Studiul asupra Materialelor Magnetice MoiVieriu Andrei

Student, Facultatea de Marină Civilă, Academia Navală Mircea cel Bătrân, Constanța

Coordonator științific: Prof.univ.dr.ing. Samoilescu Gheorghe

Academia Navală Mircea cel Bătrân, Constanța

Rezumat. Odată cu descoperirea electricităţii materialele magnetice au fost mai intens studiate datorită potenţialului lor de a fi utilizate în diverse aplicaţii ce ţin de electricitate. Aceste materiale se regăsesc în aproape toate aplicaţiile din jurul nostru pornind de la motoarele electrice, transformatoare şi până la mediile de stocare magnetică. Materialele magnetice au fost împărţite în funcţie de caracteristicile lor în materiale magnetice moi şi dure.

In introducere am facut un scurt istoric al celor mai semnificative descoperiri în domeniul magnetismului, am enumerat materialele magnetice moi si am specificat cele 5 mari categorii de materiale magnetice.

La caracteristici magnetice am facut trecerea în revistă a principalelor fenomene care se produc în interiorul materialelor magnetice şi legarea acestor fenomene de caracteristicile magnetice.

1. Introducere

Materialele magnetice moi sunt caracterizate de inducţia remanentă mică, inducţia de saturaţie relativ mare, ciclul de histerezis îngust şi pierderi mici prin histerezis şi curenţi turbionari. Cele mai utilizate materiale magnetice moi (din punct de vedere cantitativ) sunt tablele electrotehnice care sunt realizate din aliaje ale fierului cu un anumit procent de siliciu din masa totală a aliajului. Caracteristica inducţie magnetică sau magnetizaţie în funcţie de intensitatea câmpului magnetic are formă de ciclu neliniar care poartă denumirea de ciclu de histerezis. Modelarea acestor caracteristici a fost şi a rămas un domeniu de interes. [4]

Materialele magnetice moi sunt acele materiale care sunt uşor de magnetizat şi demagnetizat, prezentând câmpuri coercitive mici şi permeabilităţi mari, fiind caracterizate de o mobilitate ridicată a pereţilor de domenii magnetice. Pentru anumnite aplicaţii, materialele magnetic moi trebuie să prezinte inducţie la saturaţie (Bs) mare, temperaturi Curie (Tc) ridicate şi conductivitate electrică mică. Fazele magnetic moi sunt caracterizate de o anizotropie magnetocristalină slabă, impusă, în primul rând, de structuri cristaline cu o simetrie înaltă (cubice).[5]

Materialele sunt:

Fierul constituie baza celor mai multe materiale magnetice.Se disting mai multe sorturi de fier si anume:fierul tehnic pur,fierul electrolitic ,fierul carbonil.Fonta este un aliaj de fier cu carbon, avand procentul cel mai ridicat de carbon (intre 2,06 si 4%).Caracteristicile mecanice si magnetice ale fontei sunt net inferioare celor ale otelului.Otelul se elaboreaza din fonta prin reducerea procentului de carbon (intre 0,04% si 2,06%).Otelurile se folosesc in circuitele magnetice supuse la solicitari mecanice pronuntate , in special unde se cere elasticitate mare.[3]Aliajele fier-siliciu sunt materiale magnetice cala mai utilizate in domeniu electrotehnic, deoarece au proprietati magnetice bune si cost redus.Aliaje Fier-Siliciu-AluminiuAcest aliaj cunoscut sub denumirea de alsifer,se obtine prin sinterizarea pulberilor si contine 9.5% siliciu , 5,5% aluminiu si restul fier.Are caracteristici magnetice foarte bune si este utilizat la fabricarea de ecrane magnetice,de carcase pentru masini si aparate electricie.Aliaje Fier-NichelAceste aliaje sunt cunoscute sub denumirea de permalloy si s caracterizeaza prin permaeabilitate magnetica foarte mare , camp coercitiv si pierderi magnetice mici.Caracteristicile magnetice ale acestor aliaje depinde de compozitia ,puritatea elementelor componente ,tehnologia de elaborare , precum si de tratamentectermice la care au fost supuse.Aliaje Fier-Cobaltde saturatie mare,datorita procentului ridicat de cobalt (intre 35 si 50%). Aliajul fiind foarte casant se prelucreaza greu; de aceea , i se adauga 2%vanadium,care faciliteaza prelucrarile mecanice.Ferite Magnetice MoiAceste aliaje sunt folosite cu precadere la frecvente inalte ,deoarece au rezistivitate mare ajungand pana la 10Ω cm.Feritele au avantajul ca pot fi folosite la realizarea pieselor compacte,cu pierderi prin curenti turbionari acceptabile. Dupa realizarea peliculelor cu grosimi extreme de mici,avand ca rezultat micsorarea substantiala a curentilor turbionali,sunt magnetizate.Aliaje termocompensatoare sunt caracerizate prin permeabilitae creste cu scadereatemperaturii. Aceste alaije sunt folosite la compenasatoare erorilor de temperatura a magnetilor permanenti,la care fluxul creste cu scaderea temperaturii.Aliaje MagnetostrictivePrin magnetostrictive se intelege variatia dimensiunilor fizice ale unui material feromagnetic sub influenta unui camp magnetic exterior.Cobaltul si nichelul,precum si o serie de aliaje ale acestora,sunt materiale cu o magnetoconstructie pronuntata. [3] Ele sunt caracterizate de intensităţi ale câmpului magnetic coercitiv de valori scazute (până la 1000 A/m), inducţie remanentă mică, inducţie de saturaţie relativ mare, ciclu de histerezis îngust şi pierderi mici prin histerezis şi curenţi turbionari. Toate materialele pot fi clasificate, din punct de vedere magnetic, în cinci mari categorii [1], şi anume:

