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

MAGNETNI MATERIALI 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 1 MAGNETNO POLJE Oersted, Amper: Magnetno polje je posledica gibanja elektrine. 3.2 73 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 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 2 1

Gibanje elektrin v atomu: Magnetno polje v materialu Nihanje protonov v jedru majhen vpliv ga zanemarimo. 3.2 73 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. 16.11.2008 11:13 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 3.2 73 r S J P N μ 0 P J 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 4 2

OSNOVNA RAZDELITEV MAGNETNI MATERIALOV 3.3 76 materiali diamagnetni paramagnetni feromagnetni ferimagnetni antiferomagnetni 16.11.2008 11:13 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 = 0.99999, χ Cu = -1 10-6 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. 3.3.1 76 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 6 3

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 = 1.000023, χ Al = 22 10-6 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 3 + 3.3.2 77 e - lastnosti odvisne od T in. 16.11.2008 11:13 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 3 3.3.3 78 lastnosti odvisne od T in. 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 8 4

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 0 3.3.4 80 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. 16.11.2008 11:13 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. 3.3.5 80 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 10 5

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). 3.4 82 16.11.2008 11:13 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 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 12 6

MAGNETNE DOMENE ali WEISSOVA OMOČJA so področja kristala feromagnetnih materialov s spontano magnetizacijo, Znotraj domene so magnetni momenti atomov m enako usmerjeni M domene, 3.4.1 82 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) 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 13 2 MAGNETENJE IN PREMAGNETENJE MAGNETNI MATERIALOV Vpliv smeri magnetenja kristala glede na njegovo lego: 3.4.2 86 Fe Co [0001] [1 1 0] [1 0 0] [1 1 1] <1010> [0001] <1010> 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 14 7

3 MAGNETENJE IN PREMAGNETENJE MAGNETNI MATERIALOV Materiali z naključno usmerjenimi kristali: izotropne lastnosti, r 3.4.2 87 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 16.11.2008 11:13 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 3.4.2 88 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 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 16 8

5 GOSTOTA NASIČENJA IN CURIEJEVA TEMPERATURA SNOV s (T) T C ( C) Fe 2,158 770 Co 1,9 1121 Ni 0,608 358 Gd 1,363 16 Fe 3 C 1,24 215 Mni 0,78 350 MnO Fe 2 O 3 0,52 295 303 FeO Fe 2 O 3 0,6 563 590 NiO Fe 2 O 3 0,34 575 597 MgO Fe 2 O 3 0,14 523 440 LiO Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 0,39 590 670 ao Fe 2 O 3 0,41 450 3.4.2 88 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 17 6 MAGNETENJE IN PREMAGNETENJE MAGNETNI MATERIALOV Počasno magnetenje: zanemarljiv vpliv vrtinčnih tokov, statična magnetilna in histerezna zanka, simetrična histereza. 1,5 1,0 3.4.2 89 (T) itro magnetenje: 0,5 0,0 1 z - statična -0,5 50 z 200 z -1,0 500 z 750 z -1,5-1500 -1000-500 0 500 1000 1500 (A/m) prisoten vpliv vrtinčnih tokov deformacija histereze, dinamična magnetilna in histerezna zanka, histereza ni vedno simetrična (enosmerno predmagnetenje). 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 18 9

r VRSTE PERMEAILNOSTI r r μ μ = μ = 0 r 3.5 90 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 50, 100 A/m) 0 m r m m tg ( α ) μ = = tg ( β ) μ tg ( γ ) 16.11.2008 11:13 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 3.5.3 91 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. 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 20 μ r μ m μ i 1 μ i 10

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 3.5.8 95 pomembna za trajne magnete. - c c 16.11.2008 11:13 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). 3.6 99 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 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 22 11

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 + 3.6.1 99 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 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 23 3 Grafična ločitev izgub: R j f L ekstrapolirano MAGNETNE IZGUE izmerjeno Rj = v f + h + n f L 3.6.1 101 h 0 v f n f 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 24 12

