Anyagtudomány MÁGNESES ANYAGOK GERZSON MIKLÓS

Átírás

1 Anyagtudomány MÁGNESES ANYAGOK GERZSON MIKLÓS 1

2 mágneses pólusok (Föld, állandó mágnesek) pólusok nem szétválaszthatók történetük: Magnetosz Kréta Ókori Kína iránytű Gilbert: On the Magnet (1600) Oersted: elektromágneses jelenségek (1820) felhasználásuk: lágymágnesek 10 6 t/év, keménymágnesek: 10 3 t/év 2

3 mágnesek egy gépjárműben: 3

4 az anyagok mágneses viselkedésére jellemző összefüggések: B mágneses indukció (1T = 1 Vs/m 2 = 1 kg/as 2 ) H mágneses térerősség (1 A/m) 0 vákuum permeabilitása (1 H/m = 1 Vs/Am) permeabilitás ( ) a mágneses indukciót és a térerősséget összekötő arányossági tényező anyagi jellemző vákuum permeabilitása (abszolút permeabilitás): H/m 4

5 tetszőleges anyag esetén: M a térfogat egységre eső mágneses momentum, azaz az mágnesezettség mágnesezettség és mágneses térerősség közötti kapcsolat: mágneses szuszceptibilitás mágneses szuszceptibilitás megadja, hogy az anyagra ható mágneses tér milyen mértékben mágnesezi át 5

6 belátható, hogy: az anyag relatív permeabilitása az M,, és közül csak egyet kell ismerni, a többi meghatározható az anyagok besorolása mágneses szuszceptibilitás, illetve relatív permeabilitása alapján történik 6

7 rúdmágneshez, áramjárta körvezetőhöz meghatározott nagyságú mágneses momentum tartozik mágneses momentum: m feltételezett mágneses töltésmennyiség rúd hossza I áram erőssége A felülettel arányos nagyságú, arra merőleges vektor 7

8 a mágneses momentum oka: atommagé elhanyagolható elektroné a mag körüli mozgásból és a saját perdületéből származik: együttható: Bohr-magneton az elektron saját impulzusnyomatékának, a spinjének az értéke egy Bohr-magneton 8

9 az eredő mágneses momentum az elektronok mágneses momentumainak vektoriális összege minden betöltött héj momentumának eredője nulla a legkülső elektronhéjon lévő elektronok határozzák meg a mágneses momentumot olyan elemeknek lehet nagy mágneses momentuma, melyeknek sok párosítatlan elektronja van, amik a megfelelő pályán helyezkednek el: Fe, Co, Ni 9

10 az anyagok csoportosítása mágneses tulajdonságaik alapján: gyengén mágneses anyagok diamágnesek paramágnesek rendezett mágneses anyagok ferromágnesek ferrimágnesek antiferromágnesek 10

11 diamágneses anyagok: lezárt elektronhéjú atomok, a spintől eredő momentumok kioltják egymást mágneses szuszceptibilitás kis negatív érték ( ) relatív permeabilitásuk 1-nél kisebb, de 1-hez közeli érték a mágneses erőtér vonalait eltérítik, szupravezetők teljesen kizárják nemfémes szilárd testek Cu, Au, Ag, Zn Hg, Ge, Pb 11

12 paramágneses anyagok: legalább egy párosítatlan elektronjuk van, de azok a hőmozgás miatt nem tudnak irányba állni mágneses szuszceptibilitás kis pozitív érték ( 10-6 ) relatív permeabilitásuk 1-nél valamivel nagyobb a térerősség növelésével nő az irányított momentumok száma, de telítettség nem lép fel O, Na, K, Al, Si, Sn, Mn 12

13 antimágnesek: mágneses szuszceptibilitásuk 0 speciális geodézia mérésekhez ilyen anyag nincs, de elvileg diamágneses és paramágneses anyagok ötvözésével előállítható de a mágneses szuszceptibilitás hőmérsékletfüggő 13

14 ferromágneses anyagok: több párosítatlan elektronjuk van mágneses szuszceptibilitás nagy pozitív érték ( 10 6 ) relatív permeabilitásuk 1-nél lényegesen nagyobb külső mágneses tér hatására állandó mágnesek lesznek, és a tér eltávolítása után is mágnesek maradnak mágnesezettségük nem reverzibilis Fe, Co, Ni, ritkaföldfémek (Gd, Ho, Tb, Dy) 14

15 ferromágneses anyagok mágnesezési görbéje: első mágnesezési görbe (0-A szakasz) külső erőtér (H) növelésével a mágneses indukció (B) előbb lassan, majd hirtelen gyorsan nő, majd lassan beáll vízszintesre az összes elemi mágneses dipólus egyirányba áll: telítési mágnesezettség 15

16 ferromágneses anyagok mágnesezési görbéje: további mágnesezés (A-C-D-E szakasz) H csökkentésével B alig változik H=0 -nál B a remanens indukció értékére (B r ) csökken (C pont) H-t ellenkező irányúra változtatva és -H k ig csökkentve lesz B=0, H k koercitív erő (D pont) tovább csökkentve H-t, újra telítés érhető el (E pont) 16