Materialele diamagnetice au o susceptibilitate magnetică subunitară şi negativă. Ele se magnetizeaza invers decât câmpul magnetic aplicat. Datorită susceptibilităţii foarte mici materialul nu rămâne magnetizat în absenţa câmpului.

Materialele paramagnetice au o susceptibilitate magnetică pozitivă dar de valori mici. Ele se magnetizează în sensul câmpului magnetic aplicat. La fel ca la materialele diamagnetice starea de magnetizare dispare odată cu dispariţia câmpului extern.

Materialele feromagnetice sunt reprezentate de aliaje ale fierului cu nichelul şi siliciul sub formă de table electrotehnice. Adăugarea de siliciu are ca efect creşterea rezistivităţii şi a permeabilităţii magnetice. În tabelul 1 sunt prezentate principalele materiale magnetice.

Materialele antiferomagnetice au în structura lor două subreţele magnetice cu momente magnetice egale şi orientate antiparalel. Materialele antiferomagnetice (cele mai cunoscute fiind MnO, FeO) nu au importanţă practică deosebită.

Materialele ferimagnetice au de asemenea două (sau mai multe) subreţele magnetice cu momente magnetice opuse dar acestea sunt necompensate. Materialele ferimagnetice au rezistivităţi ridicate care determină pierderi reduse prin curenţi turbionari. Materialele metalo-ceramice cu proprietăţi ferimagnetice se numesc ferite.[4]

Tabelul 1. Principalele materiale magnetice moi şi caracteristicile lor magnetice.

2. Caracteristici magnetice:

2.1. Explicaţia fenomenului de magnetizare considerând modelul atomic Explicaţia fenomenului de magnetizare se poate face pornind de la modelul atomic [2] al

lui Bohr şi considerănd momentele magnetice ale particulelor componente ale acestuia (electroni, protoni şi neutroni). Fiecare electron se învârteşte pe câte o orbită, şi produce aşa numitul moment magnetic orbital. Pentru atomii multielectronici calculele sunt mai complicate. Fiecare strat poate avea un anumit număr maxim de electroni şi de aici un număr maxim de substraturi. Fiecare orbită se află la o anumită distanţă faţă de nucleu, şi de aceea

electronul aflat pe o orbită poate avea doar o anumită valoare a energiei. Această energie este alcătuită din doi termeni, şi anume: energia potenţială a electronului în câmpul electric al nucleului şi energia cinetică. Un substrat poate fi complet sau incomplet ocupat cu electroni. Cel mai exterior strat este cel care defineşte proprietăţile chimice ale substanţei denumit strat de valenţă. Aceşti electroni se numesc electroni de valenţă, iar orbitele lor, orbite de valenţă. Mai mult, se presupune că fiecare electron are o rotaţie de spin. Această mişcare de spin corespunde unui moment cinetic de spin şi unui moment magnetic de spin.

