P h ). Magnetno trdi: za premagnetenje je potrebna velika energija, prevračanje Weissovih območij, lochove pregrade se ne premikajo, c > 10 ka/m, široke histerezne zanke, velike P h. Polarizacija nasičenja J s (T) Magnetno mehki NiFe Mali delež Ni FeCo Fe, FeSi NiFe Magnetno poltrdi Magnetno trdi FeAl 0.5 MnAlC PtCo Mehki ferit CuNiFe trdi ferit Koercitivna poljska jakost (A/m) Fe C jekla CoFeNi FeCoCr FeCoV FeMnNiTi C CrCo jekla FeCoVCr FeCrCo AlNiCo RzCo Remanentna gostota r (T) :13 Magnetni materiali 31 VRSTE MAGNETNI MATERIALOV Kovinski: (čiste kovine in zlitine), (magneti so lahko liti ali prahasti), MAGNETNI MATERIALI Keramični: (oksidni - feriti, neoksidni - nitiridi, sulfidi, karbidi). KOVINSKI KERAMIČNI ČISTE KOVINE ZLITINE FERITI AMORFNI KRISTALNI KOMPOZITNI :13 Magnetni materiali 32 16

17 VRSTE MEKOMAGNETNI MATERIALOV MEKOMAGNETNI MATERIALI KOVINSKI KERAMIČNI (OKSIDNI) KOMPOZITNI (PRAŠKASTI) AMORFNE ZLITINE železo Si jekla Ni jekla Co jekla različne zlitine Ni-Zn feriti Mn-Zn feriti feriti različnih mešanic Fe prah SOMALOY SENDUST MPP igh Flux različne mešanice na osnovi Co na osnovi Fe na osnovi Ni nano kristalinične zlitine :13 Magnetni materiali 33 KOVINSKI MEKOMAGNETNI MATERIALI Čisto Fe, tehniško čisto Fe, nelegirana jekla: uporaba v enosmernih magnetnih poljih. Silicijeva jekla: uporaba v transformatorjih, motorjih, generatorjih in merilnih pretvornikih. s Si in ustrezno teksturo dosežemo odlične magnetne lastnosti, [0 1 0] [1 1 0] [1 1 1] Smer valjanja 45 [1 0 0] [1 1 0] [0 1 0] Smer valjanja [1 1 0] 45 Smer valjanja 55 [1 0 0] [1 0 0] ploskovna ploskovno dvojno orientirana diagonalna (Gossova) vsak % Si v Fe poveča ρ za 2 krat in zmanjša s za 0.05 T max 3-5% Si, Vrsta orientacije: z rastjo deleža Si raste krhkost materiala, jedra iz Si anizotropnih materialov = 1.5T -15 Smer valjanja 0 15 diagonalna (Goss) ploskovna ploskovna dvojno orientirana smer valjanja smer valjanja smer valjanja smer valjanja smer valjanja m r :13 Magnetni materiali 34 17

18 KOVINSKI MEKOMAGNETNI MATERIALI isterezni zanki za vzdolžno in prečno smer magnetenja orientirane pločevine (M600-50A) 1,5 1,0 0,5 Vzdolžno Prečno (T) 0,0-0,5-1,0-1, (A/m) Orientirane pločevine transformatorske pločevine, Neorientirane pločevine dinamo pločevine :13 Magnetni materiali 35 KOVINSKI MEKOMAGNETNI MATERIALI Zlitine Fe-Ni: so magnetno najmehkejši materiali imajo visoko μ i in μ max, majhna c, možne različne oblike histereznih zank (Z, F, R) Zlitine Fe-Co: materiali z najvišjimi s ( s 2,4 T), lastnosti lahko spreminjamo s sestavo in tehnologijami :13 Magnetni materiali 36 18

