Mágnesség mágnes ferromágneses ferrimágneses domé- nekben remanencia koercitív

Átírás

1 Mágnesség az elektromágnesség egyik megjelenése. A 19. században tárták fel, hogy az elektromos és a mágneses jelenségek szoros kapcsolatban állnak, egymástól elválaszthatatlanok. Mozgó elektromos töltések mágneses teret keltenek, a mozgó töltésekre mágneses erők hatnak. Az egymástól függetlenül létező pozitív és negatív elektromos töltéstől eltérően mágneses egypólust még nem találtak, bár az elméleti fizika számol létezésével. Tapasztalataink szerint csak mágneses dipólus, vagyis egymástól elválaszthatatlan északi és déli pólus létezik. Az atomok maguk is parányi mágnesek. Külső mágneses tér hatására az atomok rendezettséget vesznek fel, az anyag mágneses tulajdonságokat mutat. Az anyagok mágnesezhetőségén alapul a modern információtárolás: audio- és videomagnó, mágneslemezek (floppy, winchester). Erős mágneses térben alkot részletgazdag képet az emberi szervezetről a mágneses rezonancia (MR) módszer. A Föld maga hatalmas mágnes, ezzel vált érthetővé a már évszázadok óta sikeresen használt iránytű működése. A bolygók mágneses tere alakítja ki a magnetoszférát, amely védelmet nyújt a Napból származó részecskeáram, a napszél ellen. mágnes a mágnesség alapjelenségeit mutató anyagi közeg, amelynek alapvető tulajdonságai a kétpólusú (északi és déli) sarkítottság és a más mágneses anyagokra érintkezés nélkül, a távolból is ható vonzó vagy taszító erő. Ez a sokáig rejtélyesnek tartott távolhatás a mágneses erőtér. A mágnesek vonzását már az ókorban ismerték, a 19. sz. óta pedig azt is tudjuk, hogy a villamos áramok is teremtik és követik a mágneses erőteret. Így minden anyag mágneses a maga módján a benne mozgó elektronok áramai miatt, mágneseknek azonban mégis csupán a rendezett ferromágneses és ferrimágneses szerkezetű, általában szilárd halmazállapotú állandó mágneseket nevezzük. Ezek mikroszerkezete parányi atomi mágnesek egyirányba rendeződésével épül fel az atom-párok között ható, kvantumfizikai eredetű kicserélődési kölcsönhatás erőterében, a Curie-pont alatti hőmérsékleteken. A rendezettség mikrométernyi méretű tartományokban doménekben valósul meg, és a sokféle irányú doménből összegződő eredő mágnesezettség nagy külső térerőben telítődik, majd nulla térerőnél is visszamarad a remanencia értéke, amely az ellenkező irányú koercitív

2 erőtérnél nullázódik. A mágnesezési folyamat hiszterézis-függvénye a mágneses eszközök műszaki alkalmazása szempontjából ad fontos információkat. mágneses eszközök a mágneses anyagok tulajdonságaira és a mágnesség fizikai jelenségeire vonatkozó tudást a társadalom hasznos céljai érdekében felhasználó műszaki alkotások. A mágnesek hiszterézis-függvényének fizikai paraméterei, a telítési és a remanens mágnesezettség, valamint a koercitív erő értékei a mágnesek alkalmazhatóságát lényegesen befolyásolják. A kemény-mágnesekben általában ritkaföldfém ötvözetek a telítési mágnesezettség, a remanencia és a koercitív erő is a lehető legnagyobb értékű. A lágy-mágneses anyagokban pl. a transzformátorok vasmagjaiban a telítési mágnesezettség nagy, de a kis értékű remanencia és koercitív erő biztosítják a hiszterézishurok területével arányos kis vasveszteséget. A számítógépi digitális memóriák mágneses vékonyrétegeiben a remanencia és a koercitív erő értékeinek a biztonságos adattároláshoz elegendően nagynak, viszont a gyors működést biztosító kis energiaveszteséghez minél kisebbnek kell lenniük. A szórakoztatóipari analóg műsorrögzítésre használt audio- és videoszalagok mágneses rétegeiben a jelek alakjának hű átvitele, a bemeneti mágnesező erőtér és a kimeneti remanens mágnesezettség lineáris arányossága a legfontosabb követelmény. Fogalmak: a. Diamágnesesség: a kisebb mágneses térerő irányába mozdulnak (Sn, Pb, Ag, Au). A fémek többségének atomjai szimmetrikus kompenzált spinű elektronpárokat, lezárt elektronhéjakat tartalmaznak, ezért az egyes elektronok mozgása során keletkező mágneses momentumok egymást kompenzálják. Külső mágneses tér az elektronok mozgását megváltoztatja, az addig kompenzált mágneses momentumú részecskéket átmenetileg aszimmetrikusan rendezi el. ún. indukált mágneses momentum jön létre, amely taszítja a mágnest. b. Paramágnesesség: néhány elektron kompenzálatlan marad, így az atomoknak saját mágneses momentumuk van, a nagyobb mágneses térerő irányába tolódnak el (Al, Pb, Cr, Ti, Mn), amelyet csak külső mágneses tér rendezhet el, orientálhatja az atomok mágneses tengelyeit az erővonalakkal párhuzamosan.