2.2. Teoria domeniilor de magnetizare spontană (domeniile Weiss) În anul 1907, Weiss a considerat că materialele feromagnetice sunt alcătuite dintr-o mulţime de mici domenii, fiecare dintre ele fiind magnetizate spontan, la starea de saturaţie. Din acest motiv magnetizarea şi demagnetizarea unui corp este un fenomen macroscopic rezultat din compunerea acestor câmpuri magnetice produse de aceste mici domenii, având momente magnetice. Aceste domenii se numesc domenii moleculare, domenii de magnetizare elementară sau domenii Weiss. 5 Pentru aceste domenii Weiss a introdus conceptul de câmp molecular (valoarea medie a intensităţii câmpului magnetic). Conform teoriei bazate pe acest concept, câmpul magnetic care apare într-un domeniu molecular nu este câmpul magnetic de intensitate H din teoria clasică, dar este un câmp a cărui intensitate este denumită intensitatea câmpului magnetic efectiv: Hef = H + b M (1) unde: - M este magnetizaţia şi - b este coeficientul câmpului molecular Weiss. Sub acţiunea unui câmp exterior, momentele magnetice ale domeniilor moleculare se orientează de-a lungul direcţiei câmpului exterior. Dacă acest câmp exterior slăbeşte sau dispare complet, starea anterioară de magnetizare se menţine parţial. Această stare poate fi distrusă de mai mulţi factori printre care: încălzirea, stabilirea unui câmp magnetic opus celui precedent, destul de puternic pentru a magnetiza corpul în direcţia lui (cunoscut sub denumirea de câmp magnetic coercitiv). [1,2,4]

2.3 Fenomnele magnetice legate de porţiunile caracteristicilor magnetice

2.3.1. Porţiunile curbei de primă magnetizare a materialelor feromagnetice Considerăm punctul de început al curbei de magnetizare ca fiind starea în care intensitatea câmpului magnetic şi magnetizaţia sunt zero. Pentru o creştere relativ mică a intensităţiicâmpului magnetic până la valoarea Ha, creşterea rezultantei macroscopice a magnetizaţiei este obţinută mai ales prin mărirea volumului acelor domenii elementare al căror vector moment magnetic face un unghi ascuţit cu vectorul intensitatea câmpului magnetic. Creşterea domeniilor se obţine prin deplasarea în salt a pereţilor domeniilor. Acest stadiu apare la o anumită intensitate a câmpului magnetic notată cu Hd. 9 Crescând mai mult intensitatea câmpului magnetic, se obţine creşterea magnetizaţiei macroscopice mai ales datorită rotaţiei vectorilor magnetizaţie ai domeniilor elementare, în direcţia câmpului magnetic extern. Mărind intensitatea câmpului magnetic extern se ajunge în situaţia în care vectorii magnetizaţie ai domeniilor sunt în direcţia câmpului magnetic exterior. Se obţine valoarea Ms a saturaţiei vectorului magnetizaţie, respectiv a vectorului inducţie magnetică de saturaţie Bs . Rotaţia vectorilor domeniilor este parţial reversibilă.

Când ne referim la întreaga curbă de histerezis a unei substanţe feromagnetice, ramura descendentă pornind din punctul în care intensitatea câmpului magnetic este Hs , până la un punct din al doilea cadran, apare o rotire parţială a vectorilor moment magnetic ai domeniilor. Mergând mai departe în cadranul al treilea, de-a lungul aceleiaşi caracteristici, apare o deplasare ireversibilă a pereţilor domeniilor. Mai departe se obţine saturaţia în punctul – Hs . Din punctul – Hs se produc fenomene similare ca pentru curba descendentă din punctul Hs , dar de direcţie opusă. [2,4]

Fig.2

Fig.1Fig. 1. Caracteristica de primă magnetizare cu explicarea fenomenelor care se produc în interiorul materialului. Deoarece magnetizaţia scade în al doilea cadran de la valoarea remanentă la zero, această porţiune din curbă se numeşte curbă de demagnetizare. Trebuie menţionat că demagnetizarea unui corp este favorizată de fenomenul numit nucleaţie magnetică. Formarea unui nucleu, o micăregiune în care începe magnetizarea inversă, sub acţiunea unei intensităţi relativ mici a câmpului magnetic extern, se numeşte nucleaţie. Fig. 2. Nucleaţia magnetică. Dacă eşantionul are anumite defecte, cum ar fi impurităţi sau neuniformităţi ale structurii cristaline, atunci este posibil ca pentru un câmp magnetic de amplitudine mai mică să se producă reversarea momentelor magnetice din regiunile înconjurătoare locului de defect. Ha Hd Hs 10Ca o consecinţă, apare un perete de separţie al acestei regiuni de restul. Acest perete sub acţiunea câmpului magnetic aplicat se mişcă ducând la demagnetizarea întregului eşantion. În timpul acestei mişcări peretele este străpuns de alte puncte de defect ale eşantionului. Este posibil să apară mai multe puncte de nucleaţie în acelaşi timp. O astfel de nucleaţie este reprezentată în figura 2. [2,4,1]

