Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat 2015/16 Mágneses anyagok Dr. Szabó Péter János szpj@eik.bme.hu
Mágneses tér anyag kölcsönhatás leírása B H B M r 0 H r H 1 1 V 0 ( P H i M ) 1 P V H : az anyagra ható külső mágneses térerősség B : az anyagnak a külső tér hatására adott válasza, a mágneses indukció M : az anyagban a külső tér hatására ébredő mágnesezettség P : az anyagban lévő elemi mágneses momentum : mágneses permeabilitás : mágneses szuszceptibilitás (érzékenység) 2
Mágnesezettség Spin: az elektron perdületét jellemző kvantummechanikai mennyiség. Elektronokra az értéke +1/2 vagy -1/2 lehet. Elemi mágneses momentum: az elektronok mozgásából (elsősorban a perdületükből) származó elemi mágneses tér, elemi rúdmágnes, melynek van északi és déli pólusa is. Mágnesezettség: az anyagban lévő elemi mágneses momentumok vektori eredője. 3
Mágneses anyagok csoportosítása 1. Gyengén mágneses anyagok Diamágnes: nincs benne spontán mágneses momentum, de külső mágneses tér hatására létrejön a térrel ellentétes irányban. (10-5 ). (Pl. Si, Cu, Zn, Ag. Cd, Au ) Paramágnes: vannak benne elemi mágneses momentumok, de rendezetlenül mozognak. Külső mágneses tér hatására a tér irányába állnak be. (10-3 - 10-5 ) (Mg, Al, Ti, W ) Mágnesezési görbék lineárisak: 4
Mágneses anyagok csoportosítása 2. Rendezett mágneses szerkezetű anyagok Spontán létrejönnek benne elemi mágneses momentumok, amelyek adott térrészletben, az ún. domén -ben maguktól egy irányba állnak. Az egyes domének mágnesezettségi iránya azonban statisztikusan rendezetlenül áll, így az anyag makroszkópikusan nem mágneses. Külső mágneses tér hatására a domének elemi mágneses momentumai egy irányba fordulnak, és úgy is maradnak a tér megszüntetése után is. Maradó mágnesettségű lesz az anyag, ezeket hívjuk klasszikus értelemben mágnes -nek. 5
Rendezett mágneses anyagok csoportosítása Ferro (Fe, Co, Ni, Gd), ötvözetek, Heussler (Mn, Cr) A momentumok azonos nagyságúak és állásúak. Antiferro (Cr, Mn) A momentumok azonos nagyságúak, de páronként ellentétes irányúak Ferri (Fe 3 O 4, CrO 2, ErO ) A momentumok nem azonos nagyságúak, és páronként ellenkező irányban állnak. 6
Domén - doménfal A doméneket elválasztó határ egy véges térfogat, a doménfal, amelyen belül a momentumok átfordulnak. Kicserélődési kölcsönhatás => párhuzamos momentum beállás 7
Hiszterézis görbéből származtatott jellemzők Első mágnesezési (szűz) görbe B(H) hiszterézis görbék Telítési indukció (B s ) Remanens indukció (B R ) Koercitív erő (H c ) Permeabilitás ( r ) 8
Hőmérsékletfüggés (ferromágnes) B S Reverzibilis változás a hőmérséklet függvényében. K Curie hőmérsékletek H C T Fe Co Ni 1043 K 1388 K 627 K T C Curie-hőmérséklet: az a hőmérséklet, ahol a ferromágneses anyag paramágnesessé változik. 9
Az átmágneseződési folyamat kinetikája Falmozgás: a külső térerősséggel nagyjából megegyező irányú domének növekedése doménfalmozgással Forgás: a doménfal-mozgás már túl nagy energiát igényel, így inkább a momentumok fordulnak be a külső tér irányába. 10
Mágnes tulajdonságok változtatásának lehetőségei A műszaki alkalmazások lágy és keménymágneses anyagai 11
Mágneses anyagok csoportosítása műszaki szempontból: Lágy Hc < 1 A/cm Félkemény Kemény Hc > 400 A/cm 12