3 c. Ferromágnesesség: ha az atom kompenzálatlan mágneses momentuma olyan nagy, hogy az atomok mágnesessége már a szomszédos atomokat is bizonyos mértékben orientálja, mágneses szigetek jönnek létre, ahol az egyes atomok mágneses erővonalai párhuzamosak. Külső erőtér a mágneses szigetek egységesen orientálhatja, ezáltal erős, maradandó mágnes jön létre. Minden ferromágneses anyagra van egy hőmérséklet (Curie-féle pont), ahol a ferromágnesesség megszűnik. Permanens mágnesek Az állandó kutatásfejlesztés eredményeként kialakított mágnes anyagoknak köszönhetően egyre kisebb méretben egyre nagyobb mágneses energia áll rendelkezésre. A mágnesek csoportosítása: Funkciójuk szerint: - Elektromos energiát alakítunk át mozgási energiává (motorok, hangszórók) - Mozgási energiát alakítunk át elektromos energiává (generátor, mikrofon, érzékelők) - Mechanikai energiát továbbítunk (rögzítők, kuplungok, emelők, vaskiválasztó, szeparátor) A mágnes anyaga szerint: AlNi, AlNiCo ( öntött mágnes ) Ferrit mágnes ( kerámia mágnes ) Szamárium-kobalt (ritkaföldfém mágnes) Neodimium-vas-bór ( ritkaföldfém mágnes)

4 AlNi, AlNiCo ( öntött mágnes ) Az első izotróp AlNi mágnesek a 30-as évek elején jelentek meg. Aluminium, Nikkel és vas ötvözetéből állították elő hagyományos öntészeti technológiával. Néhány évvel később már anizotrop öntött mágneseket is készítettek, amelyek már Al, Ni, Co, Cu, Fe ötvözetéből áll. A korábban használt hajlított acélmágneseket váltotta fel. Sokkal kedvezőbb mágneses paraméterei miatt jelentős méretcsökkenést tettek lehetővé. (pl. villanyóra fékmágnese, Deprez-műszer) Előállítás: A tiszta alapanyagokat megfelelő arányban előírt technológiai sorrendben összeolvasztják és a kívánt mágnes alakjának megfelelő héjformába öntik, ahol a folyékony fémkeverék megszilárdul. A megfelelő mágneses paraméterek hőkezeléssel érhetők el. 910 C -on edzik, majd mágneses térben, adott sebességgel hűtik le. Így kialakul a kívánt irányítottság, a mágneses anizotrópia. Készülhet AlNiCo mágnes szintereléssel is, ahol a finom por alakú alapanyagokból préseléssel állítják elő a kívánt alakot, amit aztán védőgázas kemencében szinterelnek, végül hőkezelnek. A szintermágnesek jelentős szerszámozási költségei és technológiai igénye miatt áruk magasabb, mint az öntött mágneseké. Csak nagy szériák esetén gazdaságos. Mágneses jellemzők: Mágneses tulajdonságát a magas remanens indukció és viszonylag kis koercitív erő szabja meg. A mágneskör tervezésnél ezt mindig szem előtt kell tartani. Előnyeit a hosszú rudaknál (3-4 < L/D aránynál) ill. szűk légrésű mágnesköröknél lehet kihasználni. Egyes esetekben a felmágnesezés a mágneskör összeszerelése után történik (mágnesasztal, kuplung, hangszóró..) Az szakirodalom szerint stabilitására jellemző, hogy 15 év alatt kb. 5%-ot csökken a mágnesezettsége, amit újramágnesezéssel vissza lehet állítani. Azoknál az alkalmazásoknál, ahol még ilyen mértékű változás sem megengedett, ott -mesterséges öregítéssel- kell beállítani a stabil állapotot. (árammérő óra, járműipari felhasználás..) Külső ellenterekkel szemben az ellenálló képessége kicsi. Az összes létező mágnesfajtával összehasonlítva messze a legjobb a hőmérséklettűrő képessége. Megengedett maximális környezeti hőmérséklet 550 C.