2.4 Cicluri de histerezis caracteristice

2.4.1 Tipuri de fenomene de histerezis

Curba de histerezis reprezintă dependenţa dintre una dintre mărimile: magnetizaţie M, polarizaţie magnetică Mj, sau inducţie magnetică B, şi intensitatea câmpului magnetic H, pentru o variaţie a lui H într-un interval cuprins între anumite valori H1 şi H2, după cum urmează: H1 → H2 → H1. Pentru materialele feromagnetice se obţine o curbă închisă, care este denumită curbă de histerezis sau ciclu de histerezis. Curba de histerezis şi fenomenul de histerezis pot fi de două feluri: - histerezis alternant - Curba de histerezis este obţiuntă în următoarele condiţii: direcţia câmpului magnetic rămâne neschimbată, dar amplitudinea şi semnul variază. - histerezis rotativ - Curba de histerezis este obţinută în următoarele condiţii: valoarea intensităţii câmpului magnetic ramâne neschimbată, dar variază direcţia acestuia. [4]

2.4.2. Cauzele fenomenului de histerezisAcestea se încadrează în două categorii: • rămânerea în urmă a pereţilor domeniilor, în cazul unui câmp magnetic de o intensitate destul de mare. • rămânerea în urmă a rotaţiei vectorilor magnetizaţie ai domeniilor elementare când câmpul extern este modificat. Energia pereţilor domeniilor depinde de poziţia lor. Datorită defectelor şi a prezenţei incluziunilor în reţeaua cristalină, această poziţie poate varia într-un mod aleatoriu în orice direcţie, având maxime şi minime(vârfuri şi văi energetice). Dacă dintr-un motiv oarecare, de exemplu un câmp magnetic extern, peretele este deplasat dar rămâne aproape de nivelul de energie minim, deplasarea este reversibilă, deoarece peretele revine la poziţia iniţială după încetarea acţiunii câmpului extern. Dacă deplasarea peretelui trece de un vârf de energie deplasarea nu mai este reversibilă, peretele ramănând în valea următoare cu energie minimă. Pentru a aduce înapoi peretele este necesar un câmp magnetic extern cu direcţie opusă, de o valoare destul de mare pentru a face trecerea înapoi peste vârful de energie. Cea de a doua cauză îşi are explicaţia în faptul că la finalul magnetizării unui corp feromagnetic, magnetizaţia creşte datorită modificării bruşte a direcţiei de magnetizaţie spontană a domeniilor elementare de-a lungul câmpului magnetic extern. [4,2]

ConcluziiMaterialele magnetice moi sunt caracterizate de inducţia remanentă mică, inducţia de saturaţie relativ mare, ciclul de histerezis îngust şi pierderi mici prin histerezis şi curenţi turbionari.Acestea sunt fierul,fonta,otelul, aliaje- fier siliciu, aliaje fier-siliciu-aluminiu,aliaje fier-nichel, fier-cobalt, ferrite magnetice moi, aliaje Termocompensatoare, aliaje magnetostrictive.Studiul materialelor magnetice moi este important ţinând cont de numărul aplicaţiilor în care se folosesc aceste materiale. În literatura de specialitate se găsesc destule studii asupra materialelor magnetice, vizând anumite caracteristici sau obţinerea de noi materiale.S-a realizat o descriere a fenomenelor care produc magnetizarea. S-a făcut caracterizarea curbei de primă magnetizare şi a ciclului major de histerezis, ţinând cont de fenomenele magnetice care se produc în interiorul materialului. Tot aici sunt prezentate diverse alte curbe magnetice care se pot obţine prin varierea intensităţii câmpului magnetic între anumite limite între valorile de saturaţie.

Bibliografie:

[1] Burzo, E., Fizica Fenomenelor Magnetice, Editura Academiei Române, vol. 1, 1979, Bucureşti. [2] Nicolaide, A., Magnetism and Magnetic Materials, Transilvania University Press, Brasov, Romania, 2001.[3]Materiale electrotehnice si electronice”- Ileana Fetita-Editura Didactica si Pedagogica Bucuresti 1993;[4] Studiul caracteristicilor magnetice ale materialelor magnetice moi, Rezumat teza doctorat, Ing. Septimiu Daniel MOTOAŞCĂ[5] Proprietăţi structurale şi magnetice ale materialelor de tip dur/moale cuplate prin schimb,rezumat teza de doctorat, Maria Simona Guţoiu,2011