Proces magnesowania magnetyków
Wielkości fizyczne opisujące zjawiska w magnetykach
Ważną grupą materiałów stosowanych w szeroko pojętej technice są materiały magnetyczne tzw. magnetyki. W zależności od sposobu wytwarzania dzielą się one na monokryształy, stopy czy proszki spiekane. Ze względu na wewnętrzne uporządkowanie magnetyczne można wyróżnić wśród nich:
- ferromagnetyki – równe co do wartości momenty magnetyczne ustawione równolegle o tym samym zwrocie;
- antyferromagnetyki – momenty magnetyczne ustawione antyrównolegle;
- ferrimagnetyki – momenty magnetyczne o różnych wartościach ustawione są antyrównolegle w dwóch podsieciach.
Bez względu na sposób wytwarzania i uporządkowania wewnętrznego własności magnetyczne magnetyka opisują trzy wielkości wektorowe:
H – natężenie pola magnetycznego;
B – indukcja magnetyczna;
M lub J – zwane polaryzacją magnetyczną, namagnesowaniem, magnetyzacją, które są zdefiniowane jako moment magnetyczny jednostkowej objętości materiału.
Indukcja magnetyczna B wyraża się wzorem, [1]:
B = B0 + Bw
gdzie B0 jest indukcją magnetyczną zewnętrzną wytworzoną przez pole H powstałe np. w wyniku przepływu prądu przez solenoid nawinięty na magnetyku. Wyraża się ona wzorem:
B0 = μ0H
Drugi człon wzoru jest indukcją wewnętrzną magnetyka, którą można zapisać:
Bw = μ0(M lub J)
Jak już wcześniej zaznaczono M lub J zdefiniowane są jako moment jednostkowej objętości materiału magnetycznego i wraz ze zmianą natężenia pola przyczyniają się do zmiany namagnesowania badanej próbki jako całości.
W praktyce przyjęło się, że dla materiałów miękkich magnetycznie – (o HC od kilku do kilkudziesięciu [Oe]) – polaryzacja magnetyczna oznaczana jest literą M a wzór na indukcję ma postać:
B = B0 + μ0M
Dla materiałów twardych magnetycznie, czyli magnesów stałych (o HC od kilkuset aż do kilku tysięcy [Oe]) - magnetyzacja oznaczana jest zwyczajowo literą J stąd wzór na indukcję przybiera postać:
B = B0 + μ0J
Spośród trzech w/w wielkości fizycznych wielkościami mierzalnymi bezpośrednio są indukcja magnetyczna B i natężenie pola H. Magnetyzacja M lub J jest wielkością obliczaną na podstawie znajomości B i H. W urządzeniach profesjonalnych takich jak histerezografy proces obliczania i wykreślania namagnesowania następuje automatycznie.
Do wyznaczenia indukcji magnetycznej wystarczy prosty układ pomiarowy przedstawiony np. na rys.1a), [2].
Przedstawiona na rys. 1a) próbka mierzonego materiału (żelaza polikrystalicznego) została wykonana w postaci pierścienia z nawiniętymi dwoma uzwojeniami. Prąd zmienny I płynący w pierwszym uzwojeniu indukuje pole magnetyczne o natężeniu H:
H ~ N×I/2πRśred.
Mierząc natężenie prądu, znając liczbę zwojów oraz średni promień próbki można obliczyć wartość natężenia pola magnetycznego. Na rys. 1b) wartość pola H stanowi zmienną niezależną, os rzędnych - x. Zmienne pole H przyczynia się do powstania wewnątrz badanej próbki zmiennego strumienia magnetycznego Ф. W drugim uzwojeniu, proporcjonalnie do szybkości zmian strumienia, indukuje się siła elektromotoryczna Ɛ – czyli różnica potencjałów. Wartość indukcji magnetycznej B jest proporcjonalna do tej różnicy i jest umieszczona na osi odciętych - y.
Próbka żelaza, dla której wykonano pomiary była rozmagnesowana tak, więc w momencie startu wartości H i B wynosiły 0. Jak widać na rys. 1b) wraz ze wzrostem pola magnetycznego indukcja magnetyczna rośnie nieliniowo najpierw umiarkowanie a następnie gwałtownie, by w końcu ulec wypłaszczeniu i osiągnąć nasycenie. Okazuje się, że zmniejszanie wartości pola magnetycznego od punktu H = 4 [Oe] (nasycenie indukcji) do H = 0, objawia się zmniejszeniem wartości indukcji z ok.14 [kGs] do ok. 13 [kGs] w przecięciu z osią y. Wartość ta to tzw. pozostałość magnetyczna lub indukcja remanencji Br. Powstały odcinek krzywej B = f(H) nie pokrywa się z pierwotną krzywą magnesowania. Zjawisko to zwane jest histerezą magnetyczną.
Zmiana zwrotu natężenia pola magnetycznego na przeciwny oraz jego wzrost w kierunku coraz większych wartości ujemnych prowadzą do zmniejszenia indukcji aż do zera. Wartość natężenia pola w tym punkcie nosi nazwę natężenia powściągającego lub natężenia koercji i jest oznaczana symbolem BHC lub JHC w zależności czy zaznaczona wartość dotyczy przebiegu B = f(H), czy J = f(H).
Dalsze zwiększanie ujemnej wartości pola skutkuje osiągnięciem ujemnego stanu nasycenia. Z kolei zmiana zwrotu i powrót z wartością pola do wartości dodatnich zamyka cały wykres w pętlę zwaną pętlą histerezy.