SPECIFIČNE MAGNETENE IZGUE Izgube pri večjih : P + s = Pv P mw/cm 3 informatika, W/kg - energetika h 3.6.3 103 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 16.11.2008 11:13 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) 1000 100 10 1 0,1 0,01 0,001 2 SPECIFIČNE MAGNETENE IZGUE Izgube pri različnih frekvencah magnetenja: f (z) 3.6.3 104 1000 750 500 400 300 200 150 100 75 50 25 10 5 2 1 0,0001 0 0,1 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) 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 26 13

3 SPECIFIČNE MAGNETENE IZGUE Ukrepi za zmanjšanje magnetnih izgub: 3.6.3 105 zmanjšanje γ (legiranje s: Si,, uporaba drugih mag. mat: feriti 10 6-10 12 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. 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 27 VPLIVI MAGNETENJA NA IZGUE Magnetne izgube so odvisne od načina magnetenja: 3.6.4 105 Izmenično magnetenje, Magnetenje z vrtilnim poljem. 8 P s (W/kg) 7 6 5 4 3 Magnetenje z vrtilnim poljem Magnetenje z izmeničnim poljem 2 1 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 ˆ (T) 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 28 14

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 3.6.5 106 A i P P p v max min (%) = 100 ali A (%) = 100 P + P p v 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 29 i P P max P + P min P s (W/kg) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 3 MAGNETNA ANIZOTROPIJA Izgube v odvisnosti od smeri magnetenja pri različnih Smer valjanja [1 1 0] [1 1 1] 55 [1 0 0] 3.6.5 108 ˆ (T) 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Smer ( ) 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 30 15

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 0. 0. 0.1 1. 10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 Koercitivna poljska jakost (A/m) Fe C jekla CoFeNi FeCoCr FeCoV FeMnNiTi C CrCo jekla FeCoVCr FeCrCo AlNiCo 3.8 114 RzCo 2.5 2.0 1.5 1.0 Remanentna gostota r (T) 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 31 VRSTE MAGNETNI MATERIALOV Kovinski: (čiste kovine in zlitine), (magneti so lahko liti ali prahasti), MAGNETNI MATERIALI 3.9 116 Keramični: (oksidni - feriti, neoksidni - nitiridi, sulfidi, karbidi). KOVINSKI KERAMIČNI ČISTE KOVINE ZLITINE FERITI AMORFNI KRISTALNI KOMPOZITNI 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 32 16

VRSTE MEKOMAGNETNI MATERIALOV 3.9.1 117 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 16.11.2008 11:13 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, 3.9.1.1 118 [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. -60-45 -30 = 1.5T -15 Smer valjanja 0 15 diagonalna (Goss) ploskovna ploskovna dvojno orientirana 30 45 60 smer valjanja smer valjanja smer valjanja smer valjanja smer valjanja -75 75-90 90 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 m r 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 34 17

KOVINSKI MEKOMAGNETNI MATERIALI isterezni zanki za vzdolžno in prečno smer magnetenja orientirane pločevine (M600-50A) 1,5 1,0 0,5 Vzdolžno Prečno (T) 0,0-0,5-1,0-1,5-1500 -1000-500 0 500 1000 1500 (A/m) Orientirane pločevine transformatorske pločevine, Neorientirane pločevine dinamo pločevine. 16.11.2008 11:13 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). 3.9.1.1 124 Zlitine Fe-Co: materiali z najvišjimi s ( s 2,4 T), lastnosti lahko spreminjamo s sestavo in tehnologijami. 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 36 18

KERAMIČNI MEKOMAGNETNI MATERIALI Mehkomagnetni feriti: izredno velika ρ ( ρ = 10 3 10 7 Ωm) majhne vrtinčne izgube za visoke f (do 10 Mz), nizka J s (J s = 0.17 0.5 T). Po kristalni strukturi delimo ferite na: FERIT 1: kubično-spinelna struktura FERIT 2: kubično-granatna struktura FERIT 3: heksagonalna struktura 3.9.1.2 127 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, 10 3 10 7 višja ρ do 10 Mz. 16.11.2008 11:13 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, 3.9.1.3 129 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. 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 38 19