19 KERAMIČNI MEKOMAGNETNI MATERIALI Mehkomagnetni feriti: izredno velika ρ ( ρ = Ωm) majhne vrtinčne izgube za visoke f (do 10 Mz), nizka J s (J s = T). Po kristalni strukturi delimo ferite na: FERIT 1: kubično-spinelna struktura FERIT 2: kubično-granatna struktura FERIT 3: heksagonalna struktura Kristali so homogeni in zmesni, ki zmeraj vsebujejo Fe 2 O 3 ( M 1 O M 2 O M 3 O ) Fe 2 O 3 ( M 1, M 2, M 3, ) Fe 2 O 4 Uporabljamo enojne, dvojne, ferite (število M) Najpogosteje uporabljamo: MnZn ferit: visoka μ i, male histerezne izgube, za ferite nizka ρ do 2 Mz. NiZn ferit: nižja μ i, male histerezne izgube, višja ρ do 10 Mz :13 Magnetni materiali 37 KOMPOZITNI MEKOMAGNETNI MATERIALI Imenujemo jih tudi SMC materiali (Soft Magnetic Composites), Osnova so magnetni prahovi, ki so prevlečeni z oksidom ali z izolacijskim slojem (magnetodielektrični materiali), Oblikujemo in utrdimo jih s stiskanjem pod visokimi tlaki, So alternativa klasičnim lameliranim materialom in feritom: velika ρ ( višja od lameliranih in nižja od feritov) male vrtinčne izgube za f (do 200 z), dokaj visoka J s, lastnosti so odvisne od vrste in velikosti prahov, od deleža veziva in tlaka pri stiskanju :13 Magnetni materiali 38 19

20 AMORFNI MEKOMAGNETNI MATERIALI So kovinski materiali z amorfno strukturo (kovinsko steklo). Amorfno strukturo dosežemo z hitrim ohlajanjem ( K/s), z melt spinerjem, Za izboljšanje lastnosti jih termično obdelamo v izmeničnem magnetnem polju nanokristalinična struktura, Ker nimajo kristalnih pregrad so c nizke (~0.4 A/m) majhne izgube Druge lastnosti: okrog 3 krat večjo ρ od Si jekel (~ Ωm) male vrtinčne izgube (zmanjšanje do 70% glede na Si jekla), velika μ i (~50 000), in μ m (~ ), nekoliko nižja s, (1.6 T) potrebne večje dimenzije (~20%), uporabni do f = 400 z, nizka Curiejeva temperatura ~400 C. Zračni tlak Tuljava za indukcijsko segrevanje Vrteče vodno hlajeno kolo Raztaljena zlitina Zlitinska vlakna :13 Magnetni materiali 39 VRSTE MAGNETNO POLTRDI MATERIALOV Običajno so kovinski materiali z osnovo Fe, Dodatki: Co, Cr, Cu, Mn, V, Ni, Lastnosti so odvisne od sestave in tehnoloških postopkov (hladno preoblikovanje, žarjenje, :13 Magnetni materiali 40 20

21 2 VRSTE TRDOMAGNETNI MATERIALOV Kovinski trdomagnetni materiali: Martenzitna jekla: jekla z 1% C in raznimi dodatki (Cr, W, Co,...), dobimo iz avstenita s hitrim ohlajanjem lahka mehanska obdelava, možna termična obdelava, magnetne lastnosti: r ( ) T, c ( ) ka/m, () max ( ) kj/m 3, uporabna temperatura 80 C, zelo občutljivi na staranje Zlitine Co-Fe-V: material: z 50 % Co ter (8-13) %V ostalo je Fe, magnetne lastnosti: r ( ) T, c (10-32) ka/m, () max (6.5-42) kj/m 3, uporabna temperatura 350 C, pravokotne histerezne zanke, dragi :13 Magnetni materiali 41 3 VRSTE TRDOMAGNETNI MATERIALOV Zlitine Al-Ni-Co-Fe: materiali: z (5-15) % Al, (24-29) % Ni, (0-40) %Co, Cu, Ti,., ter 8-13 %V ostalo je Fe, magnetne lastnosti: r ( ) T, c (35-140) ka/m, () max (10-75) kj/m 3, uporabna temperatura 500 C, T c 810 C, posebne lastnosti: nizki temperaturni koeficient, korozijsko obstojni, velika časovna stabilnost lastnosti Zlitine Mn-Al-C: je alternativa dragim materialom, materiali: z 70 % Mn, 39 % Al, 1 %C ostalo je Fe, magnetne lastnosti: r ( ) T, c ( ) ka/m, () max (40-55) kj/m 3, uporabna temperatura 100 C, T c 300 C :13 Magnetni materiali 42 21