Lágy- és keménymágneses anyagok Soft magnetic M Hard magnetic M Hc Hc H H H C = 0.01 1 A/cm H C = 400 7000 A/cm 13
Lágymágnesek jellegzetes felhasználási területei Elektromechanikus eszközök: Emelő, mozgató mágnesek, relék, mágneskapcsolók Elektromágneses indukció alapján működő eszközök: Transzformátorok, fojtók, generátorok, motorok, leválasztó elemek Mágnestér árnyékolások Fluxusvezető elemek 14
Felhasználói igények a lágymágneses anyagoknál B M H C Fajlagos ellenállás Curie-hőmérséklet Alakíthatóság Hiszterézis terület Nagy Nagy Kicsi Nagy Nagy Nagy Kicsi Tiszta fémek és homogén szilárd oldatok. Ötvözetek jobbak. Mechanikai keménység Mágneses keménység 15
Tiszta Fe B S (20 C) = 2,15 T max = 5.000-300.000 A/cm 99,95 % Fe, 0,005% C ARMCO Ötvözetlen elektrotechnikai lemez (Fedin, Fermax ) Interstíciós C, N, O rácstorzulás Dekarbonizálás (szénatomok eltávolítása) Tulajdonságai erősen szórnak Nem kézbentartható 16
Fe - Si ötvözetek (lemez) Erősáramú alkalmazás (nagy H, kis f) Traszformátor, dinamó-lemez (0,2-0,5 mm) Si hatása: csökkenti az anizotrópiát Optimum: 6-7 % Si rideg, kemény Transzformátor: 4-4,5 % Si Dinamó: 3,2-3,6 % Si Interstíciós ötvözők: C, O, P, Mn, S Maradó feszültség Hőkezelés: nedves hidrogénben C < 0,04 % 17
Fe - Ni ötvözetek (Permalloy) 50% Ni - 50% Fe 80% Ni - 20% Fe Kis telítési indukció (Fe-2,2 T, Ni-0,6 T) Nagy permeabilitás (20.000-70.000) Kis veszteség Alakítás rendkívül sokat ront a tulajdonságokon. Lágyítás (900-1000 C, 1h), gyors hűtés, feszültségmentesítés (600 C), gyors hűtés T C -nél mágnestérben hűtés permeabilitás * 10 18
Felhasználói igények a keménymágneses anyagoknál B M B R (BH) max Hiszterézis terület H C 400 A/cm Permeabilitás Nagy Nagy Nagy Nagy Nagy X Keménymágnes jelleggörbe 19
Keménymágnesek jellegzetes felhasználási területei Légrésben előírt indukció keltése / fenntartása. Drága, sokszor alakíthatatlan. Híradástechnika: hangszórók, mikrofonok, mikrohullámú eszközök Méréstechnika: galvanométerek Mechanikai mozgatás, rögzítés: motorok, emelő stb. mágnesek Mágneses információ tárolás: magnó, videó, floppy, merevlemez 20
Keménymágnek néhány típusa Martenzites (W) (olcsó, klasszikus) Alnico, Ticonal (szokásos, tömegtermék) Cu-Ni-Co, Fe-Co-V (közepes, alakítható) Pt-Co, Pt-Fe (kitűnő izotróp mágnes, drága) R-Co (kitűnő, magas ár, 0,1-1 g) Nd-Fe-B (kitűnő, de alacsony T C ) Hexaferritek (olcsó, porkohászat, egyszerű alkalmazások) 21
Elektromos vezetési folyamatban töltést továbbító (elmozdulni képes) részecskék: Vezetők fémek szabad elektron ötvözetek szabad elektron elektrolitok + és - ionok plazma áll. gázok + és - ionok Félvezetők elemi szabad elektronok, lyukak vegyület szabad elektronok, lyukak Szigetelők kovalens kristályok szabad elektronok, lyukak ionos kristályok szabad elektronok, lyukak folyadékok gázok + és - ionok + és - ionok
Vezető anyagok klasszikus csoportosítása (fajlagos vezetőképesség) Siemens/m, 1/Ohm m 10-8 S/m szigetelő 10-8 - 10 6 S/m félvezető 10 6 S/m fémes vezető R m S m l A 1
Vezetési mechanizmusok leírása Klasszikus (Sommerfel-féle, szabad-elektron modell) Feltételezés: elektromok között nincs kölcsönhatás (ideális gáz) Elektron mozgása: Rendezetlen termikus mozgás + sodródás (drift) Kvantummechanikai leírás Elektronhoz rendelt síkhullám mozgása a rácsperiodikus potenciáltérben. Vezető test: potenciálgödör.