17 ferromágneses anyagok mágnesezési görbéje: újbóli H csökkentéssel hasonló folyamat játszódik le (E-F-G-A szakasz) telítési érték, a remanencia és koercitív erő akkor lesz ugyanakkora, ha telítésig visszük a folyamatot mágneses hiszterézis hiszterézis hurok területe arányos a felszabaduló hővel 17

18 miért tudnak a ferromágneses anyagok mágneses momentumai térirányba állni? termikus rendezetlenség - paramágnesek Weiss: kell egy additív energiatag ehhez, belső erőtér H m Heisenberg: az elektronok között fellép egy kicserélődési kölcsönhatás, ami függ a betöltetlen elektronhéjak méretétől és rácspontok egymástól mért távolságától 18

19 Heussler-ötvözetek: ferromágneses tulajdonságú ötvözet, melynek alkotói paramágneses anyagok oka: a kristályszerkezetet ötvözéssel úgy változtatják meg, hogy az R/r (x-tengely) értéke meghaladja a kritikus értéket kell olyan alkotó, aminek betöltetlen d-héja van MnAlC 19

20 miért lesz a ferromágneses anyagok mágneses momentuma nulla, ha azokat nagy hőmérsékeltről hirtelen hűtik le? Weiss: kis mágneses tartományok, domének doméneken belül az elemi momentumok párhuzamosak domének egymáshoz képest rendezetlenek, kiegyenlítik egymás mágneses hatását 20

21 a növekvő térerő hatására, akkor csökken a mágneses anyagok energiája, ha a térrel párhuzamos momentumok száma nő azoknak a doméneknek a térfogata nő, amelyek a térrel egyirányba állnak az ellentétes irányúaké csökken 21

22 a domének viselkedése a hiszterézis görbe mentén 22

23 ferromágneses anyagok mágneses tulajdonságainak hőmérséklet függése T c Curie-pont 23

24 ferrimágneses anyagok: ferromágneses anyagok a doménekben a mágneses erővonalak azonos irányúak ferrimágnesek: kétféle ion van, amelyek mágnesessége két különböző irányú oka: a ferromágneseknél a fémionok közvetlen kapcsolatban állnak egymással a ferrimágneseknél pl. nagyméretű O atomok vannak és megakadályozzák a fématomok érintkezését 24

25 az O atomok arra törekszenek, hogy a mágneses momentumaik ellentétesen, egymással párhuzamosan irányítottak legyenek viszont a momentumok különbözősége miatt nem nulla lesz az eredő momentum ferrimágneses anyagok: YIG (Y 3 Fe 2 (FEO 4 ) 3 ), magnetit (Fe 3 O 4 ), Mn, Zn vegyületek antiferromágnesesség: ha az ellentétes irányítású momentumok azonos nagyságúak, semlegesítik egymást 25

26 különböző mágneses tulajdonságú anyagok jellemzői: 26

27 lágymágneses anyagok: azok a ferro- és ferrimágneses anyagok, melyek telítési indukciója és permeabilitása nagy és a koercitív ereje kicsi általában ötvözetek jobbak, mint a tiszta ferromágneses fémek villamosmérnöki gyakorlatban: ötvözetlen acélok Fe-Si ötvözet Permalloy 27

28 lágymágneses anyagok: ötvözetlen acél csak olcsó berendezéseknél alkalmazható, a C, N és O-tartalom miatt nagy a hiszterézisveszteség 6%-os Si ötvözet lenne a legjobb, de az nem hengerelhető, így 4-4,5%-ost használnak transzformátorlemeznek, 3-3,5%-ost dinamóhoz (ridegség!) Permalloy (Fe-Ni) ötvözetek 28

29 keménymágnesek: nagy koercitív erő és nagy remanens indukció állandómágnesek a mágnesezettségi irány a kristály tengelyeihez kötött, azaz a domének forgatásához nagyon nagy külső térerőre van szükség 29

30 keménymágneses anyagok: martenzites: gyengébb minőség, de olcsó, könnyű megmunkálhatóság Alnico, Ticonal (Fe-Co-Ni ill. Al és Ti ötvözetek): alaptermék, de nehezen alakítható Cu-Ni-Co és Fe-Co-V: alakítható ötvözetek (huzal-, lemezgyártás) Pt-Co, Fe-Pt: nagyon jók, de nagyon drágák Co-ritkaföldfém: jelenleg a legjobbak, viszonylag drágák hexaferritek: MOFe 2 O 3, olcsó, porkohászat 30

31 keménymágneses anyagok összehasonlítása: M max (kj/m 3 ) H k (ka/m) 31

32 keménymágneses anyagok felhasználási területei: híradástechnika: hangszórók, mikrofonok, mikrohullámú rendszerek méréstechnika: galvanométerek mágneses információtárolás: videó, magnó, floppy, merevlemez mozgatás: motorok, emelők 32