22 4 VRSTE TRDOMAGNETNI MATERIALOV Keramični trdomagnetni materiali: Trdomagnetni feriti: materiali: splošna formula MO nfe 2 O 3 barijev ferit: ao 6Fe 2 O 3 ( najpogostejša uporaba), kobaltov ferit: CoO Fe 2 O 3 + FeO Fe 2 O 3, stroncijev ferit: SrO 6Fe 2 O 3. magnetne lastnosti: r ( ) T, c ( ) ka/m, () max (5-40) kj/m 3, uporabna temperatura 150 C, T c 450 C, krhki, težka mehanska obdelova. (mt) (A/m) :13 Magnetni materiali 43 5 VRSTE TRDOMAGNETNI MATERIALOV Trdomagnetni materiali iz redkih zemelj: Redke zemlje RZ: so oksidi elementov med atomskim številom (lantanoidi), (La - lantan, Sm - samarij, Y - itrij,..), mešanica oksidov redkih zemelj mischmetal MM, RZ so električno dobro prevodne in piroforne vnetljive. Zlitine Sm Co in MM - Co: zlitina je intermetalna spojina, sestava: običajno zlitina Sm ali tudi MM (mischmetal) s Co (SmCo 5, MMCo 5, Sm 2 Co 17 ). Co tvori z RZ zlitine, ki imajo izjemne trdomagnetne lastnosti, izdelava: poteka v obliki prahov, oblikovanje in sintranje se izvaja v zaščitni atmosferi, magnetne lastnosti: magnetno anizotropni, krhki, dragi, r ( ) T, c ( ) ka/m, () max ( ) kj/m 3, uporabna temperatura 250 C, T c 725 C, μ rec =1.05, uporaba: zaradi visoke cene v miniaturnih dražjih napravah ob povišanih temperaturah :13 Magnetni materiali 44 22

23 6 VRSTE TRDOMAGNETNI MATERIALOV Zlitine Nd-Fe-: sestava: 15% Nd, do 77% Fe in 8% metalidna zlitina, izdelava je prahastega tipa: komponente stalimo v vakuumski peči in naglo ohladimo nanokristalinična struktura, material zdrobimo v prah, oblikovanje poteka s stiskanjem (lahko je prisotno magnetno polje), utrjevanje: sintranje, vezava z umetnimi smolami. mehanske lastnosti: podobne trdim jeklom možno mehansko obdelovati, slaba korozijska obstojnost, magnetne lastnosti: r ( ) T, c ( ) ka/m, () max ( ) kj/m 3, nizka uporabna temperatura 120 C, T c 310 C, μ rec = ( ), močna magnetna anizotropnost, poceni (reda feritov). Zlitine Sm-Fe-N: perspektivna sestava: Sm 2 Fe 17 N 3 (boljše lastnosti od Nd 2 Fe 14 ), izdelava je izredno zahtevna :13 Magnetni materiali VRSTE TRDOMAGNETNI MATERIALOV Kompozitni trdomagnetni materiali cilj uporabe kompozitnih materialov: poenostavitev oblikovanja, izdelava kompliciranih oblik, izdelava: vezava trdomagnetnih materialov, običajno z višjimi C, magnetni materiali so v obliki prahov, oblikovanje: stiskanje ali brizganje, lastnosti: izotropne ali anizotropne :13 Magnetni materiali 46 23

24 8 VRSTE TRDOMAGNETNI MATERIALOV Pregled lastnosti trdomagnetnih materialov Nd2-Fe 14-1 ( ) max kj/m Sm 2(Co-Fe-Cu-Zr) 17 Sm 2(Co-Fe-Cu) 5 Sm-Pr-Co 5 sintrani SmCo 5 Sm-Fe-N 80 Magnetno Alnico 9 Alnico 5 SmCo Ogljikovo 5 jeklo a-sr ferit jeklo Co ferit YCo Leta :13 Magnetni materiali 47 9 VRSTE TRDOMAGNETNI MATERIALOV (T) NdFe sintrani 1.0 Sm Co sintrani 2 17 SmCo sintrani AlNiCo ( ) max 3 (kj/m ) (ka/m) Redke zemlje, plastično vezani, izotropni. 0.4 Trdi feriti, anizotropni, sintrani. Trdi feriti, anizotropni, plastično vezani. 0.2 Trdi feriti, izotropni, sintrani. Trdi feriti, izotropni, plastično vezani :13 Magnetni materiali 48 24