Vezetési mechanizmusok leírása : átl. élettartam : átl. szabad úthossz v (sebesség) t (idő) v drift v d : anizotróp n : elektron mozg. p : lyuk mozg. [cm 2 /Vs] E j a j q nv d F q E vd m m 2 n q E E 2 m q 2 E m Mérése: Hall - effektus C- V mérés
Vezetési mechanizmusok leírása Eredmények: Differenciális Ohm-törvény 1-2 vegyértékű fémekre jó fajlagos ellenállás értékek Problémák: azonos fém allotróp módosulatai többvegyértékű fémek (fajl. ell. hibás) Félvezetők, szigetelők (hőmérsékletfüggés) (T, megvilágítás, külső E, sugárzás )
Fémek fajlagos ellenállását befolyásoló tényezők Kristályrács torzulása növekedése termikus rácsrezgések termikusan aktivált ponthibák diszlokációk (alakítás) felületszerű hibák (szemcseméret) térfogati hibák (kiválások, új fázis) rácstorzulás (szilárd oldatos ötvözés)... Matthiesen-szabály (szeparálható fv.) T, c, T c 1 2 3
OP 2/3OP 100K Maradó ellenállás T (K) T R T R n nq m nq m T T T T T T T 1 1 * * 1 1 1 2 2 0 0 2 0 kr. hibák maradó ellenállás Szupravezető: maradó ellenállás nulla Lineáris viselkedéstől eltér ha van: ferro-paramágneses átmenet allotróp átalakulás fázis átalakulás hőmérsékletfüggése (fémes vezető)
Ötvözés hatása T olvadék olvadék + T olv. + A olvadék olv. + B szilárd oldat () A + B T 1 T 1 a. A C B B a. A B, T 1 T 1 B A A b. B A C B Ac 1 ötv c B b. A ötv c A A c B B B
Ötvözés hatása Nordheim-szabály ötv A Ac 1 c c Ac 1 c A B B B B Mott-szabály Ac AB BA
Hőve Képlékeny alakítás, hőkezelés hatása 0 25 50 75 100 A B B komponens koncentrációja, [%] Fajlagos-ellenállás növekmény Alakítás mértéke Képlékeny alakítás vakanciák, diszlokációk n k ln nln ln k Egyensúly felé tart a rendszer csökken.
Nyomás és rétegvastagság hatása Nyomás (hidrosztatikus) hatása: növekszik Rétegvastagság hatása ha az e- szabad úthossza összemérhetővé válik a rétegvastagsággal k: felület minősége a: alak (huzal, lemez) d: vastagság, átmérő : e- szabad úthossza k a d v drift
Vezetőanyagok Vezetékanyagok: Cu és ötvözetei Al és ötvözetei Fe és ötvözetei Érintkezőanyagok kis átmeneti ellenállás jó hővezetés jó ívállóság nagy szilárdság kopásállóság pl. Au, Ag, W, Pt, Cu-Ag, Cu-Ag-Au, kompozitok, pl. Ag-CdO Hőelemek aktív anyagai Cu - konstantán Fe konstantán Ni CrNi, Pt PtRh Üveg- és kerámiaátvezetők kis hőtágulási együttható pl. Fe Ni ötvözet 36-42% Ni Kettősfémek két eltérő hőtágulású anyag összehengerelve Forraszanyagok