5 Mechanikai jellemzők: Az öntött mágnesek természetes tulajdonsága a nagy keménység, a porozitás és a rideg kristályos szerkezet ezért megmunkálni köszörüléssel szokták. Az 50% körüli vastartalom miatt a korrózióra való hajlam a vaséhoz hasonló. Nem igényel külön galvanikus bevonatot. Alkalmazási terület: Hangszóró, motor, jeladó, mágnesasztal, kuplung, Ferrit mágnes kerámia mágnes 1952-ben szabadalmaztatták az izotróp-, majd 1954-ben az anizotróp ferrit mágneseket. Gyártástechnológiájuk és fizikai tulajdonságuk alapján gyakran említik kerámia mágnesekként is. Az olcsó és korlátlanul rendelkezésre álló alapanyagoknak köszönhetően áruk a legalacsonyabb. Ugyanakkor a kedvező mágneses jellemző miatt a legjobb ár/érték arányt mutatják. Előállítás: Gyártási folyamat a 80 % vasoxid és a 20 % stroncium- vagy báriumkarbonát keverék összeőrlésével kezdődik. Ezt követi a keverék kiégetése (ferritizálás), aminek az eredményeként kapjuk az oxidkerámiát (stoncimferrit vagy báriumferrit). Az újabb őrlés egészen egykristály méretig (mikronos szemcseméret) tart. Itt már elemi mágnes kristályokat kapunk. Az őrölt porból száraz vagy nedves préseléssel állítják elő a kívánt alakú mágneseket. A préselt mágneseket magas hőfokon alagútkemencékben szinterelik. Ekkor a méretek kb. 17 %-ot zsugorodnak. A pólusméreteken általában ennél szigorúbb tűrést írnak elő, ezért a végső méretet köszörüléssel állítják be. Mágneses jellemzők: Az izotróp mágnesek bármilyen irányba mágnesezhetőek és közel azonos mágneses jellemzőket mutatnak a különböző irányokban. Az anizotróp mágnesek préselése erős mágneses térben történik, ezért van egy kitüntetett, un. könnyű mágnesezési irány. Ebben az irányban sokkal kedvezőbb jellemzői vannak, mint többi irányban.

6 A kerámia mágnesek nagy kristály anizotrópiájának köszönhetően nagy koercitív erővel rendelkeznek, ami a külső-, gyöngítő terekkel szemben ellenállóvá teszi és biztosítja hosszú idejű stabilitást. A viszonylag alacsony remanens indukció miatt nagyobb pólusfelülettel kell tervezni. Megengedett maximális környezeti hőmérséklet 250 C. Mechanikai jellemzők: Nagyon kemények, ezért köszörülni is csak gyémántszerszámmal lehet. Rendkívül ellenállóak a korrózióval, savakkal, sókkal, olajakkal és gázokkal szemben. Alkalmazási terület: Hangszóró, motor, szeparátor, rögzítők Szamárium-kobalt (ritkaföldfém mágnes) A 60-as évek elején jelent meg a szamárium-kobalt mágnesek első generációja, melyet az SmCo5 képlettel jelölnek. Hagyományos mágnesötvözők (vas, kobalt) mellett ritkaföldfémet, szamáriumot is tartalmaz. A korábbi mágnes anyagokkal összehasonlítva sokkal kedvezőbb paraméterekkel rendelkeznek. A második generációt jelentő Sm2Co17 mágnesekre a még nagyobb koercitív erő és (BxH) max érték a jellemző. Kiváló mágneses tulajdonságaik ellenére a viszonylag magas áruk korlátozza széleskörű felhasználásukat. Előállítás : Először elkészítik a kívánt összetételű elő-ötvözetet, amelyből őrléssel finom port állítanak elő. Ebből mágnestérben történő préseléssel készül az anizotrop mágnes, vagy izo-statikus préseléssel az izotróp mágnes. Sok esetben először nagyobb hasábokat préselnek és később ezekből gyémántszemcsés tárcsákkal vágják ki a kisebb méretű hasábokat. A préselt darabokat magas hőfokon szinterelik, majd köszörülik, vágják méretre.