Natężenie pola magnetycznego dla próbki żelaza z rys. 1b) wynosi kilka [Oe]). Osiągnięta dla pola H = 4 [Oe] wartość indukcji nasycenia BS wynosi ok. 14000 [Gs]. W związku z tym udział wartości indukcji zewnętrznej B0 w całej indukcji jest bardzo mały μ0H << μ0M i wzór na indukcję całkowitą B przybiera postać:
B ≈ Bw = μ0M
Oznacza to, że wykres indukcji B dokładnie odwzorowuje przebieg namagnesowania wewnętrznego materiału miękkiego magnetycznie –próbki żelaza.
W przypadku magnesów stałych namagnesowanie wymaga tak dużych pól, że oba człony wzoru na indukcję magnetyczną mają porównywalny udział w jej końcowej wartości.
B = B0 + μ0J
Na rys. 3 przedstawiono wykresy B = f(H) i J = f(H) dla anizotropowego magnesu ferrytowego. Pomiarów dokonano w firmie ENES. Wykres μ0J = B - μ0H został sporządzony automatycznie.
Na rys. 4 pokazano przebieg indukcji magnetycznej B w drugiej ćwiartce układu współrzędnych dla magnesu neodymowego. Podobnie jak dla przypadku na rys. 3 obliczony i wykreślony został przebieg namagnesowania μ0J = B - μ0(- H).
w drugiej ćwiartce układu współrzędnych dla magnesu neodymowego wraz z obliczonym automatycznie i punkt po punkcie namagnesowaniem μ0J = B - μ0H. Pomiar wykonano przy pomocy histerezografu IS-300.
Na rysunkach 3 i 4 zobrazowano sposób obliczenia punkt po punkcie przebiegu μ0J = B - μ0H na podstawie znajomości indukcji B i pola H. Dla właściwego zilustrowania obliczeń pole magnetyczne wyrażono w [kOe] zaś indukcję w [kGs]. Taki dobór układu jednostek sprawił, że przedstawiony powyżej wzór na namagnesowanie uległ drobnej modyfikacji przyjmując postać 4πJ = B – H. Po jednym przykładowym obliczeniu dla danych z rysunków 3 i 4 zaprezentowano poniżej:
→ B = 12,3 [kGs] (oczytane z wykresu)
→ 4πJ = 12,3 – 8,25 = 4,05 [kGs]; (odczytane 4,02 [kGs])
→ B = 4,9 [kGs] (oczytane z wykresu)
Opis mechanizmu przemagnesowania magnetyka
Wzrost wartość natężenia pola magnetycznego oddziaływującego na magnesowany magnetyk prowadzi do wzrostu wewnętrznej indukcji magnetycznej M lub J co obrazuje pierwotna krzywa magnesowania przedstawiona na rys. 5, [3].
Osie współrzędnych na rys. 5 nie są jednakowe – oś rzędnych H obejmuje zakres od zera do dziesiątek [Oe], a oś odciętych B zmienia się od zera do tysięcy [Gs].
Jak widać wzrost indukcji jest nieliniowy i można go podzielić na trzy etapy.
Etap I:
W tym etapie przemagnesowania wzrost objętości obszarów o kierunkach momentów magnetycznych zgodnych lub zbliżonych do kierunku zewnętrznego pola magnetycznego polega na odwracalnym przemieszczaniu się ścian domenowych. Odwracalne przemieszczanie oznacza, że po ustąpieniu czynnika wymuszającego ściany powrócą do swojego położenia wyjściowego.
Rys.6 przedstawia schemat formowania się domen magnetycznych w przykładowym ferromagnetyku - monokrysztale żelaza, [3].
a)
b)
c)
d)
e)Jak widać na rys. 6a) obszar jednodomenowy dążąc do zminimalizowania energii wewnętrznej dzieli się tak by w końcowym etapie powstała struktura domenowa zamknięta o zerowym zewnętrznym polu magnetycznym i najniższej energii wewnętrznej. Ilustruje to rys. 6e). Linie przerywane pomiędzy domenami reprezentują strefy przejściowe oddzielające obszary o przeciwnym namagnesowaniu. Strefy te nazywane są ścianami domenowymi i swoim zasięgiem obejmują ok. kilkuset stałych sieciowych badanego materiału. Przykładową ścianę domenową przedstawiono schematycznie na rys. 7, [3].
Na podstawie rys.7 widać wyraźnie, że jeżeli obszarem z wyróżnionym zwrotem momentów magnetycznych jest obszar po prawej stronie rysunku to ściana domenowa ulegnie przesunięciu w stronę lewą. Ze względu na małą wartość natężenia pola zakres tego przesunięcia będzie niewielki i po ustąpieniu czynnika wymuszającego ściana wróci do położenia wyjściowego.
Etap II:
Zgodnie z rys. 5 dalszy wzrost natężenia pola magnetycznego wywołuje szybki wzrost indukcji magnetycznej. Można to wytłumaczyć faktem uczestnictwa w przemagnesowaniu coraz większej liczby domen magnetycznych, głównie tych których kierunek namagnesowania jest tylko zbliżony do kierunku narzuconego przez zewnętrzne pole magnetyczne. W tym etapie magnesowana próbka osiąga od 80 do 90% namagnesowania nasycenia.
Etap III:
Dalszy wzrost indukcji może być osiągnięty jedynie przez obrót momentów magnetycznych na kierunek narzucony przez pole zewnętrzne. W tej fazie indukcja magnesowanej próbki zbliża się do stanu praktycznego nasycenia.
Odwrócenie pola magnetycznego powoduje proces przeciwny – rozmagnesowanie, a następnie przemagnesowanie badanej próbki w kierunku przeciwnym. Zjawiska zachodzące wewnątrz materiału w czasie tego procesu są analogiczne jak w procesie magnesowania. Należy podkreślić, że obrazem pełnego przemagnesowania jest zamknięta pętla zwana pętlą histerezy, rys.2 [3].
LITERATURA
Autor: Ryszard Frender