25 UPORAA MAGNETNI MATERIALOV MAGNETNI MATERIALI Mehkomagnetni materiali Trdomagnetni materiali Uporaba: magnetna jedra za -izmenična magnetna polja, - enosmerna magnetna polja Uporaba: -trajni magneti Zahteve: - čim manjša energija premagnetenja Zahteve: - čim večji energijski produkt :13 Magnetni materiali 49 2 UPORAA MEKOMAGNETNI MATERIALOV Uporaba v energetiki: Prednostne smeri Energetski transformatorji: čim večja μ m čim lažje magnetenje, čim večja stopnja anizotropije, čim manjše izgube magnetenja, materiali: orientirano Si jeklo Električni stroji: motorji, generatorji: čim večja s, čim manjše izgube magnetenja, izotropnost magnetnih lastnosti, materiali: neorientirano Si jeklo. Merilni pretvorniki: čim višja in konstantna permeabilnost, čim manjše izgube magnetenja, materiali: čisto Fe, Fe-Si, Fe-Ni, Fe-Al, Fe-Co, :13 Magnetni materiali 50 25

26 3 UPORAA MEKOMAGNETNI MATERIALOV Uporaba v elektroniki: Prenosniki in dušilke: zahteve: velika μ i, visoke mejne frekvence, linearna magnetilna krivulja (konstantna μ), dobre impulzne lastnosti (velika razlika s - r ), mala temperaturna odvisnost, materiali: Fe-Ni, Fe-Al. Merilni pretvorniki: zahteve: že omenjene lastnosti, širok frekvenčni pas. Ozka histereza, velik μ max, materiali: Fe-Ni. Magnetni releji: zahteve: velika μ - pritezna sila, mala c - leplejenje, visoka ρ - odzivni čas, materiali: Fe-Ni, relejno železo Magnetni zasloni: 0 n zahteve: velika μ i, mala c materiali: Fe-Ni, relejno železo Mehkomagnetni material :13 Magnetni materiali 51 UPORAA MAGNETNO POL TRDI MATERIALOV Uporaba: v sistemih, kjer je potrebno material hitro premagnetiti in ta mora ostati namagneten, Zahteve: ( c med 2-8 ka/m, velik r, pravokotna histereza, hitro premagnetenje, ) Materiali: (Co-Fe-Ni, zlitine Fe in Co z Cu, Mn, V, Primeri: bistabilni releji, hermetični releji, pridrževalni releji, magnetne zavore, histerezni motorji, elektronski nadzor, mehanski displeji, ) :13 Magnetni materiali 52 26

27 UPORAA MAGNETNO POL TRDI MATERIALOV :13 Magnetni materiali 53 UPORAA TRDOMAGNETNI MATERIALOV Uporabljamo jih izključno za izdelavo trajnih magnetov, 152 Trajni magneti so izvori trajnega in konstantnega magnetnega polja. Želene lastnosti: čim večji maksimalni energijski produkt () max, μ p čim bližja vrednosti 1, čim linearnejša razmagnetilna krivulja, čim večji r, čim večja termična stabilnost in višja T c, zadostna korozijska obstojnost, zadovoljive tehnološke lastnosti, čim nižja cena. Primeri uporabe: elektromehanski sistemi: interakcija med poljem magneta in tokovodnika, magnetomehanski sistemi: interakcija med dvema magnetoma ali magnetom in feromagnetnim materialom, kot permanentni izvor magnetnega polja (magnetne normale, mehčalci vode, ionske črpalke, ciklotroni, :13 Magnetni materiali 54 27

28 MAGNETNI MATERIALI KONEC :13 Magnetni materiali 55 28