7 Mágneses jellemzők : Az izotróp mágnesek bármilyen irányba mágnesezhetőek és közel azonos mágneses jellemzőket mutatnak a különböző irányokban. Az anizotrop mágnesek préselése erős mágneses térben történik, ezért van egy kitüntetett, un. könnyű mágnesezési irány. Ebben az irányban sokkal kedvezőbb jellemzői vannak, mint többi irányban. Szamárium-kobalt mágnesek a korábbi mágnes anyagoknál nagyobb koercitív erővel rendelkeznek, ami a külső-, gyöngítő terekkel szemben ellenállóvá teszi és biztosítja hosszú idejű stabilitást. Remanens indukciója alig kisebb mint az AlNiCo-nak, de több mint duplája a ferritének. Maximális BxH szorzata 5-6- szor nagyobb, mint a korábbi mágnes anyagoknak. Megengedett maximális környezeti hőmérséklet 250 C. Mechanikai jellemzők: Nagyon kemények, ezért köszörülni is csak gyémántszerszámmal lehetséges. Keménységüknek köszönhetően a legtörékenyebb mágnesek. Normál körülmények között nem korrodálnak, ezért külön galvanikus védelmet nem igényelnek. Alkalmazási terület: Mikromotor, autóipari érzékelők, jeladók Neodimium-vas-bór ( ritkaföldfém mágnes) A Neodimium-vas-bór mágneseket 1980-ban fedezték fel. Jelenleg ez a legmodernebb mágnesfajta. A szamárium-kobalt mágnesekkel együtt a ritkaföldfém mágnesek csoportjába tartoznak. Gyártási technológiájuk is sok hasonlóságot mutat.

8 Előállítás: Először elkészítik a kívánt összetételű elő-ötvözetet, amelyből őrléssel finom port állítanak elő. Ebből mágnestérben történő préseléssel készül az anizotróp mágnes, vagy izo-statikus préseléssel az izotróp mágnes. Sok estben először nagyobb hasábokat préselnek és később ezekből gyémántszemcsés tárcsákkal vágják ki a kisebb méretű hasábokat. A préselt darabokat magas hőfokon szinterelik, majd köszörülik, vágják méretre. A korrózió megelőzése érdekében galvanikus bevonat (nikkel, zink,..) szükséges. Fő előnyük a szamárium-kobalttal szemben a jobb mágneses tulajdonságok és a jóval alacsonyabb ár. Mágneses jellemzők: Neodimium-vas-bór mágnesek a szamárium-kobalt mágneseknél is nagyobb koercitív erővel rendelkeznek Remanens indukciója megegyezik az AlNiCo-éval. Maximális BxH szorzata kb. másfélszerese a szamárium-kobalt mágnesének. A legnagyobb problémát a korrózió és a viszonylag alacsony maximális megengedett külső hőmérséklet jelenti. T max C. anyagminőségtől függően. Mechanikai jellemzők: Nagyon kemények, ezért köszörülni is csak gyémántszerszámmal lehetséges. Nagy keménységük és erős mágneses terük miatt könnyen törnek vagy sérülnek, amikor egy másik mágnessel összecsapódnak. Nagyobb méretek esetén ez komoly balesetet is okozhat. Normál körülmények között korrodálnak, ezért galvanikus védelmet igényelnek. Alkalmazási terület: Hangszórók, motorok, jeladók, rögzítők, kuplungok