AMORFNI MEKOMAGNETNI MATERIALI So kovinski materiali z amorfno strukturo (kovinsko steklo). Amorfno strukturo dosežemo z hitrim ohlajanjem (1.000.000 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 (~1.2 10 3 Ωm) male vrtinčne izgube (zmanjšanje do 70% glede na Si jekla), velika μ i (~50 000), in μ m (~100 000), 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 3.9.1.4 132 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 39 VRSTE MAGNETNO POLTRDI MATERIALOV Običajno so kovinski materiali z osnovo Fe, 3.9.2 133 Dodatki: Co, Cr, Cu, Mn, V, Ni, Lastnosti so odvisne od sestave in tehnoloških postopkov (hladno preoblikovanje, žarjenje, 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 40 20

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 (0.7-1.2) T, c ( 5.5-20) ka/m, () max (2.4-7.4) kj/m 3, uporabna temperatura 80 C, zelo občutljivi na staranje. 3.9.3.1 134 Zlitine Co-Fe-V: material: z 50 % Co ter (8-13) %V ostalo je Fe, magnetne lastnosti: r (0.8. 1.4) T, c (10-32) ka/m, () max (6.5-42) kj/m 3, uporabna temperatura 350 C, pravokotne histerezne zanke, dragi. 16.11.2008 11:13 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 ( 0.6. 1.3) 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. 3.9.3.1 135 Zlitine Mn-Al-C: je alternativa dragim materialom, materiali: z 70 % Mn, 39 % Al, 1 %C ostalo je Fe, magnetne lastnosti: r ( 0.5. 0.6) T, c (160-210) ka/m, () max (40-55) kj/m 3, uporabna temperatura 100 C, T c 300 C. 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 42 21

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 ( 0.2-0.5) T, c (120-280) ka/m, () max (5-40) kj/m 3, uporabna temperatura 150 C, T c 450 C, krhki, težka mehanska obdelova. (mt) 500 400 300 200 100 3.9.3.2 136-300 -200 (A/m) -100 0 0 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 43 5 VRSTE TRDOMAGNETNI MATERIALOV Trdomagnetni materiali iz redkih zemelj: Redke zemlje RZ: so oksidi elementov med atomskim številom 57-71 (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 ( 0.75. 1.1) T, c (520-730) ka/m, () max (110-200) 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. 3.9.3.3 138 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 44 22

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 ( 0.7. 1.3) T, c (400-1000) ka/m, () max (200-350) kj/m 3, nizka uporabna temperatura 120 C, T c 310 C, μ rec = (1.06-1.15), 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. 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 45 3.9.3.3 139 7 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. 3.9.3.4 140 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 46 23

8 VRSTE TRDOMAGNETNI MATERIALOV Pregled lastnosti trdomagnetnih materialov 3.9.3.5 141 400 320 Nd2-Fe 14-1 ( ) max kj/m 3 240 160 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 5 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 Leta 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 47 9 VRSTE TRDOMAGNETNI MATERIALOV (T) 1.4 3.9.3.5 141 1.2 NdFe sintrani 1.0 Sm Co sintrani 2 17 SmCo sintrani 5 0.8 AlNiCo ( ) max 3 (kj/m ) 320 280 240 200 180 900 800 700 80 600 500 400 (ka/m) 32 300 8 2 0 200 100 0 0.6 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. 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 48 24

UPORAA MAGNETNI MATERIALOV 3.10 143 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 16.11.2008 11:13 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. 3.10.1 143 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, 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 50 25

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 3.10.1.2 147 Magnetni zasloni: 0 n zahteve: velika μ i, mala c materiali: Fe-Ni, relejno železo Mehkomagnetni material 16.11.2008 11:13 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, ) 3.10.2 151 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 52 26

UPORAA MAGNETNO POL TRDI MATERIALOV 3.10.2 151 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 53 UPORAA TRDOMAGNETNI MATERIALOV 3.10.3 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, 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 54 27

MAGNETNI MATERIALI KONEC 16.11.2008 11:13 Magnetni materiali 55 28